事故树分析在预防高炉炉顶爆炸事故中的应用

任延学

（滨州市安全评价中心，山东 滨州256600）

1 前言

基于处置高炉异常炉况过程的特殊性，针对可能出现的炉顶爆炸事故，借鉴和分析事故发生的原因，确定事故树顶上事件、中间事件和各基本事件并建立事故树。通过事故树分析，找出最小割集、最小径集，判别各基本事件的重要度，确定风险预防和控制措施，为冶金企业加强高炉安全管理提供依据。

2 事故案例及原因剖析

2019年5月29日，方大特钢公司炼铁厂2#高炉在处理异常炉况过程中，发生上升管波纹补偿器爆裂事故，导致平台及安全通道作业人员6死4伤。根据江西省应急管理厅发布的《方大特钢科技股份有限公司2#高炉“5·29”煤气上升管爆裂较大生产安全事故调查报告》可知［1］，该起上升管爆裂事故的直接原因为：5月28日中班、29日白班，高炉4个上升管处炉顶温度显示约157～500℃（高于200～300℃的正常炉顶温度），且呈现不均。为降低炉顶温度，两个班次通过炉顶打水装置长时间连续打水，打入的液态水未经雾化，部分落在炉料上，在炉内减风操作时出现崩料，含水炉料落入炉体下部高温区，其中的水分迅速汽化，体积急剧膨胀（约1 200～1 500倍），引发炉内压力瞬间陡升。同时因炉顶放散阀处于“手动”操作模式，未与炉顶压力联锁，未及时自动开启泄放炉内压力，导致上升管波纹补偿器爆裂，大量高温焦炭从爆裂处喷出，集中掉落在南出铁场作业平台和西侧安全通道，造成多人伤亡。

由此可知，此类炉顶爆炸事故的前提是炉况失常（悬料、管道行程等），造成炉顶煤气温度超高，处置过程中采用洒水降温造成上部料面含水，减风坐料或突遇崩料使含水炉料进入高温区，瞬间汽化膨胀且与炽热焦炭反应生成氢气和一氧化碳，进而引起爆炸事故。

3 事故树分析

根据事故查明原因，采用事故树分析（FTA）方法对方大特钢公司该起上升管爆裂事故进行分析。事故树（FTA）也称故障树，是一种描述事故因果关系的有方向的“树”，是安全系统工程中重要的分析方法之一。它能对各种系统的危险性进行识别评价，既适用于定性评价，又适用于定量评价。

3.1 分析步骤

事故树分析步骤［2］：1）确定顶上事件；2）熟悉分析系统；3）调查事故原因；4）绘制事故树图；5）事故树的定性分析；6）事故树的定量分析；7）制订安全对策。

3.2 事故树的建立

根据事故树建立的基本要求及步骤，将“波纹管补偿器爆裂、焦炭喷出并引起人员伤亡”作为事故树的顶上事件，所编写的事故树如图1所示。

3.3 事故树定性分析

3.3.1 事故树的最小割集分析

能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合，称为最小割集。它表示系统的危险性，每一个最小割集都是顶上事件发生的一种可能渠道，最小割集越多，系统越危险。本事故树的最小割集由下式得出：最小割集共 6 个，分别为：｛X1，X2，X5，X6，X8，

图1 炉顶爆炸伤人事故树

a｝；｛X1，X2，X5，X7，X8，a｝；｛X1，X3，X5，X6，X8，a｝；｛X1，

X3，X5，X7，X8，a｝；｛X1，X4，X5，X6，X8，a｝；｛X1，X4，X5，

X7，X8，a｝。

3.3.2 最小径集分析

顶上事件不发生所需的最低限度的基本事件的集合，称为最小径集。它表示系统的安全性，每一个最小径集都是顶上事件不发生的一种可能方案，从而为控制事故提供依据。最小径集越多，系统越安全。本事故树的最小径集由下式求得：

