安全工程专业实验室风险定量分析

李祥春， 刘 嵘， 崔 哲

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院， 北京 100083)

0 引 言

实验室是高校实验教学和科学研究的必要场所，同时也是易发生事故的场所[1]。近年来，高校中由于师生在实验过程中操作不当、设备老化、消防不到位等原因导致爆炸、火灾事故引起人员伤亡时有发生[2]。安全工程专业实验室所进行的实验大多涉及易燃易爆品，实验教学和研究性实验均具有一定的危险性[1]，容易造成实验室的财产损失并危及实验人员的人身安全。因此，有必要对安全工程实验室的风险进行分析并提出管理对策。

针对这一问题国内外学者进行了相关的研究。例如，张维刚等[3]通过对高校实验室事故进行统计，分析各类事故的占比并结合本校安全工程学院实验室的具体情况，分析了实验室的安全隐患从而提出了相应的整改措施。孟晓静等[1]针对安全工程专业实验室的特点，分析了安全工程实验室常见的事故，提出了若干安全管理对策。常悦等[4]利用事故树与层次分析相结合的方法构建了高校实验室火灾风险评估模型，构造判断矩阵并计算，找出了实验室火灾隐患并提出了整改措施。尤立明等[5]利用事故树分析法探究了引发高校实验室火灾事故各因素间的逻辑关系，提出相应的消防安全防护措施。王晔等[6]针对高校化学实验室安全隐患的问题，将量规评价法应用于安全风险评价，并设计出适合高校化学实验室安全风险评价的量规表。渠立明[7]在高校实验室的安全管理工作中引入事前控制、事后分析、危机管理等全面质量管理(TQM)理念，提升高校实验室安全管理工作的质量，及时消除安全隐患。并将TQM与MSF风险管理原则相结合，有效控制实验室安全管理工作的系统性风险。钱建明等[8]基于LEC法对实验室及其检测过程的风险识别与评价进行应用研究，提高检测实验室风险评估能力的充分性和有效性。赵红等[9]运用FEMA分析方法，量化识别实验室潜在失效的影响程度，控制和减少安全风险，提高实验室安全管理工作的水平。以上这些研究可以看出对实验室风险分析大多进行的是定性分析，而未见专门针对安全工程专业实验室风险的定量分析，为此，本文将对安全工程专业实验室存在的风险进行识别和定性、定量分析并提出对策。

1 安全工程专业实验室存在的风险识别

目前全国高校设置的安全工程专业方向涵盖了矿业、化工、能源、核工业、交通、能源、土木、经济等各个领域，但专业培养方向一般都与高校的行业背景密切相关[10]，比如中国矿业大学的矿业安全、中国科技大学的火灾安全、南京工业大学的化工安全。目前各个学校安全工程专业所涉及的较统一的实验主要包括：安全检测技术、安全人机工程学、通风除尘、火灾爆炸、电气安全、职业健康与卫生、锅炉压力容器安全7个部分[11]。针对这些实验，本文将利用事故统计、问卷调查的方法对安全工程专业实验室的风险进行识别。

1.1 事故统计

通过对近些年高校实验室事故案例的分析(见表1)，总结导致这些事故发生的具体原因和重点防控导致事故发生的因素，为设计安全工程实验室调查问卷提供依据[12]。从表1可见，近年来高校实验室安全事故频发的原因主要是：①在实验过程中需要经常接触和使用易燃、易爆、有毒、有害物品，且经常使用气、火、电等；②实验过程中误操作和违规操作；③实验仪器出现故障。而这些原因同样与安全工程专业实验室的爆炸、火灾、触电等事故相关。

1.2 问卷调查

为了解有关安全工程专业实验室存在的风险，选用问卷调查方法，通过对熟悉安全工程专业实验室师生、实验员等进行问卷调查，对安全工程专业实验室的危险情况进行分析，找出可能存在事故危险因素。

(1) 问卷设计。由于问卷的目的是了解安全工程专业实验室的具体风险，故问卷题目设置为开放性提问而非主观封闭性问题。根据对实验室事故的统计和对安全工程实验室的资料分析设计了安全工程专业实验室风险调查问卷，并选取相关院校安全工程专业师生为调查对象。为了提高问卷信度，避免代答，统一组织各课题组师生填答问卷。发放问卷200份，共回收186份，有效问卷186份，回收和有效率为93%。

(2) 问卷分析。此次问卷调查所涉院校均为设有安全工程专业且学科发展成熟的高校。从问卷汇总结果来看，安全工程专业的研究方向主要有：矿井火灾防治、建筑火灾防治、煤岩动力灾害、瓦斯灾害防治、气体爆炸、化工安全、粉尘防治等，这些研究方向所涉及的实验如：建筑材料燃烧特性实验、煤自然发火实验、细水雾等防尘实验、瓦斯渗流实验、瓦斯吸附解吸实验、气体爆炸实验、危险化学品检测实验等均有事故风险。由于安全工程专业实验室中有较多易燃易爆的物质，火灾和爆炸事故是安全工程专业实验室事故中最易发生的事故[1]。而安全工程专业实验室中还有压力机、钻煤机等诸多机械设备，实验过程中操作不慎或者不当也易引起机械伤害类事故。根据调查主要的事故和事故发生的可能原因如表2所示。

