浮法玻璃熔窯運行火災事故樹分析

段樹軍,陳 超

(1.中建材玻璃新材料研究院集團有限公司,蚌埠 233010; 2.中國建材國際工程集團有限公司蚌埠分公司,蚌埠 233010)

隨著我國新材料、高端設備戰略新興產業不斷發展,關鍵核心技術創新應用對材料要素保障能力的要求不斷提高,將加速材料產業快速發展。玻璃是國民經濟發展中的重要基礎材料,在政策支持和技術迭代的作用下,玻璃材料的應用呈現多樣化的趨勢,主要應用于建筑裝飾、汽車制造、光伏新能源、電子顯示屏幕以及特種玻璃等領域。當下國內玻璃產能受到新能源光伏、汽車以及電子產品的需求刺激,玻璃產線持續增加,技術領域的革新,使得玻璃生產向大產能、多產線的趨勢發展。熔窯作為玻璃產線的核心設備,決定生產玻璃的質量和效率,同時熔窯是重要的熱工設備[1],高溫環境存在的危險有害因素也帶來火災事故的隱患。針對浮法玻璃熔窯運行中的火災危險源識別,運用事故樹分析的方法對火災事故進行分析,制定合理的控制措施與建議。

1 浮法玻璃熔窯火災事故原因分析

1.1 浮法玻璃熔窯的概述

玻璃熔窯是用于熔制玻璃配合料的熱工設備,是玻璃生產中的關鍵設備。玻璃熔窯由鋼結構材料與不同種類的耐火磚材料構成,產品工藝不同采用的玻璃熔窯設計也不同。浮法玻璃制造在國內工藝技術成熟、市場占用率大、產能高,對浮法玻璃熔窯進行火災事故安全分析具有較高的價值。浮法玻璃熔窯的功能區域劃分為投料口、熔化部、均化區、卡脖、冷卻區、煙道等分區[2]。熔窯正常運行中使用火焰噴槍加熱熔融玻璃配合料同時控制爐內溫度的變化幅度,保持熔窯內部溫度穩定在1 300～1 600 ℃[3]。國內浮法玻璃制造企業使用的燃料是天然氣、重油[4]。

1.2 熔窯火災事故原因分析

浮法玻璃熔窯長期處于高溫運行,熔窯內部溫度的波動大、投入的玻璃原料中含有雜質多會對爐體耐火材料產生腐蝕和破壞。因此,熔窯在運行一段時間后會進行停爐冷修技術改造來保證玻璃產品的質量和生產效率,而一旦發生爐體耐火材料的破壞,就可能導致熔窯破壞玻璃液泄漏引起火災事故。國內玻璃廠火災事故頻繁發生。2004年,重慶吉馬玻璃制品有限公司由于玻璃熔窯底部泄露,引起大火;2012年,蘭州市七里河區蘭州黃河精煉玻璃制品包裝有限公司一車間內的玻璃熔爐發生泄漏,高達1 500 ℃的玻璃液從熔爐中流出,導致車間燃燒;2014年,瀘州金瀘玻璃廠玻璃熔窯發生泄漏,引燃周邊可燃物體;2019年,江門華灃特種玻璃有限責任公司熔窯玻璃液泄漏。

1.2.1 熔窯的因素

熔窯的施工設計缺陷與爐體損壞造成高溫玻璃液泄漏、熔窯穿火以及煙道高溫煙氣泄漏的情況,可能引發火災事故。

造成玻璃液泄漏的主要原因有:1)爐齡較長,耐火材料損耗。由于長期高溫運行,爐體本身耐火材料就存在損耗。在臨近冷修期的熔窯,可能會產生耐火磚腐蝕嚴重,導致玻璃液泄漏。2)原料雜質多,水分大。制作玻璃的混合原料中雜質和水分的含量過高,會對爐內溫度造成較大的波動。溫度變化過大,以及雜質中含有Fe、Mg離子過多,對耐火材料使用壽命產生影響。3)熔窯設備故障。熔窯火焰噴槍由中控設備控制運行,如果遇到電力和系統故障導致爐內溫度下降過快,不能及時恢復,會對熔窯耐火材料損害過大。4)工作人員操作失誤或違章作業。

