蔡少?gòu)V 任少云副教授 湯智新 張必卓

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

根據(jù)美國(guó)化學(xué)安全與危險(xiǎn)調(diào)查局(Chemical Safety and Hazard Investigation Board，CSB)發(fā)布的數(shù)據(jù)，美國(guó)2006-2017年間發(fā)生111起可燃粉塵爆炸事故，造成66人死亡，337人受傷；國(guó)內(nèi)2009-2018年間發(fā)生67起粉塵爆炸事故，造成嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。國(guó)內(nèi)外粉塵爆炸事故頻發(fā)，有必要對(duì)粉塵涉爆企業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，找出危險(xiǎn)源，提出改進(jìn)與預(yù)防措施。

學(xué)者們?cè)诜蹓m爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析及安全防控措施研究方面已取得諸多進(jìn)展，如謝振華[1]利用安全檢查表法對(duì)糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)粉塵爆炸進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)粉塵爆炸防控措施；張秀玲[2]提出一種結(jié)構(gòu)方程法與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型耦合的評(píng)價(jià)方法，分析加工車(chē)間粉塵爆炸事故致因鏈，實(shí)現(xiàn)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)概率的科學(xué)預(yù)測(cè)；李紅玉等[3]通過(guò)系統(tǒng)思考法對(duì)典型粉塵爆炸事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并利用因果循環(huán)圖得出事故杠桿解，為涉爆企業(yè)增強(qiáng)安全監(jiān)管效率提供理論依據(jù)；陳剛等[4]統(tǒng)計(jì)2005-2020年我國(guó)粉塵爆炸事故數(shù)據(jù)，通過(guò)分析粉塵爆炸事故一般規(guī)律與原因，總結(jié)相應(yīng)安全管理對(duì)策；李正[5]通過(guò)案例分析法剖析粉塵涉爆企業(yè)安全生產(chǎn)的共性問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外監(jiān)管方案提出預(yù)防粉塵爆炸事故的建議與對(duì)策。通過(guò)分析、梳理已有的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)研究工作，發(fā)現(xiàn)研究?jī)?nèi)容往往集中在系統(tǒng)分析企業(yè)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)性及提出預(yù)防措施，而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因素進(jìn)行定量分析的較少，忽略了各影響因素在整個(gè)生產(chǎn)中的相對(duì)重要性。

基于此，筆者擬采用事故樹(shù)(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)與模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)，從粉塵爆炸條件及機(jī)理出發(fā)，對(duì)粉塵爆炸影響因素進(jìn)行定性、定量分析，得出影響粉塵爆炸的各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)影響因素結(jié)構(gòu)重要度及權(quán)重，得出合理的優(yōu)先治理順序，并以木纖維粉塵爆炸為著力點(diǎn)，為粉塵涉爆企業(yè)制定安全生產(chǎn)防范措施方案提供參考依據(jù)。

1 粉塵爆炸條件及機(jī)理

一般物質(zhì)燃燒需要可燃物、氧化劑與點(diǎn)火源，然而，要產(chǎn)生具有一定危害的粉塵爆炸還需要額外的條件，即粉塵顆粒在適當(dāng)?shù)臐舛群拖拗品秶鷥?nèi)的擴(kuò)散。所以發(fā)生粉塵爆炸需要5個(gè)基本條件：可燃粉塵、點(diǎn)火源、氧化劑、達(dá)到爆炸下限的粉塵云及有限的空間[6]。

粉塵爆炸有2種機(jī)理：一種是粉塵粒子在火源的熱量作用下直接與氧化劑發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的反應(yīng)熱使火焰?zhèn)鞑?，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，反應(yīng)熱使周?chē)姆蹓m和空氣加熱迅速膨脹，從而導(dǎo)致粉塵爆炸；另外一種是粉塵受熱后釋放出可燃性氣體發(fā)生燃燒，然后火焰在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使越來(lái)越多的粉塵粒子分解或揮發(fā)，釋放更多的可燃?xì)怏w，最終導(dǎo)致粉塵爆炸[6]。

