基于HCNAM-BN的化工過程爆炸事故致因鏈分析*

田 震，宋博達(dá)

(華南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究所，廣東 廣州 510640)

0 引言

化工過程爆炸事故具有突發(fā)性、危害嚴(yán)重性和多因素風(fēng)險耦合致因性[1-3]。為探明事故風(fēng)險耦合機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，Liou等[4]針對航空運輸風(fēng)險提出了基于DEMATEL-ANP方法的混合分析模型，研究了各風(fēng)險因子之間的相互作用關(guān)系；劉堂卿等[5]通過分析空管安全風(fēng)險，提出了單因素、雙因素和多因素耦合風(fēng)險概念，并指明了計算方法，但未深層次分析各風(fēng)險因子之間的交互影響；劉全龍等[6]采用耦合度模型對煤礦事故風(fēng)險因子間的耦合作用進(jìn)行了分析，但計算過程復(fù)雜且未說明事故演化的過程。在量化研究復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險耦合演化路徑的問題上，BN具有明顯優(yōu)勢，可依靠條件概率表達(dá)風(fēng)險因子間的相互作用強(qiáng)度，但當(dāng)前BN在系統(tǒng)安全方面的應(yīng)用研究主要依靠故障樹的映射[7-8]，未考慮各風(fēng)險因素之間的相互作用關(guān)系。因此，結(jié)合風(fēng)險耦合理論與BN研究事故風(fēng)險因素關(guān)聯(lián)特性和事故演化路徑，為從源頭上預(yù)防化工過程爆炸事故提供了新思路。

以下通過構(gòu)建HCNAM，并分析國內(nèi)外44起化工過程爆炸事故，研究風(fēng)險因子交互耦合對化工過程爆炸事故的致因重要度，結(jié)合耦合概率與二態(tài)分布，運用BN找出事故最可能原因、計算演化過程可能形成的各事故致因鏈的發(fā)生概率及確定事故網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點。

1 化工過程爆炸事故多因素風(fēng)險耦合分析

1.1 化工過程爆炸事故HCNAM構(gòu)建

圖2 HCNAM風(fēng)險因子微觀耦合結(jié)構(gòu)Fig.2 HCNAM risk factors coupling structure (on the micro level)

風(fēng)險以物質(zhì)流、能量流和信息流為載體依托[9]，沿某一規(guī)律鏈交互耦合并演化傳遞形成事故鏈[10]。多條事故鏈在一定時間和空間內(nèi)非線性耦合即形成化工過程爆炸事故層次耦合網(wǎng)絡(luò)，其空間立體結(jié)構(gòu)如圖1所示。依據(jù)風(fēng)險耦合理論[11]，風(fēng)險因子耦合的結(jié)果包含2個層面，一是風(fēng)險因子產(chǎn)生量變，導(dǎo)致風(fēng)險擴(kuò)大或減?。欢切纬尚碌娘L(fēng)險。風(fēng)險因子X={X1,X2,…,Xn}通過同質(zhì)耦合或異質(zhì)耦合形成新風(fēng)險狀態(tài)A={A1,A2,…,An}，共同構(gòu)成空間立體網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點，其中，X是爆炸事故場景引發(fā)事件，A是事故場景演化發(fā)展成為頂事件T的必要條件，屬于過程事件。因子間的交互影響關(guān)系可抽象為連接各節(jié)點的有向邊，同各節(jié)點形成自下而上的多條事故鏈，構(gòu)成事故場景演化環(huán)節(jié)。

圖1 層次耦合網(wǎng)絡(luò)空間立體結(jié)構(gòu)Fig.1 Spatial three-dimensional structure of the hierarchical coupling network

為合理展現(xiàn)事故風(fēng)險因素的微觀耦合關(guān)系，將事故風(fēng)險因素進(jìn)行歸納分析得到15項風(fēng)險因子，構(gòu)成演化環(huán)節(jié)的外部耦合影響層和內(nèi)部耦合交互層。外部耦合影響層由組織管理因素構(gòu)成，直接影響人的安全行為、設(shè)備的安全狀態(tài)及環(huán)境的安全狀況，結(jié)構(gòu)上存在直接影響和非線性作用關(guān)系。內(nèi)部耦合交互層則由人員、設(shè)備和環(huán)境因素構(gòu)成，其風(fēng)險因子之間的交互耦合作用關(guān)系具有明顯的不確定性。風(fēng)險因子耦合形成的新風(fēng)險狀態(tài)構(gòu)成耦合演化層，其交叉演化并突破安全閾值即形成爆炸事故，主要表現(xiàn)載體為物質(zhì)交互紊亂、信息傳遞失效和能量異常變化。HCNAM風(fēng)險因子微觀耦合結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

