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故障树分析法在化工企业火灾事故中的应用

刘海峰

(大庆中蓝石化有限公司,黑龙江大庆163713)

摘要:为了化工企业安全生产,采用故障树分析法对火灾事故实例进行评价。建立故障树模型,然后计算最小割集、最小径集、结构重要度,确定事故发生的原因及其重要度,再提出人、物、环境、管理等方面的改进措施,从而减少此类事故的发生,为化工企业安全管理提供依据,具有较好的应用价值。

关键词:故障树分析法;火灾;化工企业

中图分类号:TQ086

文献标志码:A

文章编号:1008-4800(2024)10-0074-04

DOI:10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2024.10.019

Application of Datsan Method in Fire Accidents in Chemical Enterprises

LIU Haifeng

(Daqing Petrochemical Co., Ltd., Daqing 163713, China)

Abstract:For the safe production of chemical enterprises, Datsan is used to evaluate fire accident cases. Datsan is established, and then the minimum cut set, minimum path set, and structural importance are calculated to determine the cause of the accident and its importance, and then the improvement measures in terms of people, materials, environment, and management are proposed, so as to reduce the occurrence of such accidents, and to provide the basis for the safety management of the chemical enterprise, which is of good application value.

Keywords: datsan; fire accident; chemical industry

0 引言

我国是世界上最大的化工产品生产国,2022年化工产品总产量占世界总产量的1/3以上[1]。化工行业在国民经济发展中扮演着重要角色,但其属于典型的高危行业,如果安全管理不到位,极易产生火灾、爆炸、中毒、窒息等事故,造成巨大的财产与人员损失。

我国历来重视安全生产问题,近年来,国家层面出台了《中华人民共和国安全生产法》《“十四五”国家应急体系规划》等一系列法律法规,能正确处理安全和发展的关系,坚持发展决不能以牺牲安全为代价这条红线[2]。

据统计,2016—2021年,我国的危险化学品共发生事故1052起,其中火灾363起,占34.5%[3]。火灾是化工企业最常见的事故,具有危险性高、破坏性大的特点[4]。出现了火灾后如果不能及时扑救,火势将在短时间内迅速扩大。火灾扩大后,通常会伴随爆炸,进一步将有毒、有害的化学物质释放出来,为火灾救援及灾后重建工作带来重大影响[5]。

本文采用故障树分析法对火灾事故实例进行评价,提出了降低化工企业火灾事故的措施,明确了化工企业安全管理的工作重点。

1.故障树理论及分析

1.1 故障树分析法

故障树分析法的英文缩写为FTA,起源于1962年的美国贝尔实验室,用于导弹发射控制的安全研究。二十世纪六七十年代,美国军方、美国联邦航空管理局在武器、航空运输等方面也采用了故障树分析法,后逐渐在高风险行业应用,是最重要的分析方法之一,它既可以对事故的原因进行溯源,又可以进行安全分析、风险评估[6],对危险品多、管理难度大的化工企业特别适用。

故障树分析法是由上往下的演绎式失效分析法,能判断出系统中不希望出现的状态[7]。它能够对研究系统的最不想发生的事件(称为“顶事件”)为目标开展识别,通过逻辑“与”门、逻辑“或”门自上而下地分析找出导致顶事件发生的所有基本原因,再逐层深入分析基本原因之间的相关性,明确事故发生概率[8-9],最终达到事故定性与定量的目的。故障树分析中的顶事件用T表示;中间事件为直接原因,用M表示;基本事件为导致顶事件发生的根本原因,用X表示。

1.2 火灾案例及分析

化工企业生产中多使用易燃、易爆的危险物质，

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又在高温、高压的环境进行化学反应,长时间的工作具有较高的风险性,如果生产、运输、储存、管理某个环节处理不当,极易发生重大事故。

