事故樹分析在預防高爐爐頂爆炸事故中的應用

任延學

（濱州市安全評價中心，山東 濱州256600）

1 前言

基于處置高爐異常爐況過程的特殊性，針對可能出現的爐頂爆炸事故，借鑒和分析事故發生的原因，確定事故樹頂上事件、中間事件和各基本事件并建立事故樹。通過事故樹分析，找出最小割集、最小徑集，判別各基本事件的重要度，確定風險預防和控制措施，為冶金企業加強高爐安全管理提供依據。

2 事故案例及原因剖析

2019年5月29日，方大特鋼公司煉鐵廠2#高爐在處理異常爐況過程中，發生上升管波紋補償器爆裂事故，導致平臺及安全通道作業人員6死4傷。根據江西省應急管理廳發布的《方大特鋼科技股份有限公司2#高爐“5·29”煤氣上升管爆裂較大生產安全事故調查報告》可知［1］，該起上升管爆裂事故的直接原因為：5月28日中班、29日白班，高爐4個上升管處爐頂溫度顯示約157～500℃（高于200～300℃的正常爐頂溫度），且呈現不均。為降低爐頂溫度，兩個班次通過爐頂打水裝置長時間連續打水，打入的液態水未經霧化，部分落在爐料上，在爐內減風操作時出現崩料，含水爐料落入爐體下部高溫區，其中的水分迅速汽化，體積急劇膨脹（約1 200～1 500倍），引發爐內壓力瞬間陡升。同時因爐頂放散閥處于“手動”操作模式，未與爐頂壓力聯鎖，未及時自動開啟泄放爐內壓力，導致上升管波紋補償器爆裂，大量高溫焦炭從爆裂處噴出，集中掉落在南出鐵場作業平臺和西側安全通道，造成多人傷亡。

由此可知，此類爐頂爆炸事故的前提是爐況失常（懸料、管道行程等），造成爐頂煤氣溫度超高，處置過程中采用灑水降溫造成上部料面含水，減風坐料或突遇崩料使含水爐料進入高溫區，瞬間汽化膨脹且與熾熱焦炭反應生成氫氣和一氧化碳，進而引起爆炸事故。

3 事故樹分析

根據事故查明原因，采用事故樹分析（FTA）方法對方大特鋼公司該起上升管爆裂事故進行分析。事故樹（FTA）也稱故障樹，是一種描述事故因果關系的有方向的“樹”，是安全系統工程中重要的分析方法之一。它能對各種系統的危險性進行識別評價，既適用于定性評價，又適用于定量評價。

3.1 分析步驟

事故樹分析步驟［2］：1）確定頂上事件；2）熟悉分析系統；3）調查事故原因；4）繪制事故樹圖；5）事故樹的定性分析；6）事故樹的定量分析；7）制訂安全對策。

3.2 事故樹的建立

根據事故樹建立的基本要求及步驟，將“波紋管補償器爆裂、焦炭噴出并引起人員傷亡”作為事故樹的頂上事件，所編寫的事故樹如圖1所示。

3.3 事故樹定性分析

3.3.1 事故樹的最小割集分析

能夠引起頂上事件發生的最低限度的基本事件的集合，稱為最小割集。它表示系統的危險性，每一個最小割集都是頂上事件發生的一種可能渠道，最小割集越多，系統越危險。本事故樹的最小割集由下式得出：最小割集共 6 個，分別為：｛X1，X2，X5，X6，X8，

圖1 爐頂爆炸傷人事故樹

a｝；｛X1，X2，X5，X7，X8，a｝；｛X1，X3，X5，X6，X8，a｝；｛X1，

X3，X5，X7，X8，a｝；｛X1，X4，X5，X6，X8，a｝；｛X1，X4，X5，

X7，X8，a｝。

3.3.2 最小徑集分析

頂上事件不發生所需的最低限度的基本事件的集合，稱為最小徑集。它表示系統的安全性，每一個最小徑集都是頂上事件不發生的一種可能方案，從而為控制事故提供依據。最小徑集越多，系統越安全。本事故樹的最小徑集由下式求得：

