安全工程專業(yè)實驗室風險定量分析

李祥春， 劉 嶸， 崔 哲

(中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院， 北京 100083)

0 引 言

實驗室是高校實驗教學和科學研究的必要場所，同時也是易發(fā)生事故的場所[1]。近年來，高校中由于師生在實驗過程中操作不當、設備老化、消防不到位等原因導致爆炸、火災事故引起人員傷亡時有發(fā)生[2]。安全工程專業(yè)實驗室所進行的實驗大多涉及易燃易爆品，實驗教學和研究性實驗均具有一定的危險性[1]，容易造成實驗室的財產(chǎn)損失并危及實驗人員的人身安全。因此，有必要對安全工程實驗室的風險進行分析并提出管理對策。

針對這一問題國內外學者進行了相關的研究。例如，張維剛等[3]通過對高校實驗室事故進行統(tǒng)計，分析各類事故的占比并結合本校安全工程學院實驗室的具體情況，分析了實驗室的安全隱患從而提出了相應的整改措施。孟曉靜等[1]針對安全工程專業(yè)實驗室的特點，分析了安全工程實驗室常見的事故，提出了若干安全管理對策。常悅等[4]利用事故樹與層次分析相結合的方法構建了高校實驗室火災風險評估模型，構造判斷矩陣并計算，找出了實驗室火災隱患并提出了整改措施。尤立明等[5]利用事故樹分析法探究了引發(fā)高校實驗室火災事故各因素間的邏輯關系，提出相應的消防安全防護措施。王曄等[6]針對高?；瘜W實驗室安全隱患的問題，將量規(guī)評價法應用于安全風險評價，并設計出適合高?；瘜W實驗室安全風險評價的量規(guī)表。渠立明[7]在高校實驗室的安全管理工作中引入事前控制、事后分析、危機管理等全面質量管理(TQM)理念，提升高校實驗室安全管理工作的質量，及時消除安全隱患。并將TQM與MSF風險管理原則相結合，有效控制實驗室安全管理工作的系統(tǒng)性風險。錢建明等[8]基于LEC法對實驗室及其檢測過程的風險識別與評價進行應用研究，提高檢測實驗室風險評估能力的充分性和有效性。趙紅等[9]運用FEMA分析方法，量化識別實驗室潛在失效的影響程度，控制和減少安全風險，提高實驗室安全管理工作的水平。以上這些研究可以看出對實驗室風險分析大多進行的是定性分析，而未見專門針對安全工程專業(yè)實驗室風險的定量分析，為此，本文將對安全工程專業(yè)實驗室存在的風險進行識別和定性、定量分析并提出對策。

1 安全工程專業(yè)實驗室存在的風險識別

目前全國高校設置的安全工程專業(yè)方向涵蓋了礦業(yè)、化工、能源、核工業(yè)、交通、能源、土木、經(jīng)濟等各個領域，但專業(yè)培養(yǎng)方向一般都與高校的行業(yè)背景密切相關[10]，比如中國礦業(yè)大學的礦業(yè)安全、中國科技大學的火災安全、南京工業(yè)大學的化工安全。目前各個學校安全工程專業(yè)所涉及的較統(tǒng)一的實驗主要包括：安全檢測技術、安全人機工程學、通風除塵、火災爆炸、電氣安全、職業(yè)健康與衛(wèi)生、鍋爐壓力容器安全7個部分[11]。針對這些實驗，本文將利用事故統(tǒng)計、問卷調查的方法對安全工程專業(yè)實驗室的風險進行識別。

1.1 事故統(tǒng)計

通過對近些年高校實驗室事故案例的分析(見表1)，總結導致這些事故發(fā)生的具體原因和重點防控導致事故發(fā)生的因素，為設計安全工程實驗室調查問卷提供依據(jù)[12]。從表1可見，近年來高校實驗室安全事故頻發(fā)的原因主要是：①在實驗過程中需要經(jīng)常接觸和使用易燃、易爆、有毒、有害物品，且經(jīng)常使用氣、火、電等；②實驗過程中誤操作和違規(guī)操作；③實驗儀器出現(xiàn)故障。而這些原因同樣與安全工程專業(yè)實驗室的爆炸、火災、觸電等事故相關。

1.2 問卷調查

為了解有關安全工程專業(yè)實驗室存在的風險，選用問卷調查方法，通過對熟悉安全工程專業(yè)實驗室?guī)熒嶒瀱T等進行問卷調查，對安全工程專業(yè)實驗室的危險情況進行分析，找出可能存在事故危險因素。

