基于蒙特卡羅法的高校易燃易爆實驗室不安全因素風險評估

姜喜迪， 仲淑姮

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

0 引 言

隨著兩輪“雙一流”學科建設的開展，對高校的人才培養、科學研究、社會服務提出了新的要求，實驗室作為高校開展科學研究、培養創新人才的重要基地，在“雙一流”建設政策的支持下得到了迅速發展［1］，同時也給實驗室管理工作帶來了較大挑戰。實驗室安全一直是高校穩定和諧發展、關乎師生切身利益的重點工作［2］，然而近年來高校實驗室安全特別是易燃易爆實驗室安全情況不容樂觀，火災爆炸事故時有發生。如2019 年南京工業大學實驗樓發生火災，所幸無人員傷亡；2021 年南京航空航天大學一實驗室發生爆燃引發火情，11 名受傷人員被送往醫院救治，其中2 人經搶救無效死亡；2022 年中南大學實驗室發生爆燃事故，1名博士生在事故中身體大面積燒傷。火災爆炸事故給個人、家庭、學校及社會造成不同程度的影響，加強易燃易爆實驗室安全管理勢在必行。

2023 年6 月26 日教育部發布了《高等學校實驗室消防安全管理規范（JY/T 0616—2023）》，進一步規范高校實驗室的消防安全管理。有學者通過事故統計對實驗室事故進行分類分析，葉元興等［3］通過對150起實驗室事故類型原因進行統計分析，從危化品、危險儀器設備、生物安全3 個角度提出安全管理對策。王蕾等［4］統計近十年火災爆炸事故，通過蝴蝶結葉斯網絡模型，得出火災爆炸事故的關鍵因素，并提出安全管理建議。徐超等［5］采用“2-4”模型對46 起爆炸火災事故進行分析，建立了高校易燃易爆實驗室事故行為分析模型，并提出事故防范對策。目前對實驗室不安全行為研究主要采用層次分析、貝葉斯網絡、2-4 模型、案例分析等方法，這些方法的主觀性和隨機性較大。本文擬采用蒙特卡羅方法對實驗室事故發生頻率最高［6］的易燃易爆實驗室火災爆炸事故進行風險評估，基于數學原理模擬實際概率，以概率分布的形式展現每個不安全因素的不確定性對風險的影響，為易燃易爆實驗室安全管理決策提供科學依據。

1 易燃易爆實驗室不安全行為分類

參考已有的實驗室安全事故研究及主流媒體公布的2001 年以來易燃易爆實驗室事故進行統計分析［7-8］，選取46 起易燃易爆實驗室事故作為分析樣本，基于第6 版事故致因“2-4”模型［9］，從事故直接原因個體的不安全動作對樣本進行分析，個體不安全動作包含人和物的動作與狀態4 個因素，如圖1 所示。

圖1 “2-4”模型動作與事故、事件的關系

1.1 易燃易爆實驗室不安全因素分類

依照實驗的開展流程對選取的46 起火災爆炸事故，根據第6 版事故致因“2-4”模型從實驗前準備、實驗操作過程、實驗后整理、實驗材料、儀器設備5 個環節進行個體不安全動作分析，得到28 類不安全因素，見表1。

表1 不安全因素類別及對應編號

1.2 不安全行為風險程度描述

實驗室不安全因素風險大小由概率及后果嚴重程度共同組成，根據實驗室火災爆炸事故的影響范圍，實驗室安全管理事故損失主要是人員傷害、經濟損失及環境污染。參考已有研究［10］，將易燃易爆實驗室事故可能引發的損失嚴重程度劃分為5 個等級（見表2、3）。

表2 實驗室安全管理事故損失

2 基于蒙特卡羅法的構建行為風險評估模型

2.1 基本流程

基于蒙特卡羅法對易燃易爆實驗室不安全因素風險評估的基本流程：

（1）建立概率模型。根據易燃易爆實驗室事故不安全因素的發生概率與造成的事故后果嚴重程度之間的關系，構建數學模型及功能函數。

（2）確定概率分布。根據統計數據對不安全因素風險因素的概率分布進行研究，確定不安全因素的概率分析以及事故隨時的概率分布。

（3）分析預測結果。利用Oracle Crystal Ball 11.1軟件代入構造的功能函數，通過模擬可以得到多個隨機風險值，抽樣次數足夠多時，對風險值進行處理，從而判斷各個實驗環節風險大小。

（4）敏感度分析。通過敏感度分析篩選出易燃易爆實驗室事故不安全因素風險有關的重要因素，提出預防措施。

2.2 構造功能函數

用不安全因素造成的事故損失量化值衡量不安全因素的風險。易燃易爆實驗室事故各個環節不安全因素發生的概率及其引發的后果值均有所區別，因此建立式（1）所示的功能函數［11-12］。

