乳化炸药生产多起爆炸事故原因浅析及其事故防范对策浅谈

　　1、 引言
　　乳化炸药是安全性能较好的一类炸药，但它毕竟是一类可爆性混合物，生产过程中在一定的条件下可发生燃烧和爆炸事故。最近，某厂乳化炸药生产线发生重大爆炸事故。至此，自国内研发生产乳化炸药以来，共发生乳化炸药生产车间燃烧爆炸事故13起，其中乳化器6起，螺杆泵3起，敏化机2起，人为破坏1起，不明原因1起。上述爆炸事故中，由设备发生爆炸的事例占85%。本文试图通过浅析多起爆炸事故，分析设备发生爆炸的共性，反思乳化炸药生产中的安全问题，以及乳化炸药技术发展中的一些重大问题。
　　2、爆炸事故的分析
　　2.1、 近年来设备发生爆炸情况介绍
　　近年来设备发生爆炸情况见下表。

　　以上爆炸事故说明：
　　（1） 凡是过流爆炸物的设备，都有可能发生爆炸；
　　（2） 摩擦热积累的热爆炸是设备发生爆炸的根本原因；
　　（3） 提高本质安全度的主动安全措施是减少，甚至消除摩擦；
　　（4） 被动安全措施是将产生的热量及时有效的散失出去。
　　2.2、 乳化器爆炸的致因分析
　　2.2.1、 乳化炸药的爆炸性
　　按照工业炸药机械感度与热感度的通常测定方法，确实在具有雷管感度的工业炸药中，乳化炸药的上述感度最低，相对较为安全些。
　　但当体系达到一定温度后，硝酸铵将发生下述反应：
　　分解       NH4NO3   185～200℃   N2O + 2H2O + 10.2千卡/克当量
　　加速分解  2NH4NO3      230℃以上   2N2 + O2 + 4H2O + 30.7千卡/克当量
　　爆炸      4NH4NO3    400℃以上  2NO2 + 3N2 + 8H2O + 29.5千卡/克当量
　　值得关注的是，由于可燃剂，或者基质中气泡的存在，上述分解、燃烧、爆炸温度将下降，危险性将增加。
　　2.2.2、 相互摩擦的固体表面温度及其危险性
　　当一个固体在另一个固体上滑动时，克服与运动方向相反的摩擦力所作的大部分功（90％以上）都以热的形式在表面间放出。这些热又以传导或辐射的方式从表面被带走，但是相当初步的的计算表明，甚至于在中等的速度和负荷条件下，表面温度也可达到很高的数值。摩擦表面的温升不仅使表面化学状态发生变化，表面组织和性能发生变化，而且还可能造成表面爆炸物发生急剧的化学反应，导致燃烧，甚至爆炸。
　　真实接触面积上的温升称为闪温Tf，闪温持续时间很短，通常在1μs。
　　笔者对乳化器摩擦热动态过程研究小组对闪温进行了初步计算。按照耶格闪温计算公式计算[1]
　　2.1、机械密封摩擦面温度计算
　　2.2、转子定子摩擦面温度计算
　　计算结果如下（以某连续乳化器为例）：
　　当转速为500rpm时，搅拌叶片闪温为116℃，机械密封闪温为120℃。
　　当转速为960rpm时，搅拌叶片闪温为160℃，机械密封闪温为149℃。
　　当转速为2900rpm时，搅拌叶片闪温为380℃，机械密封闪温为267℃。
　　由此说明：
　　（1）乳化器搅拌装置，在与定子摩擦的不正常工况下，闪温相当高，如不及时带走该热量，极易引起爆炸；
　　（2）乳化器采用机械密封，正常工况下，机封动静环摩擦面闪温相当高，如不及时带走该热量，极易引起爆炸；
　　（3） 闪温与法向载荷成正比。