下面是近五年来化工企业发生的火灾爆炸事故的典型案例:2018年,河北省盛华化工有限公司火灾爆炸事故导致24人死亡、21人受伤,直接经济损失4000多万元$^{[10]}$,事后调查事故原因为氯乙烯气罐发生泄漏,可燃气体扩散到厂区外遇明火发生爆炸;2019年,江苏省的响水天嘉宜化工有限公司火灾爆炸事故造成78人死亡、76人重伤,直接经济损失近20亿元$^{[11]}$,事后调查事故原因为仓库内储存的化工废料因积热升温而自燃,而导致爆炸;2022年,河南省宇天化工有限公司火灾事故造成3人死亡,直接经济损失500多万元,事后调查事故原因为对蒽油储罐进行焊接作业,引燃罐内可燃气体与空气混合物导致爆炸;2023年,辽宁省盘锦浩业化工有限公司火灾爆炸事故造成13人死亡、35人受伤,事故原因正在调查中,初步调查结果是设备维修中因气体泄漏而着火爆炸。

造成这些事故的原因有很多,如管理人员的管理措施不到位、生产人员违反纪律违规操作、安全设施不足、火灾发生时没有有效处理等。若采用故障树分析法对这些事故进行分析,可以找出事故发生的直接原因及原因的相关性和逻辑关系。故障树分析法的步骤可以分为准备阶段、分析阶段、评价阶段。准备阶段的主要工作为确定顶事件;分析阶段的主要工作为确定中间事件、基本事件;评价阶段的主要工作为对事故进行评价,并制定防范策略[12],图1为化工企业火灾案例故障树分析步骤。

〔图〕插图

图1 化工企业火灾故障树分析步骤

2.故障树分析法在化工企业火灾事故中的应用

2.1 化工企业火灾事故故障树的建立

通过查阅文献和对该行业的调查，对化工企业火

灾事故原因综合分析,可以知道起火和救援失败是导致火灾发生的原因。

起火燃烧需要具备可燃物、氧气、火源这三个要素。在现实工厂环境中,除密闭容器空间外很少有无氧环境,因此本故障树不讨论氧气的问题,将研究的重点聚焦在火源和可燃物两个因素中。在化工企业内,违规操作使用明火、电气老化、电气设备短路、可燃物堆积致使温度升高达到燃点自燃、缺乏防雷防静电设施导致起火,这些都是产生火源的重要原因;罐体内混入空气形成可燃气体,因设备、人员操作等导致气体、液体泄漏,这些是为火灾提供可燃物的重要途径。

救援失败主要是人、物、管理等因素造成的。人的因素有工作过程中不认真负责、没有严格按照规章制度使用消防设备、人为操作失误等;物的因素有火灾探测系统故障没有及时发现起火、消防设备设计不合理、消防设备未按时检查与更换老旧失效设备;管理的因素有没有建立完善的应急体系,对工人的培训少或流于形式。

根据这些原因,根据逻辑关系确定顶事件、中间事件、基本事件,并绘制化工企业火灾故障树模型,具体如表1和图2所示。

表1 化工企业火灾故障树符号意义

〔图〕TMM2+M3M4M7MsM+++++X3(Xc)(X5)X6X7X3X9XnX2XsXM0(X12)(Xa(Xs)(Xs(X6\n

图2 化工企业火灾故障树模型

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2.2 化工企业火灾故障树的定性分析

(1) 故障树的最小割集。根据化工企业火灾故障树模型可知，引起火灾事故的基本事件有 16 个，但不需要 16 个事件都发生，才会导致火灾事故。本文采用下行法对化工企业火灾故障树进行分析，确定其最小割集。

$$ \begin{aligned} T &= M_1 \times M_2 \\ &= M_3 \times M_4 \times (M_5 + M_6 + M_7) \\ &= (X_1 + X_2 + X_3 + X_4 + X_5 + X_{16}) \times (X_6 + X_7 + X_8) \\ &\quad \times (X_9 + X_{10} + X_{11} + X_{12} + X_{13} + X_{14} + X_{15} + X_{16}) \end{aligned} \quad (1) $$