(1) 問卷設計。由于問卷的目的是了解安全工程專業(yè)實驗室的具體風險，故問卷題目設置為開放性提問而非主觀封閉性問題。根據(jù)對實驗室事故的統(tǒng)計和對安全工程實驗室的資料分析設計了安全工程專業(yè)實驗室風險調查問卷，并選取相關院校安全工程專業(yè)師生為調查對象。為了提高問卷信度，避免代答，統(tǒng)一組織各課題組師生填答問卷。發(fā)放問卷200份，共回收186份，有效問卷186份，回收和有效率為93%。

(2) 問卷分析。此次問卷調查所涉院校均為設有安全工程專業(yè)且學科發(fā)展成熟的高校。從問卷匯總結果來看，安全工程專業(yè)的研究方向主要有：礦井火災防治、建筑火災防治、煤巖動力災害、瓦斯災害防治、氣體爆炸、化工安全、粉塵防治等，這些研究方向所涉及的實驗如：建筑材料燃燒特性實驗、煤自然發(fā)火實驗、細水霧等防塵實驗、瓦斯?jié)B流實驗、瓦斯吸附解吸實驗、氣體爆炸實驗、危險化學品檢測實驗等均有事故風險。由于安全工程專業(yè)實驗室中有較多易燃易爆的物質，火災和爆炸事故是安全工程專業(yè)實驗室事故中最易發(fā)生的事故[1]。而安全工程專業(yè)實驗室中還有壓力機、鉆煤機等諸多機械設備，實驗過程中操作不慎或者不當也易引起機械傷害類事故。根據(jù)調查主要的事故和事故發(fā)生的可能原因如表2所示。

表2 安全工程專業(yè)實驗室存在的主要風險

2 風險定量分析

對以上識別出的風險進行定性、定量的分析，從而有針對性地提出風險管理建議。常用的風險分析法有：調查打分法、層次分析法、蒙特卡洛模擬法、事故樹分析法、概率分布分析法及模糊綜合評判法[13]。由于利用事故樹分析法可以準確推斷導致事故發(fā)生的基本事件，故本文選用事故樹分析法，對系統(tǒng)的風險進行分析和評價，并進行定性分析和定量計算[14]。

2.1 事故樹的編制

安全工程專業(yè)實驗室各類事故的事故樹和引起事故的子事件如圖1所示。由事故樹及子事件可清晰看出引起實驗室事故的所有途徑和直接事故成因，可為分析事故發(fā)生原因和制定有效防范措施提供參考。

圖1 安全工程專業(yè)實驗室主要事故的事故樹

2.2 求最小割集

在事故樹中，把引起頂事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集[14]。而最小割集是能夠導致頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，反映的是系統(tǒng)的故障模式。由圖1所示的事故樹，利用布爾代數(shù)法有：

T=T1+T2+T3=A1·A2+A3·A4+A5·A6·A7

最小割集數(shù)量越多，說明系統(tǒng)的危險性越大。將上式展開繼續(xù)化簡，可知最小割集有60個，即系統(tǒng)的20個基本事件Xi(i=1,2，…，20)，存在60種途徑可導致頂上事件(實驗室事故)的發(fā)生，可見系統(tǒng)危險性較大。最小割集對全面分析事故發(fā)生規(guī)律，找出系統(tǒng)的隱患非常有幫助，也為降低系統(tǒng)的危險性提出了控制方向和預防措施。由最小割集可以直觀的判斷哪種事故發(fā)生的途徑最危險,哪種次之,哪種在實際中可以忽略,以及如何采取措施使事故發(fā)生概率降低。一般情況下，在割集中出現(xiàn)次數(shù)最多的基本子事件，其結構重要度也越大，直接影響著系統(tǒng)的安全性、可靠性，是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，也是需要進行重點控制和預防的對象。從圖1可以清晰地看出各個基本子事件與事故之間的邏輯關系，而從事故樹的結構上可以看出火源、熱源對安全工程專業(yè)實驗室火災和爆炸事故的發(fā)生影響較大，是實驗室安全管理的重要防控對象。

2.3 結構重要度的求解與分析

事故樹中某些基本事件不發(fā)生，頂上事件就不會發(fā)生，這些不發(fā)生的基本事件的集合稱為徑集。如果徑集中任意去掉一個基本事件后，就不再是徑集，那么該徑集就是最小徑集[14]。最小徑集體現(xiàn)了系統(tǒng)的安全性，最小徑集與最小割集具有對偶性，由圖1所示的事故樹，利用邏輯簡化法求得15個最小徑集。