其中：R表示風險后果值；Pi表示第i個不安全因素發生的概率；Si表示第i個不安全因素引發事故造成的損失值；n表示不安全因素數。

2.3 確定不安全因素的概率分布

易燃易爆實驗室中不安全因素發生的概率分布是根據爆炸火災事故中不安全因素引發事故的概率值確定的。按照實驗進程對各個實驗環節發生的不安全因素引發事故進行分析，統計出5 個環節28 類不安全因素的發生次數，計算得出不安全因素發生的概率，本文中易燃易爆實驗室不安全因素造成事故的概率在數值上等于不安全因素發生的概率。根據不安全因素造成的嚴重程度的確定事故損失的概率分布，參考表3 中事故損失量化標準值，選用Crystal Ball軟件對易燃易爆實驗室事故各不安全因素造成的損失的歷史數據［13］進行擬合。通過對46 起火災爆炸事故的分析，統計出不安全因素發生288 次，得出28 類不安全因素的次數及概率，事故損失量化值基本服從正態分布，見表4。

表3 實驗室安全事故損失等級量化

表4 易燃易爆實驗室各實驗環節不安全因素的概率分布

3 結果與討論

3.1 各實驗環節的行為和物態風險

選用Crystal Ball軟件，將表4 中易燃易爆實驗室火災爆炸事故中不安全因素的概率設置為模擬數據，根據不安全因素發生的概率和事故損失量化值的概率分布，設定為服從正態分布假設單元格；結合式（1）計算風險后果值，將其設置為預測單元格，設置模擬次數：10 000 次，將置信度設置為95%，選擇隨機性較高的Monte Carlo 作為抽樣方法。運行可得到5 個實驗環節不安全因素風險后果值和風險累計概率分布，如圖2、3 所示。

圖2 各實驗環節風險后果值分布

根據圖2 顯示，5 個實驗環節中，A實驗前準備、B實驗操作過程、C 實驗后整理、D 實驗材料、E 儀器設備不安全因素風險的風險后果值平均值分別為：5.71、6.87、5.47、7.13、5.29；通過A-D 檢驗，5 個實驗環節的風險后果值基本Beta 分布或正態分布。圖3 可以更直觀看出易燃易爆實驗室中D實驗材料的風險后果值最高，其次是B 實驗操作過程，然后是A 實驗前準備、C實驗后整理、E儀器設備。

圖3 各實驗室環節不安全因素風險累計概率分布

3.2 敏感度分析

火災爆炸事故的發生通常伴隨著多個不安全因素，單一查看風險后果值可能會對決策產生誤導。因此需要對造成風險的不安全因素進行敏感度分析，確定對其對風險后果值的影響，敏感度越大影響也越大。在Crystal Ball 運行結果中可以查看各個實驗環節中不安全因素的敏感度視圖。

（1）實驗前準備環節。如圖4 所示，A3 未熟知實驗危險有害因素的敏感度為50.8%，其主要表現形式為未進行學習或學習后未清楚實驗內容有引起火災爆炸危險或者了解可能有危險但不清楚危險程度等，如對厭氧培養箱進行調試的過程中，由于壓力不穩造成爆炸。A5 未熟悉實驗流程及注意事項敏感度為14.2%，主要表現為實驗前未經過培訓或者經過培訓但效果不佳，對實驗流程及注意事項未熟知掌握等。A2 未消除安全隱患為13.8%，具體表現為例行安全檢查過程中發現需要整改的隱患未進行整改，如違規私接電線等。A1 未進行安全檢查為11.8%，具體表現為實驗前未對危險實驗進行安全檢查或未進行日常安全檢查或檢查不充分等。A4 缺少實驗方案盲目操作為9.1%，具體表現為實驗前未設計詳細完整實驗方案實驗人員根據自己經驗或者想法盲目進行實驗等。

圖4 實驗前準備敏感度視圖

（2）實驗操作過程。如圖5 所示，B4 危險實驗未防護的敏感度為36.2%，具體表現形式為未穿防護服、未使用防護目鏡、未使用防護手套或有使用但不規范等。B5 試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序的敏感度為31.1%，具體表現為取用材料時未使用專用工具或者使用方法不當，打翻酒精燈、誤加化學品等。B3 違規使用電器或違章用電的敏感度為12.7%，具體表現操作需專業人員使用的大型電器設備或者身體進入機械危險部位等。B7 實驗中途離場、未采取必要防護措施的敏感度為5.7%，夜間無人狀態下運行烘干機、實驗過程中操作者長時間離開等。B1 實驗條件控制不良的敏感度為5.3%，具體表現為充氣過足、升溫過快、實驗材料一次添加過多等。B8易燃易爆實驗出現明火的敏感度為3.6%，具體表現為在易燃易爆場所進行焊接操作、清洗間穿化纖衣服、清洗未穿防靜電鞋等。