熔窯穿火表現為爐內火焰穿出熔窯內部,造成周圍環境溫度升高。造成熔窯穿火的主要原因有:1)耐火磚接縫過大。在熔窯施工建設中需要考慮耐火材料在溫度上升過程中,自身含有的水分以及產生的熱脹冷縮效應,在磚與磚接縫處留有一定寬度的膨脹縫。對于不同位置設置的膨脹縫寬度不同,如留有過大的膨脹縫可能導致熔窯穿火。2)熔窯工作面有掉角、碎裂。熔窯施工建設中未能發現耐火材料的質量缺陷或者施工操作中碰損。3)爐齡較長,耐火材料損耗破損。

熔窯煙道是氣體的通道,將空氣注入熔窯并把煙氣排出。爐內高溫煙氣在蓄熱室內與空氣進行充分熱交換后,仍然能達到400～500 ℃。造成煙氣泄漏的主要原因有:1)煙道閘板門未正常關閉。煙道調節閘板用于控制煙氣與空氣的交換,當閘板門異常未關閉會導致煙氣的泄漏。而造成的原因有:(1)液壓油缸由于日常維護不夠,金屬腐蝕嚴重,導致失效。(2)熔窯產生的高溫煙氣含有大量灰塵,堆積過多造成閘板門關閉異常。(3)電磁轉向閥故障。2)高溫煙氣含有一定酸性雜質,同時溫度較高,煙道被腐蝕嚴重[5]。

1.2.2 電氣的因素

熔窯使用熱電偶監控窯內溫度變化,設置風機用于冷卻和助燃,在對設備電力供應上需要大量敷設電纜線,在高溫下可能被引燃。同時,過電壓和短路會導致電線被擊穿,產生電火花。

1.2.3 人員因素

工作人員的安全意識也是引起火災事故的原因之一。在車間內抽煙、違章動火作業以及違章作業操作失誤等都是火災事故發生的隱患。

1.2.4 可燃物因素

熔窯工段可能存在的可燃物,主要包括玻璃包裝材料、天然氣、重油、電纜電線、車間內運輸車輛等。

2 事故樹分析法的概述

安全評價方法按照評價結果的量化程度可以分為定性評價和定量評價。常用的定性評價方法有安全檢查表、作業條件危險性評價法以及危險與可操作分析等方法,定量評價方法有危險指數法、定量風險評價方法等。事故樹分析法既屬于定性評價也屬于定量評價方法,在安全評價中較為常用。

事故樹分析法是一種邏輯分析的方法,定性或定量地分析事件發生的可能途徑與概率,找出避免事故發生的方案與對策。如圖1所示,在對目標系統熟悉的前提下,首先要確定分析系統的頂上事件,明確分析的范圍,對系統中危險有害因素進行識別,判斷該危險薄弱環節是否與事故原因有關,確定基本事件,最后,編制事故樹,按照層級邏輯畫出事故樹,并對其進行定性或定量分析,得出結論,提出安全防護措施與建議。

3 浮法玻璃熔窯火災事故樹分析

3.1 事故樹建立

采用事故樹方法對玻璃熔窯火災事故進行分析。首先,以“浮法玻璃熔窯火災”為頂上事件,×為與門,表示所有輸入事件同時發生,輸出事件才會發生;+為或門,表示任何一個輸入事件發生,則輸出事件就會發生。T表示為頂上事件符號,J、M、K表示為中間事件符號,X表示基礎事件符號。玻璃熔窯火災事故樹如圖2所示,基本事件表如表1所示。

表1 基本事件表

3.2 事故樹的定性分析

3.2.1 最小割集與徑集的計算

最小割集是導致頂上事件發生的最低限度的基本事件的集合,最小徑集是指頂上事件不發生的最少基本事件的集合,去掉任何一個基本事件,頂上事件就不會發生。列出事故樹的結構函數

