集成防护方法（通用3篇）
集成防护方法 篇1
0 引言
临床核医学是放射诊疗实践的一个重要领域[1]。核医学科的发展离不开放射性核素的使用[2]。目前, 放射性核素注射剂被广泛应用于靶向治疗、核素显像等, 包括开放型放射性核素 (高能γ射线核素18F、11C、15O、13N) 和封闭型放射性核素 (68Ge棒源、68Ge校正定标源) [3]。放射性核素即使小剂量暴露, 长时间接触也会因蓄积作用而致畸、致癌。各种放射性药品的操作应该在有屏蔽的情况下进行[4], 并降低受照射时间和距离[5]。
临床核医学的防护是日常工作中较难解决的问题[6], 同时伴随着社会发展、医疗保健需求以及军事斗争准备的需要, 必须认真加以应对。放射损害的发生受多种复杂因素的影响, 如受照剂量、受照面积和部位、受照个体与组织细胞的放射敏感率以及射线的能量等[7], 尤其是放射性药物的操作技师因长时间接触更应该引起注意, 其中, 分装和注射是受辐射照射最大的环节[8]。目前, 临床使用的多数放射性药物防护器材和设备在设计上还有诸多不完善、不合理之处, 如结构简易、配套不全、自动化程度不高等, 因此, 研制临床使用中比较灵巧、适用的防护材料、用品和装置非常重要[9]。
针对放射性注射药物在周转、运输、分装以及使用过程中屏蔽防护的要求和特点, 为克服现有技术上的缺陷, 本研究提供一种方便实现的放射性注射药物的集成防护方法和防护系统。
1 设计方法
为解决现有放射性药物缺少防护手段的问题, 本放射性注射药物的集成防护方法是较低放射性药物的注射器针管通过外周套装带轴向透明铅玻璃条形注射刻度观察窗的钨合金管状防护套对径向发散的射线进行屏蔽;较高放射性药物通过运输注射防护装置在转移运输和注射过程中进行辐射防护, 该运输注射防护装置是由可拆连接机构临时连接在一起的钨合金针管套体与钨合金推杆套桶对内套装的注射器进行外周和后端屏蔽, 由钨合金针头防护帽对注射器进行前端屏蔽。上述2种放射性药物通过配置在分装防护柜内的防护分装装置分装到注射器, 将内置药瓶的钨合金屏蔽分装罐放置在能够任意旋转并能任意角度和方向锁定的旋转架上进行抽吸分装。
通过对放射性药物在注射、转移运输、分装的全流程过程中屏蔽防护所需的注射防护装置、运输注射防护装置、防护分装装置和分装防护柜进行分类和总体的设计, 各项分装置具备单独使用功能, 使用方便、屏蔽效果好。
2 结构与原理
2.1 放射性核素注射防护装置
如图1、2所示, 较低放射性药物的注射器针管通过外周套装带轴向透明铅玻璃条形注射刻度观察窗的钨合金管状防护套对径向发散的射线进行屏蔽。钨合金管状防护套套装注射器针管时, 还通过兰盘卡扣机构对注射器针管后端的兰盘进行临时固定。钨合金管状防护套的一侧制有设置轴向透明铅玻璃条形注射刻度观察窗和兰盘卡扣机构的、能够提高观察窗屏蔽强度的轴向长条凸台。为方便配装兰盘卡扣机构, 轴向透明铅玻璃条形注射刻度观察窗配装在轴向长条凸台的前部和中部, 凸台后部通过凹槽铰接钨合金质或者不锈钢质跷跷板式卡柄。跷跷板式卡柄位于铰接轴内侧的内端向下配装用于支持扣紧注射器针管基部兰盘的支撑弹簧, 外端下面制有用于扣住注射器针管基部兰盘、防止兰盘脱出的槽口。向下按压卡板内端, 使卡板外端向上抬起, 即可使注射器针管基部兰盘释放, 灵活取放注射器;松开卡板内端, 槽口就能牢牢卡住注射器针管基部兰盘。卡板内端下面制有用于配装支撑弹簧上端的上盲孔, 凹槽底部也制有与之对应的用于配装支撑弹簧下端的下盲孔。上、下盲孔能够约束支撑弹簧, 使之在正常使用状态下不会脱出, 可增强可靠性。跷跷板式卡柄设置成方便按压操作的内端上翘的弯刀形, 且上翘的内端上端面制有用于增大手持摩擦力的密布凸纹。钨合金管状防护套位于注射器针管基部兰盘一端的后端口制有喇叭口形斜槽, 防护套前端部除轴向长条凸台以外的部分为锥形, 方便手扶端部。本研制已获国家实用新型专利, 专利号为ZL 201320236213.5。
2.2 防护标记放射性药物运输注射器