圖5 實驗操作過程敏感度視圖

（3）實驗后整理環節。如圖6 所示，C1 廢棄物處理不當的敏感度為59.8%，具體表現為實驗后未完全清理危化品如鉀鈉合金、鎂鋁粉等或直接將濃硫酸器皿放入水池中冷卻等。C2 用電設備沒有及時斷電或關閉閥門不及時的敏感度為20.4%，具體表現為試驗完成后未及時關閉大功率用電設備或關閉后處于待機狀態，沒有關閉氣瓶總閥門或減壓閥門。C3 未對試劑藥品使用情況做及時記錄的敏感度為19.5%，具體表現為化學試劑藥品實驗的工具及使用情況未記錄或者記錄不及時，后續實驗人員不清楚使用狀況等。

圖6 實驗后整理敏感度視圖

（4）實驗材料環節。如圖7 所示，D4 實驗試劑材料違規購買、存放或使用的敏感度57.8%，具體表現為危化品購買未進行備案審批及超量購買，金屬鈉以及含氮、硫、磷等氧化物未做隔水處理等。D6 實驗用品隨意堆放放入敏感度為14.2%，高溫用電電器附近放置纖維材料實驗服，實驗剩余材料及雜物未分類隨意堆于易燃易爆實驗室等。D1 易燃易爆危險品儲量超限的敏感度為13.7%，具體表現為金屬鉀、鎂粉等嚴重超量儲存等。D2 性質相抵觸物品混放或距離過近的敏感度為5%，具體表現為混放性質相抵觸化學品、混合處理性質相抵觸化學品等。

圖7 實驗材料敏感度視圖

（5）儀器設備環節。如圖8 所示，E6 電氣電路設施存在缺陷的敏感度為26.5%，主要表現為未按國家標準設計電路、電氣線路缺少短路保護或過載保護等。E3 設備本身存在設計缺陷或防爆性能差的敏感度為23.3%，儲罐等壓力容器以及壓力管道因設備本身存在的問題，如嚴重的未焊透、夾渣、裂紋、錯邊以及焊接方式不當等。E2 設備老化功能效果下降的敏感度為22.2%，具體表現為設備達到使用年限功能效果下降未及時檢修等。E1 容器設備的安全防護設施不齊全或失效的敏感度為15.2%，氣瓶未配備防爆裝置或過期氣瓶未報廢等。E4 瓦斯報警器安全監測裝置失效的敏感度為8.1%，具體表現為瓦斯超限未報警等。

圖8 儀器設備敏感度視圖

根據敏感度分析，A3 未熟知實驗危險有害因素、C1 廢棄物處理不當、D4 實驗試劑材料違規購買、存放或使用等3 類不安全因素的敏感度值均在50%以上，對易燃易爆實驗室的火災、爆炸事故的風險值影響最大；B4 危險實驗未防護、B5 試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序的敏感度值均大于30%，對風險值的影響較大。

3.3 不確定性分析

根據葉元興等對1986 ～2019 年150 起實驗室事故的統計分析，火災性事故和爆炸性事故分別是66 起和45 起（占比44%、30%），是實驗室事故中占比最多的事故［3］。而火災爆炸事故對實驗設施、實驗人員及財產等造成的損失一般較大，大部分事故發生后第一時間處理救援事宜，很難及時細致地調查事故原因，部分事故沒有詳細的原因分析調查報告（或未公布）。

由于目前沒有相對完善的實驗室火災爆炸事故統計系統，本文研究的實驗室火災爆炸事故樣本數量不夠充足，因此在統計不安全行為和不安全物態時存在一定的局限性，后續繼續查閱調研實驗室火災爆炸事故的原因分析報告及案例材料，對事故損失量化值的劃分還有待精確。因此事故風險評價結果存在一定的不確定性。

3.4 易燃易爆實驗室事故預防措施

根據易燃易爆實驗室事故的分析發現，易燃易爆實驗室重點管理環節為“實驗操作過程”和“實驗材料環節”。重點控制的不安全因素為“未熟知實驗危險有害因素”“廢棄物處理不當”“實驗試劑材料違規購買、存放或使用”“危險實驗未防護”及“試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序”。針對以上重點環節及重點控制不安全因素，結合《高等學校實驗室消防安全管理規范（JY/T 0616—2023）》，提出以下預防措施。

（1）實驗前準備環節。針對“未熟知實驗危險有害因素”，高校應嚴格執行實驗室準入制度，加強實驗人員的培訓，提供全面的實驗技能及實驗安全線上線下混合式培訓課程并建立配套的考核體系［14］，對進入實驗室學習工作的所有人員進行消防安全教育和培訓。加強實驗人員技能訓練強度，熟悉實驗操作過程［15-16］。涉及易燃易爆事跡材料使用的實驗，在實驗前詳細地寫出擬進行的實驗步驟及安全措施。

