基于FTA和FAHP耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析_蔡少广.pdf

第 44 卷 第 2 期安全Vol44 No22023 年 2 月Safety SecurityFeb 2023引用格式:蔡少广，任少云，汤智新，等基于 FTA 和 FAHP 耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析 J 安全，2023，44(2):3742作者简介:蔡少广(2000)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事灾害应急救援与风险评估等方面的研究工作。Email:shaoguangcaicai163com通信作者:任少云(1978)，女，河南南阳人，博士，副教授，主要从事灾害演化动力学、消防安全等方面的研究工作。Email:renshaoyuncppueducnDOI:1019737/jcnkiissn10023631202302006基于 FTA 和 FAHP 耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析蔡少广任少云副教授汤智新张必卓(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)【摘要】为了给粉尘涉爆企业制定有效的防爆措施提供依据，以木纤维粉尘爆炸为例分析粉尘爆炸风险，提出一种基于事故树分析法和模糊层次分析法于一体的粉尘爆炸风险分析方法。首先，利用事故树分析法进行演绎推理得到发生粉尘爆炸事故的基本致因事件，同时采用结构重要度进行定性分析;其次，将事故树的基本事件按人、设备、环境、管理及物料 5 个方面整合后构建粉尘爆炸评价指标体系;最后，再利用模糊层次分析法构建判断矩阵进行定量分析。结果表明:结构重要度系数最大的是设施内部和作业场所含有充足的氧气、正压吹扫扬尘及室内作业扬尘;发生粉尘爆炸事故风险最大的因素是未及时清理粉尘。【关键词】粉尘爆炸;风险分析;事故树分析法(FTA);模糊层次分析法(FAHP)中图分类号:X932文献标识码:A文章编号:10023631(2023)02003706基金资助:中国人民警察大学研究生创新计划项目(2022CXJH096)Combustible Dust Explosion isk AnalysisBased on FTA and FAHPCAI ShaoguangEN ShaoyunTANG ZhixinZHANG Bizhuo(China Peoples Police University，Langfang Hebei 065000，China)Abstract:In order to provide a basis for the development of effective explosion protection measures for dustrelated enterprises，the risk of dust explosion is analyzed using the wood fiber dust explosion accident as anexample A dust explosion risk analysis method is proposed based on Fault tree analysis(FTA)and Fuzzyanalytic hierarchy process(FAHP)Firstly，FTAbased deductive reasoning was used to obtain the causativebasic events for the occurrence of dust explosion accidents，while qualitative analysis was carried out usingstructural importance Secondly，the basic events of FTA are integrated according to 5 aspects，including peo-ple，equipment，environment，management，and materials，to construct a dust explosion evaluation indexsystem Finally，using FAHP to construct a judgment matrix for quantitative analysis The results show thatthe greatest structural importance factors are the presence of sufficient oxygen inside the facility and work-place，positive pressure blowing dust，and dust from indoor work The greatest risk of a dust explosion is thefailure to clean up the dust in a timely mannerKeywords:dust explosion;risk analysis;fault tree analysis(FTA);fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)73风险2023 年第 2 期基于 FTA 和 FAHP 耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析0引言根据美国化学安全与危险调查局(ChemicalSafety and Hazard Investigation Board，CSB)发布的数据，美国 20062017 年间发生 111 起可燃粉尘爆炸事故，造成 66 人死亡，337 人受伤;国内 20092018年间发生 67 起粉尘爆炸事故，造成严重的人身伤亡和财产损失1。国内外粉尘爆炸事故频发，有必要对粉尘涉爆企业进行风险分析，找出危险源，提出改进与预防措施。