火炸药工艺安全性的研究方法

王晓峰

工艺安全是火炸药产品实现工业制造的前提。随着新材料、新工艺的不断涌现,长期积累的老经验不再完全适用和可靠,传统的试错型工艺研究方法又不再可行,如何实现和保障工艺安全,成为我们当前需要突破的一个重大“瓶颈”。

由于工艺安全工作涉及到方方面面,是一个复杂的系统工程,自然会引起各方的高度重视和积极作为。但是,在这个复杂系统中,如何抓住最基础、最核心的要素,如何协同各方形成合力和取得实效,需要我们从认识论和方法论的高度进行系统思考。

1 工艺安全和工艺安全性

什么是“安全”?按照中文“无危则安,无缺则全”的释义,“安全”是相对于“危险(hazard)”而言的,是指不受威胁,没有危险、危害、损失。而实际上,危险无时无处不在,正如俗话所说的“人在屋中坐,祸从天上来”,绝对的安全是不存在的。所以,准确地讲,“安全”应该是相对于“风险(risk)”而言的,“风险”是对某一危险的可能性和严重性的综合度量。

按照国家标准(GB/T 28001)的定义,“安全”是免除了不可接受的损害风险的状态。当风险的严重程度是合理的,在经济、身体、心理上是可承受的,即可认为处在安全状态;当风险达到不可接受的程度时,则形成不安全状态。不可接受的损害风险指超出了法规的要求,超出了方针、目标和组织规定的其他要求以及超出了人们普遍接受程度的要求等。国际民航组织对“安全”的定义与此类似:安全是一种状态,即通过持续的危险识别和风险管理过程,将人员伤害或财产损失的风险降低并保持在可接受的水平或其以下。

对“安全”概念的深究,是为了防止两种倾向:一是追求绝对的安全,抓不住主要矛盾;二是认为安全不可控,从而放松应有的努力。

从范畴看,安全有广义和狭义之分。广义的安全是生产、生活、生存领域的大安全,是全民、全社会的安全;狭义的安全是指某一领域或系统中的安全,具有技术安全的含义,如生产安全、交通安全等。工艺安全是一种狭义的安全,是生产安全的核心内容,指的是在生产过程中,将工艺系统(物料、工装、设备、设施)的运行状态对人的生命、财产、环境可能产生的损害控制在可接受水平以下的状态。

如何实现工艺安全? 在工艺设计和运行管理两个阶段中,工艺安全设计显然是根本。从设计阶段就对安全问题进行科学和周密的考虑,防止“先天不足”,是安全生产中一个至关重要的环节。

工艺安全设计就是把生产过程中潜在的不安全因素进行系统地辨识,这些不安全因素能在设计中消除的,就在设计中消除,达到“本质安全”;不能消除的,则要在设计中采取相应的控制措施和事故预防措施,如安全联锁系统、泄压系统、隔离操作、消防喷淋等,来降低事故发生的概率和损失程度,达到“设计安全”。

本质安全是指采用无危险性物料和适宜的工艺条件来消除危险和实现安全。火炸药(以及主要原材料、半成品等)本身就是危险品,所以,火炸药工艺的本质安全,必须在工艺条件上下功夫——掌握工艺安全边界条件,限定工艺参数调节范围。诚然,由于火炸药物料的特殊性,火炸药工艺过程的本质安全并不容易实现,但安全设计的最终目的是要消除危害而不仅仅是要靠设计手段来控制它,因此,本质安全才是火炸药工艺安全设计追求的核心目标,尽管很难,但绝不应回避。

