數(shù)理統(tǒng)計Cp、Cpk值在設(shè)備安全設(shè)計中的研究及實踐

王萬榮

摘 要：設(shè)備安全防護措施的防護程度一直以來無量化的衡量標(biāo)準(zhǔn)，造成部分高風(fēng)險設(shè)備因安全防護不到位而引發(fā)重大安全事故;部分低風(fēng)險設(shè)備的安全防護措施過剩，造成資源浪費。本文利用概率論與數(shù)理分析的原理，建立一套設(shè)備安全措施評價標(biāo)準(zhǔn)，從而達到設(shè)備安全措施的量化管理。

關(guān)鍵詞：概率論與數(shù)理統(tǒng)計;Cp值;Cpk值;LEC法;D值;QA機B;QA機A

0 引言

2020年全國安全生產(chǎn)事故死亡27 421人。從事故總量上看，位列前三的地區(qū)分別是廣東、江蘇和浙江。按照一般常理來分析，經(jīng)濟越發(fā)達地區(qū)的安全管理意識會越強，對安全的投入會更多，安全事故的數(shù)量較經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)會少。但粵、蘇、浙三地則出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，甚至后續(xù)還有可能進一步惡化，原因值得深究。

03年-20年我國GDP（億元）和億元GDP生產(chǎn)安全事故死亡率（圖1所示）一直成反比趨勢。但隨著時間的推移，事故死亡率的下降趨勢越來越緩慢，也就意味著隨著每年GDP的增長，安全事故發(fā)生數(shù)量及死亡人數(shù)都會呈現(xiàn)上升趨勢，越來越完善的安全管理機制和越來越多的安全資源的投入，得到的是不減反增的安全事故數(shù)量，原因何在？

從上面的兩組數(shù)據(jù)我們可以得出一個結(jié)論：我們的安全管理已經(jīng)進入了一個瓶頸，只有新的安全管理技術(shù)突破，才能突破目前的瓶頸。

1 設(shè)備安全管理面臨的課題

筆者曾作為制造領(lǐng)域的某合資企業(yè)的車間設(shè)備管理人員，對此也深有體會，舉兩個案例進行分析說明：

案例一：2016年4月本人負責(zé)領(lǐng)域有名設(shè)備保全人員在設(shè)備故障原因查找的過程中，因周邊環(huán)境較黑且地上有水漬滑倒摔了一跤，導(dǎo)致左手手腕骨折，公司領(lǐng)導(dǎo)要求將20萬平方米的車間全部凸凹不平的地方填平，暗的地方增加光管，十幾萬的資金投入，但真的能確保后續(xù)不會有人再摔倒？其實領(lǐng)導(dǎo)的這種做法是可以理解的，按照2014年8月31日新修改《安全生產(chǎn)法》的決定，對生產(chǎn)經(jīng)營單位、生產(chǎn)經(jīng)營單位主要負責(zé)人、監(jiān)管人員的行政責(zé)任等加大處罰力度。發(fā)生了工傷事故，如果不進行對策改進，安監(jiān)部門肯定不會罷休;但如果做對策，做成怎樣、做多少合適？又沒有基準(zhǔn)，所以，只能花大錢辦小事。

案例二：本人所負責(zé)的設(shè)備有易燃易爆的?；罚↙NG、油漆等）使用設(shè)備、30 kV～90 kV的靜電涂裝設(shè)備、壓力容器＼管道等特種設(shè)備、升降機＼吊機等升降設(shè)備及普通的輸送電器設(shè)備，針對以上的設(shè)備，我們也進行了LEC法風(fēng)險清單排查，并制定了相應(yīng)的安全對應(yīng)措施（如圖2所示），但這些措施是否已經(jīng)足夠，如果不夠還需要增加怎樣的措施，增加多少？

雖然說安全無止境，所有的安全措施做得越多越好，但畢竟資源是有限的，企業(yè)存在的根本是創(chuàng)造利潤，如果沒有了利潤，即使安全做得盡善盡美也終將會倒閉，所以，我們有必要建立一套“設(shè)備安全措施評價基準(zhǔn)”，以最合適的資金實現(xiàn)最有效的安全措施，實現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)安全。

2 數(shù)理統(tǒng)計與LEC評價法的結(jié)合

設(shè)備安全措施評價基準(zhǔn)我們可以用《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》進行相應(yīng)的研究，眾所周知，《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》在品質(zhì)管理領(lǐng)域取得了豐碩的成果，以其為基礎(chǔ)形成的工序能力指數(shù)Cp值和Cpk值（表示工序能力對設(shè)計的產(chǎn)品規(guī)范的保證程度，評價加工工藝系統(tǒng)滿足加工技術(shù)要求的程度）已經(jīng)成為品質(zhì)管理的重要支柱，聞名于世的6西格瑪管理就是源于工序保證能力。

Cpk值與產(chǎn)品不良發(fā)生概率的關(guān)系如下：

在日常的安全管理過程中，我們基本上使用LEC法（對具有潛在危險性作業(yè)環(huán)境中的危險源進行半定量的安全評價方法）對風(fēng)險源進行評估，其具體評估的方法如下：