如图3~6所示, 较高放射性药物选配另外一种运输注射防护装置在转移运输和注射过程中进行辐射防护。该运输注射防护装置是由可拆连接机构临时连接在一起的钨合金针管套体与钨合金推杆套桶对内套装的注射器进行外周和后端屏蔽, 由钨合金针头防护帽对注射器进行前端屏蔽, 还通过钨合金针管套体外周再套装钨合金外套管对注射器针管内的放射性药物进行强化屏蔽。钨合金外套管通过配装下支架和横向配置的U形上手柄来方便操作和手持, 钨合金针头防护帽和钨合金针管套体通过下支架或者钨合金外套管上配装的夹持固定机构进行临时固定。推杆套桶通过制有带中心孔的桶底, 在桶底内侧配装有用于推动注射器推杆的推塞, 推塞通过向后连接伸出桶底中心孔外的推柄, 推柄外端通过铰接一个能够锁定和推拉推塞的活动手柄来实现推杆操作和锁定运输。针管套体基部通过制有用于容纳注射器针管基部兰盘和套装注射器推杆套桶前端的环形凹台来提高钨合金针管套体与钨合金推杆套桶之间的连接强度。活动手柄是长条形推板, 一端通过推盘方便推拉, 另一端通过制有沿长条形推板走向延伸的长条形铰接槽, 能够使长条形推板沿该铰接槽滑动和翻转。注射器推杆套桶前部外周通过制有一个用于抵住针管套体后端面的凸环来增大接合面和限位。针管套体与推杆套桶之间配装的连接机构采用方便拆装操作的连接方式, 即在注射器推杆套桶外周固装一个铰接座, 针管套体基部制有环形凸台, 铰接座上铰接内端配有支撑弹簧的跷跷板式卡柄, 卡柄伸出铰接座部分的外端下面制有用于扣住环形凸台的槽口;支架通过2个前后并列的前圆环和后圆环套固钨合金外套管。针头防护帽的夹持或者固定机构是在前圆环一侧配装一个前卡座, 前卡座铰接一个弹簧支撑的前卡头, 其前部用于抵住针头防护帽, 后部为与前部相对翻转的手柄;防护套的夹持或者固定机构是在后圆环配装一个有弹簧支撑的后卡座, 其后部铰接有用于抵住注射器防护套后部的后卡头。侧面配装前、后卡座与顶部配装相比, 重心低、稳定性好。前圆环和后圆环向上配装一个制成平卧U形的上手柄, 便于手持和取放。支架制有一个平放的工字形底座, 底座向上并列制有2个分别连接前圆环和后圆环的支撑腿。工字形底座稳定性好、质量轻, 2个支撑腿分别支撑2个圆环, 结构简单, 方便制造和使用。注射器的针管端配装有用于连接软管针注射和生理盐水冲洗的三通。本研制已获国家实用新型专利, 专利号为ZL 201320236167.9。
1.钨合金管体;2.长条凸台;3.槽口;4.卡板;5.销轴;6.支撑弹簧;7.上盲孔;8.下盲孔;9.透明铅玻璃条;10.喇叭口
1.钨合金管体;2.长条凸台;3.基部兰盘;4.卡板;5.销轴
1.支架;2.横向圆管;3.针头防护帽;4.前卡头;5.前卡座;6.凹凸手纹;7.后圆环;8.后卡座;9.活动手柄;10.上手柄;11.前圆环
1.环座;2.活动卡板;3.槽口;4.支撑弹簧;5.凸座;6.注射器推杆套桶;7.推塞;8.推柄;9.活动手柄;10.凹凸手纹
1.环形凸台;2.横向圆管;3.环座;4.注射器针管;5.针管套体;6.推杆套桶;7.推塞;8.推柄;9.活动手柄;10.支撑弹簧;11.活动卡板;12.槽口;13.凸座;14.凹凸手纹
1.环形凸台;2.环座;3.凹凸手纹;4.凸座;5.针管套体;6.推杆套桶;7.活动卡板;8.推柄;9.活动手柄;10.槽口
2.3 同位素药物防护分装装置
如图7~11所示, 较低放射性药物和较高放射性药物通过配置在分装防护柜内的防护分装装置分装到注射器。分装是将内置药瓶的钨合金屏蔽分装罐放置在能够任意旋转并能任意角度和方向锁定的旋转架上进行抽吸分装。防护分装装置的旋转架铰接在2根并列立柱上实现竖向360°旋转, 立柱固定在一个通过压力轴承配装在大底盘上的小底座上实现水平360°旋转。旋转架配有屏蔽分装罐的锁定机构实现旋转架与屏蔽分装罐的临时固定, 旋转架与立柱之间配装旋转定位机构实现竖向任意角度的锁定, 大底盘配装有小底座的手动锁销实现水平任意方向的锁定。