通過(guò)分析粉塵爆炸的條件及機(jī)理，將發(fā)生粉塵爆炸的3要素——點(diǎn)火源、氧化劑、形成粉塵云且達(dá)到爆炸下限——作為中間事件，同時(shí)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施及生產(chǎn)條件進(jìn)行基本事件的確定，從而構(gòu)建事故樹(shù)，再進(jìn)行定性分析。

2 粉塵爆炸事故樹(shù)分析

FTA分析法是一種通過(guò)演繹推理來(lái)反向跟蹤導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的根本原因的方法[7]，使用布爾邏輯符號(hào)(即與門(mén)、或門(mén)等)將頂部事件的原因分解為基本設(shè)備故障和人為錯(cuò)誤等。分析從頂上事件開(kāi)始，確定原因和頂上事件之間的邏輯關(guān)系。

本文以木纖維粉塵爆炸事故為例，繪制事故樹(shù)。頂上事件為粉塵爆炸，點(diǎn)火源、氧化劑及形成粉塵云且達(dá)到爆炸下限是中間事件[8]，同時(shí)進(jìn)行檢查，直到每個(gè)中間事件的主要原因被確定。粉塵爆炸事故樹(shù)分析過(guò)程，如圖1。

圖1 粉塵爆炸事故樹(shù)圖

其中，粉塵云的形成作為發(fā)生粉塵爆炸事故的關(guān)鍵條件之一，人為因素為員工未及時(shí)清掃粉塵；管理因素為作業(yè)場(chǎng)所混亂；設(shè)備因素為風(fēng)機(jī)、除塵器、管道及吸塵罩的故障；環(huán)境因素為生產(chǎn)車(chē)間布局不合理導(dǎo)致通風(fēng)不良；物料因素為粉塵爆炸的特性。

2.1 求取最小徑集

繪制好粉塵爆炸事故樹(shù)后，運(yùn)用布爾代數(shù)法求解出事故樹(shù)最小割集196個(gè)?？梢?jiàn)，引起粉塵爆炸的途徑有196個(gè)，且每個(gè)途徑包含的基本事件較少，表明危險(xiǎn)程度較高，容易發(fā)生粉塵爆炸事故。

最小徑集能夠表達(dá)系統(tǒng)的安全性[7]，每一個(gè)最小徑集都是一種控制發(fā)生粉塵爆炸事故的可行方案，只要能采取有力措施，保證其中任意一個(gè)最小徑集中的基本事件都不發(fā)生，就不會(huì)發(fā)生粉塵爆炸事故。通過(guò)轉(zhuǎn)換為成功樹(shù)，計(jì)算得到粉塵爆炸事故樹(shù)的5個(gè)最小徑集為：P1={X9，X10}，P2={X18，X19}，P3={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7}，P4={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X8}，P5={X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17}。

例如，只要能將最小徑集P5控制住，即控制住{風(fēng)機(jī)故障，除塵器故障，管道故障，吸塵罩損壞，未及時(shí)清掃，作業(yè)場(chǎng)所混亂，車(chē)間布局不合理}，保障通風(fēng)除塵設(shè)備的良好運(yùn)行，優(yōu)化生產(chǎn)車(chē)間布局使自然通風(fēng)良好，并及時(shí)對(duì)粉塵進(jìn)行處理，防止造成粉塵聚集，粉塵爆炸事故就不會(huì)發(fā)生。

雖然每一個(gè)最小徑集都是一種預(yù)防控制方法，但在實(shí)際工作中，一般會(huì)分析多個(gè)最小徑集，得出數(shù)個(gè)預(yù)防控制途徑，多措并舉提高生產(chǎn)安全性，降低發(fā)生粉塵爆炸事故的概率。同時(shí)，還能通過(guò)分析實(shí)施難易程度和實(shí)施效果等因素，選擇最優(yōu)預(yù)防控制措施。

2.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析能求出導(dǎo)致粉塵爆炸事故的各基本原因的重要程度，以便按輕重緩急分別采取防治對(duì)策。

求取結(jié)構(gòu)重要度可以采用最小割(徑)集法，同時(shí)也可以用下面3個(gè)近似公式進(jìn)行計(jì)算[7]。

(1)

(2)

(3)

