高校涉氣類實驗室電氣安全風險評估

裴曉東, 陳樹亮, 李增華, 何書建, 朱建云

(1. 中國礦業大學 安全工程學院,江蘇 徐州,221116；2. 中國礦業大學 安全工程省級實驗教學示范中心, 江蘇 徐州 221116)

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高校涉氣類實驗室電氣安全風險評估

裴曉東1,2, 陳樹亮1,2, 李增華1,2, 何書建1,2, 朱建云1,2

(1. 中國礦業大學 安全工程學院,江蘇 徐州,221116；2. 中國礦業大學 安全工程省級實驗教學示范中心, 江蘇 徐州 221116)

由于涉氣類實驗室中存在易燃、易爆、易腐蝕等物品,極易對該區域的電氣設備產生影響,甚至會導致實驗室爆炸等嚴重后果。已有的實驗室安全管理方法不能很好的解決該問題,也無法對具體的危險系數進行定量評價。因此,類比石化工業的相關規定對實驗室進行安全區域劃分,采取隱形風險進行區域化管理。在此基礎上,使用Delphi和CVM組合賦權的方式對不同量綱的指標進行最優權重分析。最后,使用改進型ALARP進行風險分級并建立相應的風險矩陣評估方法,實現了涉氣類實驗室復雜安全問題的定量分析,對實驗室安全具有重要意義。

涉氣類實驗室； 電氣安全； 風險評估; 組合賦權法； 風險矩陣

近年來,國內高校發生了多次實驗室安全事故,尤其是涉氣類實驗室發生的安全事故尤為嚴重。根據多次事故中獲得的信息,重大事故主要源于爆炸,而引發爆炸的兩大關鍵因素是操作不當和電氣故障。為了盡可能地提高此類實驗室的安全性,已有的研究指出：應規范實驗室管理和使用[1-2]、完善規章制度和實驗流程[3-4]、聯網監控已有危險[5]、建立安全體系[6]等。同時,有關文章指出了涉氣類實驗室存在易燃、易爆的風險,并對電氣類實驗室進行了較為詳細的安全管理問題分析,但是卻未給出技術層面的預防措施。涉氣類實驗室在高校各類實驗室中危險等級較高,因普遍存在易燃、易爆氣體和腐蝕性液體等物品。極易對區域內的電氣設備造成影響,繼而引發重大事故。鑒于此,研究涉氣類實驗室中電氣設備安全風險問題意義重大。

1 涉氣實驗室電氣安全評估基礎

涉氣實驗室由于其環境和工作條件的特殊性,電氣設備一般要求防爆,同時在使用過程中會受到化學高濕、鹽霧、腐蝕、振動等影響,更加需要及時地進行檢修維護,否則不但影響電氣設備本身的性能,更可能導致氣體爆炸等危險[7]。

在涉氣類實驗室采用防爆電氣設備的基礎是需要對危險場所的區域進行級別劃分。然而,劃分危險區域要綜合考慮危險物質釋放源、易燃易爆物質特性、通風條件等因素,故應由具備相應資質的建筑設計單位等進行設計劃分[8]。根據GB3836.14—2000的相關規定,危險區域應該按三維區域進行空間劃分。

此規定同時運用了統計數學的原理,并根據實際危險性出現的頻率和持續時間,將危險場所劃分以爆炸性氣體為依據,劃分為3個區域(見表1),并以此為標準,進行相應電氣設備的選型。

根據涉氣類實驗室的具體情況和組別,選擇相應防爆電氣設備的3要素:防爆形式、溫度組別、氣體級別。電氣設備的防爆形式與所在區域的危險物質無關,而是與使用場所危險區域級別有關系。

表1 爆炸性氣體環境分區表

2 涉氣實驗室電氣爆炸風險評估指標

對風險進行評估的基礎是相應指標體系的構建。石化工業場所防爆電氣危險性評估指標體系構建的前提是對影響該場所防爆電氣設備安全狀態的危險因素進行辨識分析,辨識影響各類防爆電氣設備防爆安全性能的不安全狀態。同時通過研究工藝單元整體與設備及子系統風險的關系,確立相應的防爆電氣設備關鍵參數指標評判等級。