本质安全的提出蕴含着一个基本逻辑,即存在着一种本征属性,影响甚至决定着安全,这种本征属性就是“安全性”。安全性是一种性质、特点,按照GJB 900A-2012《装备安全性工作通用要求》的定义,安全性是“产品具有的不导致人员伤亡、装备损坏、财产损失或不危及人员健康和环境的能力”。将该定义从产品延伸到工艺,工艺安全性则是指工艺系统(物料、工装、设备、设施)具有的不导致事故发生的属性和能力。工艺的本质安全(状态)是由工艺系统的安全性(属性)决定的,不承认这一点,就会走向安全不可控的虚无论。在工艺系统中,物料是内因,工装、设备和设施等是外因,内因起决定作用,外因通过内因而起作用。对于物料而言,其安全性取决于其在加工过程中的稳定性;对于工装、设备和设施而言,其安全性包括两方面:一是其自身结构的稳定性和鲁棒性;二是其功能属性的准确性和可靠性。工装、设备和设施的功能主要是对工艺条件的控制,而工艺条件中的具体安全要求则来源于物料的安全阈值,追根溯源,工艺安全性的核心是物料的安全性,抓住这个核心,才能为整个工艺系统的安全管控提供科学的依据。

2 火炸药工艺安全性

火炸药是一种亚稳态物质,在一定条件下可以稳定存在,但达到激发条件时会发生反应,以燃烧或者爆轰的物理化学方式释放能量并实现对外作功。因其氧化剂和还原剂集于一身的组成特征,其组成元素的物理化学变化过程在封闭体系下即可自持完成,无需其他物质参与。火炸药最突出的特征是易热分解、易燃烧、易爆炸、易殉爆和易发生从热分解到爆炸的链式反应,简称易燃易爆性。

正是因为火炸药具有易燃易爆性和燃爆反应的剧烈性及其自持性,一旦发生事故,在民用行业常用的一些安全防护措施所能发挥的作用常常极为有限,即使事故未导致人员伤亡,所造成的财产损失、环境破坏和心理冲击往往也难以承受,因此,火炸药的工艺安全才更应该以本质安全为重心。

如前所述,要实现火炸药加工的本质安全,必须研究、了解和掌握相应的火炸药工艺安全性,其核心则是火炸药物料的安全性。安全性是一种笼统的说法,并非特指某种具体属性,而是指与安全有关的性质的集合。与安全有关的火炸药物料的性质主要包括以下4类:(1)安定性:指与外界条件和时间有关的组成和结构的稳定性,包括化学安定性(分解)、物理安定性(挥发、升华、转晶、迁移等)、结构(包括微结构)完整性(损伤及其演变)、接触相容性等;(2)敏感性:指各种刺激(热、机械、静电和冲击等)下的感度和点火阈值;(3)反应性:包括点火增长特性、反应热力学和动力学行为以及反应烈度等;(4)破坏性:指燃烧、爆炸效应及其作用程度和作用范围。

需要注意的是,火炸药物料的安定性发生变化,其余性质都会随之变化,尤其是敏感性。所以,绝不能以僵化、固定的眼光看待火炸药物料,要高度关注物料的状态变化及其影响(事实上,物料状态在工艺过程中就是一直在变化的),状态发生变化,应视之为一种新物料,需重新测定其相关性质参数的量值。

由此,可以将工艺过程中火炸药物料安全性的研究内容分为以下两类:

(1)从防范事故发生(事故可能性)的角度看:研究内容主要是火炸药物料的安定性和敏感性,核心是外界刺激的类型及其强度与火炸药物料响应特性、点火机制及其相关感度之间的定量关系;其落脚点是控制外界条件,使其作用于物料的刺激量小于物料在该种刺激下的点火阈值(当然需有相当大的裕度)。

(2)从控制事故破坏程度(事故严重性)的角度看:研究内容主要是火炸药物料的反应性和破坏性,核心是反应动力学特性、反应效应与相关影响因素之间的定量关系;其落脚点一是控制反应剧烈度,包括反应类型、参与反应的物质的量和反应区域范围;二是采用适配的距离、阻隔、屏蔽等方法进行安全防护。

3 火炸药工艺安全性的研究方法

传统的工艺安全性研究方法主要有试验摸索法和相对比较法两种。

试验摸索法:顾名思义,就是对拟加工生产的产品,采用生产加工设备,改变工艺条件,摸边探底,试图找到安全边界。这种方法的问题是:

