基于蒙特卡罗法的高校易燃易爆实验室不安全因素风险评估

2024-05-17姜喜迪仲淑姮

实验室研究与探索 2024年4期

姜喜迪，仲淑姮

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

0 引言

随着两轮“双一流”学科建设的开展，对高校的人才培养、科学研究、社会服务提出了新的要求，实验室作为高校开展科学研究、培养创新人才的重要基地，在“双一流”建设政策的支持下得到了迅速发展［1］，同时也给实验室管理工作带来了较大挑战。实验室安全一直是高校稳定和谐发展、关乎师生切身利益的重点工作［2］，然而近年来高校实验室安全特别是易燃易爆实验室安全情况不容乐观，火灾爆炸事故时有发生。如2019 年南京工业大学实验楼发生火灾，所幸无人员伤亡；2021 年南京航空航天大学一实验室发生爆燃引发火情，11 名受伤人员被送往医院救治，其中2 人经抢救无效死亡；2022 年中南大学实验室发生爆燃事故，1名博士生在事故中身体大面积烧伤。火灾爆炸事故给个人、家庭、学校及社会造成不同程度的影响，加强易燃易爆实验室安全管理势在必行。

2023 年6 月26 日教育部发布了《高等学校实验室消防安全管理规范（JY/T 0616—2023）》，进一步规范高校实验室的消防安全管理。有学者通过事故统计对实验室事故进行分类分析，叶元兴等［3］通过对150起实验室事故类型原因进行统计分析，从危化品、危险仪器设备、生物安全3 个角度提出安全管理对策。王蕾等［4］统计近十年火灾爆炸事故，通过蝴蝶结叶斯网络模型，得出火灾爆炸事故的关键因素，并提出安全管理建议。徐超等［5］采用“2-4”模型对46 起爆炸火灾事故进行分析，建立了高校易燃易爆实验室事故行为分析模型，并提出事故防范对策。目前对实验室不安全行为研究主要采用层次分析、贝叶斯网络、2-4 模型、案例分析等方法，这些方法的主观性和随机性较大。本文拟采用蒙特卡罗方法对实验室事故发生频率最高［6］的易燃易爆实验室火灾爆炸事故进行风险评估，基于数学原理模拟实际概率，以概率分布的形式展现每个不安全因素的不确定性对风险的影响，为易燃易爆实验室安全管理决策提供科学依据。

1 易燃易爆实验室不安全行为分类

参考已有的实验室安全事故研究及主流媒体公布的2001 年以来易燃易爆实验室事故进行统计分析［7-8］，选取46 起易燃易爆实验室事故作为分析样本，基于第6 版事故致因“2-4”模型［9］，从事故直接原因个体的不安全动作对样本进行分析，个体不安全动作包含人和物的动作与状态4 个因素，如图1 所示。

图1 “2-4”模型动作与事故、事件的关系

1.1 易燃易爆实验室不安全因素分类

依照实验的开展流程对选取的46 起火灾爆炸事故，根据第6 版事故致因“2-4”模型从实验前准备、实验操作过程、实验后整理、实验材料、仪器设备5 个环节进行个体不安全动作分析，得到28 类不安全因素，见表1。

表1 不安全因素类别及对应编号

1.2 不安全行为风险程度描述

实验室不安全因素风险大小由概率及后果严重程度共同组成，根据实验室火灾爆炸事故的影响范围，实验室安全管理事故损失主要是人员伤害、经济损失及环境污染。参考已有研究［10］，将易燃易爆实验室事故可能引发的损失严重程度划分为5 个等级（见表2、3）。

表2 实验室安全管理事故损失

2 基于蒙特卡罗法的构建行为风险评估模型

2.1 基本流程

基于蒙特卡罗法对易燃易爆实验室不安全因素风险评估的基本流程：

（1）建立概率模型。根据易燃易爆实验室事故不安全因素的发生概率与造成的事故后果严重程度之间的关系，构建数学模型及功能函数。

（2）确定概率分布。根据统计数据对不安全因素风险因素的概率分布进行研究，确定不安全因素的概率分析以及事故随时的概率分布。

（3）分析预测结果。利用Oracle Crystal Ball 11.1软件代入构造的功能函数，通过模拟可以得到多个随机风险值，抽样次数足够多时，对风险值进行处理，从而判断各个实验环节风险大小。

