基于FTA-BN模型的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制研究

陶夢(mèng)醒 汪濤

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，越來(lái)越多的企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程與工藝中涉及可燃性粉塵，由于受工藝技術(shù)、管理、人員意識(shí)等因素制約，粉塵爆炸事故頻發(fā)，造成了群死群傷和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大難度。因此研究并評(píng)估粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，對(duì)涉爆粉塵企業(yè)的安全管理提供針對(duì)性建議與措施意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者分別從不同視角、不同維度，采用不同的研究方法對(duì)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。DAVIS S G[1]采用捷徑風(fēng)險(xiǎn)分析方法(SCRAM)等技術(shù)來(lái)幫助識(shí)別潛在的粉塵爆炸危險(xiǎn)條件，評(píng)估粉塵爆炸的可能性及其后果；ABUSWER M[2]提出了定量風(fēng)險(xiǎn)管理框架(QRMF)，使用粉塵爆炸模擬代碼和故障樹分析評(píng)估爆炸后果和可能性；馬云歌[3]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)煙草加工系統(tǒng)的粉塵防爆安全總體水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出粉塵防爆安全等級(jí)。這些研究大多是采用定性和半定量的分析手段對(duì)不同粉塵的爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，分析模擬粉塵爆炸的后果，然而工業(yè)生產(chǎn)涉粉種類繁多，粉塵爆炸成因復(fù)雜，針對(duì)典型的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型較少。在對(duì)粉塵爆炸調(diào)查、分析的基礎(chǔ)上，本文考慮諸多因素，綜合運(yùn)用事故樹分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法，構(gòu)建FTA-BN評(píng)估模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的雙向推理功能，在對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，提出相應(yīng)的控制措施，以更好的預(yù)防粉塵爆炸事故發(fā)生，提高安全監(jiān)管和風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

1 粉塵爆炸事故模型

1.1 編制事故樹

事故樹是安全系統(tǒng)工程的分析方法之一，由符號(hào)和邏輯門組成，自頂向下，演繹推理，將事件樹狀圖形化的邏輯方法。

粉塵爆炸事故樹第一步是確定頂上事件，發(fā)生事故是人們最不期望的結(jié)果，于是把粉塵爆炸作為頂上事件。發(fā)生粉塵爆炸必須同時(shí)具備5個(gè)條件即粉塵爆炸5要素：可燃粉塵、氧化物、粉塵呈懸浮狀態(tài)(粉塵云)、點(diǎn)火源、空間相對(duì)密閉?；胧鹿蕵?，即粉塵積聚遇上點(diǎn)火源在受限空間里達(dá)到爆炸極限，用邏輯與門連接，層層分析，最終構(gòu)建事故樹。

綜合考慮了12個(gè)基本事件，表1為事故樹各基本事件，圖1為爆炸事故樹。

表1 事故樹基本事件

圖1 粉塵爆炸事故樹

1.2 事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由節(jié)點(diǎn)變量以及連接節(jié)點(diǎn)的有向邊構(gòu)成的有向無(wú)環(huán)概率圖模型。

相比于事故樹中基本事件只有“發(fā)生”和“不發(fā)生”兩種狀態(tài)，邏輯關(guān)系只有“與”和“或”，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)則憑借其圖形化的結(jié)構(gòu)，類比人腦推理，不僅可以反應(yīng)變量的復(fù)雜關(guān)系，更直觀的分析問(wèn)題，還可以不斷學(xué)習(xí)新的數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，兩者相互映照，頂上事件對(duì)應(yīng)葉節(jié)點(diǎn)，中間事件對(duì)應(yīng)中間節(jié)點(diǎn)，基本事件對(duì)應(yīng)根節(jié)點(diǎn)，邏輯門對(duì)應(yīng)條件概率表，基本事件發(fā)生概率對(duì)應(yīng)根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率。前文的事故樹已對(duì)粉塵爆炸事故主要致因因素及其關(guān)系有較清晰的描述，粉塵爆炸事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)該事故樹轉(zhuǎn)化，方法如下：

(1)將事故樹中的事件定為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，對(duì)重復(fù)的事件只定一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)將存在邏輯關(guān)系的事件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)有向邊相連。

(3)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的條件概率表。

1.3 構(gòu)建FTA-BN模型

根據(jù)事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，可以得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖，如圖2所示。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，先驗(yàn)概率為其變量的邊緣分布，是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和分析得到的概率，可通過(guò)大量的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算頻率取得或由專家的經(jīng)驗(yàn)給出。由于缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，本文結(jié)合粉塵爆炸事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4]與研究[5]，參考相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业脑u(píng)估，經(jīng)概率標(biāo)桿修正，將事件發(fā)生頻率轉(zhuǎn)化為概率值，得出先驗(yàn)概率表。事故樹所表示的各個(gè)事件的邏輯關(guān)系可由條件概率表描述，如表2所示。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

表2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基本事件的先驗(yàn)概率

在GeNIE軟件中建立各節(jié)點(diǎn)，通過(guò)存在邏輯關(guān)系的事件所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，并設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)與概率，經(jīng)過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推斷，形成了節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)合分布，如圖2所示。

2 基于模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是綜合考慮粉塵爆炸發(fā)生的可能性和后果嚴(yán)重程度，根據(jù)前文的分析，將采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法[6]確定粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，從E到A的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別逐級(jí)升高，詳情如下表3。

