第九章 系統(tǒng)安全分析與評價

第九章系統(tǒng)安全分析與評價

第一節(jié)安全系統(tǒng)工程簡述

系統(tǒng)工程是20世紀(jì)中期出現(xiàn)的一門新興學(xué)科。系統(tǒng)工程的理論和方法，在科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)揮了重要作用。

安全系統(tǒng)工程的開發(fā)和應(yīng)用，使安全管理發(fā)生根本性的變化，并把安全技術(shù)工程推向一個新的高度。

一、系統(tǒng)與安全

系統(tǒng)：指由若干相互聯(lián)系的、為了達(dá)到一定目標(biāo)而具有獨(dú)立功能的要素所構(gòu)成的有機(jī)整體。

系統(tǒng)一般具有以下四個特性：

(1)系統(tǒng)至少是由兩個或兩個以上的要素構(gòu)成的、具有統(tǒng)一性的整體；

(2)系統(tǒng)內(nèi)各要素之間是有機(jī)聯(lián)系的、相互作用的；

(3)具有既定的任務(wù)目標(biāo)；

(4)任何系統(tǒng)的存在都具有一定的條件，并處于一定的環(huán)境之中。

對生產(chǎn)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)構(gòu)成包括人員、物資、設(shè)備、資金、任務(wù)指標(biāo)和信息六個要素。系統(tǒng)工程的方法，就是為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目的，求得構(gòu)成系統(tǒng)的各要素的最佳配合。

安全：指預(yù)知生產(chǎn)過程中的各種危險，以及為消除這些危險所采取的各種方法、手段和行動的總稱。

安全的實(shí)質(zhì)就是防止事故，消除導(dǎo)致死亡、傷害、職業(yè)病及各種損失的條件。

安全系統(tǒng)工程就是應(yīng)用科學(xué)和工程原理、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)知識，分析、評價和控制系統(tǒng)中的危險。它把生產(chǎn)和作業(yè)中的安全作為一個整體系統(tǒng)，應(yīng)用科學(xué)的方法對構(gòu)成系統(tǒng)的各個要素進(jìn)行全面的分析，判明各種狀況的危險特點(diǎn)以及導(dǎo)致災(zāi)害性事故的因果關(guān)系，進(jìn)行定性和定量分析。對系統(tǒng)的安全性做出預(yù)測和評價，把系統(tǒng)事故減少至最低限度，使在既定的作業(yè)、時間和費(fèi)用范圍內(nèi)取得最佳的安全效果。

二、基本程序和方法

安全系統(tǒng)工程是以預(yù)測和防止事故為中心，以檢查、測定和評價為重點(diǎn)，按系統(tǒng)分析、安全評價和系統(tǒng)綜合三個基本程序展開。

1．系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析是以預(yù)測和防止事故為前提，對系統(tǒng)的功能、操作、環(huán)境、可靠性等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)以及系統(tǒng)的潛在危險性進(jìn)行分析和測定。

系統(tǒng)分析的程序，方法和內(nèi)容如下：

(1)把所研究的生產(chǎn)過程和作業(yè)形式作為一個整體，確定安全設(shè)想和預(yù)定的目標(biāo)；

(2)把工藝過程和作業(yè)形式分成幾個部分和環(huán)節(jié)，繪制流程圖；

(3)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和圖表形式以及有關(guān)符號，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能抽象化，并將因果關(guān)系、層次及邏輯結(jié)構(gòu)用方框或流線圖表示出來，也就是將系統(tǒng)變換為圖像模型；

(4)分析系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其組成部分，測定與診斷可能發(fā)生的故障、危險及其災(zāi)難性后果，分析并確定導(dǎo)致危險的各個事件的發(fā)生條件及其相互關(guān)系。

2．安全評價安全評價包括對物質(zhì)、機(jī)械裝置、工藝過程及人機(jī)系統(tǒng)的安全性評價，內(nèi)容主要有：

(1)確定適用的評價方法、評價指標(biāo)和安全標(biāo)準(zhǔn)；

(2)依據(jù)既定的評價程序和方法，對系統(tǒng)進(jìn)行客觀的、定性或定量的評價，結(jié)合效益、費(fèi)用、可靠性、危險度等指標(biāo)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求出系統(tǒng)的最優(yōu)方案和最佳工作條件；

(3)在技術(shù)上不可能或難以達(dá)到預(yù)期效果時，應(yīng)對計劃和設(shè)計方案進(jìn)行可行性研究，反復(fù)評價，以達(dá)到符合最優(yōu)化和安全標(biāo)準(zhǔn)為目的。

3．系統(tǒng)綜合

系統(tǒng)綜合是在系統(tǒng)分析與安全評價的基礎(chǔ)上，采取綜合的控制和消除危險的措施，內(nèi)容包括：

(1)對已建立的系統(tǒng)形式、潛在的危險程度及可能的事故損失進(jìn)行驗(yàn)證，提出檢查與測定方式，制定安全技術(shù)規(guī)程和規(guī)定，確定對危險性物料、裝置及廢棄物的處理措施；