風險評估指標等級的劃分直接影響到防爆電氣設備防爆性能狀況的描述,因此必須建立指標分級準則。指標體系的建立過程需遵循如下原則:

(1) 科學性原則。指標體系的選取必須以實驗室各類防爆電氣設備本身的結構特點以及爆炸風險評估理論為依據,整個指標體系應能客觀反映各類防爆電氣設備的技術特性,不宜過大或過小；

(2) 系統性原則。指標體系必須包括影響系統安全性的各個方面,并遵循系統的特性,如層次性、關聯性、整體性；

(3) 可操作性原則。在指標體系構建之前,需要進行充分的調研,構建的評價指標應清晰,涉及的信息采集方便、且技術可實現。

依據現場對防爆電氣的調研及分析,并借鑒失效和后果分析模型(FMEA)的思路,同時考慮以上3個關鍵原則,最終確立實驗室防爆電氣爆炸風險可能性評估指標體系(見圖1)。

由于各指標在安全影響中表示的權重計量含義不同,標準不一,難以通過常用方法對風險權重影響進行分析。因此，需要尋求適合此環境的新方法對權重進行評估并對影響強度進行分級。

圖1 電氣爆炸風險可能性評估指標體系架構

3 基于組合賦權法的風險評估方法

對風險進行定量評估的核心是需根據實際情況確定相關影響因素集的相應指標重要程度,即權重的大小W=(w1,w2,w3，…，wm)。確定指標體系中相應權重的方法有主觀賦權和客觀賦權兩大類[9]。對比兩種賦權方法可知:前者的基礎數據來自對專家主觀經驗值的量化,操作簡單易實現,但結果與專家判斷準確度直接相關。后者直接利用客觀數據來獲得權重值,不受到主觀因素的影響,但對客觀數據依賴嚴重,獲取困難。

鑒于此,將主、客觀賦權方法相組合應用到涉氣實驗室防爆電氣風險評估工作的權重獲取中,以實現互補,可得到更加準確的結果。

3.1 基于Delphi法的主觀賦權法及分級策略

在隔爆電氣設備部分,由于指標信息缺乏相應實驗統計數據,故采用基于Delphi的層次分析法進行主觀賦權。依據已劃分的涉氣類防爆電氣爆炸風險可能性評估指標體系設計專家打分表,并依據專家打分結果,進行權重的計算處理及指標風險指數的確定。

設初步判斷矩陣為:

則權重計算過程如下:

(1) 對初步判斷矩陣進行歸一化處理；

(4) 計算特征值與特征向量；

(5) 一致性檢驗:CI=(λmin-n)/(n-1),RI為相應的平均一致性指標,CR=CI/RI；當CR<0.1時,一致性檢驗可接受。

根據權重計算過程,以隔爆電氣設備中的專家問卷調查數據為基礎算例進行分析,得到基礎矩陣A為:

利用以上分析對元素進行歸一化處理,同時利用權重公式得到歸一化之后的權重,結果見表2。

表2 歸一化結果

由Awi=λmaxwi代入矩陣式,得:

計算可得λmax=5.122。

一致性檢驗:

根據層次分析法的有關規定,平均一致性指標(RI)取值如表3所示。

表3 平均一致性指標查詢表

由于原始矩陣為5階,所以RI取1.12,則CR=CI/RI=0.0305/1.12=0.05827<0.1,故滿足一致性檢驗要求。因此,本例中最終指標權重為:

采取同樣的流程步驟及計算過程,確定指標體系中其余主觀賦權的指標權重,并依據專家打分對各項指標等級進行風險賦分,即可得到其他各項的結果。

3.2 基于變異系數法的客觀賦權法

變異系數法(coefficient of variation method,CVM)作為一種客觀賦權的權重確定方法,是通過各項指標所包含的信息內容及數據進行計算而得到指標權重。其基本原理是:在評估指標體系中,指標取值范圍差異越大,也就是越關鍵的指標因素,這樣的指標更能客觀表征、反映被評估對象的差距。