式中：

Iψ(i)—第i個(gè)最小割(徑)集的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

k—最小割(徑)集總數(shù)；

Kj—第j個(gè)最小割(徑)集；

mi—第i個(gè)基本事件所在第Kj最小割(徑)集中的基本事件總數(shù)；

Xi—第i個(gè)基本事件。

經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)重要度排序：Iψ(9)=Iψ(10)=Iψ(18)=Iψ(19)>Iψ(1)=Iψ(2)=Iψ(3)=Iψ(4)=Iψ(5)=Iψ(6)>Iψ(7)=Iψ(8)=Iψ(11)=Iψ(12)=Iψ(13)=Iψ(14)=Iψ(15)=Iψ(16)=Iψ(17)。

分析可得，X9、X10、X18及X19是導(dǎo)致粉塵爆炸事故的最重要因素，故要著重控制生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部氧氣含量和揚(yáng)塵問(wèn)題。由于工藝設(shè)備或作業(yè)場(chǎng)所存在充足的氧氣，是發(fā)生粉塵爆炸條件之一，可在設(shè)備內(nèi)部充入適量的惰性氣體進(jìn)行防護(hù)。為防止揚(yáng)塵，可在聚集大量粉塵的區(qū)域采取噴油或噴霧等方式，以此增加粉塵粘附性，達(dá)到有效控制空中浮塵的目的。X1、X2、X3、X4、X5及X6是次要級(jí)因素，即杜絕出現(xiàn)明火及電氣火花是十分重要的預(yù)防管控途徑。

3 模糊層次分析法

3.1 層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建

基于事故樹(shù)分析，能夠?qū)?dǎo)致粉塵爆炸事故的各種因素做出全面的描述[9]。設(shè)粉塵爆炸事故為目標(biāo)層，將事故樹(shù)的基本事件整合后作為指標(biāo)層要素，并將其按人、設(shè)備、環(huán)境、管理、物料5個(gè)方面的準(zhǔn)則層要素進(jìn)行劃分，見(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層要素

3.2 構(gòu)建互補(bǔ)判斷矩陣

將因素兩兩間對(duì)比，根據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序判斷因素之間的重要程度，通過(guò)表2得出各因素之間的重要度值，并構(gòu)造各個(gè)層級(jí)之間的模糊互補(bǔ)判斷矩陣。

表2 判斷矩陣重要度值及其含義

再將模糊判斷矩陣經(jīng)過(guò)式(4)計(jì)算得到模糊一致性矩陣，使其符合一致性檢驗(yàn)。計(jì)算公式為：

(4)

式中：

aij—模糊一致性矩陣中第i行第j列元素值；

Hi、Hj—模糊判斷矩陣中第i行行元素之和、第j列列元素之和；

n—元素個(gè)數(shù)。

通過(guò)與專家探討，經(jīng)式(4)計(jì)算，得到準(zhǔn)則層C1、C2、C3、C4、C5與目標(biāo)層T的模糊判斷矩陣M1和模糊一致矩陣M2，指標(biāo)層D11、D12、D13、D14、D15對(duì)準(zhǔn)則層C1的模糊判斷矩陣M3和模糊一致矩陣M4，其他指標(biāo)層與準(zhǔn)則層的矩陣同理可得。

3.3 排序

3.3.1 單層次排序

模糊層次單排序，對(duì)于每一個(gè)判斷矩陣，先計(jì)算每一行的和，由這些和構(gòu)成一個(gè)向量，并歸一化處理，得到向量W，W的分量即是相應(yīng)因素單排序的權(quán)值?；蛘吒鶕?jù)式(5)計(jì)算下層因素相對(duì)上一層相關(guān)因素的權(quán)重：

(5)

得出準(zhǔn)則層C對(duì)目標(biāo)層T的權(quán)重向量WT=[0.312，0.192，0.160，0.208，0.128]，指標(biāo)層D對(duì)準(zhǔn)則層C的權(quán)重向量分別為：WD1=[0.288，0.208，0.136，0.248，0.120]，WD2=[0.45，0.55]，WD3=[0.475，0.525]，WD4=[0.425，0.575]，WD5=[0.425，0.575]。

3.3.2 層次總排序

風(fēng)險(xiǎn)因素層次總排序指所有指標(biāo)層因素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重排序，計(jì)算公式見(jiàn)式(6)。

WDij=WTi×WCij

(6)

