化工火灾爆炸事故复杂致因网络分析

秦华礼，王馨琪

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

化工行业是我国经济产业的重要支柱之一，其覆盖面广、产业链长，与人们日常的生产生活联系密切。伴随着化工产业的快速发展。重大及特别重大化工事故常有发生，暴露了我国化工安全生产管理当中仍然存在着安全生产条件差、安全管理能力低、隐患排查和风险治理不到位等问题[1]。基于化工行业易燃易爆危化品众多的特性，火灾爆炸事故是化工企业发生次数最多、危险性最大、事故后果最为严重的事故类型[2]。化工火灾爆炸事故的两大特点：一是任何细小的事故隐患都可能导致事故发生；二是具有群死群伤的特性。为了对化工企业火灾爆炸事故进行系统、深入研究，利用复杂网络探讨风险因素的关联，识别其中关键致因因素。

复杂网络理论最早可以追溯到18世纪Euler开创的图论。1998年，Watts和Strogatz引入小世界网络模型，揭示了复杂网络的小世界特性。1999年Barabasi和Albert揭示了复杂网络的无标度特性。由此为国内外复杂网络理论研究奠定了基础。2004年，方锦清等[3]回顾了国外复杂网络研究所取得的重要成果，并在展望中第一次提出将复杂网络理论用于石油化工领域的概念。2006年，姜洪权等[4]基于复杂网络理论对流程工业系统的结构脆弱性分析，提出了一种新的系统安全性评估方法。这是复杂网络理论首次在化工方面的具体应用。近年来，许多学者开始探索复杂网络在安全风险研究中的应用。陈文瑛等[5]基于复杂网络对生产安全事故进行致因研究，确定生产安全事故的主要致灾因素。陈全等[6]以传统的“人、机、环、管”4类风险因素建立风险框架，构建化工事故致因无向复杂网络模型，采用PR算法进行关键因素的分析。事故的发生是一系列因素耦合的过程，复杂网络理论的应用可以直观地显示出事故的发展链条、各致灾因素之间的相互作用，探索各因素之间关联特性。

本文搜集了2015—2021年间的50起化工企业火灾爆炸事故案例，通过文献分析法总结各学者关于化工企业火灾爆炸事故的致因因素，筛选、整合后以这些致因因素为节点提取50起事故的事故致因链，构建事故致因有向复杂网络模型，以分析化工企业火灾爆炸事故的关键致因因素。

1 复杂网络理论

复杂网络是由节点和边组成的复杂拓扑结构。节点用来表示系统中的不同个体，边则表示这些不同个体间的关系。复杂网络的研究基于图论和统计物理等学科知识和理论，可以对复杂系统进行抽象地描述[7]。通过对节点、边以及结构的属性进行参数统计，可以进一步理解复杂系统。

1.1 节点度、出度和入度

节点的出度和入度体现在有向复杂网络中。有向网络中，节点出度指该节点指向邻居节点的边的数目[8]。节点入度指邻居节点指向该节点的边的数目。图1为一个节点出度为2、入度为3的示意图。节点的出度与入度之和为节点的总度。

图1 节点出入度示例图

1.2 边权与介数中心性

在事故的复杂致因网络中，两致因因素之间出现多次交互会加重边的权重。边的权值越高，两致因因素之间的联系越密切。介数是网络中的重要全局几何量，代表了某节点与其他节点之间的互动程度。介数中心性越大，节点在连接路径上能量越大。某节点vg的介数中心性Cb计算公式为：

式中：Gij为从节点i到节点j的最短路径数目；Gij(vg)为从节点i到节点j经过节点vg的最短路径数目。

通过对网络中边的分析，可以了解两因素之间的关联程度，有利于在安全管理中用最低的成本获得最大的效益。

1.3 聚类分析

聚类系数用来描述网络中某节点能与其他相连节点之间聚集成团的程度，其计算如公式（2）所示。聚类系数越高，该节点能影响和聚集的致灾因子越多，在网络中的能量越大。

式中：Cg为节点聚类系数；Kvg为总度；eg为节点与相邻其他节点之间实际边的数量。

2 事故致因分析与模型构建

2.1 化工企业火灾爆炸致因因素统计

现行的火灾爆炸事故致因模型主要采用传统的“人机环管”事故致因模型和基于HFACS的人因分析。HFACS方法侧重于人的失误和管理，忽视了化工企业危化品的管理。传统的“人机环管”事故致因模型适用于系统整体安全的研究。根据化工行业的生产特点，将工艺也归为一类重要的风险因素，体现在化工企业火灾爆炸事故致因模型当中。结合化工企业生产规章制度、参考相关文献归纳的122点致因因素[9-11]和50起事故案例中的致灾因素，建立一个6类主风险因子76个二级风险因子为节点的火灾爆炸事故致因模型，并对这76个风险因子编号，详如表1所示。

表1 化工企业火灾爆炸事故致因因素

2.2 事故致因模型建立

本文根据收集整理的50起事故案例的文本信息，提炼出各个事故案例的事故致因链。针对每起事故，将事故中存在的致因因素作为网络节点，事故中各因素之间的有向关系连接为边，构建事故的复杂网络。例如2021年5月29日“中国石化上海化工一般燃爆事故”，事故起因于乙烯装置在停车检修期间，完成管线氮气吹扫置换后，未关闭裂解炉进料管线盲板上下游阀门(操作失误)→未现场确认即开展抽盲板作业(违章作业)导致现场发生燃爆。事故中违章作业行为与安全管理人员监管不足以及企业安全管理责任未落实有直接关系，暴露了作业准备不足及未有效落实作业许可证审批手续等问题。将各个因素作为节点，利用可视化软件Gephi构建“中石化上海化工5·29一般爆燃事故”子网络，如图2所示。将所有事故的复杂网络融合在一起，最终形成化工企业火灾爆炸的事故致因网络，如图3所示。图3中，节点越大表示节点度值越大；连接线越粗，两节点边权越大。