T=J1×J2=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M1+M2+M3+M4+X18+X19)=

(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X8+X9+X10+X11+X7+K1+X15+

X16+X17+X18+X19)=(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X8+X9+X10+

X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19)

運用布爾代數法化簡求出玻璃熔窯火災事故樹的最小割集數量繁多,共有70個,因此,將事故樹轉化成為成功樹,求得最小徑集有2個

P1={X1,X2,X3,X4,X5,X6},P2={X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16,X17,X18,X19}

3.2.2 結構重要度分析

結構重要度分析是從事故樹的結構上分析基本事件的重要度,采用最小割集或徑集的近似計算各項基本事件的結構重要度公式,求解公式為

式中,IΦ(i)為第i個基本事件的結構重要度系數;k為最小割集或徑集數量;m為包含第i個基本事件的最小割(徑)集數目,nj為第i個基本事件所屬的第j個最小割(徑)集中基本事件總數。

經計算得出,各項基本事件的結構重要度為

IΦ(7)=IΦ(8)=IΦ(9)=IΦ(10)=IΦ(11)=IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14)=

計算結果可以得出,基本事件X1～X6結構重要度最大,其次為X7～X19。

4 浮法玻璃熔窯火災事故風險防控

浮法玻璃熔窯工段由于長年高溫運行,爐內玻璃液溫度高,現場火災事故的危險源較多,結合玻璃熔窯火災事故樹基本事件提出相應的風險防控措施。

對浮法玻璃熔窯工段存在的可燃物質進行采取相應的控制措施,相對于點火源的控制也更加容易,其結構重要度系數也較大。

1)天然氣與重油管道布置在熔窯內部,為火焰噴槍提供燃料。為防止管道出現燃料泄漏,可以在天然氣與重油燃料的設備管道上安裝泄漏檢測報警與緊急切斷裝置。一旦出現儀器儀表報警,要及時追蹤,找出故障原因,及時消除故障,同時要加強日常安全檢查,對管道的運行監測數據情況進行記錄。

2)對窯爐使用的熱電偶、風機設備電源線纜與配電柜要做好日常檢查維護,檢查是否存在溫度過高電纜外皮熔化,調整與高溫設備的安全距離。同時,對配電設備進行監測,防止出現短路、過電壓導致的引燃。

3)場內窯爐工段要保證干凈清潔,及時清理可燃的包裝材料。經過的場內車輛要慢行,防止碰撞窯爐結構。

由于窯爐工段屬于高溫區域,對現場的點火源尤其是明火要嚴格控制防范。

(1)中控室工作人員要及時關注窯爐爐溫的異常變化。當操作步驟一切正常,但爐內溫度異常時,要佩戴好防護設施去熔窯工段進行現場排查,一旦發現有漏料情況,應當立即通報,啟動應急程序,保證人員安全疏散,做好應急防護工作,聯合相關部門對現場漏料進行處理。

(2)工作人員應當對熔窯工段進行每日安全巡查,發現爐體結構有損壞,要判斷影響程度,及時對爐體進行防護修理。當熔窯達到使用年限或熔窯內部耐火材料腐蝕、破損較大,應當對熔窯實施停爐冷修,制定冷修計劃,保證生產安全。

(3)觀察煙道內部壓力變化。一旦出現壓力異常變化,要檢查煙道閘板開合是否正常,煙道外部的耐火磚是否有破損,顏色是否變化。

(4)工作人員的安全行為。要全面推進全員安全生產責任制的落地,建立安全生產標準化體系,落實安全生產監督管理條例。進場人員必須完成三級安全教育,并通過考核后才能上崗。工作人員必須嚴格遵守崗位安全操作規程的要求操作。現場管理人員要落實日常工作監督檢查的職責,一旦發現違規作業要及時糾正并按照安全生產獎懲措施予以懲罰批評。

(5)提升應急處置能力。嚴格按照相關法律法規制定本單位應急管理方案,并定期舉行安全應急管理演練,加強工作人員的應急處置能力,要保證應急救援的資金保障力度,配置應急物資,并做好定期維護檢查。