因此，構(gòu)建HCNAM的重點在于依據(jù)層次結(jié)構(gòu)查找上述15類風(fēng)險因子中可能導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生的各種子類風(fēng)險因子，以及各子類風(fēng)險因子可能耦合形成的風(fēng)險狀態(tài)，并根據(jù)已有知識明確耦合過程中風(fēng)險因子之間的相互作用及依賴關(guān)系，形成空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2 化工過程爆炸事故雙因子耦合統(tǒng)計分析

為進(jìn)一步明確風(fēng)險因子間的耦合關(guān)系，并探求風(fēng)險因子交互耦合作用對事故致因的重要性，對近年來涉及化工生產(chǎn)及維護(hù)過程的爆炸事故進(jìn)行雙因子耦合概率統(tǒng)計，并對耦合致因重要度進(jìn)行分級，具體步驟如下：

1)事故案例收集。事故案例來源于國家各級安監(jiān)部門公布的事故調(diào)查報告及國外相關(guān)數(shù)據(jù)庫公布的事故調(diào)查信息，其中包括我國發(fā)生的化工過程爆炸事故38起，如山東濱源化學(xué)有限公司“8·31”重大爆炸事故；國外發(fā)生的典型化工過程爆炸事故6起，如美國西弗吉尼亞州拜耳作物科學(xué)工廠爆炸事故等。

2)雙因子耦合風(fēng)險狀態(tài)確定。依據(jù)圖2中的15種風(fēng)險因子分類，歸納得出每起事故的致因因子并進(jìn)行兩兩結(jié)合，確定為耦合風(fēng)險狀態(tài)，同時計數(shù)為1，表示在該起事故中某兩因子間存在交互耦合作用。

3)雙因子耦合概率計算。統(tǒng)計44起事故中各雙因子耦合風(fēng)險狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)并計算其概率。雙因子耦合風(fēng)險狀態(tài)出現(xiàn)概率越小，代表其耦合作用對事故發(fā)生的影響程度越低，即呈現(xiàn)較低的耦合致因重要度；出現(xiàn)概率越大，耦合致因重要度越高。

4)耦合致因重要度分級。借鑒耦合度模型[12]對耦合作用強(qiáng)度的分級方法，將雙因子耦合致因重要度按概率大小劃分為弱耦合致因(0%～30%]、中度耦合致因(30%～70%]和強(qiáng)耦合致因(70%～100%)等3級，得到化工過程爆炸事故雙因子耦合致因樹狀圖，如圖3所示。

圖3 化工過程爆炸事故雙因子耦合致因樹狀圖Fig. 3 Tree diagram of chemical process explosion accidents caused by two-factor risk coupling

分析表明，91種雙因子耦合風(fēng)險狀態(tài)中，47種呈現(xiàn)弱耦合致因。在中度和強(qiáng)度耦合致因狀態(tài)中，規(guī)章制度不健全(O1)和操作錯誤(H4)兩因子耦合形成風(fēng)險(O1，H4)出現(xiàn)的頻率最高，為75%。其次，規(guī)章制度不健全(O1)和監(jiān)護(hù)失誤(H5)之間也具有較強(qiáng)的耦合致因作用，出現(xiàn)頻率為72.73%?？傮w分析，規(guī)章制度不健全(O1)、教育培訓(xùn)不足(O2)、安全意識薄弱(H1)、操作錯誤(H4)、監(jiān)護(hù)失誤(H5)、設(shè)備設(shè)施缺陷(M1)及防護(hù)缺陷(M2)這7種因子之間耦合形成風(fēng)險的概率較大。為預(yù)防事故發(fā)生，應(yīng)著重采取措施，避免7種因子之間相互耦合導(dǎo)致風(fēng)險擴(kuò)大。