(2) 故障树的最小径集。由于基本事件多，想判断出造成顶事件的原因十分不方便，计算与故障树相对应的成功树的最小割集。

$$ \begin{aligned} T' &= M'_1 + M'_2 = M'_3 + M'_4 + M'_5 + M'_6 + M'_7 \\ &= X'_1 \times X'_2 \times X'_3 \times X'_4 \times X'_5 \times X'_{16} + X'_6 \times X'_7 \times X'_8 \\ &\quad + X'_9 \times X'_{10} \times X'_{11} \times X'_{12} \times X'_{13} \times X'_{14} \times X'_{15} \times X'_{16} \\ P'_1 &= \{ X'_1, X'_2, X'_3, X'_4, X'_5, X'_6 \} \quad (3) \\ P'_2 &= \{ X'_6, X'_7, X'_8 \} \quad (4) \\ P'_3 &= \{ X'_9, X'_{10}, X'_{11}, X'_{12}, X'_{13}, X'_{14}, X'_{15}, X'_{16} \} \quad (5) \end{aligned} $$

根据对偶变换，得到化工企业火灾故障树的最小径集有 3 组分别为 $\{X_1, X_2, X_3, X_4, X_5, X_{16}\}$、$\{X_6, X_7, X_8\}$、$\{X_9, X_{10}, X_{11}, X_{12}, X_{13}, X_{14}, X_{15}, X_{16}\}$

(3) 故障树的结构重要度分析。采用利用最小径集来计算结构重要度，计算公式如式 (6)：

$$I_{\Phi}(X_i) = \sum_{X_i \in P_i} \frac{1}{2^{n_i-1}} \quad (6)$$

式中: $I_{\Phi}(X_i)$ 为基本事件 $X_i$ 的结构重要度; $X_i \in P_i$ 为基本事件 $X_i$ 属于 $P_i$ 最小径集; $n_i$ 为基本事件 $X_i$ 所在最小径集所包含基本事件的个数。

$$ \begin{aligned} I(X_6) &= I(X_7) = I(X_8) > I(X_{16}) > I(X_1) = I(X_2) = I(X_2) \\ &= I(X_4) = I(X_5) > I(X_9) = I(X_{10}) = I(X_{11}) = I(X_{12}) = I(X_{13}) = I(X_{14}) \\ &= I(X_{15}) \end{aligned} \quad (7) $$

3 化工企业火灾故障树结果分析与对策措施

3.1 化工企业火灾故障树的分析

通过对化工企业火灾故障树的定性分析，可以得到以下结论：

(1) 最小割集分析。故障时最小割集有 144 组，说明能引起火灾的可能性有 144 种，数值越大，代表发生的火灾可能性和危险性越大。因此，在化工企业生产易发生火灾事故。

(2) 最小径集分析。故障树的最小径集有 3 组，

最小径集表示能够防止化工企业火灾故障树发生的最少数量的基本事件合集。只要这些基本事件均不发生，就可以防止发生火灾事故。

(3) 结构重要度分析。从基本事件：首先，罐内混入气体、罐内气体泄漏、罐内液体泄漏是发生顶事件的最主要原因，因此要管理好这几项。其次，通过严格控制厂区内明火的使用、防范摩擦起火、做好通风与冷却避免温度过高、定期检查电气避免失火、做好防范雷击等措施不产生火源。火源是对火灾产生的次要因素，它对顶事件的影响也较大，在平时生产中也要高度重视。最后，增加培训、建设完善的应急管理体系、定期检查、提高员工技能与责任心、减少人为失误等都可以降低火灾发生的概率。