如不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度，或假設各基本事件的發(fā)生概率相同，僅從事故樹結構上研究各基本事件對頂上事件的影響程度，稱為結構重要度分析。并可用基本事件的結構重要度系數(shù)判定其影響大小[14]。

求解第i個基本事件Xi的結構重要度系數(shù)，可利用以下公式：

式中，Xi表示第i個基本事件；Pj表示第j個最小徑集；n表示第j個最小徑集中基本事件的總數(shù)；Xi∈Pj表示Xi屬于最小徑集Pj中的事件。由此公式計算各基本子事件的結構重要度系數(shù)如下：

Iφ(1)=0.494 8，Iφ(2)=0.323 4

Iφ(3)=Iφ(4)=0.231 7，Iφ(5)=0.425 5

Iφ(6)=Iφ(19)=Iφ(20)=0.225 9

Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=Iφ(14)=0.007 8

Iφ(15)=Iφ(16)=0.231 7，Iφ(17)=0.231 0

Iφ(18)=0.558 4

將各基本事件的結構重要度進行排序：

Iφ(18)>Iφ(1)>Iφ(5)>Iφ(2)>Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(15)=Iφ(16)>Iφ(6)=Iφ(19)=Iφ(20)>Iφ(17)>Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=

Iφ(13)=Iφ(14)

由計算結果可知，基本事件可燃實驗用品存放不當、實驗室通風不暢、實驗操作人員身體進入設備的危險部位及爆炸性氣體泄漏的結構重要度最大，而結構重要度系數(shù)大的基本事件對頂上事件的發(fā)生起的作用也大[5],所以這4個基本事件是安全工程專業(yè)實驗室內需要重點防控的事件。根據(jù)基本事件的結構重要度大小來選擇重點防控的基本事件，而針對性地對結構重要度系數(shù)大的事件進行重點控制和預防，可以有效的提高實驗室系統(tǒng)的安全性。

由以上風險定量分析得出的安全工程專業(yè)實驗室內需要重點防控的4個基本事件，再根據(jù)“人、機、環(huán)、管”理論進行深入的分析，可以得到這些基本事件發(fā)生的原因，從而對其進行重點控制和預防?！叭?、機、環(huán)、管”理論認為安全科學的基本要素結構是由人、機、環(huán)境和管理構成的[15]，安全科學基本要素關系見圖2所示。利用“人、機、環(huán)、管”的理論，將4個安全科學的基本要素與以上定量分析所得4個對安全工程實驗室事故影響最大的基本事件進行演繹、歸納、分析和綜合，可進一步對這4個基本事件進行分析，分析結果見表3所示。

圖2 安全科學基本要素關系[15]

3 安全工程專業(yè)實驗室風險管理建議

從上面風險識別結果和定性定量分析可知，安全工程專業(yè)實驗室存在較多事故風險。為防止安全工程實驗室事故的發(fā)生，應根據(jù)風險識別和分析的結果采取相應的措施加強管理。

3.1 加強實驗室的定期檢查工作

由于進行實驗操作，實驗室常處于動態(tài)變化過程中，人員變化、設備變化、氣瓶等也在變化，所以需要對實驗室進行定期檢查，廣泛應用于過程工業(yè)的安全分析方法主要有：安全檢查表法、故障假設分析、危險與可操作性分析、故障類型和影響分析等[16]，這些方法都有各自的特點和適用范圍，其中用于定期檢查的最佳方法是安全檢查表。安全檢查表是運用安全系統(tǒng)工程的原理，為發(fā)現(xiàn)設備、系統(tǒng)、工藝、管理以及操作過程中的各種可能導致事故的危險因素，而制作的分析表格[14]。安全檢查表法簡單易行，可以做到系統(tǒng)化、科學化，不漏掉任何可能導致事故的因素。利用安全檢查表對安全工程專業(yè)實驗室進行定期檢查，可以及時發(fā)現(xiàn)隱患并采取措施。通過事故分析、問卷調查、風險分析結果以及相關資料[12]確定安全工程專業(yè)實驗室安全檢查表的檢查項目如表4所示。