　　因此，选择机封时对弹簧力（即摩擦载荷）的要求应够用即可，切忌为严防泄漏盲目增大弹簧力。有一个极端例子，将动静环人力压紧后固定，由于弹簧失去作用，此时法向载荷约为弹簧力的3倍（人力压紧力），960rpm的乳化器在机封动静环双冷却水畅通的情况下，开机1分钟后即发生机封处冒烟的情况，同时机封静环烧毁。可见由于此时闪温过高，即使用冷却水加速冷却，摩擦面整体表面温度也维持在足以烧毁机封静环的温度。
　　闪温与法向载荷成正比的关系也要求连续乳化器的搅拌装置尽可能小而轻。因为一旦转子整体与定子摩擦，搅拌装置即为摩擦载荷。
　　（4） 闪温与滑动速度近似成正比。相对于乳化器而言，闪温与线速度近似成正比。
　　从计算结果也可以看出，当发生摩擦时，转速从960rpm增大到2900rpm时，机封和叶片的闪温分别增加137.6％、78.2％。
　　上述闪温通过脉冲加热方式，不断的将热量从摩擦表面传递给接触材料。热的大小与传递将决定整体表面温度。
　　首先热的大小还取决于摩擦点的数量，数量越多，分布越致密，整体表面温度越高。
　　其次由于金属整体的散热性，在摩擦一定的周期后，固体表面的温度将达到一个稳定状态，即整体表面温度，该温度与温度梯度（金属或表面物料散热性）、材料蓄存热量的能力（材料的热性能、接触情况）和热交换条件相关。整体表面温度小于或等于闪温。
　　对于乳化炸药连续乳化器，乳化后物料导热系数小，热交换条件差，温度梯度较小，整体表面温度大约出现如下几种状况：
　　（1） 物料断流或机封处部位有死角，且断冷却水。在物料断流情况下，相当于死角，定转子摩擦生热面及机封摩擦面位于胶体内，该处胶体不更新，一旦出现断水，或动环不设置冷却。两种情况下，摩擦热能大部分无法及时散失，将几乎全部传递给胶体。这样整体表面温度接近于闪温。
　　（2） 物料不断流或机封处部位无死角，但断冷却水。在物料不断流情况下，且机封摩擦面无死角，一旦出现断水，或动环不设置冷却，摩擦热能将几乎全部传递给胶体。但由于胶体更新，物料带走部分热量。这样整体表面温度低于闪温。
　　（3） 物料断流，但有冷却水。由于胶体传热性差，将形成较大的的温度梯度。摩擦面温度低于闪温，但依然较大。
　　（4） 机封处部位有死角，有冷却水。由于机封摩擦面位于胶体内，该处胶体不更新，摩擦热能中的大部分将传递给水。这样整体表面温度大大低于闪温。
　　（5） 物料不断流或机封处部位无死角，有冷却水。在物料不断流情况下，且机封摩擦面无死角，由于胶体更新，摩擦热能将传递给水。同时水将带走少部分胶体中的热量，这样整体表面温度将低于水相进料温度。
　　上述几种情况下，断冷却水的危害最大。
　　比较山东某厂7·22、河北某厂2·22爆炸事故的乳化器，二者结构类似，在机械密封处皆存在死角。在爆炸发生时，且都曾出现断冷却水的现象。按照上述分析，上述工况为摩擦危害最大的一种类型。2·22爆炸事故的乳化器，在机封环、轴承腔处皆出现外鼓或翻边的现象，说明了该点。
　　3、 乳化器的安全防范措施及乳化炸药生产安全性的技术发展方向
　　3.1、 乳化器的安全防范措施
　　3.1.1、 乳化器安全性的一次防爆措施
　　（1）转速： 通过物理化学方法，用提高乳化剂乳化力的途径，降低外机械搅拌所需的喘流场的强度，从而大幅度降低乳化器转速，降低线速度。从而大幅度降低摩擦生热，以及大幅度降低叶片根部应力；
　　成功科技开发的乳化器，乳化转速已从通用乳化器的2900转／分降至970转／分，生产实践表明，该乳化器生产的产品储存期达到一年，做功能力居于国内前列，炸药成本也较同类产品低。证明低转速也能提供高性能低成本产品。