旋转架包括一个与2根立柱上端铰接的用于套装屏蔽分装罐的圈座以及圈座向后固连的用于抵住屏蔽分装罐底部的后架。旋转定位机构是2根立柱上端分别固装一个定位齿轮, 后架上配装定位把手, 定位把手操作用于锁定定位齿轮的定位销。屏蔽分装罐锁定机构是屏蔽分装罐基部外周制有一对销孔, 后架上配装有与销孔配用的一对手动锁销。后架包括2个前端与圈座固连的边板, 2个边板之间固连用于抵住屏蔽分装罐底的内横杠和固连末端的末横杠。定位把手是边板在内横杠与末横杠之间通过纵向滑配槽配装滑配架, 滑配架通过横杆配装与定位齿轮配用的定位销, 定位把手、横杆和定位销至少一个配有回位弹簧。手动锁销是边板上的横向通孔固装有横向套管, 横向套管内套装配有回位弹簧的锁销, 锁销外端铰接一个操作手柄。防护分装装置中的屏蔽分装罐是内有药瓶仓的圆柱形钨合金罐体的罐口通过卡扣或者丝扣配装用于封压药瓶的喇叭口钨合金封嘴, 药瓶的瓶口从钨合金封嘴向外露出, 封嘴喇叭口配有在分装前和分装后屏蔽瓶口的钨合金封帽。钨合金罐体或者钨合金封嘴铰接有提手。钨合金罐体、封嘴及封帽外周都制有方便手持的竖向凹槽或者凸棱。钨合金封帽是帽体制有与封嘴喇叭口相配合的锥形头。封帽与封嘴之间通过卡扣或者丝扣配装。操作手柄是一端与锁销外端铰接的条板, 条板铰接端的前端边与铰接轴的距离远, 一侧边到铰接轴的距离近, 且2个边之间的过度角边呈弧形。条板旋转到与锁销垂直时即可使锁销伸出, 进入锁定状态;条板旋转到与锁销成一条直线时可使锁销退回, 解除锁定状态。滑配架由一对与边板纵向滑配槽滑配的侧轨和两侧轨之间固连的2个并列横撑组成, 横撑中间再固装横杆。本研制已获国家实用新型专利, 专利号为ZL 201320236215.4。
2.4 放射性核素分装防护柜
如图12~14所示, 分装防护柜由依次固连具有射线屏蔽性能的上箱区、中箱区和下箱区组成, 并且配有带过滤系统的排风负压装置。下箱区配有一对合页门, 内设用于升降钨合金屏蔽分装罐的电控升降台。中箱区底装有操作平台, 操作平台上制有专供钨合金屏蔽分装罐升降台升降的升降缺口, 配置有与钨合金屏蔽分装罐配用的旋转架。中箱区前面中部配置有铅玻璃观察窗, 前面两侧各制有一个配有屏蔽门的操作手孔。上箱区底板下面配置有用于照射中箱区的照明灯和紫外线灯。分装防护柜中的排风负压装置是操作平台配置有带过滤器的底板式吸风口, 上箱区内配装有引风机。引风机的进风口通过进风管联通底板式吸风口, 引风机的送风口通过送风管联通上箱区顶部配置的活性炭过滤器, 送风管经活性炭过滤器联通自上箱区顶引出的排风管。电控升降平台由竖向螺杆驱动和支撑, 配有用于限制电控升降平台旋转的竖向滑配轴。排风管配有防反流风阀, 上下箱区一侧壁或者两侧壁制有进风的横条形百叶窗, 上箱区底板制有联通上下箱区的通风孔。升降台由步进电动机驱动并配有行程开关。操作平台和升降台都是能够屏蔽下箱区内向上辐射射线的屏蔽平台和屏蔽升降台, 有利于保护伸入中箱体内的操作者的双臂。升降平台铅当量为50 mm Pb, 平台上装有行程开关, 只需安装220 V电源即可工作。升降高度可精确到毫米, 有效解决了放射性药物的传送。分装防护柜内配置有监控摄像头, 柜体外配置有控制所有电器的总电控制器和实时显示箱内操作情景的显示器。升降台启动高度为250~300 mm, 工作平台高1 100 mm, 铅玻璃观察窗宽240 mm、高520 mm。工作平台的高度设计为1 100 mm, 内部空间为高反光5面镜不锈钢结构, 可使操作时技师颈椎无负担。上箱区配有一对合页门, 在操作平台左下部配置有活度计井, 上箱区底板下面为镜面天花板。长圆形操作手孔的直径为140 mm, 高为520 mm, 两孔间距为346 mm。如此设计, 操作时便捷舒适。本研制已获国家实用新型专利, 专利号为ZL 201320236193.1。
1.底座;2.立柱;3.钨合金罐体;4.圈座;5.后架;6.定位齿轮;7.定位销;8.定位把手;9.销孔;10.手动锁销;11.钨合金封嘴;12.U形提手