（2）實驗操作過程環節。針對“危險實驗未防護”“試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序”，根據易燃易爆實驗室的特點，落實經驗豐富的專業實驗技術人員或教師的指導，涉及危險實驗應全程監控，確保實驗人員按照規定使用防護用具，嚴格控制實驗人員的操作程序規范性。不定期抽查考核，對實驗防護用品采購、配備及使用情況進行追蹤分析，多舉措并行改善實驗操作人員行為習慣不佳、操作不規范、危險不防護等問題。

（3）實驗后整理環節。針對“廢棄物處理不當”，應制定規范化、科學化、可操作的實驗室廢棄物管理制度及實驗廢棄物分類標準［17-18］。根據廢棄物的性質和狀態不同，按照固體、液體和氣體廢棄物分類收集，固體廢物包括殘留固體試劑、過期或多余的固體試劑、沾染性固體廢物；廢液主要有有機試劑、重金屬廢液和酸堿廢液；廢氣包括有毒有害、易燃易爆、有機蒸汽等。利用與實驗廢液治理相關的教學、科研工作的開展，建設校內實驗廢液處理系統［19］。對濃度高的廢棄物，應回收于固定容器，理化性質相似的廢棄物可集中回收，并委托有資質的單位及時清理和銷毀。

（4）實驗材料環節。針對“實驗試劑材料違規購買、存放或使用”對于易燃易爆危險品，從采購源頭到使用過程到廢棄處理要形成完整的管理鏈條，具體包括易燃易爆及危險化學品材料的采購計劃審批，供應商資質審查、供應品審核，校內配送，材料的管理（儲存、使用）和剩余材料的處置整理［20］。易燃、易爆危險物品應分類限量存放，由專人負責，專柜存放，存儲量不宜超過一天的使用量，酸堿隔離存放，易燃易爆化學品和具有熱分解性的強氧化劑隔離存放，揮發性危險化學品應存放在較好通風裝置處，遠離熱源、避免陽光直射。在易燃易爆氣體使用、輸送、保管場所及易積聚地，易燃易爆氣體應置于專用庫房或防爆場所，均應安裝對應的氣體泄漏報警探頭。實驗操作人員在使用易燃易爆材料過程中凡有爆炸危險的實驗，應在專門防爆設施中進行；高壓實驗應在空曠的實驗室中進行，并使用防護屏或防爆面罩。形成標準化管理程序文件，實驗室專職管理人員定時、定點對負責管理的實驗藥品、試劑、材料等的品質、儲量、使用情況進行登記。

（5）儀器設備環節。根據《高等學校實驗室消防安全管理規范（JY/T 0616—2023）》要求，加強電器、線路、設備、壓力容器等的日常保養和維護，對有故障的儀器設備需要及時檢修，嚴禁儀器設備帶故障運行，每次運行均需要登記，建立完整、準確的設備技術檔案，并長期保存，對超期服役的儀器設備應及時進行安全報廢。儀器設備采購時應保證零部件正常、產品合格和安全證明齊全，在使用儀器設備過程中，所有的電氣設備應該定期進行絕緣檢測，并檢查線路是否正常，制定詳細可操作的管理標準、嚴格的安全操作流程以及儀器設備和單個實驗的操作規范。電氣火災監控裝置應具有通信功能，與監控中心的電氣火災監控主機進行通信。

4 結 語

（1）基于“2-4”模型理論，以實驗的開展流程為路徑，對選取的2001 年以來高校易燃易爆實驗室發生的46 起爆炸火災事故，從實驗前準備、實驗操作過程、實驗后整理、實驗材料、儀器設備5 個環節的個體不安全動作進行分析，得出28 類不安全因素。

（2）結合蒙特卡羅法構建風險評估模型，分析5個環節的風險結果。通過風險后果值概率分布、風險后果均值、風險后果值累計概率分布，發現實驗材料、實驗操作過程的風險后果值最高、然后是實驗前準備、實驗后整理、儀器設備。

（3）由敏感度分析結果顯示，“廢棄物處理不當”“實驗試劑材料違規購買、存放”“未熟知實驗危險有害因素”“危險實驗未防護”“試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序”的敏感度值均大于的敏感度分別為59.8%、57.8%、50.8%、36.2、31.1%，對風險后果值的影響較大。

易燃易爆實驗室安全管理可以從實驗材料、實驗操作過程著手，并重點關注“廢棄物處理不當”“實驗試劑材料違規購買、存放”“未熟知實驗危險有害因素”“危險實驗未防護”“試劑材料選取方式不符合規定或更改設備操作順序”5 類不安全因素，針對性的制定防范措施，從而減少爆炸火災事故。