基于AHP-LEC法的冶炼作业危险性评价

卢 萍，张金梁，林 友，聂 琪，程 涌

(昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

根据《有色行业较大危险因素辨识与防范指导手册》(2016版)，金属冶炼企业主要包括炼铁、炼钢、轧钢、焦化、烧结、煤气等作业[1]。其工艺生产具有特殊性，生产设备主要为高温高压设备，生产过程中还会涉及到氧气、煤气、硫酸等危险化学品的生产、使用和储存，易产生火灾、爆炸、喷溅、泄漏、倾翻、中毒等安全事故，造成严重的后果[2]。

采取有效的评价方法对冶炼工艺作业过程进行风险分析，辨识危险有害因素，实施过程控制措施，对整个冶炼作业安全管理起着非常重要的作用。对生产作业进行危险有害因素评估的常见方法有：安全检查表，模糊综合评价法、作业条件危险性法，事故树法，危险性与可操作研究法，失效模式与影响分析法等[3-4]。每种评价方法都有其适用范围，其中作业条件危险性法(LEC)适用范围广，因其方法简明、操作简易被广泛应用于多个行业的作业安全性评价。但该方法主观性强，定量分析能力弱，导致评价的结果与实际有一定差异。一些学者对LEC法进行改进，如吴雅菊等[5]在LEC法基础上采用CREAM法增加了作业人员可靠性补偿系数指标；曹楷[6]将HAZOP与LEC结合应用在化工行业；王戡等[7-8]将LEC法和DEA法结合运用在工程施工中，同时引入了人员素质和管理水平等因素作为补偿系数。本文利用函数和层次分析法(AHP)对LEC法评价方法做量化改进，并应用在冶炼企业中，对该行业安全生产的风险管控具有一定实际意义。

1 改进的AHP-LEC分析法

1.1 传统的LEC法

传统的LEC法又名“LEC危险性评价法”，是1980年由K.J.Graham和G.F.Kinney两位学者提出[9]，国内称之为“作业条件危险性评价法”。将作业条件危险程度用D值表示：

D=L×E×C

(1)

式中，L为事故发生的可能性大小；E为人员暴露于危险环境中的频繁程度；C为事故发生的后果[5]。

L、E、C因素指标数值的乘积得到D值，根据D值所在的范围确定作业条件的危险等级，D值的数值越高，说明该作业危险性越大[10]。

1.2 修正LEC法

L、E、C因素指标数值通常在确定参数中存在以下3个问题：

1)C指一旦发生事故可能造成的后果。冶炼企业易发生的烫伤、机械伤害、煤气中毒、火灾、压力容器及压力管道爆炸、易燃物爆炸等事故，除了造成人员伤亡外，还可能会带来设备破坏和巨大的财产损失，如“死亡 1人”和“重伤 10 人”，“重伤1人”和“财产损失1亿”，怎么比较轻重，不能在取值中体现。

2)L指事故发生的可能性，与实际发生的概率相关。不同事故发生在不同工艺过程中也会影响事故的发生概率，如冶炼企业绞、碾、割、刺等机械伤害发生概率远大于喷溅、爆破事故；其次要注意发生的概率是所有发生事故的总和还是某类事故的概率。

3)E为人员暴露在危险环境中的频繁程度。作业人员暴露在危险工作环境中的时间越长、暴露次数越多，往往受到伤害的可能性就会越大。

基于冶炼作业工艺的复杂性，每一种金属冶炼都不尽相同，如钢铁的生产，包括炼铁、炼钢、连铸、轧钢等。而炼铁是一个高温高压、有毒有害气体产生的过程，存在铁水、熔渣、煤粉、液压油以及煤气、氧气、氮气和压缩空气，容易产生火灾、爆炸、烫伤、中毒、机械伤害等事故。传统的LEC法对取值采用分级赋值会带来作业危险性评价结果的不确定性，导致结果主观性过强，加上在取值中存在的问题，使得计算的结果“自由”空间大，偏离实际生产工艺。

首先对L、E取值进行修正：

E′用暴露危险环境的时长和次数来建立函数，其中人员暴露的程度均相同。建立E′函数表达式

(2)

