基于相似安全系统学的高校实验室爆炸事故分析及防控
2020-05-21阳富强邱东阳
阳富强,邱东阳
(福州大学环境与资源学院,福建 福州 350116)
实验室是高校开展科研教学、培养实践创新型人才的重要平台[1-2],其发挥的职能日益突出。高校实验室具有操作频繁、人员流动性大等特点[3],且内部存放有易燃、易爆、易挥发等化学药品,同时配备高温、高压、强磁、搅拌、震动等大量教学和科研用仪器与设备[4],一旦出现管理疏忽将会引发火灾爆炸事故,导致实验教学活动无法正常开展,甚至造成重大的财产损失和人员伤亡。据相关统计,2001—2013年我国高校、科研院所、企业实验室发生的100起实验室安全事故中,爆炸事故类型占比达44%[5]。2001—2016年我国高校实验室共发生爆炸事故50起,造成伤亡人数达79人,平均每起事故导致的伤亡人数为1.58人[6]。2018年12月26日,北京交通大学市政与环境工程实验室发生爆炸事故,造成3名学生死亡,更是引起了社会的高度关注。
根据海因里希事故致因理论,事故是具有因果关系的一系列事件依次发生的结果,人的不安全行为和物的不安全状态是引发事故发生的主要原因[7]。然而,导致事故发生的前因后果所赋存的系统可发现许多相似之处,因此部分学者应用相似安全系统学原理分析了煤矿瓦斯爆炸事故[8]、企业特别重大火灾爆炸事故[9],为预防类似事故的发生提供指导。基于此,厘清实验室爆炸事故发生的一般机理,总结事故发生的原因,并运用安全系统工程、相似安全系统学的思维和方法对高校实验室典型爆炸事故案例进行全面分析,从中汲取事故教训进而提出防控措施,是避免此类事故发生的有效途径,这对于促进高校实验室平安运行、保障校园安全具有重要的意义。
1 高校实验室爆炸事故的原因分析
1. 1 高校实验室爆炸事故发生的机理
实验室内易燃、易爆物质瞬间发生急剧的物理或化学变化,同时释放出大量能量,并伴随强烈的冲击波、高温、高压和震动效应等现象,由此造成人员伤亡或物体破坏,均可归纳为实验室爆炸事故。高校实验室爆炸事故的发生通常表现出突发性、复杂性、破坏性等特点,而引发爆炸事故发生的3个必要条件为易爆品、氧气、点火源。高校广大师生在实验室内开展各类教学与科研活动时,由于实验方案、操作步骤、安全注意事项等可能存在一定的问题,加上对潜在的危险爆炸因素难以判断和预测,使得实验室爆炸事故具有突发性。同时,实验室内受人为、环境、设备和管理等多种因素的影响,各因素间相互作用,产生耦合效应,很难明确实验室爆炸事故发生的具体原因,导致事故的演变过程极其复杂。而实验室内一旦发生爆炸,能量将在瞬间释放,对科研人员和周边物体会产生巨大的冲击力,且高温可迅速点燃周边的可燃物品而引发火灾,具有巨大的破坏性。因此,高校实验室爆炸带来的危害不可估量,需找出具体的原因并对其加以防范。
1. 2 高校实验室爆炸事故原因的识别
采用德尔菲访谈法,设定“实验室爆炸事故原因”为主题,以某高校资产管理处、保卫处、科技处、实验中心等部门的实验室安全主管人员为征询对象,让相关人员从引发爆炸事故发生的3个必要条件,对可能导致高校实验室爆炸事故发生的原因进行系统分析,罗列出可能导致实验室爆炸事故的原因清单。研究人员与征询对象经过多次互动、汇总和分析,可将高校实验室爆炸事故发生的主要原因归纳为人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不良状态、管理规章制度不完善4大类,共24种导致实验室爆炸事故的原因清单,其主要原因及其具体表现形式见表1。
表1 高校实验室爆炸事故发生的原因及其具体表现形式
针对高校实验室爆炸事故发生的原因及其具体表现形式,在日常实验室安全管理工作中,从多个不同角度开展爆炸事故的防治尤为重要。
2 高校实验室典型爆炸事故案例分析
高校实验室安全系统受人、机、环、管等多个因素的影响,其爆炸事故的发生是极为复杂的,因此可采用安全系统工程的方法对高校实验室爆炸事故进行全面分析。事故树分析方法在安全系统工程中的应用较为广泛,该方法将系统内可能发生的某种事故作为顶上事件,分析导致事故发生的各基本事件及其原因,并利用树形图来表示各原因之间的逻辑关系[10]。通过对事故树进行定性和定量分析,能清晰、直观地反映导致事故发生的主要原因,并预测事故发生的概率,为安全决策提供依据。相似安全系统学原理[11-12]近年由吴超等创建,它是以安全为着眼点来研究相似系统的一般规律,可用来描述、解释、指导和启示类似事故。因此,本文基于事故树分析找出高校实验室爆炸事故发生的基本原因事件,并根据相似安全系统学理论探究事故系统间相似特性产生的原因,为预防类似事故的发生提供思路。