表3 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)矩陣

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

某企業(yè)涉粉場(chǎng)所為噴霧干燥車間，主要工藝為：熱風(fēng)進(jìn)料→噴霧干燥→除塵→過(guò)濾→出料。該粉塵爆炸特性參數(shù)可參考《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄(2015版)》[7]。車間正常運(yùn)行時(shí)，粉塵地面存在積塵，未及時(shí)清掃，采用機(jī)械通風(fēng)；點(diǎn)火源明火、機(jī)械火花、高溫表面偶然出現(xiàn)，概率較大；電氣火花、靜電火花、雷電等很難出現(xiàn)。

基于前文建立的FTA-BN模型，一般情況下12個(gè)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的條件概率，將粉塵爆炸分為A、B、C、D、E 5級(jí)，X1分為Ⅰ到Ⅴ級(jí)，M1、M2分為high、medium、low，經(jīng)過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)學(xué)習(xí)推理和風(fēng)險(xiǎn)概率分析得到(如圖3所示)：粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A的概率是4%，B的概率是7%，C的概率是29%，D的概率是25%，E的概率是35%。

圖3 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.3 逆向推理

通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的逆向推理功能和影響強(qiáng)度分析(圖4)，可以進(jìn)一步對(duì)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素進(jìn)行推斷，從而控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，降低粉塵爆炸發(fā)生的可能性，降低其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖4 逆向推理

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A時(shí)，即粉塵爆炸特征很高，處于不可接受的范圍，應(yīng)停產(chǎn)采取措施，節(jié)點(diǎn)X1、X2、X3、X4、X6、X7、X11的風(fēng)險(xiǎn)概率大于30%，爆炸極限、機(jī)械火花、高溫表面、粉塵未及時(shí)清掃、機(jī)械通風(fēng)不暢、自然通風(fēng)不暢、明火等的風(fēng)險(xiǎn)概率大于30%，這些節(jié)點(diǎn)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)潛在影響嚴(yán)重，需要采取措施加強(qiáng)防范。

3 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 粉塵積聚控制

在可燃性粉塵的企業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所和設(shè)備的內(nèi)部以及表面，往往會(huì)積聚較厚的粉塵層，極易形成爆炸性粉塵云。因此，應(yīng)制定詳細(xì)的粉塵清掃制度，定期進(jìn)行粉塵清理，防止積塵存在。

在受限空間內(nèi)，可燃性粉塵爆炸壓力高，破壞性很強(qiáng)。因此，應(yīng)避免相對(duì)較小的空間，智能化布置設(shè)備設(shè)施，盡量敞開式作業(yè)，為生產(chǎn)留有足夠的空間，通風(fēng)順暢，使之達(dá)不到爆炸極限，避免飄塵。

3.2 點(diǎn)火源控制

點(diǎn)火源主要分為電點(diǎn)火源、化學(xué)點(diǎn)火源、機(jī)械點(diǎn)火源、高溫表面。

(1)電點(diǎn)火源。電點(diǎn)火源分為電氣火花、靜電火花和雷電。

電氣線路應(yīng)設(shè)有過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置、短路保護(hù)裝置等，防止因過(guò)載、短路等而引發(fā)事故；電氣設(shè)備選用防爆型，并進(jìn)行定期檢查維護(hù)。

防止人體靜電，作業(yè)人員應(yīng)穿防靜電服進(jìn)入作業(yè)場(chǎng)所；與粉塵接觸的金屬部件必須接地。

雷電破壞力極強(qiáng)，是燃燒爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所不可忽略的點(diǎn)火源。雖然發(fā)生頻率低，但仍需防范。因此，應(yīng)安裝防雷裝置，并定期對(duì)防雷接地進(jìn)行檢修，防止因防雷接地失效而產(chǎn)生雷電火花。

(2)化學(xué)點(diǎn)火源?；瘜W(xué)點(diǎn)火源分為明火、自燃。

加強(qiáng)日常管理，嚴(yán)禁生產(chǎn)場(chǎng)所動(dòng)火，嚴(yán)禁作業(yè)區(qū)吸煙。如需維修動(dòng)火，應(yīng)將設(shè)備拆卸，轉(zhuǎn)移至安全場(chǎng)所維修。

日常管理中應(yīng)注意粉塵環(huán)境，防止因潮濕或高溫、通風(fēng)不暢等引起粉塵自燃。

(3)機(jī)械點(diǎn)火源。機(jī)械火花主要由摩擦、沖擊、研磨等產(chǎn)生，控制機(jī)械火花主要在于控制易于產(chǎn)生機(jī)械碰撞與摩擦的設(shè)備設(shè)施。

(4)高溫表面。為避免高溫表面成為有效的點(diǎn)火源，其設(shè)備的表面溫度應(yīng)低于粉塵層最小點(diǎn)火溫度。

3.3 控制相遇

防止粉塵爆炸，采取措施控制粉塵與點(diǎn)火源相遇。一般采取泄爆措施、隔爆措施、抑爆措施、惰化措施、抗爆措施。如干式除塵器必須采取泄爆、抑爆、惰化3個(gè)措施之一，不能單獨(dú)采取隔爆措施，考慮經(jīng)濟(jì)性與安全性，一般企業(yè)采取泄爆措施和隔爆措施較好。

4 結(jié)論

(1)基于FTA-BN模型，借助啟發(fā)式算法設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)粉塵爆炸進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，避免了人的主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，具有較強(qiáng)的客觀性。

(2)通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的逆向推理功能，對(duì)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素進(jìn)行推斷，即風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)高時(shí)，關(guān)鍵因素最可能處于的狀態(tài)，從而控制風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，降低粉塵爆炸發(fā)生的可能性。

(3)根據(jù)粉塵爆炸原理，對(duì)粉塵積聚和點(diǎn)火源采取措施，有針對(duì)性的控制風(fēng)險(xiǎn)，從而為粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)控制提供措施依據(jù)。