式(2)中[9]，t一般取 2 000 h(一年工作天数 250 d)；Δt为人员暴露在危险环境下的总时长。

当t=2 000 h，Δt≥2.55 h 才有效，暴露 1 h 计为暴露1次，其中E=6时表示一年暴露250次。根据公式(2)计算得到表1，可得到连续E′值。

表1 E′—人员暴露于危险环境中的频繁程度Tab.1 E′—Frequency of the personnel in hazardous and exposed environment

L′用作业条件下对应发生事故的设备可靠性来建立函数[10]，用平均故障间隔时间(MTBF)或故障率λ表示，通常情况下假设致因因素为单一因素，计算公式如下：

L′=10(1-e-λT)

(3)

式(3)中[9],λ为故障率或1/MTBF；T为对应危险因素的总时长(上次维修为时间起点)。

根据公式(3)，具体分值与设备故障率密切相关。

参数C造成的后果比较复杂，本文通过采用层次分析来确定参数C，以降低LEC法评价主观性，使其更好地应用在冶炼行业。

1.3 层次分析法

层次法分析法是美国学者T.L.Saaty提出的一种多目标或多方案的层次决策分析方法。AHP是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法[11]。具体步骤如下：

1)建立层次结构模型。C事故后果严重程度作为目标层，方案层分为人员死亡(单位/人)、人员伤残(单位/人)、财产损失额(单位/亿)3个指标，根据《生产安全事故报告和调查处理条例》事故等级来分类建立方案。(图1)。

图1 层次结构模型Fig.1 Hierarchical model

2)构造判断矩阵。目标为A矩阵，其中Vi，Vj(i，j=1，2，3，…，n)表示因素，构造两两判断矩阵，其中Vij表示因子i相对因子j的重要性，Vij×Vji=1，构建A=(Vij)n×n矩阵如(4)式。

(4)

3)层次单排序和其一致性检验。采用几何平均法求解判断矩阵的特征根和向量。

计算判断矩阵每一行元素的乘积Ri:

Ri=∏j=1biji=1,2,3，…，n

(5)

(6)

判断矩阵的特征向量：R=[R1,R2,…,Rn]T,其中，Ri表示第i个元素的权值。

判断矩阵的最大特征根λmax

(7)

其中，(AR)i表示向量AR的第i个元素。

4)基本一致性检验。因成对比较数量比较多，很难做到完全一致性，当检验结果不满足一致性时，需要不断修改判断矩阵，直至满足一致性CI:

(8)

平均随机一致性指标：Cn=CI/B，其中，B为平均随机一致性指标;CI为一致性指标。当层次排序一致性Cn<0.1时，判断矩阵满足一致性，否则不满足一致性。

5)层次总排序一致性检验。计算完一致性检验之后，就可以确定各个方案在所选定的评比指标体系中的总排序，即计算出同一层次中所有因素对最高层元素的相对重要性的权值后再进行综合排序。按照(9)式计算层次总排序一致性Cn。

(9)

当总层次排序一致性Cn<0.1时，判断矩阵满足一致性，否则不满足一致性。

6)根据以上计算原理，应用辅助软件yaahp.10中层次分析法对事故发生后果C进行分析。将C事故后果严重程度作为目标层，人员死亡(单位人)、人员伤残(单位人)、财产损失额(单位亿)3个指标为方案层。根据1～9标度方法，构建判断矩阵式：

从判断矩阵得到特征向量R=[0.414 5 0.247 8 0.153 5 0.094 4 0.056 7 0.033 1]T，满足一致性检验要求。最终计算出某企业冶炼企业中的事故发生后果6种事故严重程度权重，见图2。

图2 事故严重程度权重Fig.2 The weight of accident severity

表2 C′—发生事故可能造成的后果Tab.2 C′—Possible consequences of accident

表3 D′—危险程度分值Tab.3 D′— Risk level

1.4 改进的AHP-LEC分析法

2 AHP-LEC评价法的应用实例

2.1 某冶炼企业作业危险性分析

以云南某有限公司铝铁生产项目为例，对铁芯铝复合脱氧剂生产作业危险性进行分析。铁芯铝复合脱氧剂生产工艺如图3所示。

本工序包含备料、熔化、加钢芯、铝水入模、冷却固化、装袋入库等过程。铁芯铝复合脱氧剂生产车间主要危险、有害物质有焦炭和高温物料，存在火灾、灼烫、起重伤害、车辆伤害、触电、高处坠落、物体打击、坍塌等危险。