2. 1 高校实验室典型爆炸事故案例
本文选取高校实验室两起典型爆炸事故案例进行分析。
案例1:中国矿业大学“4·5”爆炸事故。2015年4月5日12时40分左右,中国矿业大学化工学院实验室甲烷混合气体实验气瓶突然发生爆炸,现场4名学生受伤,1名学生抢救无效死亡,直接经济损失约200万元人民币。
案例2:北京交通大学“12·26”较大爆炸事故。2018年12月26日,北京交通大学市政与环境工程实验室发生爆炸燃烧,9时33分21秒模型室出现颜色发白的强光为氢气爆炸,9时33分25秒模型室出现颜色泛红的强光为镁粉爆炸,现场3名学生被烧死。
2. 2 高校实验室典型爆炸事故案例的事故树分析
高校实验室典型爆炸事故案例的事故树分析的基本步骤为:首先将实验室看做一个系统,确定顶上事件;然后根据两起典型爆炸事故案例的事故调查报告[13-14],找出导致顶上事件发生的所有基本原因事件,分析各基本原因事件的逻辑关系,并运用树形图和逻辑符号绘制出事故树;最后对事故树进行定性和定量分析,提出改进措施。
将实验室爆炸事故作为顶上事件,以氧气、易爆品、点火源3个爆炸发生的必要条件为着眼点,按照上述步骤构建两起典型爆炸事故案例的事故树,见图1和图2。其中,案例1共有基本原因事件10个;案例2共有基本原因事件11个。顶上事件的逻辑结构式简化后分别如下:
图1 北京交通大学“12·26”较大爆炸事故案例的事故树Fig.1 Fault tree of “12·26” explosion accident in Beijing Jiaotong University
图2 中国矿业大学“4·5”爆炸事故案例的事故树Fig.2 Fault tree of “4·5” explosion accident in China University of Mining and Technology
T1=X1M1M2=X1X2X3X4X10+X1X2X3X4X9+X1X2X5X10+X1X2X5X9+X1X2X6X10+X1X2X6X9+X1X2X7X10+X1X2X7X9+X1X2X8X10+X1X2X8X9
T2=X1M1M2=X1X2X3X5X6X7X8X10+X1X2X3X5X6X7X8X11+X1X2X3X5X6X7X9+X1X2X4X5X6X7X8X10+X1X2X4X5X6X7X8X11+X1X2X4X5X6X7X9
事故树的最小割集是指引起顶上事件发生的最少基本事件组合。事故树T1最小割集有10个基本事件组合,分别为{X1,X2,X3,X4,X10}、{X1,X2,X3,X4,X9}、{X1,X2,X5,X10}、{X1,X2,X5,X9}、{X1,X2,X6,X10}、{X1,X2,X6,X9}、{X1,X2,X7,X10}、{X1,X2,X7,X9}、{X1,X2,X8,X10}、{X1,X2,X8,X9};事故树T2最小割集有6个基本事件组合,分别为{X1,X2,X3,X5,X6,X7,X8,X10}、{X1,X2,X3,X5,X6,X7,X8,X11}、{X1,X2,X3,X5,X6,X7,X9}、{X1,X2,X4,X5,X6,X7,X8,X10}、{X1,X2,X4,X5,X6,X7,X8,X11}、{X1,X2,X4,X5,X6,X7,X9}。
事故树的最小径集是指不引起顶上事件发生的最少基本事件组合,T1、T2事故树的最小径集结构表达式分别如下:
T1事故树的最小径集有5个基本事件组合,分别为{X1}、{X2}、{X3,X5,X6,X7,X8}、{X4,X5,X6,X7,X8}、{X9,X10};T2事故树的最小径集有8个基本事件组合,分别为{X1}、{X2}、{X5}、{X6}、{X7}、{X3,X4}、{X8,X9}、{X9,X10,X11}。设事故树中最小径集各基本事件的结构重要度系数为I(Xi),分别计算两起典型爆炸事故案例事故树中最小径集各基本事件的结构重要度系数并排序。
