事故樹-風(fēng)險矩陣評估高校實驗室火災(zāi)風(fēng)險

胡 潔 方書昊 齊 涵 李明洋 周培卿

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）保衛(wèi)處，北京 100083；

2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

高校實驗室安全形勢不容樂觀，其火災(zāi)事故是實驗室安全管理工作中最為重要的部分[1]。高校實驗室是國家科研人才匯聚地，存放著大量貴重科研儀器，如何在嚴重事故發(fā)生前采取預(yù)防措施是亟待研究的重大課題[2-3]。北京市某高校一實驗室發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，事故導(dǎo)致一博士生身亡[4]。2018年12月26日，北京交通大學(xué)某實驗室發(fā)生爆炸燃燒，事故造成3人死亡，事發(fā)項目為垃圾滲濾液污水處理橫向科研項目，目的是制作垃圾滲濾液硝化載體。為了科學(xué)化、精準(zhǔn)化采取相應(yīng)預(yù)防措施，對實驗室火災(zāi)風(fēng)險進行評估歷來是國內(nèi)外專家學(xué)者的研究方向。HILL J H.用風(fēng)險優(yōu)先指數(shù)法[5]評估實驗室安全風(fēng)險，根據(jù)RPN值的大小來判斷其存在的安全風(fēng)險大小。中國礦業(yè)大學(xué)尤立明[6]等應(yīng)用事故樹法分析高校實驗室消防安全，得出各因素間因果關(guān)系。河南理工大學(xué)賈海林[7]等基于模糊層次法分析高校實驗室火災(zāi)危險，得出影響火災(zāi)的主要因素。江蘇師范大學(xué)王曄[8]等用量規(guī)法評估高校實驗室安全風(fēng)險，得到量規(guī)法適用化學(xué)實驗室的評估。呂梁學(xué)院常悅[9]等基于事故樹—層次分析法評估實驗室火災(zāi)風(fēng)險，得到實驗室防護措施。重慶大學(xué)杜城顯[10]基于結(jié)構(gòu)熵權(quán)法對校園火災(zāi)進行了評估，得出高校宿舍及實驗室區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險最高。

基于風(fēng)險隱患矩陣理論，利用層次分析法對事故發(fā)生的頻率和嚴重度及安全措施補償系數(shù)賦值，建立了四級風(fēng)險評估矩陣模型，應(yīng)用事故樹法對北京市某高校實驗室火災(zāi)事故進行分析得出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件，以四級風(fēng)險評估矩陣法對基本事件進行調(diào)查和專家評估，由此得到基本事件風(fēng)險值的大小，應(yīng)用事故樹—風(fēng)險矩陣法對高校實驗室火災(zāi)風(fēng)險進行評估研究，對實驗室火災(zāi)事故預(yù)防措施有一定的指導(dǎo)作用，對提升高校實驗室安全管理水平也有積極意義。

1 高校實驗室火災(zāi)事故致因要素分析

對北京市某高校實驗室火災(zāi)進行事故樹分析，如圖1，頂上事件是指人們所要分析的對象，指人們不希望發(fā)生的事件，用T表示[11]。這里討論的頂上事件，可歸納為“火災(zāi)發(fā)生并且疏散失敗的情況下造成實驗室火災(zāi)事故的發(fā)生”（記作M1·M2=T）。中間事件是指系統(tǒng)中可能造成頂上事件發(fā)生的事件，是可以繼續(xù)往下分析原因的事件，用Mi（i=1，2，3…）表示，該事故樹中的中間事件共有7個?；臼录菍?dǎo)致頂上事件發(fā)生的初始事件，是造成頂上事件發(fā)生的基礎(chǔ)原因，通常用符號Xi（i=1，2，3…）表示。如同對中間事件的分析，進行深化，就可揭示出發(fā)生實驗室火災(zāi)事故的基本因素及其相互關(guān)系。

經(jīng)上述分析得到事故樹，包括22個基本事件，7個中間事件，3個與門和6個或門，反映了實驗室火災(zāi)事故的因果關(guān)系。對該事故樹進行分析，不但可以了解事故發(fā)生的所有可能途徑，而且可以分析哪些途徑是最值得注意和防范的，從而針對這些途徑制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