根據圖1給出的分級體系可以看出,由于爆炸危險出現的可能性G下面的各部分指標都具有明確的分級及相應的統計數據來源,因此適用于采用基于變異系數的客觀賦權法對指標權重進行計算。

由于實驗室防爆電氣爆炸風險可能性評估指標體系中的G所包含的兩個指標的量綱不同,其差異程度無法直接比較。為了消除量綱不同的影響,采用各項指標的變異系數來衡量其差異程度。變異系數的計算公式如下:

因此以G為計算樣例,通過變異系數法兩個指標進行權重計算,計算過程如下所示:

(1) 根據該指標所包含的信息和數據內容,分別計算各自的平均數和標準差,結果列于表4。

表4 指標數據及平均數和標準差

(2) 根據以上分析的計算方法,計算人工通風指標的變異系數:

(3) 由此可知變異系數總和:

(4) 因此人工通風指標權重:

最后確定危險環境G下對應的兩個指標權重如表5所示。

表5 危險環境G的指標權重結果

3.3 基于EPL的爆炸風險可能性評估模型

設備保護級別(equipment protection level,EPL)是對電氣設備的安全系數進行評定的方法概念。只要設備在保護級別概念體系內,不論其型式如何,都已表示了設備內在的點燃危險。根據我國普遍適用的風險可接受水平及爆炸風險要素間的數學概率關系,分級情況及其對應失效概率(見表6)。

表6 EPL等級劃分及其失效概率

以上通過CVM已對爆炸危險環境出現可能性賦予相應概率數值,屬于“固有危險系數”,而“現實危險”即防爆電氣設備的引燃概率風險是依據其自身EPL并通過設備關鍵參數進行修正。可得系統整體爆炸風險可能性數學模型如下:

P=G·X·M

式中,P為系統整體爆炸風險可能性；

G為爆炸危險環境出現可能性；

X為防爆電氣設備引燃可能性；

M為安全補償措施修正系數。

其中防爆電氣設備引燃可能性由于防爆電氣設備類型和數量都是變量,故需分別評估各類各臺設備的引燃可能性,得出各自概率風險值,再通過概率論計算準則對整體風險進行計算,其數學計算依據為:

式中,X為防爆電氣設備引燃可能性；

由于各類防爆電氣設備不被引燃的可能性并沒有相關技術指標,因此需根據現場評估狀況對相應設備EPL進行修正并進一步的計算,其數學模型如下:

式中,a為設備EPL對應的參數,取值6、4、3；

bj為設備關鍵技術參數對應取值；

bj′為設備關鍵技術參數對應的權重值；

Cm為處于同種情況的設備數值；

m為現場設備狀況數。

4 基于改進風險矩陣的風險評估方法

風險可接受標準(risk acceptance criteria,RAC)是風險評估中進行風險判斷的依據和準則,在風險評估、風險控制中起著重要的作用。因此,要分析涉氣類實驗室電氣設備安全風險并最終確定其風險等級和可接受的程度,必須要確定RAC。

ALARP(as low as reasonably practicable,最低合理可行原則)是風險評估及管理領域廣泛應用的有效方法,尤其在石化、交運、環境等領域的風險評估起著重要作用[10]。ALARP的核心思想是風險降低的成本原則；由于風險是絕對存在的,一定可以通過有關措施降低風險,但是當風險降低到適當值之后,繼續降低風險所需要的成本會大幅增加,因此當風險在可接受范圍內時,采取適當的風險降低措施即可,以控制相應成本。ALARP原則的重要意義是為尋找風險與成本之間的平衡。根據ALARP原則一般可以將風險區域按照風險大小依次分為3個區:可接受風險區、ALARP區、不可接受風險區。