图2 “中石化上海化工5·29一般爆燃事故”网络模型

图3 化工企业火灾爆炸事故致因网络模型

3 化工企业火灾爆炸事故致因网络模型分析

3.1 节点度和边权

3.1.1 入度值计算

根据模型计算出网络中各个节点的入度值如图4所示。本文所构建的化工企业火灾爆炸事故致因模型中，节点入度值越大，表明节点可导致发生的致因因素越多，从图4可以看出，节点K55企业违法经营建设节点入度值最大，表明企业违法经营建设可以造成最多个事故因素发生，是化工企业火灾爆炸事故当中的关键因素。此外，规章制度不健全、安全管理责任未落实、风险管理隐患排查治理不到位、监管不足及安全意识淡薄的入度值也比较突出。且大都与企业违法经营建设直接相关，增强了网络致因模型的可信度。管理这些因素，有助于安全管理者尽早从事故源头阻止事故发生。

图4 化工企业火灾爆炸事故致因网络节点入度值

3.1.2 出度值计算

通过统计计算化工企业火灾爆炸事故致因模型中节点的出度值如图5所示。节点的出度值越大，表明直接影响该节点因素发生的相关因素越多，该节点因素易发、频发。节点K8违章作业的节点出度值最大，节点K2操作失误，K19设备设施缺陷/故障的出度值次之。这表明工人违章作业，操作失误以及设备设施的缺陷/故障是化工企业火灾爆炸事故中比较频发的因素。在日常的事故管理当中应当重点关注，提前预警并及时处理。

图5 化工企业火灾爆炸事故致因网络节点出度值

3.1.3 总度计算

节点的总度值如图6所示。节点K59风险管理隐患排查治理不到位的总度值最高。节点K55企业违法经营建设、K57安全管理责任未落实次之。结合节点入度值、出度值的统计分析发现，入度值高的节点主要分布在规章制度和管理的因素类别当中；出度值高的节点主要分布在人的因素和物的因素方面；节点总度值高的节点在整个致因因素类别当中分布比较平均。表明事故发生的源头在于化工企业的规章制度及管理方面，而导致事故发生的直接原因在于人的不安全行为和物的不安全状态方面。应当预先完善企业的各种规章制度，落实安全管理责任，强化企业的管理职责和内容，做好双重预防机制，在日常的生产过程中，注意人的不安全行为和物的不安全状态。

图6 化工企业火灾爆炸事故致因网络节点总度值

3.2 边的分析

3.2.1 边的权重

在图3所构建的化工企业火灾爆炸网络模型中，节点之间的连线越粗，两节点的边的权值越大，表明两节点之间的联系越深。节点K58安全教育培训不足/未落实→K57安全管理责任未落实的权值最大。表明工人的安全教育培训问题与管理人员的安全管理责任未落实相关联，且常常发生在化工企业火灾爆炸事故当中。网络模型中，边权较大的边主要集中在节点K58安全教育培训不足/未落实、K57安全管理责任未落实及K59风险管理隐患排查治理不到位周边。表示这3个节点代表的致因因素在化工企业火灾爆炸事故中具有相当大的影响力，高发且与相邻致因因素的联系紧密。在化工企业的生产当中，应当尽量控制该类风险因素，及时切断因素与周边因素的联系。

3.2.2 介数中心性

边的介数中心度高，表示节点因素在整个致因网络中的全局影响度高。网络中介数中心度较高的5个因素分别是安全防护装置/监控不足、企业违法经营建设、擅自改变工艺、操作失误及设备设施缺陷/故障，如表2所示。

表2 介数中心度

3.3 聚类分析

化工企业火灾爆炸复杂网络模型的平均聚类系数为0.378，考虑到是因为网络中节点较多造成了影响。网络中聚类系数较高的5个节点如表3所示。其中作业前检查和设备带病运转聚类系数高达1.0。结合事故案例考虑，是因为大部分化工企业火灾爆炸事故是由于作业失误和设备故障引起，这点从节点的出度值可以体现，而根据连接边和介数中心度，作业前检查不足和设备带病运转很大程度上与作业失误和设备故障相关联。

表3 节点聚类系数

4 结语

在建立化工企业火灾爆炸事故复杂致因网络模型中，通过对相关文献分析后，在传统的“人机环管”事故致因模型的基础上，基于化工企业的特殊性新增了工艺方面的致因因素。将原有管理分类具体分为建立健全的规章制度与人员管理方面，使事故致因网络模型更加清晰、直观。

通过分析事故网络模型中各节点的度及其分布特征，辨识出企业违法经营建设、安全管理未落实等致因因素在事故网络模型中影响较大。工人违章作业，操作失误以及设备设施的缺陷/故障等致因因素是化工企业火灾爆炸事故中频发的致因因素。

网络中边权较大的边主要集中在安全教育培训不足、安全管理责任未落实及风险管理隐患排查治理不到位周围。网络中安全防护装置/监控不足、企业违法经营建设、擅自改变工艺3个因素介数中心度较大，表示这3个致因因素在化工企业火灾爆炸事故中具有较广的影响力，应当重点关注。对事故网络进行聚类分析，其中作业前检查和设备带病运转聚类系数高达1.0，需要着重考虑。

综合所有分析结果，企业违法经营建设、安全管理责任不落实、设备故障、操作失误、违章作业、隐患排查不到位和安全教育7个因素重合率高，属于化工企业火灾爆炸安全管理工作中需要重点控制的风险因素。