圖1 實驗室火災(zāi)事故樹Fig.1 Fault tree analysis of laboratory fire

2 風(fēng)險矩陣的理論與模型

風(fēng)險矩陣評估首先是危險識別，它是風(fēng)險評估的一個關(guān)鍵步驟[12]。事故致因理論是用來闡明事故的成因、始末過程和事故后果，以便對事故現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展進行明確的分析[13]。綜合論認為事故的發(fā)生絕不是偶然的，而是有其深刻原因的，包括直接原因、間接原因和基礎(chǔ)原因。事故的直接原因是指不安全狀態(tài)和不安全動作，這些物質(zhì)的、環(huán)境的以及人的原因構(gòu)成了生產(chǎn)中的危險因素。間接原因是導(dǎo)致不安全行為、不安全狀態(tài)產(chǎn)生的深層次原因。具體表現(xiàn)在：管理缺陷、管理因素、管理責(zé)任。基礎(chǔ)原因是造成間接原因的因素，內(nèi)容包括經(jīng)濟、文化、學(xué)校教育、民族習(xí)慣、社會歷史和法律等。由此將事故隱患分為：直接原因?qū)е率鹿曙L(fēng)險；間接原因?qū)е率鹿曙L(fēng)險；基礎(chǔ)原因?qū)е率鹿曙L(fēng)險。

風(fēng)險矩陣法屬于理論與經(jīng)驗相結(jié)合的方法，分級管理依據(jù)符合海因里希隱患三角形理念[14]。風(fēng)險評估矩陣可將事故發(fā)生的可能性和嚴重度相疊加得到風(fēng)險等級，結(jié)合北京市某高校實驗室的實際情況，建立四級風(fēng)險評估矩陣，見表1。

表1 風(fēng)險評估矩陣Tab.1 Risk assessment matrix

高校內(nèi)部安全管理體系的完備可以預(yù)防和控制實驗室事故發(fā)生，在定量風(fēng)險評估中，安全管理措施對風(fēng)險的影響體現(xiàn)在對事故泄漏頻率的修正，技術(shù)管理措施與修正系數(shù)對應(yīng)如以下公式所示。未采取措施的修正系數(shù)是1，良好的管理可以降低事故發(fā)生，不良管理會增加事故。

式中：

y—修正系數(shù)；

x—技術(shù)管理措施。

事故的嚴重程度對事故風(fēng)險值的作用比事故發(fā)生可能性高一個數(shù)量級，結(jié)合實驗室事故，將事故嚴重程度、事故發(fā)生可能性與管理技術(shù)措施有效性等級均劃分為四級。為實現(xiàn)對隱患的定量分析，使用層次分析法計算以上因素等級的權(quán)重，參考表2建立判別矩陣，平均隨機一致性指標(biāo)RI取值，見表3。

表2 標(biāo)度及其含義Tab.2 Scale and its implication

表3 隨機一致性指標(biāo)RI值Tab.3 Random consistency index, RI value

2.1 事故發(fā)生頻率等級賦值

2.1.1 層次模型的建立

最高層定為實驗室火災(zāi)事故發(fā)生的頻率。根據(jù)上述事故樹及相關(guān)案例，將影響頻率的因素定為加熱、燃燒反應(yīng)、蓄意縱火、電氣因素、煙頭、雷擊、消防設(shè)施、人員疏散、可燃物，即中間層?；馂?zāi)事故包括火災(zāi)發(fā)生和疏散失效兩方面，如圖1。

根據(jù)實驗室火災(zāi)事故案例，實驗室火災(zāi)事故發(fā)生頻率的四個等級定為等級A（發(fā)生頻率高于3年1次），等級B（發(fā)生頻率10年1次～3年1次），等級C（發(fā)生頻率50年1次～10年1次），等級D（發(fā)生頻率100年1次～50年1次），D即為最低層。不同因素造成火災(zāi)事故發(fā)生的頻率是不同的，經(jīng)過總排序后，可以得到四個等級的權(quán)重，模型結(jié)構(gòu)，如圖2。

2.1.2 建立判別矩陣

綜合實驗室火災(zāi)案例，得出相對重要性：加熱或燃燒反應(yīng)＞消防設(shè)施＞人員疏散＞可燃物＞電氣因素＞煙頭＞蓄意縱火＞雷擊。在每個因素下考慮判別矩陣時，根據(jù)以往事故來判斷每個因素發(fā)生的頻率，從而決定各個因素下等級的相對重要性。根據(jù)表2所示規(guī)則建立每層的判別矩陣。

圖2 層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Layered structure

2.1.3 確定等級權(quán)重

對第二層的判別矩陣，采用幾何平均法得出每個因素對目標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)表3進行一致性檢驗。然后對第三層進行總排序，得出四個等級對目標(biāo)層的權(quán)重，實現(xiàn)對等級的量化，從而便于對隱患的模糊分析。對等級A賦值10，等級B的賦值由等級B權(quán)重除以等級A權(quán)重并乘以10算得，同理得到其他等級的分數(shù)值。四個等級的權(quán)重及賦值，見表4。