T1事故树中最小径集各基本事件的结构重要度系数如下:
I(X1)=I(X2)=1;
I(X9)=I(X10)=1/2;
I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)
=1-(1-1/25-1)(1-1/25-1)
=31/256;
I(X3)=I(X4)=1-(1-1/25-1)=1/16。
按大小排序为:I(X1)=I(X2)>I(X9)=I(X10)>I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)>I(X3)=I(X4)。
T2事故树中最小径集各基本事件的结构重要度系数如下:
I(X1)=I(X2)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=1;
I(X9)=1-(1-1/22-1)(1-1/23-1)=5/8;
I(X3)=I(X4)=I(X8)=1-(1-1/22-1)=1/2;
I(X10)=I(X11)=1-(1-1/23-1)=1/4。
按大小排序为:I(X1)=I(X2)=I(X5)=I(X6)=I(X7)>I(X9)>I(X3)=I(X4)=I(X8)>I(X10)=I(X11)。
实际实验过程中氧气对顶上事件的作用不可调控,且不考虑各基本事件实际发生的概率,通过对事故树中最小径集各基本事件的结构重要度系数分析可知:
(1) 在案例1中,未配备安全防护装置X2对顶上事件发生的作用最大;其次为转轴盖片与护筒摩擦X9、转轴盖片与护筒碰撞X10产生的点火源,未告知实验危险性X5、违规使用教学实验室X6、实验未开展风险评估X7、产生氢气、热量和镁粉X8;再次为未登记易致爆危险品X3、实验室内存放大量镁粉X4。可见,在多次实验前若能发现搅拌机存在的缺陷,并能及时采取有效的安全防护措施,是阻止本起事故发生的重要途径。
(2) 在案例2中,实验未按规定上报审批备案X2、未检测气瓶压力表X5、气瓶压力表精度存在误差X6、实验人员存在侥幸心理X7对顶上事件发生的作用最大;其次为使用超期气瓶X9;再次为气流快速流出引起摩擦X3、气流快速流出引起静电X4、随意购进存放易爆气瓶X8;最后为随意改变气瓶介质X10、直接瓶对瓶导气X11。可见,若该实验按规定上报审批备案并在安全条件下进行,实验人员不抱有侥幸心理、不使用超期气瓶,且配置完甲烷混合气体后能检测气瓶压力表,及时判断甲烷浓度是否在爆炸极限范围内,是阻止本起事故发生的重要途径。
2.3 高校实验室典型爆炸事故的相似安全系统学分析
按照相似安全系统学原理分析事故的一般步骤[9,15],首先将两起案例的事故系统划分为人、物、环、管4个子系统;然后识别两起案例事故系统各子系统中的相似元素,并计算案例事故相似子系统和相似系统的相似度;最后提出控制措施,消除引发事故的相似元素。通过对两起案例事故的事故树分析得到的各个基本原因事件,本文运用相似安全系统学原理按上述步骤进行分析,建立了两起案例事故相似系统,见图3。
图3 两起案例事故的相似系统Fig.3 Similar system of two accidents
相似度是指系统组成单元或系统整体特性的相似程度。相似度可采用相似特征值和相似元素数目进行求解[16]。由于案例1、案例2相似系统中相似元素的特征值难以衡量,因此本文采用相似元素数量上的相似程度来计算相似度。设案例1事故系统为A集合、案例2事故系统为B集合,若A集合中人子系统中有x个元素,B集合中人子系统中有y个元素,两个集合中人子系统共有z个相似元素,qi表示相似子系统的相似度,则人相似子系统相似度的计算公式为
(1)
式中,x、y值根据两起案例事故系统各子系统分别存在的致因因素个数确定;z值根据对A、B集合中各子系统致因因素的相似特征进行识别来确定。以人相似子系统为例,图3中两起案例事故的人子系统中均有4个事故致因因素,经识别实验未备案、违规使用实验室、违规实验操作等存在相似特征,最终辨识相似因素共3个,依据公式(1)计算得到人相似子系统的相似度为0.6。按照上述元素数目计算相似度的方法,依次可计算出两起案例事故的物、环境、管理相似子系统的相似度。