1.底座;2.立柱;3.钨合金罐体;4.圈座;5.后架;6.定位齿轮;7.定位销;8.定位把手;9.销孔;10.手动锁销;11.钨合金封嘴;12.U形提手;13.钨合金封帽
1.底座;2.立柱;3.定位销;4.圈座;5.后架;6.定位齿轮;7.定位把手;8.销孔;9.手动锁销
1.底座;2.立柱;3.定位把手;4.圈座;5.后架;6.定位齿轮;7.销孔;8.手动锁销
1.同位素药瓶;2.立柱;3.钨合金罐体;4.定位齿轮;5.钨合金封嘴;6.钨合金封帽;7.U形提手
1.上箱体;2.中箱体;3.下箱体;4.操作平台;5.铅玻璃观察窗;6.屏蔽门;7.引风管;8.百叶窗;9.合页门
1.上箱体;2.中箱体;3.下箱体;4.总电控制器;5.铅玻璃观察窗;6.屏蔽门;7.引风管;8.百叶窗;9.合页门;10.操作手孔
1.屏蔽门;2.中箱体;3.操作手孔;4.放射性核素分装装置;5.铅玻璃观察窗
3 应用效果
以上设计装置使用简单、方便、省时, 放射性注射药物始终处于封闭防护状态。从辐射防护的有效性观察, 注射防护装置的有效屏蔽为50 mm Pb。经测试使用以上设计的配套防护装置后, 在距防护装置正面30 cm处剂量率低于1.5 Sv/h, 此距离为注射操作时手部到注射防护装置的距离, 躯干在分装防护柜后方, 为本底水平, 操作过程低于GB 1887—2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中推算出的2.51μSv/h要求, 在职业照射可接受水平范围内。全套研制装置配合使用, 能有效降低辐射剂量。
4 讨论
核医学是利用核素和核技术来进行生命科学和基础医学研究并诊断、治疗疾病的一门新兴综合性交叉学科, 其检查和治疗的项目也越来越广泛, 已渗透到临床各科[10]。在放射性药物制备、封装、注射等操作过程中, 工作人员就处在该辐射场中, 会受到来自放射性药物的外照射, 照射剂量的大小与放射性药物的活度、辐射源距离、停留时间及屏蔽程度有关[11]。如何趋利避害, 尽可能避免和减少医用辐射可能产生的潜在危害引起社会各界的普遍关注。PET/CT中心的分装和注射人员是主要的受照人员[8], 应该针对PET/CT中心工作每个环节的技术特点、辐射剂量理论及工作经验积累对其防护进行探讨, 制作出适合各项具体操作的防护用具并采用合适的操作方法[12]。操作放射性药物应尽量采取时间、距离和屏蔽措施, 以减少无谓的照射[13]。
5 结语
伴随着核医学技术的快速发展和核威胁下军事斗争准备的需要, 放射性药物屏蔽防护装置也会不断研发, 并会向更加精巧、有效和控制自动化的方向发展。本集成防护方法和系统研制的各项装置针对放射性核素周转运输、分装、注射过程中的环节特点和要求, 进行了配套的技术结构设计和研制, 经临床使用实践证明, 操作简单、便捷有效[14], 能较好地为核医学工作人员提供射线屏蔽保护, 实现了放射性药物在使用全过程中尽可能降低对核医学工作人员辐射剂量的研制目的;尤其在机械装置自动化、安全监控等方面的设计为其他放射性核素防护装置的研发提供了有益借鉴, 对保障职业健康具有重要的推广意义, 具备显著的经济、社会效益和军事应用价值。
摘要：目的:为解决现有放射性药物缺少防护手段的问题, 探讨和研制一种放射性注射药物的集成防护方法和防护系统。方法:较低放射性药物的注射器针管通过外周套装带轴向透明铅玻璃条形注射刻度观察窗的钨合金管状防护套对径向发散的射线进行屏蔽, 较高放射性药物通过运输注射防护装置在转移运输和注射过程中进行辐射防护, 2种放射性药物通过配置在分装防护柜内的防护分装装置分装到注射器。结果:该集成防护方法和防护装置系统紧密结合放射性药物注射的实际操作, 能提供良好的射线屏蔽保护。结论:采用此方案研制的放射性注射药物的集成防护方法和防护系统能在放射性药物分装、转移运输、注射过程中为操作人员提供全程的屏蔽防护, 使用方便、屏蔽效果好, 可以有效减少核医学工作人员的受照辐射剂量和保障其职业健康。