采用ALARP原則作為涉氣類實驗室電氣安全風險劃分的參考準則,結合涉氣類實驗室電氣安全風險可能性及事故后果嚴重度,劃定風險的“可接受區”和“不可接受區”,并在不改變ALARP本質意義及其所限制的上下限的基礎上,將3個區域繼續細化以實現更加精確的風險評估。因此得到涉氣實驗室電氣安全風險劃分ALARP原則(見圖2)。

圖2 實驗室防爆電氣爆炸風險劃分ALARP原則

根據建立的涉氣實驗室電氣安全風險ALARP評估原則圖,將風險等級由傳統的3個大區域細分為5個小區域,具體區域名稱如圖2所示,風險等級從高到低依次為五級、四級、三級、二級、一級。

風險矩陣是一種通過相對風險來表征風險可接受準則的方法。風險矩陣將防爆電氣爆炸風險潛在事故發生的可能性和相應的防爆電氣爆炸風險潛在事故后果嚴重度以不同等級的形式分布在一個矩陣中,通過可能性和后果嚴重度的不同組合得到不同的風險等級。

按照《生產安全事故報告和調查處理條例》中的相關規定,事故的嚴重等級應按照后果嚴重程度分為四級，如圖3中的縱坐標所示,將風險發生的概率分為6級,如圖3中的橫坐標所示。根據以上評估方法,結合ALARP原則將風險劃分為5個等級,分別用不同顏色表示,其中紅色代表五級、黃色代表四級、藍色代表三級、綠色代表二級、無顏色代表一級,具體評估矩陣如圖3所示。據此評估矩陣,可以判斷出潛在風險的危害性,并針對性的對風險進行排除,大幅提高實驗室的安全可靠性。

圖3 實驗室電氣風險評估矩陣

5 結論

在對以我校涉氣類實驗室為代表的防爆電氣設備統計與故障分析的基礎上,分析了防爆電氣設備可能的危險狀態。綜合應用Delphi和CVM組合賦權的方法對指標進行權重計量,研究防爆電氣設備及所處環境構成的整體系統與各子系統的關系,據此建立涉氣類實驗室電氣爆炸風險可能性評估數學模型,提出基于設備危險性分析的事故后果嚴重度評估模型,通過風險矩陣判斷風險可能性和事故后果的嚴重性。

提出的模型不但可以應用于涉氣類實驗室,同樣可以推廣到各類涉氣易爆場合的電氣設備中,具有較好的實際意義和應用價值。

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Risk assessment on electrical safety in gas-involving laboratories in colleges and universities

Pei Xiaodong1,2, Chen Shuliang1,2, Li Zenghua1,2, He Shujian1,2, Zhu Jianyun1,2

(1. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2. Provincial Experimental Teaching Demonstration Center of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Due to the presence of inflammable, explosive, perishable items, etc., in gas-involving laboratories, the electrical equipment in such area is easily affected, which may even lead to serious consequences such asa laboratory explosion. The existing methods for the laboratory safety management can neither solve this problem, nor carry out the quantitative evaluation of specific risk factors. Therefore, based on the relevant regulations for the petrochemical industry about the laboratory safety zoning, the regional management of the invisible risks is adopted. On this base, a combination weighing method of Delphi and CVM is used for optimal weight analysis of different dimensional index. Finally, the improved ALARP is accepted for the risk classification matrix, and the appropriate risk assessment methods are accepted. The quantitative analysis on complicated safety issues in gas-involving laboratories can be realized, which is of great importance for laboratory safety.

gas-involving laboratory; electrical safety; risk assessment；combination weighing method; risk matrix

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.066

2016-05-05 修改日期：2016-06-29

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015A055)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(蘇政辦發[2014]37號)；江蘇省省級實驗教學示范中心建設項目(蘇教高[2011]24號); 中國礦業大學教育教學改革與建設項目(2015QN48)；中國礦業大學課程建設與教學改革項目(2001262)

裴曉東(1981—),男,江蘇徐州,碩士，講師,安全工程實驗教學中心主任,主要從事安全科學與工程方面的教學與科研工作.

E-mail：xiaodongpeicumt@163.com

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1002-4956(2016)11-0254-05