(1)因工艺设备能力所限或试验设计的局限,往往摸不到边、探不到底;

(2)试验本身存在风险,如果发生反应,将会造成设备和设施的损毁,所以不能在生产线上实施,只能进行代价高昂的外场试验;

(3)试验样本量有限,结果的可靠性难以保证。

相对比较法:适用于变产品不变工艺的情形,通过对比新产品与之前生产的产品的感度来评判安全性。这种方法的问题是:

(1)火炸药有多种感度,不同的感度代表不同的点火机制,应比较哪种感度?

(2)新产品感度高于原产品,或新产品和原产品的多种感度互有高低,如何比较?

(3)原产品的工艺就一定能保证安全吗?

这两种方法,一种基于有限条件去试错,一种基于已有经验去外延,都存在无法回避的问题,决定了这两种传统的方法在今后的实践中都很难实施,迫切需要建立基于基本原理和本征数据的正向演绎型研究方法和研究范式。

这种新的研究方法可表述如下:“以物料为核心,以物料在外部作用下的动态响应为重点,采用模型和模拟相结合的方法,揭示总结点火机制;采用机制等效模型试验,确定不同机制下的点火阈值;通过物料所受刺激量与点火阈值的对比分析,结合数理统计方法,实现对工艺本质安全性的科学评价。”

上述方法的内涵可以概括为四句话:一个核心,两次转换,机制为本,定量评判。

一个核心:即以火炸药物料为核心,火炸药工艺安全性取决于火炸药物料的相关本质属性,应把研究的重心转移到物料上来、聚焦于物料的安全边界上来,掌握了这一点,安全就是可控的。

两次转换:第一次转换是“由外到内”,即把视角由外部设备、环境等加载的工艺条件转换到工艺“黑箱”内部物料所感受到的刺激及其在刺激下的动态响应上来,因为外界的加载类型和加载量不等于物料受到的刺激类型和刺激量,比如烘干时的加热温度不等于物料的实际温度、搅拌时的搅拌速度不等于物料的运动速度,等等。第二次转换是“由内到外”,即将工艺安全阈值的获取方式由工艺实证试验转换为物理模型试验,因为我们无法在产线设备上进行工艺极限试验以获得内部物料的点火阈值,但却可以在产线外另建机制等效的物理模型试验装置和方法,不仅方便易行,而且有足够的样本量,可保证所测点火阈值的可靠性。

机制为本:工艺过程中火炸药物料发生点火,可能存在多种点火机制,若机制不明,则采取的措施就不能有的放矢,甚至会南辕北辙。要准确了解机制,就必须全面研究物料在外界刺激下的动态响应过程,掌握其响应特性,总结可能的点火机制,进而通过对比分析,明确主要机制,在此基础上,才能采取针对性技术措施进行防控。

定量评判:在上述第一次转换中,可获得工艺过程中物料所受到的各类刺激的刺激量,在第二次转换中,可测得不同类型刺激下物料的点火阈值。将刺激量和点火阈值相比较,再结合方差分析和显著性检验等数理统计方法,就可实现本质安全度的定量评价。

4 火炸药工艺安全性研究的技术挑战

上述方法的道理并不难理解,但在实际运用时却不易做到,需要解决4项技术难题。

一是工艺“黑箱”如何“透明”?

要实现本质安全,必须掌握安全机理,这就不能先入为主、自以为是,首先需要全面、客观地了解工艺过程中的所有现象,之后才可能“透过现象看本质”。但工艺过程是个“黑箱”,既不能打开,又不能从外部直接观察其内部状态,所以在上述第一次转换中,对于物料的时空演变过程,仅靠观测的手段,所能获得的信息极其有限,这就需要建立工艺模型,采用模拟的方法,完整呈现物料的动态响应行为和响应特性,为正确地揭示安全机理提供依据。模型和模拟(Model &Simulation)方法并不是什么新鲜事物,已被广泛地接受和应用,在火炸药工艺安全性研究领域也已开始推广,但有两方面的突出问题需要持续改进:一是模型的准确性,应充分地进行验证修正,不断迭代提升;二是模拟的尺度,由于火炸药物料大多为非均质非均相材料,其点火都是基于局部“热点”的产生和成长,所以不能停留在宏观模拟,需实现由宏观到细观的跨尺度模拟。

二是点火机制如何确定?