2 HCNAM轉(zhuǎn)化為BN

BN用有向無環(huán)圖的形式表達(dá)隨機(jī)變量間的關(guān)聯(lián)特性，用條件概率分布的形式表示關(guān)聯(lián)強(qiáng)度[13]。因此，基于BN與HCNAM結(jié)構(gòu)相似且其在處理不確定性方面的優(yōu)勢，可將HCNAM分析模型轉(zhuǎn)化為BN對化工過程爆炸事故演化過程進(jìn)行定量分析。

HCNAM轉(zhuǎn)化為BN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于明確各節(jié)點的條件概率分布，用以表示節(jié)點間的交互影響關(guān)系。由于HCNAM的外部耦合影響層和內(nèi)部耦合交互層均考慮各因素之間的相互作用關(guān)系，因此條件概率已不服從故障樹-貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的(0,1)二態(tài)分布，而是區(qū)間(0,1)的某個值，其具體值可通過對風(fēng)險因素耦合的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合專家經(jīng)驗或相關(guān)研究確定。而耦合演化層，由于事件A的發(fā)生需要特定的必要條件，例如物料泄漏與空氣混合達(dá)到爆炸極限并遇點火源形成爆炸，因此條件概率依舊遵循(0,1)二態(tài)分布。

用l={l1,l2,…,ln}表示節(jié)點集合，則基本事件到頂事件的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理服從聯(lián)合條件概率分布：

(1)

式中：Pa(li)為li的父節(jié)點初始狀態(tài)分布；P(li|Pa(li))為li初始狀態(tài)分布。

3 應(yīng)用研究

氯乙烯單體槽是氯乙烯聚合工藝過程中的重要設(shè)備，其涉及高壓工作環(huán)境及易燃易爆的氯乙烯介質(zhì)，因此極易發(fā)生爆炸性混合氣體爆炸[14]。為綜合評判生產(chǎn)過程中造成氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故的主要事故鏈及關(guān)鍵風(fēng)險點，并驗證HCNAM-BN模型的有效性，對氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故進(jìn)行分析如下：

3.1 氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故HANCM-BN模型

依據(jù)提取得出的15類風(fēng)險因子所涉及的內(nèi)容，對某氯乙烯單體槽單元進(jìn)行風(fēng)險辨識，并依據(jù)雙因子耦合致因重要度確定因子間相互耦合關(guān)系，輸入GeNIe 2.0軟件得到氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故HCNAM-BN模型如圖4所示，圖中t表示事件發(fā)生，f表示事件不發(fā)生。

圖4 氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故HCNAM-BN模型Fig.4 HCNAM-BN model of the explosive mixed gas explosion accidents

依據(jù)風(fēng)險因子耦合概率統(tǒng)計結(jié)果并結(jié)合專家經(jīng)驗確定先驗概率和條件概率表，輸入模型中得到氯乙烯單體槽爆炸性混合氣體爆炸事故發(fā)生的概率為P(T)=0.094 7。以耦合演化層A2泄漏物料遇點火源爆炸和內(nèi)部耦合交互層H5監(jiān)護(hù)失效為例，其條件概率表分別如表1和表2所示。

表1 耦合演化層A2泄漏物料遇點火源爆炸條件概率

3.2 分析討論

3.2.1 后驗概率計算

后驗概率是經(jīng)概率修正后得到的更符合實際情況的估計[15]。假定頂事件爆炸性混合氣體爆炸事故(T)發(fā)生，即P(T)=1，進(jìn)行反向推算，求得各風(fēng)險因子的后驗概率如圖5所示。由分析結(jié)果可知：若事故發(fā)生，則最可能的事故根本原因為O1規(guī)章制度不健全和O2教育培訓(xùn)不足；最可能的人員因素為H5監(jiān)護(hù)失效和H4.2違章動火；最可能的設(shè)備因素為M1.3管線泄漏和M1.5連接法蘭泄漏。

表2 內(nèi)部耦合交互層H5監(jiān)護(hù)失效條件概率

圖5 各風(fēng)險因子后驗概率與先驗概率Fig. 5 Prior probabilities and posterior probabilities of the risk factors