(2)根據(jù)安全分析評價的結(jié)果，研究并改進(jìn)控制系統(tǒng)，從而控制危險，以保證系統(tǒng)安全；

(3)采取管理、教育和技術(shù)等綜合措施，對工藝流程、設(shè)備、安全裝置及設(shè)施、預(yù)防及處理事故方案、安全組織與管理、教育培訓(xùn)等方面進(jìn)行統(tǒng)籌安排和檢查測定，以有效地控制和消除危險，避免各類事故。

三、應(yīng)用特點(diǎn)

安全系統(tǒng)工程方法以邏輯分析為代表的事故樹網(wǎng)絡(luò)分析和概率評價方法；以美國道化學(xué)公司對生產(chǎn)裝置和化工過程的火災(zāi)、爆炸危險性評價為代表的災(zāi)害事故影響評價方法，在世界一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到廣泛重視和采用。

安全系統(tǒng)工程具有以下特點(diǎn)：

(1)能夠系統(tǒng)地從計劃、設(shè)計、制造、運(yùn)行等全過程中考慮安全技術(shù)和安全管理問題，便于找出生產(chǎn)過程中固有的或潛在的危險因素；

(2)便于對生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行定性和定量的分析評價；

(3)可對事故進(jìn)行預(yù)測，并求得系統(tǒng)安全的最優(yōu)方案；

(4)有利于實(shí)現(xiàn)安全管理系統(tǒng)化，形成教育培訓(xùn)、日常檢查、操作維修等的完整體系；

(5)有利于實(shí)現(xiàn)安全技術(shù)和安全管理的科學(xué)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。第二節(jié)系統(tǒng)危險性分析一、危險性及其表示方法所謂危險性是指對于人身和財產(chǎn)造成危害和損失的事故發(fā)生的可能性。一般是以事故頻率和損失嚴(yán)重度作為危險性的尺度。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計，找出一定的時間內(nèi)危險性可能導(dǎo)致事故的次數(shù)，即事故頻率；另一方面是確定事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失的數(shù)值，即損失嚴(yán)重度。二者之間的乘積稱為危險率或風(fēng)險率，公式見（9-1）

在評價危險性時，除去危險率以外，還有一個重要評價指標(biāo)，即死亡概率。在一定的統(tǒng)計樣本中，死亡概率可表示為式：

死亡概率=死亡人數(shù)/（年*總?cè)藬?shù)）二、危險性分析的基本要素

對大量事故的調(diào)查分析結(jié)果表明，導(dǎo)致災(zāi)難性事故的原因基本可分為兩個類型，一是由于不安全的狀態(tài)引起，另一則是由于不安全的行為所致。具體地說就是物的原因、人的原因和環(huán)境條件三個方面。

1．物的原因?qū)е率鹿实奈锏脑蛑饕窃O(shè)備、裝置結(jié)構(gòu)不良，強(qiáng)度較低，磨損和惡化；存在有毒有害物質(zhì)及火災(zāi)爆炸危險性物質(zhì)；安全裝置及防護(hù)器具的缺陷等因素。

2．人的原因?qū)е率鹿实娜说脑蛑饕钦`判斷、誤操作；違章指揮、違章作業(yè)；精神不集中、疲勞及身體缺陷等。

3．環(huán)境條件主要是作業(yè)環(huán)境中的照明、色彩、溫度、濕度、通風(fēng)、噪聲、振動以及由于鄰近的火災(zāi)爆炸和有毒有害物質(zhì)的泄漏彌散等所形成的次生災(zāi)害。三、危險性分析的步驟和方法

1．分析步驟危險性分析一般按以下步驟進(jìn)行。

(1)危險性辨識。通過以往的事故經(jīng)驗(yàn)，或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行解剖，或采用邏輯推理的方法，把評價系統(tǒng)的危險性辨識出來；

(2)找出危險性導(dǎo)致事故的概率及事故后果的嚴(yán)重程度；

(3)一般以以往的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定可接受的危險率指標(biāo)；

(4)將計算出的危險率與可接受的危險率指標(biāo)比較，確定系統(tǒng)的危險性水平；

(5)對危險性高的系統(tǒng)，找出其主要危險性并進(jìn)一步分析，尋求降低危險性的途徑，將危險率控制在可接受的指標(biāo)之內(nèi)。2．分析方法近些年來國內(nèi)外大型企業(yè)都在探索科學(xué)的適合自己特點(diǎn)的危險性分析方法。目前已實(shí)行的方法有：

(1)檢查表；

(2)危險預(yù)先分析；

(3)可操作性研究；

(4)故障類型、影響及致命度分析(縮寫為FMECA)；

(5)道化學(xué)公司化工裝置評價法；

(6)事故樹分析(縮寫為FTA)；

(7)事件樹分析(縮寫為ETA)。

第三節(jié)故障類型、影響及致命度分析

故障類型、影響及致命度分析(FMECA)是一種歸納分析方法，用于系統(tǒng)安全性和可靠性的分析。尤其是在設(shè)計階段充分考慮并提出所有可能發(fā)生的故障，分析故障的類型和嚴(yán)重程度，判明其對系統(tǒng)的影響和發(fā)生的概率等。這種方法通常分為兩部分，即故障類型及影響分析(FMEA)和致命度分析(CA)。