　　根据进一步的研究结果，在表面活性剂上做文章，乳化器转速尚可进一步降低。
　　（2）结构： 乳化器搅拌结构采用单涡轮结构，减少摩擦点，减少摩擦累计热。同时降低搅拌轴长度和搅拌负荷，增大间隙（突发窜动时不致于发生碰撞），叶片设计成弧形且形状粗而短小（以消散强力搅拌带来的应力）。目前，该种安全结构设计的乳化器已由成功科技申报专利。
　　（3）冷却： 全面引入冷却结构（对动静环、叶片全面冷却）：及时消除其搅拌与摩擦产生的热量。成功科技的实践结果表明，以粉乳为例，它可将乳化出料温度较进料温度降低10℃～20℃。
　　3.1.2、乳化器安全性的安全预警及自动保护措施
　　目前，成功科技开发研制的SGR乳化炸药生产线已实现了20余点的预警及安全自动保护，包括温度点、流量点、压力点、电流点。
　　其中在乳化器的预警及安全自动保护项目做到了流量不匹配（包括断流）停机、电流过高过低停机、温度过高停机、断冷却水停机、乳化器冷却回水水温、乳化器冷却回水压力等的预警，从而为乳化器设置6重安全保险。特别针对冷却水，设置4道保护，任意其中1项过限，乳化器单机及全线自动停机，从而避免了单一措施失灵无法确保自动安全保护的可能性。
　　3.1.3、 物料管道上的二次防爆措施
　　2·22 爆炸事故扩大的一个直接原因是连接管道传爆。为此，在管道上设置隔爆器是需要的。
　　3.1.4、 设备的二次防爆措施
　　将乳化器设置在抗爆小室，实现对乳化器的无人操作，通过结构抑制二次防护措施，降低爆炸的传染性。
　　3.1.5、 切实保障计算机自控系统和预警系统的控制可靠性
　　为切实保障计算机自控系统和预警系统的控制可靠性，生产线自动控制有必要设置计算机的冗余系统。这样，一旦主计算机失灵，冗余系统马上启动。
　　3.1.6、 提高生产线的连续自动水平，采用大产能自动连续装药机、自动包装机，在制药工序真正实现无人操作，在装药包装工序少人操作。
　　3.2、 乳化炸药生产安全性的技术发展方向
　　3.2.1、 弱化机械乳化条件
　　本质安全的定义是设备出现故障的情况下，也能保证不出现爆炸事故。为此，就乳化炸药生产而言，只能弱化机械乳化条件。最安全的工况是，即令定转子、密封等发生摩擦，也因闪温较小，设备不至于发生爆炸。
　　显然要实现上述目标，必须加强乳化材料与乳化机制的研究，从而为降低剪切强度创造条件。
　　3.2.2、 简化乳化器结构
　　成功科技研发人员在多年连续乳化器的实践工作中总结到，乳化器剪切结构对乳化效果不起决定作用。连续乳化器的搅拌单元从18组降到现在的1组，证明简单结构的乳化器，也能提供优质的产品。显然复杂的乳化器，安全隐患增加，不可靠性增大。
　　3.2.3、 加强密封的研究
　　采用填料、油封等密封类型简单，但容易泄漏，且密封为死角，一定长时间后死角处胶体破乳结晶，存在一定的安全隐患。采用气封，不仅存在上述同样问题，而且一旦故障，气体容易泄漏进乳化腔内，带来乳化引入气泡的隐患。机封等接触性动密封由于密封件与被密封件相接触，具有摩擦生热的隐患。因此，采用完全无泄漏的非接触型密封，如磁力驱动等为今后努力的方向。
　　3.2.4、 加强工艺及设备安全性的安全预警及自动保护措施与装置的研究，切实保障计算机自控系统和安全预警及自动保护系统的控制可靠性、全面性。
　　3.2.5、加强配套工艺、配套工装设备的研究，力求工艺简捷、低压低速、高效可靠。
　　3.2.6、加强设备和管道二次防爆措施的研究，抑制事故的扩大。