（4）敏感度分析。通过敏感度分析筛选出易燃易爆实验室事故不安全因素风险有关的重要因素，提出预防措施。

2.2 构造功能函数

用不安全因素造成的事故损失量化值衡量不安全因素的风险。易燃易爆实验室事故各个环节不安全因素发生的概率及其引发的后果值均有所区别，因此建立式（1）所示的功能函数［11-12］。

其中：R表示风险后果值；Pi表示第i个不安全因素发生的概率；Si表示第i个不安全因素引发事故造成的损失值；n表示不安全因素数。

2.3 确定不安全因素的概率分布

易燃易爆实验室中不安全因素发生的概率分布是根据爆炸火灾事故中不安全因素引发事故的概率值确定的。按照实验进程对各个实验环节发生的不安全因素引发事故进行分析，统计出5 个环节28 类不安全因素的发生次数，计算得出不安全因素发生的概率，本文中易燃易爆实验室不安全因素造成事故的概率在数值上等于不安全因素发生的概率。根据不安全因素造成的严重程度的确定事故损失的概率分布，参考表3 中事故损失量化标准值，选用Crystal Ball软件对易燃易爆实验室事故各不安全因素造成的损失的历史数据［13］进行拟合。通过对46 起火灾爆炸事故的分析，统计出不安全因素发生288 次，得出28 类不安全因素的次数及概率，事故损失量化值基本服从正态分布，见表4。

表3 实验室安全事故损失等级量化

表4 易燃易爆实验室各实验环节不安全因素的概率分布

3 结果与讨论

3.1 各实验环节的行为和物态风险

选用Crystal Ball软件，将表4 中易燃易爆实验室火灾爆炸事故中不安全因素的概率设置为模拟数据，根据不安全因素发生的概率和事故损失量化值的概率分布，设定为服从正态分布假设单元格；结合式（1）计算风险后果值，将其设置为预测单元格，设置模拟次数：10 000 次，将置信度设置为95%，选择随机性较高的Monte Carlo 作为抽样方法。运行可得到5 个实验环节不安全因素风险后果值和风险累计概率分布，如图2、3 所示。

图2 各实验环节风险后果值分布

根据图2 显示，5 个实验环节中，A实验前准备、B实验操作过程、C 实验后整理、D 实验材料、E 仪器设备不安全因素风险的风险后果值平均值分别为：5.71、6.87、5.47、7.13、5.29；通过A-D 检验，5 个实验环节的风险后果值基本Beta 分布或正态分布。图3 可以更直观看出易燃易爆实验室中D实验材料的风险后果值最高，其次是B 实验操作过程，然后是A 实验前准备、C实验后整理、E仪器设备。

图3 各实验室环节不安全因素风险累计概率分布

3.2 敏感度分析

火灾爆炸事故的发生通常伴随着多个不安全因素，单一查看风险后果值可能会对决策产生误导。因此需要对造成风险的不安全因素进行敏感度分析，确定对其对风险后果值的影响，敏感度越大影响也越大。在Crystal Ball 运行结果中可以查看各个实验环节中不安全因素的敏感度视图。

（1）实验前准备环节。如图4 所示，A3 未熟知实验危险有害因素的敏感度为50.8%，其主要表现形式为未进行学习或学习后未清楚实验内容有引起火灾爆炸危险或者了解可能有危险但不清楚危险程度等，如对厌氧培养箱进行调试的过程中，由于压力不稳造成爆炸。A5 未熟悉实验流程及注意事项敏感度为14.2%，主要表现为实验前未经过培训或者经过培训但效果不佳，对实验流程及注意事项未熟知掌握等。A2 未消除安全隐患为13.8%，具体表现为例行安全检查过程中发现需要整改的隐患未进行整改，如违规私接电线等。A1 未进行安全检查为11.8%，具体表现为实验前未对危险实验进行安全检查或未进行日常安全检查或检查不充分等。A4 缺少实验方案盲目操作为9.1%，具体表现为实验前未设计详细完整实验方案实验人员根据自己经验或者想法盲目进行实验等。