关键词：放射性注射药物,集成防护方法,防护系统
集成电路的静电防护研究 篇2
在现代社会, 随着微米等新技术的发展应用, 集成电路的构造更加简便实用。由于集成电路的简单化设计, 因而内部内绝缘层变得很薄, 对静电的抵抗能力也就相对变弱[1]。集成电路在生产到运输过程, 都会不同程度的受到静电影响。
1 集成电路产生的静电
1.1 静电产生原因
静电, 指停留在物体表面由于正负电荷失去平衡产生的电能。摩擦起电, 也是产生静电的直接原因[2]。摩擦起电, 主要是因为两种物质的接触表面在摩擦时, 由于停留在自身的电荷不同而产生的排斥现象。在这个电荷转化过程中, 物质内部的机械能转化为内能, 在转化过程中, 物质的原子结构由于物质表面的能量进入原子结构, 原子结构增加能量, 使得电子脱离原子核, 自动外放的物理反应, 在这种物力反应中, 产生的电子所带的是正电荷;而另一物质的表面在进行相似的物理反应时, 外放的电子所带的是负电荷。因此, 当两个物质摩擦时, 由于正负电荷的反应, 就会造成因摩擦产生静电。另外感应带电也是物体产生静电的原因。感应带电, 指由于外电场的作用, 电场力过大会产生电子脱离原子核, 从而产生的静电现象。
1.2 影响静电的因素
静电产生的因素有很多, 主要包括物理环境、物体材质和运动状况三种。物理环境对产生静电的影响, 是指由于物体的因为环境改变, 静电量的数量随着物质内部温度升高而增加, 相反静电量的数量随着物质内部温度的降低而减少。在这种物理环境中, 集成电路产生的静电和内部的物理环境温度有关[3]。应注意做好物力环境对集成电路产生的静电作用。物体材质对静电产生的影响, 是指物体材质的不同, 也会影响自身受到外力作用下, 产生的静电量, 如果物体材质导向性能良好, 就比较容易产生电荷, 在与其他物体摩擦时或者外力的作用下, 很容易在物体表面产生静电量;相反, 如果物体材质属于绝缘性能良好的材质, 那么在外力作用下或者与其他物体摩擦时, 产生的静电量也会由物体材质自动引导出去, 产生的静电量很少或者根本没有。运动状况对静电的影响, 是指物体的运动速度和受力大小等运动状况都会造成静电的产生。例如物体的运动速率过快, 受到的碰撞力就会增大, 阻力就会变小, 接触面的面积就会增大, 压力同时也会增大, 物体在这种运动状况中, 因与地面摩擦等产生的静电量就会很大, 危害也会很大;相反如果物体的运动状况很平稳, 受到的碰撞力就会减小, 阻力变大, 在这种情况中, 物体的运动状况产生的静电量就会很小, 一般很难发现。
1.3 静电的危害
目前现阶段化纤物质在物理和化学生产中, 应用都非常广泛。化纤物质本身就属于导向性良好的材料, 产生静电现象普遍, 如果这种电荷不能及时引导, 静电量就会变得很大, 危害也大。但是化纤物质产生的静电受人体动作的制约, 比较明显。
静电是造成集成电路受破坏的主要因素。因为在静电放电的过程中, 对集成电路形成作用力, 这种作用力包括造成电路失效的硬击穿和软击穿。在这两种作用力的共同作用下, 集成电路的使用期限和使用范围都会严重受到制约, 如果集成电路的静电量不能及时解决, 就会对集成电路的性能和使用质量造成影响, 也会造成集成电路报废。
2 集成电路的防静电措施
2.1 生产过程
集成电路在生产过程, 容易产生静电的原因:人为因素、环境因素和选材因素。人为因素, 是指工作人员和电路板的接触, 导致集成电路留有静电。对这种人为因素, 应从生产车间制服统一入手, 统一规定着装防静电的防化服装, 避免人为因素在生产过程中, 产生的静电停留集成电路表面, 不易察觉的问题。环境因素, 是指贮存环境温度过高, 容易引发集成电路静电的产生。针对这种问题, 应对集成电路的贮藏进行封闭式管理, 尽量选择在温度可以控制调节的生产车间, 避免因为贮藏环境造成集成电路出现静电的问题。选材因素, 是指在选择原材料方面, 应倾向使用绝缘线良好的材质, 可以对集成电路表面停留的静电及时引导, 减少静电对集成电路产生破坏作用。