表4 安全工程專業(yè)實驗室安全檢查表

3.2 加強實驗室儀器設備的管理

儀器設備是進行科研實驗必不可少的物質基礎，如何安全有效的管理儀器設備是實驗室安全管理的重要內容之一[17]。目前安全工程專業(yè)實驗室的儀器設備多由老師自己負責管理，設備直接由進行實驗的學生操作，沒有專門的實驗員來管理儀器設備和指導實驗操作。這樣會導致：①學生不熟悉儀器操作造成誤傷；②儀器設備容易損壞且難以及時維修。因此，需設置實驗安全員對設備進行定期檢查、維護和保養(yǎng)，指導儀器的使用和操作。實驗在設備的危險部位加裝防護裝置，并制定設備安全操作規(guī)程，不得違規(guī)操作。

3.3 加強實驗室易燃易爆物質的管理

安全工程專業(yè)實驗室的相關實驗大多需要使用易燃易爆品，而目前安全工程專業(yè)實驗室的易燃易爆品多由進行實驗的學生自己管理和使用，這會增加火災和爆炸事故的風險。因此，實驗室易燃易爆品應集中管理，存放時要科學有序并與熱源隔絕，搬運時應輕拿輕放，不得強烈沖擊、摔碰，(如：搬運甲烷氣瓶時必須使用氣瓶車，不能直接拖拽。)每次實驗前領取并做好詳細記錄用量和用途。使用易燃易爆品進行實驗時，必須熟悉其特性與相關知識[18]，嚴格控制用量，并且要遠離火源，謹慎操作。

3.4 加強實驗室火源、熱源的管理

火源、熱源是實驗室火災和爆炸事故的必要條件，實驗室內應禁止煙火、嚴禁產(chǎn)生明火[19]，可以在實驗室內安裝熱感探測器和視頻監(jiān)控，實時監(jiān)控實驗室火源、熱源。對實驗室內的線路進行科學的規(guī)整，避免線纏線，并定期進行檢修，防止因線路短路或老化引起火災，且利于實驗儀器設備出現(xiàn)故障時緊急停車。使用規(guī)格和負荷符合實驗設備要求的線路，防止因線路過載引起火災。

3.5 重視實驗室消防設備的配置

火災的發(fā)生有發(fā)展的過程，在前期火勢較小時若能將其及時撲滅，就可以避免發(fā)生火災。因此，應確保實驗室中有足夠的消防設施[20]，并針對具體易燃易爆品的特性配置相對應的消防設施。定期檢查并更換已經(jīng)失效的設施，確保消防設施始終處于良好可用的狀態(tài)[1](如：保證實驗室自動報警噴水滅火系統(tǒng)于良好的工作狀態(tài)，確保干粉滅火器可正常使用)。實驗操作人員在進行實驗前必須接受培訓，學習消防設施的操作和使用，對其了若指掌后方可進入實驗室進行實驗操作。

3.6 規(guī)范實驗操作，加強安全培訓

由前面的分析知安全工程專業(yè)實驗室存在著一系列事故風險，因而，對實驗操作人員進行安全知識教育和實驗操作技能培訓提高實驗人員的綜合素質和安全意識至關重要。并應針對每個具體的實驗，制定相對應的操作程序和規(guī)范以及需要注意的安全事項[21]。由學院開展定期的安全培訓，學生在進入實驗室實驗之前必須接受安全培訓[22]，學習實驗操作、常用消防設備的使用方法以及必要的安全常識與突發(fā)事故的應急措施。并根據(jù)實驗室的實際情況，及時對培訓的內容進行調整和改進[23]，以適應實驗室發(fā)展的需要。

4 結 語

安全工程是實踐性和應用性很強的專業(yè)，實驗和理論密不可分，且至關重要。因此，實驗室的安全就顯得尤為重要，而安全工程專業(yè)實驗室存在較多的事故危險因素，需要針對安全工程專業(yè)實驗室的特點和事故類型，制定安全管理對策。本文利用事故統(tǒng)計和問卷調查來識別安全工程實驗室的事故風險，再對安全工程實驗室的事故建立事故樹模型，將一系列可能導致事故的基本事件及其與事故之間的邏輯關系清晰地展現(xiàn)出來，并通過風險的定量分析即基本子事件結構重要度的計算確定了安全工程專業(yè)實驗室中的主要風險為：可燃實驗用品存放不當、實驗室通風不暢、實驗操作人員身體進入設備的危險部位及爆炸性氣體泄漏，并依此為安全工程專業(yè)實驗室的安全管理提出了相應的建議。