图4 实验前准备敏感度视图

（2）实验操作过程。如图5 所示，B4 危险实验未防护的敏感度为36.2%，具体表现形式为未穿防护服、未使用防护目镜、未使用防护手套或有使用但不规范等。B5 试剂材料选取方式不符合规定或更改设备操作顺序的敏感度为31.1%，具体表现为取用材料时未使用专用工具或者使用方法不当，打翻酒精灯、误加化学品等。B3 违规使用电器或违章用电的敏感度为12.7%，具体表现操作需专业人员使用的大型电器设备或者身体进入机械危险部位等。B7 实验中途离场、未采取必要防护措施的敏感度为5.7%，夜间无人状态下运行烘干机、实验过程中操作者长时间离开等。B1 实验条件控制不良的敏感度为5.3%，具体表现为充气过足、升温过快、实验材料一次添加过多等。B8易燃易爆实验出现明火的敏感度为3.6%，具体表现为在易燃易爆场所进行焊接操作、清洗间穿化纤衣服、清洗未穿防静电鞋等。

图5 实验操作过程敏感度视图

（3）实验后整理环节。如图6 所示，C1 废弃物处理不当的敏感度为59.8%，具体表现为实验后未完全清理危化品如钾钠合金、镁铝粉等或直接将浓硫酸器皿放入水池中冷却等。C2 用电设备没有及时断电或关闭阀门不及时的敏感度为20.4%，具体表现为试验完成后未及时关闭大功率用电设备或关闭后处于待机状态，没有关闭气瓶总阀门或减压阀门。C3 未对试剂药品使用情况做及时记录的敏感度为19.5%，具体表现为化学试剂药品实验的工具及使用情况未记录或者记录不及时，后续实验人员不清楚使用状况等。

图6 实验后整理敏感度视图

（4）实验材料环节。如图7 所示，D4 实验试剂材料违规购买、存放或使用的敏感度57.8%，具体表现为危化品购买未进行备案审批及超量购买，金属钠以及含氮、硫、磷等氧化物未做隔水处理等。D6 实验用品随意堆放放入敏感度为14.2%，高温用电电器附近放置纤维材料实验服，实验剩余材料及杂物未分类随意堆于易燃易爆实验室等。D1 易燃易爆危险品储量超限的敏感度为13.7%，具体表现为金属钾、镁粉等严重超量储存等。D2 性质相抵触物品混放或距离过近的敏感度为5%，具体表现为混放性质相抵触化学品、混合处理性质相抵触化学品等。

图7 实验材料敏感度视图

（5）仪器设备环节。如图8 所示，E6 电气电路设施存在缺陷的敏感度为26.5%，主要表现为未按国家标准设计电路、电气线路缺少短路保护或过载保护等。E3 设备本身存在设计缺陷或防爆性能差的敏感度为23.3%，储罐等压力容器以及压力管道因设备本身存在的问题，如严重的未焊透、夹渣、裂纹、错边以及焊接方式不当等。E2 设备老化功能效果下降的敏感度为22.2%，具体表现为设备达到使用年限功能效果下降未及时检修等。E1 容器设备的安全防护设施不齐全或失效的敏感度为15.2%，气瓶未配备防爆装置或过期气瓶未报废等。E4 瓦斯报警器安全监测装置失效的敏感度为8.1%，具体表现为瓦斯超限未报警等。

图8 仪器设备敏感度视图

根据敏感度分析，A3 未熟知实验危险有害因素、C1 废弃物处理不当、D4 实验试剂材料违规购买、存放或使用等3 类不安全因素的敏感度值均在50%以上，对易燃易爆实验室的火灾、爆炸事故的风险值影响最大；B4 危险实验未防护、B5 试剂材料选取方式不符合规定或更改设备操作顺序的敏感度值均大于30%，对风险值的影响较大。

3.3 不确定性分析

根据叶元兴等对1986 ～2019 年150 起实验室事故的统计分析，火灾性事故和爆炸性事故分别是66 起和45 起（占比44%、30%），是实验室事故中占比最多的事故［3］。而火灾爆炸事故对实验设施、实验人员及财产等造成的损失一般较大，大部分事故发生后第一时间处理救援事宜，很难及时细致地调查事故原因，部分事故没有详细的原因分析调查报告（或未公布）。

由于目前没有相对完善的实验室火灾爆炸事故统计系统，本文研究的实验室火灾爆炸事故样本数量不够充足，因此在统计不安全行为和不安全物态时存在一定的局限性，后续继续查阅调研实验室火灾爆炸事故的原因分析报告及案例材料，对事故损失量化值的划分还有待精确。因此事故风险评价结果存在一定的不确定性。