表2 安全工程专业实验室存在的主要风险

2 风险定量分析

对以上识别出的风险进行定性、定量的分析，从而有针对性地提出风险管理建议。常用的风险分析法有：调查打分法、层次分析法、蒙特卡洛模拟法、事故树分析法、概率分布分析法及模糊综合评判法[13]。由于利用事故树分析法可以准确推断导致事故发生的基本事件，故本文选用事故树分析法，对系统的风险进行分析和评价，并进行定性分析和定量计算[14]。

2.1 事故树的编制

安全工程专业实验室各类事故的事故树和引起事故的子事件如图1所示。由事故树及子事件可清晰看出引起实验室事故的所有途径和直接事故成因，可为分析事故发生原因和制定有效防范措施提供参考。

图1 安全工程专业实验室主要事故的事故树

2.2 求最小割集

在事故树中，把引起顶事件发生的基本事件的集合称为割集[14]。而最小割集是能够导致顶事件发生的最低限度的基本事件的集合，反映的是系统的故障模式。由图1所示的事故树，利用布尔代数法有：

T=T1+T2+T3=A1·A2+A3·A4+A5·A6·A7

最小割集数量越多，说明系统的危险性越大。将上式展开继续化简，可知最小割集有60个，即系统的20个基本事件Xi(i=1,2，…，20)，存在60种途径可导致顶上事件(实验室事故)的发生，可见系统危险性较大。最小割集对全面分析事故发生规律，找出系统的隐患非常有帮助，也为降低系统的危险性提出了控制方向和预防措施。由最小割集可以直观的判断哪种事故发生的途径最危险,哪种次之,哪种在实际中可以忽略,以及如何采取措施使事故发生概率降低。一般情况下，在割集中出现次数最多的基本子事件，其结构重要度也越大，直接影响着系统的安全性、可靠性，是系统的薄弱环节，也是需要进行重点控制和预防的对象。从图1可以清晰地看出各个基本子事件与事故之间的逻辑关系，而从事故树的结构上可以看出火源、热源对安全工程专业实验室火灾和爆炸事故的发生影响较大，是实验室安全管理的重要防控对象。

2.3 结构重要度的求解与分析

事故树中某些基本事件不发生，顶上事件就不会发生，这些不发生的基本事件的集合称为径集。如果径集中任意去掉一个基本事件后，就不再是径集，那么该径集就是最小径集[14]。最小径集体现了系统的安全性，最小径集与最小割集具有对偶性，由图1所示的事故树，利用逻辑简化法求得15个最小径集。

如不考虑各基本事件发生的难易程度，或假设各基本事件的发生概率相同，仅从事故树结构上研究各基本事件对顶上事件的影响程度，称为结构重要度分析。并可用基本事件的结构重要度系数判定其影响大小[14]。

求解第i个基本事件Xi的结构重要度系数，可利用以下公式：

式中，Xi表示第i个基本事件；Pj表示第j个最小径集；n表示第j个最小径集中基本事件的总数；Xi∈Pj表示Xi属于最小径集Pj中的事件。由此公式计算各基本子事件的结构重要度系数如下：

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

将各基本事件的结构重要度进行排序：

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)

由计算结果可知，基本事件可燃实验用品存放不当、实验室通风不畅、实验操作人员身体进入设备的危险部位及爆炸性气体泄漏的结构重要度最大，而结构重要度系数大的基本事件对顶上事件的发生起的作用也大[5],所以这4个基本事件是安全工程专业实验室内需要重点防控的事件。根据基本事件的结构重要度大小来选择重点防控的基本事件，而针对性地对结构重要度系数大的事件进行重点控制和预防，可以有效的提高实验室系统的安全性。

由以上风险定量分析得出的安全工程专业实验室内需要重点防控的4个基本事件，再根据“人、机、环、管”理论进行深入的分析，可以得到这些基本事件发生的原因，从而对其进行重点控制和预防。“人、机、环、管”理论认为安全科学的基本要素结构是由人、机、环境和管理构成的[15]，安全科学基本要素关系见图2所示。利用“人、机、环、管”的理论，将4个安全科学的基本要素与以上定量分析所得4个对安全工程实验室事故影响最大的基本事件进行演绎、归纳、分析和综合，可进一步对这4个基本事件进行分析，分析结果见表3所示。

图2 安全科学基本要素关系[15]