2.2 运输过程
集成电路容易产生静电的原因是生产过程和运输过程。针对运输过程, 为了有效实现防静电的产生, 应从电路板的运动状况入手。在运输过程中, 应避免过快行驶或者猛踩刹车, 产生运输车厢严重失去平衡, 在这种情况下产生静电量也是可以有效避免的, 同时也是集成电路出厂后容易产生的问题。同时针对, 工作人员和搬运人员, 应统一着橡胶制品衣服, 尽量减少集成电路在搬运途中, 避免因为摩擦产生的静电问题。
2.3 完善管理制度
针对集成电路的静电防护措施, 最直接最根本的要从管理制度开始。只有严格有效的管理制度, 才能形成有效的约束力, 对各个阶层的人员进行统一规范, 才可以从根本上做好静电防护工作。在集成电路静电产生的原因中, 多数是人为因素和潜在的人为因素, 都应该得到具体解决。同时也应加强安全巡检制度, 对集成电路的生成过程和运输过程, 都要加强抽检, 确保集成电路得到安全生产和放心运输, 尽量减少静电量在集成电路的产生, 也也是有效做好静电防护工作的关键。静电防护器材也应加强开发, 静电防护器材包括集成电路的包装器材、储藏器材和运输器材。针对静电防护工作, 应全方面入手, 才有利于完成做好静电防护工作。
3 结束语
集成电路的生产到实际应用, 都会受到很多方面的影响, 产生静电量。静电量的产生多数是可控因素, 只有针对可控因素做出应对措施, 才能有效解决集成电路的静电防护工作。对集成电路的选材控制、生产过程可控因素的处理和运输过程可控因素的处理, 都需要完整的制度来形成约束力, 通过各方面的努力才可以实现静电防护工作, 从而减少静电对集成电路的影响, 保证集成电路的质量和使用期限。
参考文献
[1]李柯逊.浅谈集成电路静电损害及防护措施[J].推广技术, 2014 (07) :227-228.
[2]马国荣, 丁荣峥, 李欣燕.集成电路封装线系统性静电防护[J].电子与封装, 2013, 13 (04) :1-5.
集成防护方法 篇3
石油化工装置生产工艺复杂, 自动化程度高, 装置运转过程事故具有易发性、多发性、突发性和严重危害性, 从原料到产品, 绝大多数属于易燃易爆物质, 只要有某一部位、某一环节发生故障或操作失误, 就可能造成连锁反应, 引发火灾、爆炸等重大事故[1 - 2]。这就对石油化工装置发生火灾爆炸事故进行定量风险评价提出更高要求, 必须在石油化工复杂系统生产工艺信息不确定条件下, 提高风险评估的针对性、客观性与准确性。
本文将贝叶斯网络与防护层分析相结合, 应用贝叶斯网络的双向推理, 提出贝叶斯网络与防护层集成分析模型, 研究风险贝叶斯故障节点, 对其进行防护层分析, 研究该节点所包含的参数出现偏差的原因及导致的后果, 设定相应的独立防护层措施, 通过防护层失效概率来评估剩余风险等级, 为石化装置的风险评价提供新途径。
1 贝叶斯网络与防护层分析
1. 1 贝叶斯网络简介
贝叶斯网络 ( Bayesian Networks, BN) 也被称为信念网络 ( Belief Networks) 或者因果网络 ( Causal Networks) , 是描述数据变量之间依赖关系的一种图形模式, 是一种用来进行推理的模型。BN是人工智能、概率理论、图论、决策理论相结合的产物, 通过概率推理技术的应用, 为人们提供了一种方便的框架结构来表示因果关系, 使得不确定性推理变得在逻辑上更为清晰, 可理解性强[3 - 5]。
贝叶斯网络实际就是表示所研究问题变量的联合概率分布, 贝叶斯推理的目的是通过联合频率分布公式, 在给定的网络结构和已知证据下, 计算某一事件发生的频率设证据 ( Evidence) 变量集为E, 查询 ( Query) 变量集为Q, 则贝叶斯网络推理就是在给定证据变量集合的取值E = e的情况下, 计算查询变量Q的条件频率分布[6 - 7]。形式可以描述为:
1. 2 防护层分析概述