3.2 改进措施

在企业的安全管理中，建议从人、物、环境、管理等方面入手改进，提高其管理水平，减少火灾事故的发生：

(1) 从人的角度分析。人作为生产的主体，人的技能水平、职业素养、精神状态都会影响安全生产，人的不安全行为也会直接导致事故的发生，所以为降低事故率。树立安全意识十分重要。无论是管理人员还是生产操作人员，安全意识是生产的首要条件，不同工作岗位的员工需要采用不同的培训。新员工入职前在对他们进行职业素养培训时，要把安全标准融入岗位标准里。在考核时，安全考核要实行一票否决，不合格坚决不能上岗。老员工容易对培训不以为然、不重视，这就要求创新培训方式。如安全生产小视频创作竞赛、安全知识竞赛活动、安全生产演讲比赛等，吸引他们的注意力，将安全意识深入他们的内心，来指导他们生产。管理者不但要加强自身的素养，不断学习新的安全管理方法、安全管理技术，还要结合本单位（部门）的设备、人员情况制定合适的安全培训计划、管理制度，让全体员工的安全意识不断提升。其次，提高安全技能。企业通过专业技能培训、继续教育等方式，提升员工的安全生产能力，使其能够按照操作规范进行生产，即使发生火灾、爆炸等事故，也能按照安全管理制度有效处理。

(2) 从物的角度分析。把在生产过程中发挥作用的生产要素统称为物，它的不安全状态对安全生产也有重要影响，为降低事故率，可以从两方面入手：首先，引进现代化的设备。随着人工智能、大数据、物联网技术的发展，安全设备也取得了飞速的发展。安全监测系统、自动灭火系统、安全预警与自动报警系统等已经应用在大型化工企业，不但减少了人力成本，

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还提升了安全管理水平,能做到早发现、早处理、避免发生事故。其次,做好设备的维护。要强化规范使用、维护与保养,努力做到“操作有规程、管理有制度、检修有计划、消耗有定额、完好有标准”,有效防止设备风险$^{[13]}$。最后,严格规范设备、物品的管理。在购买化工原材料、新设备等物品时,严格执行采购流程、管理办法,使用前严格检测,保障使用安全。

(3)从环境的角度分析。工作环境是指劳动者从事生产劳动的工作场所的各种构成要素的总和。化工企业工作环境特殊,既要在复杂的环境下保障安全,又要让员工工作时心情愉悦。要想改善工作环境,从以下两方面入手:首先,消除不良的生产现场作业环境。以“安全第一,预防为主”方针为指导,创建干净、整齐、安全的作业环境,不但能满足现代化企业生产现场的管理要求,提高生产效率,还能减少因现场的不良环境导致事故发生的概率,也能让员工养成注意安全、保护环境的好习惯。其次,舒适的工作环境。工作环境的噪音、震动、温度、湿度、气味、照明等都会影响人的心理状态,长期在不良的环境工作,会让员工出现焦躁不安的情绪。企业可以通过降低噪音、减少刺激性气味、创造适宜温度与湿度的工作场合等措施,为员工创造舒适的工作环境,舒缓他们的压力,让其心情愉悦的工作,能避免事故的发生,达到预防的目的。

(4)从管理的角度分析。首先,建立安全生产管理体系。构建包括安全生产管理制度、安全生产监管制度、安全生产责任制度、安全生产奖惩考核制度等为核心的安全生产管理体系,做到“安全有目标、行为有标准、奖惩有依据”[14]。通过建立安全目标,将责任细分到人,各部门一把手为安全生产第一责任人,通过规范管理、定岗定责、安全监管、风险共担、奖优罚劣等措施,减少事故的发生。其次,建立安全生产预防体系。构建包括安全生产风险分级制度、安全生产隐患排查制度等为核心的安全生产预防体系[15],通过现场勘察、危险源识别、风险鉴定等工作,对风险进行分层分级管控。最后,提升管理水平。积极学习本公司实际的管理制度、管理方法,引进先进的管理经验和技术,将传统的安全管理与信息化管理相结合,建立现代化、信息化管理系统,不断提升管理水平。

4结语

采用故障树分析法对化工企业火灾事故进行分析、评价,确定了最小割集144组,最小径集3组,并进行了结构重要度分析,确定了基本事件的重要度与发生火灾的主要原因、次要原因。依据分析结果,提出

了降低化工企业火灾事故的措施,明确了化工企业安全管理的工作重点,提供了理论依据,具有较好的应用价值。

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作者简介:刘海峰(1977-),男,本科,工程师,研究方向为企业安全管理,email:76508223@qq.com。