学者们在粉尘爆炸风险分析及安全防控措施研究方面已取得诸多进展，如谢振华1 利用安全检查表法对粮食仓储企业粉尘爆炸进行风险分析，并提出粮食仓储企业粉尘爆炸防控措施;张秀玲2 提出一种结构方程法与贝叶斯网络模型耦合的评价方法，分析加工车间粉尘爆炸事故致因链，实现粉尘爆炸风险概率的科学预测;李红玉等3 通过系统思考法对典型粉尘爆炸事故进行风险分析，并利用因果循环图得出事故杠杆解，为涉爆企业增强安全监管效率提供理论依据;陈刚等4 统计 20052020年我国粉尘爆炸事故数据，通过分析粉尘爆炸事故一般规律与原因，总结相应安全管理对策;李正5 通过案例分析法剖析粉尘涉爆企业安全生产的共性问题，借鉴国内外监管方案提出预防粉尘爆炸事故的建议与对策。通过分析、梳理已有的粉尘爆炸风险研究工作，发现研究内容往往集中在系统分析企业粉尘爆炸风险性及提出预防措施，而对风险指标因素进行定量分析的较少，忽略了各影响因素在整个生产中的相对重要性。基于 此，笔 者 拟 采 用 事 故 树(Fault TreeAnalysis，FTA)与模糊层次分析法(Fuzzy AnalyticHierarchy Process，FAHP)，从粉尘爆炸条件及机理出发，对粉尘爆炸影响因素进行定性、定量分析，得出影响粉尘爆炸的各级指标权重，根据影响因素结构重要度及权重，得出合理的优先治理顺序，并以木纤维粉尘爆炸为着力点，为粉尘涉爆企业制定安全生产防范措施方案提供参考依据。1粉尘爆炸条件及机理一般物质燃烧需要可燃物、氧化剂与点火源，然而，要产生具有一定危害的粉尘爆炸还需要额外的条件，即粉尘颗粒在适当的浓度和限制范围内的扩散。所以发生粉尘爆炸需要 5 个基本条件:可燃粉尘、点火源、氧化剂、达到爆炸下限的粉尘云及有限的空间6。粉尘爆炸有 2 种机理:一种是粉尘粒子在火源的热量作用下直接与氧化剂发生剧烈的氧化反应，产生的反应热使火焰传播，在火焰传播过程中，反应热使周围的粉尘和空气加热迅速膨胀，从而导致粉尘爆炸;另外一种是粉尘受热后释放出可燃性气体发生燃烧，然后火焰在传播过程中产生的热量使越来越多的粉尘粒子分解或挥发，释放更多的可燃气体，最终导致粉尘爆炸6。通过分析粉尘爆炸的条件及机理，将发生粉尘爆炸的 3 要素 点火源、氧化剂、形成粉尘云且达到爆炸下限 作为中间事件，同时根据企业生产设施及生产条件进行基本事件的确定，从而构建事故树，再进行定性分析。2粉尘爆炸事故树分析FTA 分析法是一种通过演绎推理来反向跟踪导致顶上事件发生的根本原因的方法7，使用布尔逻辑符号(即与门、或门等)将顶部事件的原因分解为基本设备故障和人为错误等。分析从顶上事件开始，确定原因和顶上事件之间的逻辑关系。本文以木纤维粉尘爆炸事故为例，绘制事故树。顶上事件为粉尘爆炸，点火源、氧化剂及形成粉尘云且达到爆炸下限是中间事件8，同时进行检查，直到每个中间事件的主要原因被确定。粉尘爆炸事故树分析过程，如图 1。其中，粉尘云的形成作为发生粉尘爆炸事故的关键条件之一，人为因素为员工未及时清扫粉尘;管理因素为作业场所混乱;设备因素为风机、除尘器、管道及吸尘罩的故障;环境因素为生产车间布局不合理导致通风不良;物料因素为粉尘爆炸的特性。2 1求取最小径集绘制好粉尘爆炸事故树后，运用布尔代数法求解出事故树最小割集 196 个。可见，引起粉尘爆炸的途径有196 个，且每个途径包含的基本事件较少，表明危险程度较高，容易发生粉尘爆炸事故。最小径集能够表达系统的安全性7，每一个最小径集都是一种控制发生粉尘爆炸事故的可行方案，只要能采取有力措施，保证其中任意一个最小832023 年第 2 期风险基于 FTA 和 FAHP 耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析图 1粉尘爆炸事故树图Fig1Dust explosion fault tree diagram径集中的基本事件都不发生，就不会发生粉尘爆炸事故。通过转换为成功树，计算得到粉尘爆炸事故树的 5 个最小径集为:P1=X9，X10，P2=X18，X19，P3=X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，P4=X1，X2，X3，X4，X5，X6，X8，P5=X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17。例如，只要能将最小径集 P5控制住，即控制住 风机故障，除尘器故障，管道故障，吸尘罩损坏，未及时清扫，作业场所混乱，车间布局不合理，保障通风除尘设备的良好运行，优化生产车间布局使自然通风良好，并及时对粉尘进行处理，防止造成粉尘聚集，粉尘爆炸事故就不会发生。虽然每一个最小径集都是一种预防控制方法，但在实际工作中，一般会分析多个最小径集，得出数个预防控制途径，多措并举提高生产安全性，降低发生粉尘爆炸事故的概率。同时，还能通过分析实施难易程度和实施效果等因素，选择最优预防控制措施。2 2结构重要度分析进行结构重要度分析能求出导致粉尘爆炸事故的各基本原因的重要程度，以便按轻重缓急分别采取防治对策。求取结构重要度可以采用最小割(径)集法，同时也可以用下面 3 个近似公式进行计算7。I(i)=1kkj=11mi(j=Kj)(1)I(i)=XiKj12mi1(2)I(i)=1 XiKj1 12mi1()(3)式中:I(i)第 i 个最小割(径)集的结构重要度系数;k最小割(径)集总数;Kj第 j 个最小割(径)集;mi第 i 个基本事件所在第 Kj最小割(径)集中的基本事件总数;Xi第 i 个基本事件。经计算得到结构重要度排序:I(9)=I(10)=I(18)=I(19)I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=93风险2023 年第 2 期基于 FTA 和 FAHP 耦合的可燃性粉尘爆炸风险分析I(6)I(7)=I(8)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)。分析可得，X9、X10、X18及 X19是导致粉尘爆炸事故的最重要因素，故要着重控制生产设备内部氧气含量和扬尘问题。由于工艺设备或作业场所存在充足的氧气，是发生粉尘爆炸条件之一，可在设备内部充入适量的惰性气体进行防护。为防止扬尘，可在聚集大量粉尘的区域采取喷油或喷雾等方式，以此增加粉尘粘附性，达到有效控制空中浮尘的目的。X1、X2、X3、X4、X5及 X6是次要级因素，即杜绝出现