表4 頻率的等級權(quán)重及其賦值Tab.4 Weights and assignments of frequency grades

2.2 事故發(fā)生嚴重度等級的賦值

首先建立層次分析模型，最高層為事故的嚴重度，中間層為人員死亡或受傷、直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失，最低層分別為等級Ⅰ（死亡人數(shù)≥10，直接經(jīng)濟損失≥100萬元，間接經(jīng)濟損失≥500萬元）、Ⅱ（死亡人數(shù)3-9，直接經(jīng)濟損失50萬～100萬元，間接經(jīng)濟損失100萬～500萬元）、Ⅲ（死亡人數(shù)1-3，直接經(jīng)濟損失10萬～50萬元，間接經(jīng)濟損失50萬～100萬元）、Ⅳ（受傷，直接經(jīng)濟損失10萬元以下，間接經(jīng)濟損失50萬元以下）。計算過程與頻率相似，不再贅述。值得指出的是，事故嚴重程度對事故風(fēng)險值的作用比事故發(fā)生可能性高一個數(shù)量級，所以給嚴重度最高等級賦值100。結(jié)果，見表5。

表5 事故嚴重度等級權(quán)重及其賦值Tab.5 Weights and assignments of accident severity grades

2.3 安全措施補償系數(shù)等級賦值

首先建立層次分析模型，目標(biāo)層為安全措施的有效性，最低層為等級1（安全管理技術(shù)措施效果特別差）、2（安全管理技術(shù)措施效果差）、3（安全管理技術(shù)措施效果一般）、4（安全管理技術(shù)措施效果好）。結(jié)合以往事故案例，直接比較等級之間的相對重要性，得出判別矩陣，計算權(quán)重并進行一致性檢驗。未采取措施的修正系數(shù)是1，得出結(jié)果，見表6。

表6 安全措施補償系數(shù)等級的權(quán)重及其賦值Tab.6 Weights and assignments of safety compensation coefficient grades

2.4 風(fēng)險矩陣的建立

參考表1的風(fēng)險評估矩陣，建立如表7所示的評估結(jié)果，將風(fēng)險值為1～15的基本事件歸為最低等級，將風(fēng)險值為15～75的基本事件歸為次低級，將風(fēng)險值為75～175的基本事件歸為次高級，將風(fēng)險值為175～1000的基本事件歸為最高級。

表7 風(fēng)險矩陣評價結(jié)果Tab.7 Risk matrix evaluation results

3 北京市某高校實驗室火災(zāi)風(fēng)險矩陣評估

分析導(dǎo)致北京市某高校實驗室火災(zāi)隱患的具體內(nèi)容，即實驗室火災(zāi)事故樹得出的基本事件，依據(jù)實際調(diào)查和專家評估得出基本事件的風(fēng)險評估表，后果嚴重程度取值10～100，可能性取值1.5～10，管理技術(shù)措施有效系數(shù)統(tǒng)一取1，火災(zāi)事故風(fēng)險評估，見表8。

從評估結(jié)果可以看出，導(dǎo)致實驗室火災(zāi)事故的基本事件風(fēng)險值大小依次為：直接原因燃燒反應(yīng)失控（1000）、直接原因加熱（700）、基礎(chǔ)原因人員消防素質(zhì)（500）、間接原因操作不當(dāng)（350）、間接原因?qū)嶒炇夜芾硭剑?50）、間接原因火災(zāi)報警系統(tǒng)缺陷（350）、直接原因電氣火花（300）、間接原因滅火材料不足（300）、間接原因消防系統(tǒng)缺陷（250）、基礎(chǔ)原因木制品（175）、直接原因反應(yīng)放熱（150）、間接原因存放不當(dāng)（150）、直接原因未滅煙頭（75）、間接原因線路老化（75）、直接原因蓄意縱火（75）、直接原因雷擊（75）、直接原因泄露（75）、間接原因應(yīng)急預(yù)案不足（75）、基礎(chǔ)原因建筑物耐火等級低（75）、基礎(chǔ)原因安全通道有限（37.5）、間接原因應(yīng)急照明設(shè)備損壞（30）、間接原因疏散指示標(biāo)志損壞（15）。