該方法用與系統(tǒng)風(fēng)險有關(guān)的三種因素指標(biāo)值的乘積來評價操作人員傷亡風(fēng)險大小，這三種因素分別是：L（likelihood，事故發(fā)生的可能性）、E（exposure，人員暴露于危險環(huán)境中的頻繁程度）和C（consequence，一旦發(fā)生事故可能造成的后果）。給三種因素的不同等級分別確定不同的分值，再以三個分值的乘積D（danger，危險性）來評價作業(yè)條件危險性的大小。即：D=L×E×C

如果我們在風(fēng)險源預(yù)防措施的管理過程中引入Cpk值管理：先用LEC法對風(fēng)險源進行分析，通過D值來確定其設(shè)備安全措施必須滿足的Cpk值范圍，然后再通過計算預(yù)防措施的保證能力來確定其是否能滿足所必需的Cpk值，保證能力不足，則增加保證措施，保證能力過剩，可考慮減少保證措施，如此則可以最合理的資源實現(xiàn)安全最大化。

設(shè)備安全措施的Cpk值計算，可以遵循以下公式：

Cpk = 設(shè)備安全運行能力Cp × 硬件保證能力（K1） × 軟件保證能力（K2）

設(shè)備安全運行能力Cp：正常運轉(zhuǎn)的設(shè)備我們按照千分之三原則（小概率事件）定義其故障率，即Cp=1

安全措施硬件保證能力（K1）：

按照統(tǒng)計學(xué)的常規(guī)統(tǒng)計分析，其保證能力關(guān)系如下：

K2為以上十項管理內(nèi)容的達成度之和。

3 新的評價方法在實踐中的使用

針對以上我們就可以形成風(fēng)險源的安全措施評價表，如下表所示：

以干燥爐為例進行使用說明，干燥爐的主要風(fēng)險是爆炸和燙傷，爆炸主要分為爐膛爆炸（LNG爆炸）和熱交換器爆炸（有機廢氣爆炸）。針對爐膛爆炸，有兩個QA機A來保護（紫外線火焰檢測、吸入式濃度探頭檢測）;熱交換器爆炸也有兩個QA機A來保護（壓差控制、循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速檢測）;燙傷的防護措施是通過人的確認（警示標(biāo)識、護欄），如果所有的軟件管理均是到位、有效的，最終形成下表，從最終的計算結(jié)果來看，爐膛爆炸的安全措施保證能力需求是Cpk>2.0，實績是Cpk=2.1，符合要求;熱交換器爆炸的安全措施保證能力需求是2.0>Cpk>1.67，實績是Cpk=2.1，稍微高于要求;燙傷的安全措施保證能力需求是1.33>Cpk>1.0，實績是Cpk=1.2，稍微高于要求;檢證結(jié)果可以看出整體防護是有效的、可靠的。

下面我們在通過該評價表對2017年3月8日發(fā)生在惠州某公司的爆炸事故進行進一步的分析評價：

事故的簡單經(jīng)過如下：2017年3月8日正在生產(chǎn)過程中的一條涂裝線烘爐發(fā)生爆炸，當(dāng)時爐膛熄火，但因為紫外線探頭未與緊急切斷閥聯(lián)動，從而使主氣閥一直處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)致爐體內(nèi)聚集了大量的LNG，工件在爐體內(nèi)相互碰撞產(chǎn)生火花（推測），導(dǎo)致爐體發(fā)生爆炸。

爐膛的安全保護措施：紫外線火焰檢測但未聯(lián)動（由QA機A變更為QA機B），無其他的安全保護措施，如果我們假設(shè)當(dāng)時的軟件保證能力是滿分（1分），并且有人員巡視確認，再通過《風(fēng)險源安全措施評價表》對其進行分析，如下表所示：

通過計算可以得出，該爐的安全措施保證能力（Cpk值）理論需求是Cpk>2.0，實績是Cpk= 1.3，遠低于要求，有約3‰的發(fā)生概率，僅達到“一般危險”的危險源控制，針對烘爐這種高風(fēng)險的設(shè)備其保證能力遠遠不足，其事故的發(fā)生也就存在一定的必然性了。

2018年廣本三線啟動24萬能擴改造，面漆工藝采用的是干式噴房，該技術(shù)在本田及廣汽都是首次采用，所有的關(guān)于干式噴房的安全標(biāo)準(zhǔn)都是空白，通過本理論的充分實踐，建立了干式噴房風(fēng)道、紙盒控制單元、廢紙盒間的安全防火防爆基準(zhǔn)，不僅填補了本田及廣汽在干式噴房安全管理標(biāo)準(zhǔn)的空白，而且還將該標(biāo)準(zhǔn)反哺廠家，形成了廠家的安全基準(zhǔn)，具體實例如下：

并通過逐條的案例解釋，使各評價基準(zhǔn)更容易被理解和使用，例如，第29條對于干式噴房的紙盒的要求，就通過圖文的形式進行補充說明，使評價表更具有操作性。

4 總結(jié)

通過《風(fēng)險源安全措施評價表》的實施，可以實現(xiàn)對所有風(fēng)險源的安全措施的有效性進行量化評估，既能確保高風(fēng)險源得到有效的防護，又能確保低風(fēng)險源的防護不會出現(xiàn)過剩的情況，從而用有效的資源/精力實現(xiàn)最優(yōu)最大化的安全防護，最終實現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)安全。

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