最小徑集為6個，分別為：｛X1｝；｛a｝；｛X6，X7｝；｛X8｝；｛X5｝；｛X2，X3，X4｝。

3.3.3 結構重要度分析

結構重要度分析是分析基本事件對頂上事件的影響程度，為改進系統安全性提供信息的重要手段。利用本事故樹的最小割集進行結構重要度判別如下：

3.4 事故樹分析結論

從事故樹邏輯關系看，有2個邏輯或門，3個邏輯與門，最小割集有6個，最小徑集6個，造成事故的途徑并不是很多，而控制事故的途徑較多，說明系統危險性并不大。

從最小徑集來看，基本事件“超過爐頂設備元件承受能力（a）”“現場人員未及時疏散（X1）”“長時間打水降頂溫（X5）”“爐內崩料（X8）”任何一個不發生，都可以杜絕因爐頂爆炸造成人員傷亡的情況。從基本事件的結構重要度來看，基本事件“現場人員未及時疏散（X1）”和“長時間打水降頂溫（X5）”的結構重要系數最大。

根據上述分析，對這類事故采取預防控制措施時，應首先從對頂上事件影響大的基本事件或包括含數目較少的基本事件的組合著手比較有效。因發生爆炸時“超過爐頂設備元件承受能力（a）”這一基本事件存在不確定性，處理異常爐況時“爐內崩料（X8）”這一基本事件在所難免，這兩個基本事件較難控制，但是控制人的行為相對容易。當處置可能出現崩料情況的異常爐況時，可采取如下預防措施：

1）將高爐出鐵場和風口平臺作業人員疏散至安全區域。

2）在降頂溫時要嚴格控制爐頂打水量，能少打水就少打水，能不打水就不打水。目前部分企業的高爐爐頂打水裝置為自制產品，霧化效果難以保證，長時間進行爐頂打水存在較大隱患。

3）爐頂放散閥應設置在“自動”聯鎖狀態，確保超壓狀態下自動打開泄壓。

同時企業應加強爐頂設備日常點檢工作，確保放散閥動作執行機構運行正常，確保波紋補償器等管道薄弱部位安全可靠［3］。

4 安全規范及風險控制

國內冶金行業標準和安全標準也針對處置高爐異常爐況的風險制定了相關標準。YB/T 4591—2017《高爐煉鐵安全生產操作技術要求》第7.3條規定：爐頂放散閥應選擇自動操作模式，爐頂操作的最高峰值壓力不應超過設計文件規定的最高壓力；當超過時，應及時開啟爐頂放散閥泄放爐頂壓力。第8.8.2條規定：高爐出現嚴重管道行程，爐頂溫度超限時，應采取爐頂通蒸汽、氮氣或爐頂灑水等降溫措施；瞬時頂壓超限，應能自動泄壓。第8.8.3條規定：高爐爐況失常，可能發生坐料、崩料及局部氣流發展，造成風口灌渣，風管燒穿等事故時，應先通知并要求爐體周圍人員暫時撤離。由此可知，本文事故樹分析結論提出的預防措施與以上安全標準條款內容相符。

通過事故樹分析及對應行業安全規范可知，高爐爐頂放散閥應處于“自動”操作模式，與爐頂壓力值聯鎖，并確保聯鎖設施能正常運行。在降低頂溫過程中，可采取通蒸汽、氮氣和爐頂灑水多種降溫措施，切不可長時間打水降頂溫，打水降溫也應確保水流霧化效果。在進行坐料或爐內有較大崩料可能時，應及時通知爐體周圍人員暫時撤離至安全區域。

5 結語

通過事故樹分析法對方大特鋼公司上升管爆裂事故進行分析，得出了一系列預防高爐異常爐況爆炸的措施。冶金企業領導管理人員應為高爐生產穩定順行創造良好條件，高爐操作者應把爐況的穩定順行放在第一位，避免高爐頻繁出現管道、塌料等異常爐況。操作人員處置異常爐況時應沉著冷靜，正確判斷，果斷處置，嚴格執行行業作業指導書和安全標準的相關規定，避免高爐爐頂爆炸事故的發生。