表8 火災(zāi)事故風(fēng)險評估Tab.8 Fire accident risk assessment

基于北京某高校實驗室爆炸及爆炸引發(fā)的燃燒事故。通過理論分析和實驗驗證表明，共計6個中間事件及22個基本事件，事件個數(shù)眾多，說明引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險因素也多，事故不易控制。根據(jù)表5-8分析并綜合實驗室火災(zāi)案例，得出事件X1-X8發(fā)生火災(zāi)事故較大，且大多屬直接原因，尤其是加熱（X1）、燃燒反應(yīng)（X3）及電火花（X4）；當(dāng)磷酸與鎂粉混合會發(fā)生劇烈反應(yīng)并釋放出大量氫氣和熱量，氫氣屬于易燃易爆氣體，鎂粉屬于爆炸性金屬粉塵，遇點火源會發(fā)生爆炸。其風(fēng)險值由低到高分別為350、700和1000，發(fā)生事故可能性由低到高排序分別為3、7和10，X1-X8的風(fēng)險值及事故可能等級的平均值分別為306.25和4，事故嚴重度等級為II級-III之間，事故發(fā)生頻率等級權(quán)重為0.146007～0.324324之間，等級權(quán)重在0.130492～0.28239；在請了相關(guān)專家組后，專家組確認事故的直接原因為：在使用攪拌機對鎂粉和磷酸攪拌及反應(yīng)過程中，料斗內(nèi)產(chǎn)生的氫氣被攪拌機轉(zhuǎn)軸處金屬摩擦、碰撞產(chǎn)生的火花點燃爆炸，繼而引發(fā)鎂粉粉塵云爆炸，爆炸引起周邊鎂粉和其他可燃物燃燒，造成現(xiàn)場3名學(xué)生燒死。而間接原因為：違規(guī)開展試驗、冒險作業(yè)；違規(guī)購買、違法儲存危險化學(xué)品；對實驗室和科研項目安全管理不到位。基于上述分析，基本事件風(fēng)險值大小的平均值為235，事故可能等級的平均值為4。安全措施補償系數(shù)等級為II-III級，權(quán)重為0.117786382～0.263378357，經(jīng)確認北京市某高校實驗室火災(zāi)隱患安全管理技術(shù)措施效果為一般和差。

事故樹—風(fēng)險矩陣可以定量分析各個因素對照導(dǎo)致實驗室火災(zāi)事故的影響程度，為制定控制措施有著重要意義，經(jīng)分析造成北京某高校實驗室爆炸燃燒事故的原因有：直接原因燃燒反應(yīng)失控（1000）、直接原因加熱（700）、間接原因操作不當(dāng)（350）、間接原因?qū)嶒炇夜芾硭剑?50）、間接原因火災(zāi)報警系統(tǒng)缺陷（350）、間接原因消防系統(tǒng)缺陷（250）、直接原因反應(yīng)放熱（150）、間接原因存放不當(dāng)（150）、間接原因應(yīng)急預(yù)案不足（75）、基礎(chǔ)原因安全通道有限（37.5）。說明某實驗室在爆炸燃燒危險程度較高，防治火災(zāi)方面有所不足，實驗室管制制度不明確及人員管理不當(dāng)，評估結(jié)果得到的導(dǎo)致實驗室火災(zāi)事故的基本事件風(fēng)險值適用該爆炸燃燒事故的分析，需降低風(fēng)險性，應(yīng)該著重從易燃易爆氣體探測、電器設(shè)備防火狀態(tài)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及實驗室管理等方面進行控制，為預(yù)防高校實驗室火災(zāi)提供一定的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

基于風(fēng)險矩陣理論，建立四級風(fēng)險評估矩陣模型，通過事故樹法對高校實驗室火災(zāi)事故進行分析得出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件，以四級風(fēng)險評估矩陣法對基本事件進行調(diào)查和專家評估，由此得到基本事件風(fēng)險值的大小。得到的主要結(jié)論如下：

（1）對北京市某高校實驗室火災(zāi)事故進行事故樹分析，得出導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生的基本事件共22項，直接原因包括燃燒反應(yīng)失控、加熱等8項，間接原因包括操作不當(dāng)、實驗室管理水平等10項，基礎(chǔ)原因包括人員消防素質(zhì)、木制品等4項，由此可精準(zhǔn)化分析實驗室火災(zāi)事故。

（2）利用層次分析法對事故發(fā)生的頻率和嚴重度及安全措施補償系數(shù)賦值，建立四級風(fēng)險評估矩陣模型，導(dǎo)致實驗室火災(zāi)事故的主要原因為：燃燒反應(yīng)失控、加熱、人員消防素質(zhì)、操作不當(dāng)、實驗室管理水平、火災(zāi)報警系統(tǒng)缺陷、電氣火花、滅火材料不足、消防系統(tǒng)缺陷、木制品、反應(yīng)放熱、存放不當(dāng)。

（3）依照基本事件風(fēng)險值大小，針對性采取防護措施，重點防護高風(fēng)險事件，對高校實驗室安全管理科學(xué)化、精準(zhǔn)化有一定積極作用。