防护层分析 ( Layers of Protection Analysis, LO-PA) 是自2000 年以来国际上广泛采用的一种行之有效的安全设计和管理技术。LOPA是在危险识别的基础上, 进一步评估保护层的有效性并进行风险决策的系统方法, 是一种半定量的风险评估技术。在未考虑任何安全保护措施的情况下, 发生某种事故的事件称为未减轻事件, 其风险称为潜在风险; 采取独立保护层安全保护措施之后, 发生事故的事件称为减轻事件, 其风险称为剩余风险[8 - 10]。
LOPA分析中的独立保护层 ( IPL) 是能够阻止场景向不良后果继续发展的一种设备、系统或行动, 并且独立于初始事件或场景其它保护层的行动。IPL的有效性根据要求时的失效概率 ( Probability failure demand, PFD) 进行确定。IPL可以类别于事件树的分支, LOPA计算不期望事件的频率。如果不期望事件的频率和后果的组合, 也就是风险符合公司的风险标准要求, 则认为保护措施足够, 否则需增加其他保护措施, 直至风险达到要求[11 - 12]。企业为防止事故的发生往往都设置了层层的防护措施。一个典型石油化工企业安全防护层主要有:
第1 层: 工艺设计 ( 本质安全) 。
第2 层: BPCS基本工艺控制、工艺警报。
第3 层: 危险警报、操作者监视和采取措施。
第4 层: 安全监控系统SIS ( 如安全联锁系统、紧急停车系统等) 。
第5层:物理防护 (如压力泄放装置) 。
第6层:物理防护 (如防爆墙和坝) 。
第7 层: 工厂内的应急。
第8 层: 周围公众的应急。
2 贝叶斯网络与防护层集成分析模型
2. 1 贝叶斯网络应用软件
Ge NIe软件是一个用于构建图形化决策理论模型的开发环境, 使用Visual C + + 和MFC ( Microsoft基础类) 实现, 可以提供多种推理算法, 能够处理离散变量, 通过分析关联图和创建结构方程模型等进行频率推理和不确定性决策。应用Ge NIe软件能够实现贝叶斯网络推理或关联图的决策过程。
2. 2 构建集成分析模型
传统的系统安全分析在可靠性评估中存在一定局限性, 例如故障树分析在系统可靠性分析中只能考虑系统工作或失效两种状态, 不能考虑多态间的假设推理关系, 对复杂系统进行故障树分析时需要采用不交化方法求出最小割集合或最小径集合, 计算量太大。而贝叶斯网络技术可以直接基于故障树生成贝叶斯网络, 避免大量计算, 可简单处理故障树难以解决的问题。因此, 笔者提出贝叶斯网络与防护层集成分析模型, 具体分析思路如下:
首先编制系统故障树, 将其映射成对应贝叶斯网络, 构建条件概率表, 运用贝叶斯网络推理进行系统可靠性评估, 研究后果频率、后验概率以及各基本事件重要度, 从而快速识别系统的薄弱环节, 根据计算结果进行预测和诊断, 找出最容易导致装置发生事故的原因事件, 确定其为贝叶斯故障节点。
基于危险和可操作性研究 ( HAZOP) 的基础上, 将防护层分析融入HAZOP中对该风险贝叶斯故障节点进行分析, 全面分析重大事故场景的全过程, 明确识别出初始事件、中间事件和后果事件, 比较被评价的防护层故障频率与允许的防护层故障频率, 然后设置相应的独立防护层措施, 根据半定量风险矩阵确定风险等级。研究该节点包含的参数出现偏差的原因及后果, 通过防护层失效概率来评估剩余风险等级, 研究防护层措施是否已将剩余风险降到可接受程度。从而有效性地提高系统的可靠性。
3 实例应用
3. 1 工艺简介
以某石化公司80 万吨/年重油催化裂化装置反应- 再生系统作为平台, 应用所构建的贝叶斯网络与防护层集成分析模型对其进行风险评价。工艺流程如图1 所示。
反应- 再生系统主要工艺: 原料油经过加热汽化后进入提升管反应器进行裂化。提升管中催化剂处于稀相流化输送状态, 反应产物和催化剂进入沉降器, 并经汽提段用过热水蒸汽提, 再经旋风分离器分离后, 反应产物从反应系统进入分馏系统, 催化剂沉降到再生器。烟气经旋风分离器和催化剂分离后离开装置。