3 安全工程专业实验室风险管理建议

从上面风险识别结果和定性定量分析可知，安全工程专业实验室存在较多事故风险。为防止安全工程实验室事故的发生，应根据风险识别和分析的结果采取相应的措施加强管理。

3.1 加强实验室的定期检查工作

由于进行实验操作，实验室常处于动态变化过程中，人员变化、设备变化、气瓶等也在变化，所以需要对实验室进行定期检查，广泛应用于过程工业的安全分析方法主要有：安全检查表法、故障假设分析、危险与可操作性分析、故障类型和影响分析等[16]，这些方法都有各自的特点和适用范围，其中用于定期检查的最佳方法是安全检查表。安全检查表是运用安全系统工程的原理，为发现设备、系统、工艺、管理以及操作过程中的各种可能导致事故的危险因素，而制作的分析表格[14]。安全检查表法简单易行，可以做到系统化、科学化，不漏掉任何可能导致事故的因素。利用安全检查表对安全工程专业实验室进行定期检查，可以及时发现隐患并采取措施。通过事故分析、问卷调查、风险分析结果以及相关资料[12]确定安全工程专业实验室安全检查表的检查项目如表4所示。

表4 安全工程专业实验室安全检查表

3.2 加强实验室仪器设备的管理

仪器设备是进行科研实验必不可少的物质基础，如何安全有效的管理仪器设备是实验室安全管理的重要内容之一[17]。目前安全工程专业实验室的仪器设备多由老师自己负责管理，设备直接由进行实验的学生操作，没有专门的实验员来管理仪器设备和指导实验操作。这样会导致：①学生不熟悉仪器操作造成误伤；②仪器设备容易损坏且难以及时维修。因此，需设置实验安全员对设备进行定期检查、维护和保养，指导仪器的使用和操作。实验在设备的危险部位加装防护装置，并制定设备安全操作规程，不得违规操作。

3.3 加强实验室易燃易爆物质的管理

安全工程专业实验室的相关实验大多需要使用易燃易爆品，而目前安全工程专业实验室的易燃易爆品多由进行实验的学生自己管理和使用，这会增加火灾和爆炸事故的风险。因此，实验室易燃易爆品应集中管理，存放时要科学有序并与热源隔绝，搬运时应轻拿轻放，不得强烈冲击、摔碰，(如：搬运甲烷气瓶时必须使用气瓶车，不能直接拖拽。)每次实验前领取并做好详细记录用量和用途。使用易燃易爆品进行实验时，必须熟悉其特性与相关知识[18]，严格控制用量，并且要远离火源，谨慎操作。

3.4 加强实验室火源、热源的管理

火源、热源是实验室火灾和爆炸事故的必要条件，实验室内应禁止烟火、严禁产生明火[19]，可以在实验室内安装热感探测器和视频监控，实时监控实验室火源、热源。对实验室内的线路进行科学的规整，避免线缠线，并定期进行检修，防止因线路短路或老化引起火灾，且利于实验仪器设备出现故障时紧急停车。使用规格和负荷符合实验设备要求的线路，防止因线路过载引起火灾。

3.5 重视实验室消防设备的配置

火灾的发生有发展的过程，在前期火势较小时若能将其及时扑灭，就可以避免发生火灾。因此，应确保实验室中有足够的消防设施[20]，并针对具体易燃易爆品的特性配置相对应的消防设施。定期检查并更换已经失效的设施，确保消防设施始终处于良好可用的状态[1](如：保证实验室自动报警喷水灭火系统于良好的工作状态，确保干粉灭火器可正常使用)。实验操作人员在进行实验前必须接受培训，学习消防设施的操作和使用，对其了若指掌后方可进入实验室进行实验操作。

3.6 规范实验操作，加强安全培训

由前面的分析知安全工程专业实验室存在着一系列事故风险，因而，对实验操作人员进行安全知识教育和实验操作技能培训提高实验人员的综合素质和安全意识至关重要。并应针对每个具体的实验，制定相对应的操作程序和规范以及需要注意的安全事项[21]。由学院开展定期的安全培训，学生在进入实验室实验之前必须接受安全培训[22]，学习实验操作、常用消防设备的使用方法以及必要的安全常识与突发事故的应急措施。并根据实验室的实际情况，及时对培训的内容进行调整和改进[23]，以适应实验室发展的需要。

4 结 语

安全工程是实践性和应用性很强的专业，实验和理论密不可分，且至关重要。因此，实验室的安全就显得尤为重要，而安全工程专业实验室存在较多的事故危险因素，需要针对安全工程专业实验室的特点和事故类型，制定安全管理对策。本文利用事故统计和问卷调查来识别安全工程实验室的事故风险，再对安全工程实验室的事故建立事故树模型，将一系列可能导致事故的基本事件及其与事故之间的逻辑关系清晰地展现出来，并通过风险的定量分析即基本子事件结构重要度的计算确定了安全工程专业实验室中的主要风险为：可燃实验用品存放不当、实验室通风不畅、实验操作人员身体进入设备的危险部位及爆炸性气体泄漏，并依此为安全工程专业实验室的安全管理提出了相应的建议。