1)火灾事故：焦炭、包装袋等原辅材料为可燃物质，在仓库存放或在生产使用过程中，若遇明火，易发生火灾事故。熔融的金属火星飞溅到可燃物质上，也会引起火灾。若违章用火或电气线路老化等可能引发火灾事故。

2)灼烫事故：焦炭熔炼炉加热到 650 ℃ 高温时，铝水熔化、舀入预备模具过程中若发生外溢，容易引发高温灼烫的危险；熔炼炉高温设备如未能完全冷却，人员进行检修时接触高温设备表面，易产生灼烫事故。

3)起重伤害：铁芯铝复合脱氧剂生产车间有一台电动单梁起重机，属于特种设备。本工序材料及成品吊运环节使用起重机械，若起重机存在设计、安装、质量缺陷，未定期进行检修、维护，起重机及其附件损坏未及时进行更换，作业人员未按操作规程进行作业等，均可能引发起重伤害。

4)车辆伤害：原辅料运送到厂区时，若车辆驾驶人员无证，操作不当或注意力不集中，车辆本体缺陷等均有可能导致车辆伤害事故。

5)机械伤害：熔化炉配备鼓风机及轴流风机，若风机防护装置缺失或防护不当，可能对人员造成机械伤害。

6)触电：工艺中设置配电柜、照明系统、风机等电气设备，若电气线路敷设不符合要求，电缆绝缘损坏，电气设备接地不良或未接地，生产过程意外带电等均可能导致触电危险。

7)高处坠落：人员起重设备作业平台作业、检修时，若违章作业、防护不当或作业条件不良，可能导致人员坠落伤亡事故。

8)物体打击：人员在高空平台进行作业时，工具、物料坠落，将对下层作业人员造成物体打击。

9)坍塌：原辅料、成品储存过程中，若不按要求进行堆码、堆码无安全防护设施、现场堆码高度过高等将造成码垛垮塌，造成人员伤亡。

2.2 AHP-LEC分析法的应用

应用 AHP-LEC法对铁芯铝复合脱氧剂生产作业评价单元可能存在的部分主要危险因素进行评价，结合E′、L′和C′的修正，得到对应打分表。其中熔化炉风机防护装置缺失故障率λ1=2× 10-5/h，T取值 7 200 h，起重机运输中脱钩、钢丝绳折断λ2=5× 10-5/h，T取值 7 200 h。起重机吊运故障引起翻倒折断λ2=1× 10-5/h，T取值 7 200 h。防护装置缺乏物体打击λ2=2× 10-5/h，T取值 7 200 h。

结合实际生产项目，通过表4对采用传统的 LEC 方法进行评价和AHP-LEC方法进行评价。

表4 AHP-LEC法危险等级分析结果Tab.4 Results of hazard grade analysis by AHP-LEC

结果为:传统LEC 中B1、B5、B8危险等级为显著危险，需要整改;B2、B4、B7、B9危险等级为一般危险，需要注意；B3、B6、B10危险等级为稍有危险，可以接受;改进AHP-LEC中：B2、B5为极其危险，不能继续作业；B1、B3、B4、B7危险等级为显著危险，需要整改；B8危险等级为高度危险，要立即整改;B6危险等级为稍有危险，可以接受，B9、B10危险等级为一般危险，需要注意。改进后的评价结果与实际生产作业符合性更高。对于远大于D值的B2，B5，应编制相应的专项应急预案和现场作业预案[12]，预防事故发生。

续表Continued

3 结 论

1)对L值、E值用函数法修正，在函数中增加设备设施故障率和使用时间参数，量化“人员暴露在危险环境下的总时长”到小时，代替传统方法的“赋值”式量化，使得结果更加具逻辑性、可靠性。对C值用层次分析修正，同时结合了《生产安全事故报告和调查处理条例》事故等级构建结构模型，得到事故后果程度权重值，克服了原有传统方法里的事故后果不完整，最后得到改进后的D值。

2)修正后的AHP-LEC法应用到某冶炼企业作业安全评价中，评价结果更能反馈实际作业条件的安全状态，根据所得危险等级采取相应安全措施，>105的危险有害因素建议编制相应的专项应急预案和现场作业预案，预防事故发生，对实际生产能起到很好指导作用。