3. 2 再生器火灾、爆炸故障树
根据某石化公司80 万吨/年重油催化裂化装置反应- 再生系统工艺流程图编制反应- 再生系统火灾、爆炸故障树如图2 所示。
代号说明:
T:再生器火灾爆炸事故
M1:待生催化剂带油
M2:再生器超压
M3:二次燃烧
M4: 双动滑阀故障
M5:烟机入口蝶阀故障
M6:外取热器爆管泄漏
M7:氧含量过高
X1:反应压力突然上升
X2:反应进料量突增
X3:汽提蒸汽量过小
X4:待生塞阀泄漏
X5:主风量过大
X6:喷油器故障
X7:CO助燃剂量过小
X8:滑阀控制系统故障
X9:滑阀自保系统故障
X10:蝶阀控制系统故障
X11:蝶阀自保系统故障
X12:水循环系统故障
X13:取热管受热不均
X14:取热管结垢
X15:主风量过剩
X16: 外取热器提升风量过大
3. 3 故障树转成贝叶斯网络
应用Ge NIe软件将再生器火灾、爆炸故障树转成贝叶斯网络如图3 所示。各个基本事件的故障率即贝叶斯网络中的先验概率采用两种方法确定: 对于能够通过某石化公司催化裂化装置发生事故的统计资料得到统计频率的, 用该频率近似得到基本事件的故障率; 对于不能由统计资料得到故障率的基本事件, 直接根据文献资料中的数据确定其故障率。各基本事件的先验概率见表1 所示。
引用Ge NIe软件建模分析, 更新完善各基本事件属性后, 利用贝叶斯网络的双向推理技术, 解算出系统故障条件下各个组件的后验概率。为便于比较, 将贝叶斯网络中各个根节点的先验概率与后验概率汇集, 见表1。
从表1 中可以看出, 每个基本事件的后验概率与其先验概率是不同的, 且其排序也不同。各根节点后验概率对比如图4 所示。
后验概率可以作为判定基本事件影响顶事件故障发生重要度的重要参考, 从图4 各基本事件的后验概率对比可知, 再生器火灾爆炸事故很有可能是由基本事件X2反应进料量突增、X4待生塞阀泄漏, X15主风量过剩故障引起的, 该三个事件即为再生器火灾、爆炸事故薄弱环节, 可确定其为风险贝叶斯故障节点。
3. 4 风险贝叶斯故障节点防护层分析
以基本事件X2反应进料量突增为例, 确定其为风险贝叶斯故障节点进行防护层分析, 结果见表2。表2 中的所取的概率为经验值或参考CCPS等相关资料获得。
从表2 反应进料突增LOPA分析结果可以看粗, 由反应进料突增引起的未减轻事件的频率4. 00E - 03 超过了其风险容许值1. 00E - 04, 采取超温报警和料位高报警两个独立防护层措施后, 事故发生频率4. 00E - 03 降低到了1. 00E - 06, 根据风险矩阵可知, 未减轻事件的风险等级为7 级, 经采取独立防护层后降至4 级剩余风险, 处于可接受范围内, 可不用另外增加安全措施。
4 结论
1) 对于复杂的石油化工生产装置, 常用的系统安全分析在系统信息不确定条件下存在一定局限性, 提出贝叶斯网络与防护层集成分析模型。
2) 该模型的优点是: 1贝叶斯网络技术可以直接基于故障树生成贝叶斯网络, 避免大量计算, 能很好地表示变量的随机不确定性和相关性, 并能进行不确定性推理。2通过贝叶斯网络双向推理进行故障预测和诊断, 能够快速找出系统薄弱环节, 确定风险贝叶斯故障节点, 减轻了由于主观因素对评价结果带来的误差, 提高了评价结果的客观性与准确性。3基于危险性与可操作性研究的基础上, 应用先进的防护层分析对风险贝叶斯故障节点进行定量安全评价, 明确识别初始事件、中间事件和后果事件, 设置独立防护层降低剩余风险, 比较全面地研究了事故全过程, 加强了控制风险措施的针对性。
3) 在催化裂化装置中的反应- 再生系统中应用贝叶斯网络与防护层集成分析模型, 结果表明该方法较传统的事件树、故障树分析方法更加科学、合理, 为石化企业复杂系统火灾爆炸事故的风险评估提供了一种新的途径。
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