最小径集为6个，分别为：｛X1｝；｛a｝；｛X6，X7｝；｛X8｝；｛X5｝；｛X2，X3，X4｝。

3.3.3 结构重要度分析

结构重要度分析是分析基本事件对顶上事件的影响程度，为改进系统安全性提供信息的重要手段。利用本事故树的最小割集进行结构重要度判别如下：

3.4 事故树分析结论

从事故树逻辑关系看，有2个逻辑或门，3个逻辑与门，最小割集有6个，最小径集6个，造成事故的途径并不是很多，而控制事故的途径较多，说明系统危险性并不大。

从最小径集来看，基本事件“超过炉顶设备元件承受能力（a）”“现场人员未及时疏散（X1）”“长时间打水降顶温（X5）”“炉内崩料（X8）”任何一个不发生，都可以杜绝因炉顶爆炸造成人员伤亡的情况。从基本事件的结构重要度来看，基本事件“现场人员未及时疏散（X1）”和“长时间打水降顶温（X5）”的结构重要系数最大。

根据上述分析，对这类事故采取预防控制措施时，应首先从对顶上事件影响大的基本事件或包括含数目较少的基本事件的组合着手比较有效。因发生爆炸时“超过炉顶设备元件承受能力（a）”这一基本事件存在不确定性，处理异常炉况时“炉内崩料（X8）”这一基本事件在所难免，这两个基本事件较难控制，但是控制人的行为相对容易。当处置可能出现崩料情况的异常炉况时，可采取如下预防措施：

1）将高炉出铁场和风口平台作业人员疏散至安全区域。

2）在降顶温时要严格控制炉顶打水量，能少打水就少打水，能不打水就不打水。目前部分企业的高炉炉顶打水装置为自制产品，雾化效果难以保证，长时间进行炉顶打水存在较大隐患。

3）炉顶放散阀应设置在“自动”联锁状态，确保超压状态下自动打开泄压。

同时企业应加强炉顶设备日常点检工作，确保放散阀动作执行机构运行正常，确保波纹补偿器等管道薄弱部位安全可靠［3］。

4 安全规范及风险控制

国内冶金行业标准和安全标准也针对处置高炉异常炉况的风险制定了相关标准。YB/T 4591—2017《高炉炼铁安全生产操作技术要求》第7.3条规定：炉顶放散阀应选择自动操作模式，炉顶操作的最高峰值压力不应超过设计文件规定的最高压力；当超过时，应及时开启炉顶放散阀泄放炉顶压力。第8.8.2条规定：高炉出现严重管道行程，炉顶温度超限时，应采取炉顶通蒸汽、氮气或炉顶洒水等降温措施；瞬时顶压超限，应能自动泄压。第8.8.3条规定：高炉炉况失常，可能发生坐料、崩料及局部气流发展，造成风口灌渣，风管烧穿等事故时，应先通知并要求炉体周围人员暂时撤离。由此可知，本文事故树分析结论提出的预防措施与以上安全标准条款内容相符。

通过事故树分析及对应行业安全规范可知，高炉炉顶放散阀应处于“自动”操作模式，与炉顶压力值联锁，并确保联锁设施能正常运行。在降低顶温过程中，可采取通蒸汽、氮气和炉顶洒水多种降温措施，切不可长时间打水降顶温，打水降温也应确保水流雾化效果。在进行坐料或炉内有较大崩料可能时，应及时通知炉体周围人员暂时撤离至安全区域。

5 结语

通过事故树分析法对方大特钢公司上升管爆裂事故进行分析，得出了一系列预防高炉异常炉况爆炸的措施。冶金企业领导管理人员应为高炉生产稳定顺行创造良好条件，高炉操作者应把炉况的稳定顺行放在第一位，避免高炉频繁出现管道、塌料等异常炉况。操作人员处置异常炉况时应沉着冷静，正确判断，果断处置，严格执行行业作业指导书和安全标准的相关规定，避免高炉炉顶爆炸事故的发生。