由于各相似子系统对系统的影响程度不一样,因此可运用层次分析法[17]计算各相似子系统的权重系数Wi。首先邀请专家分别对人、物、环境、管理两两比较打分,并建立判断矩阵;然后将得到的判断矩阵采用方根法进行权重计算,并通过一致性检验;最后确定各相似子系统的权重系数Wi。
通过对各相似子系统的相似度加权求和,可计算事故系统A与B的相似度QA~B,具体计算公式为
(2)
根据上述确定各参数的方法,可计算两起案例事故的各相似子系统和相似系统的相似度,具体计算结果见表2。
表2 两起案例事故的相似子系统和相似系统的相似度
从事故致因的相似数量上来看,两起案例事故系统的相似度为0.626 5,表明两起典型爆炸事故的致灾要素存在共同原因。其中,环境子系统的相似度为1,两起案例事故均存在实验室内存放有大量危化品的情况;物子系统的相似度为0.67,两起案例事故物的不安全状态如实验过程中产生的大量氢气和镁粉等、搅拌机缺陷产生的火花点、甲烷浓度达到爆炸极限、气流快速流出气瓶引起的摩擦产生热能等是引发爆炸事故的直接原因;人子系统的相似度为0.60,两起案例事故人的不安全行为如违规实验、违规使用实验室、实验未按规定上报审批备案等是引发爆炸事故的间接原因;管理子系统的相似度为0.50,两起案例事故均存在实验室安全监管不到位、实验室安全教育培训不足等问题。
3 高校实验室爆炸事故的防控措施
通过对高校实验室两起典型爆炸事故案例运用安全系统工程、相似安全系统学的思维和方法进行分析,发现两起案例事故系统在人、物、环境、管理子系统均存在有共同的缺陷,据此本文针对高校实验室爆炸事故的防控,提出了如下具体的防控措施。
(1) 落实实验室安全系统化管理。加大对存放有危化品的实验室的基础建设投入;进一步建立健全实验室科研试验操作、实验室安全检查、实验室安全防护用品配置、实验室应急管理、实验室岗位安全责任、实验室安全奖惩等规章制度,实现实验室安全分级分类管理,严格落实实验室安全管理的各项要求;实施实验室安全管理信息系统化建设,将实验全过程关键信息共建共享,推动各部门形成实验室安全的联防联控。
(2) 加强科研类实验工作的安全精准化管理。科研项目所需危化品、设备仪器、试验场地应及时备案,安全设施要做到“三同时”管理;健全风险评价体系,对科研项目实验室工作开展阶段性风险评价;组建实验室安全专职管理队伍,负责审核科研项目的安全内容、实验室日常管理,并定期对实验人员开展针对性操作培训、安全培训、应急演练、法规教育,提高事故防控的科学化、专业化水平,以实现实验室安全的精准化防控。
(3) 深入开展隐患排查与风险管控。建立实验室危化品、危险仪器设备清单,加强统一管理,并不定期开展实验室隐患排查且督促整改;实验室安全管理人员应摸清危化品底数,并对危化品的采购、运输、存储、使用和处置等全生命周期运行情况进行实时监督,严格查处违规行为,同时对危化品、危险仪器设备设置安全警示标识;实时更新应急处理规范,提升实验室的整体预控能力。
4 结 论
(1) 从引发爆炸事故发生的3个要素为着眼点,分析了高校实验室爆炸事故发生的机理及其特征,并采用德尔菲访谈法,得到导致高校实验室发生爆炸事故的4大主要原因为人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不良状态、管理规章制度不完善,共24种导致高校实验室爆炸事故的原因清单。
(2) 选取北京交通大学“12·26”较大爆炸事故、中国矿业大学“4·5”爆炸事故两起案例进行事故树分析,将事故发生过程进行逻辑演绎,结果表明:北京交通大学“12·26”较大爆炸事故案例有10个基本原因事件、10个最小割集、5个最小径集;中国矿业大学“4·5”爆炸事故案例有11个基本原因事件、6个最小割集、8个最小径集。通过计算出两起案例事故基本原因事件的结构重要度并进行排序,指出了阻止顶上事件发生的重要途径。
(3) 根据两起案例事故的事故树分析得到的各个基本原因事件,运用相似安全系统学原理进行分析,建立了两起案例事故的相似系统,并计算出两起案例事故系统的相似度为0.626 5,环境子系统的相似度为1,物子系统的相似度为0.67,人子系统的相似度为0.60,管理子系统的相似度为0.50。为了避免类似实验室爆炸事故的发生,从实验室安全系统
化管理、科研类实验工作的安全精准化管理、隐患排查与风险管控等方面提出了有针对性的防控措施。