3.4 易燃易爆实验室事故预防措施

根据易燃易爆实验室事故的分析发现，易燃易爆实验室重点管理环节为“实验操作过程”和“实验材料环节”。重点控制的不安全因素为“未熟知实验危险有害因素”“废弃物处理不当”“实验试剂材料违规购买、存放或使用”“危险实验未防护”及“试剂材料选取方式不符合规定或更改设备操作顺序”。针对以上重点环节及重点控制不安全因素，结合《高等学校实验室消防安全管理规范（JY/T 0616—2023）》，提出以下预防措施。

（1）实验前准备环节。针对“未熟知实验危险有害因素”，高校应严格执行实验室准入制度，加强实验人员的培训，提供全面的实验技能及实验安全线上线下混合式培训课程并建立配套的考核体系［14］，对进入实验室学习工作的所有人员进行消防安全教育和培训。加强实验人员技能训练强度，熟悉实验操作过程［15-16］。涉及易燃易爆事迹材料使用的实验，在实验前详细地写出拟进行的实验步骤及安全措施。

（2）实验操作过程环节。针对“危险实验未防护”“试剂材料选取方式不符合规定或更改设备操作顺序”，根据易燃易爆实验室的特点，落实经验丰富的专业实验技术人员或教师的指导，涉及危险实验应全程监控，确保实验人员按照规定使用防护用具，严格控制实验人员的操作程序规范性。不定期抽查考核，对实验防护用品采购、配备及使用情况进行追踪分析，多举措并行改善实验操作人员行为习惯不佳、操作不规范、危险不防护等问题。

（3）实验后整理环节。针对“废弃物处理不当”，应制定规范化、科学化、可操作的实验室废弃物管理制度及实验废弃物分类标准［17-18］。根据废弃物的性质和状态不同，按照固体、液体和气体废弃物分类收集，固体废物包括残留固体试剂、过期或多余的固体试剂、沾染性固体废物；废液主要有有机试剂、重金属废液和酸碱废液；废气包括有毒有害、易燃易爆、有机蒸汽等。利用与实验废液治理相关的教学、科研工作的开展，建设校内实验废液处理系统［19］。对浓度高的废弃物，应回收于固定容器，理化性质相似的废弃物可集中回收，并委托有资质的单位及时清理和销毁。

（4）实验材料环节。针对“实验试剂材料违规购买、存放或使用”对于易燃易爆危险品，从采购源头到使用过程到废弃处理要形成完整的管理链条，具体包括易燃易爆及危险化学品材料的采购计划审批，供应商资质审查、供应品审核，校内配送，材料的管理（储存、使用）和剩余材料的处置整理［20］。易燃、易爆危险物品应分类限量存放，由专人负责，专柜存放，存储量不宜超过一天的使用量，酸碱隔离存放，易燃易爆化学品和具有热分解性的强氧化剂隔离存放，挥发性危险化学品应存放在较好通风装置处，远离热源、避免阳光直射。在易燃易爆气体使用、输送、保管场所及易积聚地，易燃易爆气体应置于专用库房或防爆场所，均应安装对应的气体泄漏报警探头。实验操作人员在使用易燃易爆材料过程中凡有爆炸危险的实验，应在专门防爆设施中进行；高压实验应在空旷的实验室中进行，并使用防护屏或防爆面罩。形成标准化管理程序文件，实验室专职管理人员定时、定点对负责管理的实验药品、试剂、材料等的品质、储量、使用情况进行登记。

（5）仪器设备环节。根据《高等学校实验室消防安全管理规范（JY/T 0616—2023）》要求，加强电器、线路、设备、压力容器等的日常保养和维护，对有故障的仪器设备需要及时检修，严禁仪器设备带故障运行，每次运行均需要登记，建立完整、准确的设备技术档案，并长期保存，对超期服役的仪器设备应及时进行安全报废。仪器设备采购时应保证零部件正常、产品合格和安全证明齐全，在使用仪器设备过程中，所有的电气设备应该定期进行绝缘检测，并检查线路是否正常，制定详细可操作的管理标准、严格的安全操作流程以及仪器设备和单个实验的操作规范。电气火灾监控装置应具有通信功能，与监控中心的电气火灾监控主机进行通信。