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)

0 引言

根据美国化学安全与危险调查局(Chemical Safety and Hazard Investigation Board，CSB)发布的数据，美国2006-2017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2009-2018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2005-2020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 Tree Analysis，FTA)与模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy 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。

图1 粉尘爆炸事故树图

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]。

(1)

(2)

(3)

式中：

Iψ(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：Iψ(9)=Iψ(10)=Iψ(18)=Iψ(19)>Iψ(1)=Iψ(2)=Iψ(3)=Iψ(4)=Iψ(5)=Iψ(6)>Iψ(7)=Iψ(8)=Iψ(11)=Iψ(12)=Iψ(13)=Iψ(14)=Iψ(15)=Iψ(16)=Iψ(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，即杜绝出现明火及电气火花是十分重要的预防管控途径。

3 模糊层次分析法

3.1 层次结构构建

基于事故树分析，能够对导致粉尘爆炸事故的各种因素做出全面的描述[9]。设粉尘爆炸事故为目标层，将事故树的基本事件整合后作为指标层要素，并将其按人、设备、环境、管理、物料5个方面的准则层要素进行划分，见表1。

表1 目标层、准则层及指标层要素

3.2 构建互补判断矩阵

将因素两两间对比，根据基本事件的结构重要度排序判断因素之间的重要程度，通过表2得出各因素之间的重要度值，并构造各个层级之间的模糊互补判断矩阵。

表2 判断矩阵重要度值及其含义

再将模糊判断矩阵经过式(4)计算得到模糊一致性矩阵，使其符合一致性检验。计算公式为：

(4)

式中：

aij—模糊一致性矩阵中第i行第j列元素值；

Hi、Hj—模糊判断矩阵中第i行行元素之和、第j列列元素之和；

n—元素个数。

通过与专家探讨，经式(4)计算，得到准则层C1、C2、C3、C4、C5与目标层T的模糊判断矩阵M1和模糊一致矩阵M2，指标层D11、D12、D13、D14、D15对准则层C1的模糊判断矩阵M3和模糊一致矩阵M4，其他指标层与准则层的矩阵同理可得。

3.3 排序

3.3.1 单层次排序

模糊层次单排序，对于每一个判断矩阵，先计算每一行的和，由这些和构成一个向量，并归一化处理，得到向量W，W的分量即是相应因素单排序的权值。或者根据式(5)计算下层因素相对上一层相关因素的权重：

(5)

得出准则层C对目标层T的权重向量WT=[0.312，0.192，0.160，0.208，0.128]，指标层D对准则层C的权重向量分别为：WD1=[0.288，0.208，0.136，0.248，0.120]，WD2=[0.45，0.55]，WD3=[0.475，0.525]，WD4=[0.425，0.575]，WD5=[0.425，0.575]。

3.3.2 层次总排序

风险因素层次总排序指所有指标层因素对目标层的相对权重排序，计算公式见式(6)。

WDij=WTi×WCij

(6)

式中：

WDij—Dij的权重；

WTi—准则层Ci对目标层T的权重；

WCij—指标层Dij对准则层Ci的权重。

求出各指标层因素对目标层的相对权重，见表3。D42、D22、D11、D41、D21所占权重排名前五，是造成粉尘爆炸的主要因素。2种评估方法分析结果能相互补充，充分说明运用FTA耦合FAHP计算具有反馈关系的系统权重值是合理且准确的。

表3 指标层对目标层的相对权重排序

分析得出以下防火防爆结论：

(1)未及时清理粉尘所占权重最大，在日常工作期间，必须定期进行沉积粉尘的清理工作，除尘时应注意防止粉尘二次飞扬；在生产设备启动前，先进行除尘系统的运转，一定时间后，再进行正常生产工作。

(2)危险区域明火作业保护不当所占权重占第二，应划分好禁火分区，严令禁止该区域出现明火作业，如确需明火作业应提前做好防护措施，如配备齐全消防设施、事先消除周围可燃物等，工作人员严格遵守规定进行作业，同时杜绝工作区吸烟行为。

(3)通风除尘系统的设定应参照GB 15577—2018《粉尘防爆安全规程》等国家标准或行业标准，对于存在粉尘爆炸隐患的设备应采取泄爆、隔爆、抑爆、抗爆、惰化等至少一种措施。同时建议使用负压吹扫除尘方式，如确需正压方式除尘，要做好防范点燃源的措施。

(4)在安全管理方面，定期对工作人员进行安全生产教育培训与应急演练，提高工作人员的安全意识与防火灭灾能力，全面落实粉尘清扫和隐患排查工作。

(5)将生产装置等设备内部做成封闭空间，通入惰性气体进行保护，可以隔绝粉尘与氧气的接触，阻止粉尘的自燃与爆炸，还可同时在重点生产装置设置自动烟雾报警器与防火防爆装置。

(6)严格根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范(2018年版)》对电气设备进行设计与安装，防止发生静电、短路等情况，并采取静电接地设计。

4 结论

(1)本文从粉尘爆炸的5个基本条件和机理出发，利用FTA分析法演绎推理来反向跟踪查明发生粉尘爆炸事故的各种固有、潜在危险因素，得到发生粉尘爆炸事故的基本致因事件。

(2)利用事故树结构重要度分析，发现作业设备氧气充足、作业场所氧气充足、正压吹扫扬尘和室内作业扬尘是导致粉尘爆炸事故的最重要因素；采用FAHP法明确造成粉尘爆炸的主要因素为未及时清理粉尘、危险区域明火作业保护不当、通风除尘系统故障、安全管理制度不健全及工作区吸烟，并根据分析出的潜在问题提出事故预防措施及解决方案。

(3)根据该耦合方法分析所得结果，可为粉尘涉爆企业在安全生产投入条件有限的情况下制定最优安全防范方案提供参考依据，进而利益最大化地提升生产安全水平。

(4)本文主要针对粉尘爆炸指标进行定量风险分析，后续可相应进行粉尘爆炸风险值和风险等级划分等研究。