3.2.2 事故致因鏈發(fā)生概率計算

采用逆向推理方法求取各事故致因鏈的發(fā)生概率。由頂事件開始，選取其某一父節(jié)點輸入節(jié)點證據(jù)(即設(shè)該節(jié)點事件發(fā)生)并確定該父節(jié)點為下級子節(jié)點，依次向下推理直至事故鏈根事件結(jié)束。當(dāng)耦合演化層某子節(jié)點風(fēng)險的發(fā)生需多個父節(jié)點同時發(fā)生風(fēng)險時，同級輸入多個節(jié)點證據(jù)并逐一向下推理得到事故鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。運用公式(1)求取該事故鏈發(fā)生的概率。以最大概率事故致因鏈為例，其發(fā)生概率P=0.031 6，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 事故發(fā)生的最大概率事故鏈Fig.6 Accident causation chain with the maximum probability of occurrence

實際生產(chǎn)中，規(guī)章制度不健全易導(dǎo)致員工違反動火作業(yè)審批制度進(jìn)行違章動火作業(yè)，同時由于監(jiān)督檢查制度落實不到位，造成監(jiān)護(hù)失效，在發(fā)生因管線未進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)導(dǎo)致物料泄漏的情況下，未能及時制止違章動火行為，造成泄漏物料在空氣中達(dá)到爆炸極限并遇點火源發(fā)生爆炸?？梢?，該過程呈現(xiàn)復(fù)雜的“人-機(jī)-管”風(fēng)險耦合交互影響特性。

3.2.3 關(guān)鍵節(jié)點分析

采用敏感度分析辨識貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵風(fēng)險點。敏感度分析綜合考慮了各節(jié)點間的關(guān)聯(lián)程度以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表示局部參數(shù)變化對目標(biāo)節(jié)點的影響，節(jié)點敏感度越高，對目標(biāo)影響越大。通過在耦合演化層設(shè)置不同的節(jié)點目標(biāo)，分析得出H4.1，H3，H1，H5對反應(yīng)器內(nèi)部形成爆炸性混合氣體影響較大，H3，H4.2，H1，H5對產(chǎn)生點火源影響較大，H5對物料泄漏影響最大。綜合分析整個網(wǎng)絡(luò)共辨識出10個關(guān)鍵風(fēng)險點，如圖4所示，不同灰度代表不同的敏感度大小，灰度越大，敏感度越高，具體敏感度大小排序為：H4.1>H4.2>H3>H1>H5>A8>H2>E2>O1>O2。因此，為防范事故發(fā)生應(yīng)著重提高員工的安全意識，杜絕違章指揮、違章操作和違章動火行為的發(fā)生；并做好監(jiān)督檢查工作，及時排查設(shè)備隱患并定期對設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)。

4 結(jié)論

1)在辨識主要風(fēng)險因子的基礎(chǔ)上，將化工過程爆炸事故微觀耦合過程分為3個層次：外部耦合影響層由組織管理因素構(gòu)成，直接影響人、機(jī)、環(huán)等因素構(gòu)成的內(nèi)部耦合交互層；外部和內(nèi)部風(fēng)險因子通過交互耦合形成新的風(fēng)險狀態(tài)，如物質(zhì)交互紊亂、信息傳遞失效和能量異常變化等，構(gòu)成耦合演化層。

2)從風(fēng)險耦合致因角度對近年來國內(nèi)外44起化工過程爆炸事故進(jìn)行統(tǒng)計分析并將耦合致因重要度進(jìn)行分級，發(fā)現(xiàn)91種雙因子耦合風(fēng)險狀態(tài)中，47種呈現(xiàn)弱耦合致因特性；7種因子雙耦合形成風(fēng)險的概率較大，其中，規(guī)章制度不健全和操作錯誤2個因子耦合形成風(fēng)險概率最高。

3)HCNAM-BN從多因素風(fēng)險耦合角度研究化工過程爆炸事故風(fēng)險因素關(guān)聯(lián)特性和事故演化路徑，可找出事故發(fā)生的最可能原因、定量分析各事故致因鏈的發(fā)生概率及確定事故網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點，可為采取措施從化工過程薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)防范爆炸事故提供依據(jù)。

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