从实际工况和物料状态的多样性来看,往往会感到“乱花渐欲迷人眼”,觉得火炸药工艺安全性难以把握。但是,如果以物料为核心,从火炸药物料本质属性的角度去看,按照火炸药点火和起爆的基本理论,工艺过程中物料意外点火机制的问题就有了可依据的知识体系以及解决的技术途径和方法。火炸药所受外部刺激的类型和强度虽然在不断增加,但究其机理,点火机制并不多,可归纳为冲击起爆(点火)和非冲击点火两大类,安全性问题涉及的主要是非冲击点火,常见的无非热、撞击、摩擦、剪切和静电等几类。相关研究本身并不复杂,而实际工况的复杂性在于往往存在多种机制的耦合和转化,从中辨别出主机制,就需要对物料感受到的各类刺激进行量化表征。

三是刺激量值如何获取?

由设备施加的外围工艺参数很容易测量获取和调节控制,但物料本体受到的刺激参数以及刺激下的响应参数则几乎是不可测的,通常只能测得物料表界面处的少量参数,而物料内部参数(尤其是动态参数)只能通过工艺模型进行计算。由于不是直接测量,计算结果的准确性就更难保证。在运用工艺模型计算时,需要输入物料自身的一些材料性质参数,所以,计算结果的准确性主要取决于材料性质参数数据的准确性和工艺模型的准确性。为保证材料性质参数数据的准确性,需要建立标准测量方法,进而建立材料数据库。而工艺模型的准确性,需要进行足够样本量的多级亚尺寸工艺试验乃至全尺寸工艺试验,用可测参数的预估值和计算值进行比对,反复校核和修正模型,达到一定的精度要求后再计算不可测参数。

四是点火阈值如何测定?

如前所述,点火阈值的测量不能在实际产线设备上实现,需要进行第二次转换,另建机制等效的物理模型试验装置和方法。对于刺激类型单一和点火机制明确的工艺,很容易转化成一个标准的物理模型试验,如烘干等静态加热工艺,其物理模型试验就是自发火试验或烤燃试验等,通过一定样本量的试验,就可获得热引发机制的点火阈值(自发火温度或烤燃温度)。对于刺激类型多样和多种机制并存的工艺,需要将其分解为单一机制,分别建立机制等效物理模型试验,以获取不同机制的点火阈值。比如加热搅拌混合工艺,刺激类型有热刺激和机械刺激,点火机制有热、摩擦、剪切等多种,就需要分别建立热、摩擦、剪切等物理模型试验方法;考虑到热力耦合效应,可以在热试验方法附加机械搅拌功能,也可以在摩擦、剪切等试验方法中附加加热功能。

可以看出,上述技术突破后,最核心的成果就是工艺模型和数据库,有了这两项成果,火炸药工艺安全性的研究就可形成基于模型和数据双驱动的正向设计模式。

5 结束语

上述方法的实施,要求实施者具有深厚的专业知识和全面的技术能力,这对任何个人而言都是难以做到的,必然要求物料、设备、工艺、测试和模拟等多专业的密切协同,这对当前的科研组织模式、管理模式和评价模式也提出了新的挑战。

上述方法的成效,最终取决于相关领域的技术底蕴和技术水平,必然要求持之以恒地体系性加强基础研究和应用基础研究,克服急功近利思想和传统路径依赖,坚持走技术科学发展道路,让基础研究成果在工程实践中创造不可替代的价值。

王晓峰

二〇二四年二月