式中：

WDij—Dij的權(quán)重；

WTi—準(zhǔn)則層Ci對(duì)目標(biāo)層T的權(quán)重；

WCij—指標(biāo)層Dij對(duì)準(zhǔn)則層Ci的權(quán)重。

求出各指標(biāo)層因素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重，見(jiàn)表3。D42、D22、D11、D41、D21所占權(quán)重排名前五，是造成粉塵爆炸的主要因素。2種評(píng)估方法分析結(jié)果能相互補(bǔ)充，充分說(shuō)明運(yùn)用FTA耦合FAHP計(jì)算具有反饋關(guān)系的系統(tǒng)權(quán)重值是合理且準(zhǔn)確的。

表3 指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重排序

分析得出以下防火防爆結(jié)論：

(1)未及時(shí)清理粉塵所占權(quán)重最大，在日常工作期間，必須定期進(jìn)行沉積粉塵的清理工作，除塵時(shí)應(yīng)注意防止粉塵二次飛揚(yáng)；在生產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)前，先進(jìn)行除塵系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，一定時(shí)間后，再進(jìn)行正常生產(chǎn)工作。

(2)危險(xiǎn)區(qū)域明火作業(yè)保護(hù)不當(dāng)所占權(quán)重占第二，應(yīng)劃分好禁火分區(qū)，嚴(yán)令禁止該區(qū)域出現(xiàn)明火作業(yè)，如確需明火作業(yè)應(yīng)提前做好防護(hù)措施，如配備齊全消防設(shè)施、事先消除周?chē)扇嘉锏?，工作人員嚴(yán)格遵守規(guī)定進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)杜絕工作區(qū)吸煙行為。

(3)通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)定應(yīng)參照GB 15577—2018《粉塵防爆安全規(guī)程》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于存在粉塵爆炸隱患的設(shè)備應(yīng)采取泄爆、隔爆、抑爆、抗爆、惰化等至少一種措施。同時(shí)建議使用負(fù)壓吹掃除塵方式，如確需正壓方式除塵，要做好防范點(diǎn)燃源的措施。

(4)在安全管理方面，定期對(duì)工作人員進(jìn)行安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)與應(yīng)急演練，提高工作人員的安全意識(shí)與防火滅災(zāi)能力，全面落實(shí)粉塵清掃和隱患排查工作。

(5)將生產(chǎn)裝置等設(shè)備內(nèi)部做成封閉空間，通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，可以隔絕粉塵與氧氣的接觸，阻止粉塵的自燃與爆炸，還可同時(shí)在重點(diǎn)生產(chǎn)裝置設(shè)置自動(dòng)煙霧報(bào)警器與防火防爆裝置。

(6)嚴(yán)格根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版)》對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與安裝，防止發(fā)生靜電、短路等情況，并采取靜電接地設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)本文從粉塵爆炸的5個(gè)基本條件和機(jī)理出發(fā)，利用FTA分析法演繹推理來(lái)反向跟蹤查明發(fā)生粉塵爆炸事故的各種固有、潛在危險(xiǎn)因素，得到發(fā)生粉塵爆炸事故的基本致因事件。

(2)利用事故樹(shù)結(jié)構(gòu)重要度分析，發(fā)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備氧氣充足、作業(yè)場(chǎng)所氧氣充足、正壓吹掃揚(yáng)塵和室內(nèi)作業(yè)揚(yáng)塵是導(dǎo)致粉塵爆炸事故的最重要因素；采用FAHP法明確造成粉塵爆炸的主要因素為未及時(shí)清理粉塵、危險(xiǎn)區(qū)域明火作業(yè)保護(hù)不當(dāng)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)故障、安全管理制度不健全及工作區(qū)吸煙，并根據(jù)分析出的潛在問(wèn)題提出事故預(yù)防措施及解決方案。

(3)根據(jù)該耦合方法分析所得結(jié)果，可為粉塵涉爆企業(yè)在安全生產(chǎn)投入條件有限的情況下制定最優(yōu)安全防范方案提供參考依據(jù)，進(jìn)而利益最大化地提升生產(chǎn)安全水平。

(4)本文主要針對(duì)粉塵爆炸指標(biāo)進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析，后續(xù)可相應(yīng)進(jìn)行粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分等研究。