一、故障類型及影響分析

故障類型及影響分析是采用系統(tǒng)分割的方法，根據(jù)需要把系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)或進(jìn)一步分割成元件。首先逐個分析元件可能發(fā)生的故障和故障類型，進(jìn)而分析故障對子系統(tǒng)乃至整個系統(tǒng)的影響，最后采取措施加以解決。

1．故障類型所謂故障是指元件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)在運(yùn)行時不能完成設(shè)計規(guī)定的功能。故障類型一般分為以下四個等級：

1級，災(zāi)害：造成人員傷亡和系統(tǒng)損壞；

2級，危險：造成一定程度傷害和主要系統(tǒng)損失；

3級，臨界：造成輕傷和次要系統(tǒng)損失；

4級，安全：不造成人員和系統(tǒng)傷損。

2．故障率故障率是指單位時間發(fā)生故障的次數(shù)。有了故障率數(shù)據(jù)，就可以計算事件或系統(tǒng)的故障概率。表9—2是各類設(shè)備、機(jī)械和裝置的故障率示例。

3．分析程序分析時首先要熟悉有關(guān)資料，從設(shè)計說明書中了解系統(tǒng)的組成、任務(wù)情況，查出系統(tǒng)含有多少子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)又含有多少單元或元件，弄清它們之間的相互關(guān)系、相互干擾以及輸人輸出等情況。分析一開始，就要根據(jù)所了解的系統(tǒng)情況，決定分析到什么水平。分析程度太淺，有可能漏掉故障類型；分析程度過深，程序過于繁雜，也會給措施制定帶來困難。

二、致命度分析

對于特別危險的故障類型，例如故障等級是1級的故障類型，有可能導(dǎo)致人身傷亡或全系統(tǒng)損壞。因此對這類元件要特別注意，可采用稱為致命度的分析方法(CA)，進(jìn)一步分析。致命度分析一般是與故障類型影響分析合用。致命度指數(shù)Cr的計算公式如式（9-3）三、應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以柴油機(jī)燃料系統(tǒng)為例進(jìn)行FMECA分析。柴油機(jī)燃料系統(tǒng)可分為5個子系統(tǒng)，即燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、燃料壓送子系統(tǒng)、燃料噴射子系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、調(diào)速裝置。

第四節(jié)道化學(xué)公司火災(zāi)爆炸

危險指數(shù)評價方法

道化學(xué)公司評價方法是以物質(zhì)系數(shù)為基礎(chǔ)，加上一般和特殊工藝的危險附加系數(shù)，計算出裝置的火災(zāi)爆炸指數(shù)。

一、物質(zhì)系數(shù)

物質(zhì)系數(shù)：MF

表9—9是由全美消防協(xié)會(NFPA)的易燃性等級(見第二章)及物質(zhì)穩(wěn)定性狀況確定的。二、單元工藝危險系數(shù)

將單元的工藝條件進(jìn)行分類，分別歸入一般工藝危險和特殊工藝危險欄目，求出相應(yīng)的危險系數(shù)。進(jìn)而由一般工藝危險系數(shù)和特殊工藝系數(shù)，可計算出單元工藝危險系數(shù)。一般工藝危險系數(shù)F1與特殊工藝危險系數(shù)F2相乘，便可得到評價單元工藝危險系數(shù)F3，即

F3=F1×F2

三、安全設(shè)施補(bǔ)償系數(shù)

設(shè)計時除了按照有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的安全要求設(shè)計外，還應(yīng)考慮一些專用的安全設(shè)施或設(shè)計以增進(jìn)工藝的安全性。有了這些，工藝危險性可以得到補(bǔ)償而降低。由此引入了補(bǔ)償系數(shù)的概念。補(bǔ)償系數(shù)與附加系數(shù)不同，后者反應(yīng)危險性的增加，而前者是為了抵消危險性。不同安全設(shè)施的補(bǔ)償系數(shù)如表9—13所示。

把評價單元的安全設(shè)施與表9—13對照，即可得到相應(yīng)設(shè)施的補(bǔ)償系數(shù)。把這些補(bǔ)償系數(shù)相乘，即為評價單元的補(bǔ)償系數(shù)

C=C1×C2×C3。四、單元危險與損失評價

單元評價以物質(zhì)系數(shù)MF、單元工藝危險系數(shù)F3及安全設(shè)施補(bǔ)償系數(shù)C共同形成，圖9-3為單元評價程序框圖

由圖9—3可見，火災(zāi)爆炸指數(shù)、單元損害系數(shù)及其以下各項(xiàng)尚待計算出.1．火災(zāi)爆炸指數(shù)和影響區(qū)域的確定

單元工藝危險系數(shù)F3與物質(zhì)系數(shù)MF相乘便可得到單元火災(zāi)爆炸指數(shù)FEI，即

FEI＝F3×MF2．單元損害系數(shù)的確定單元損害系數(shù)由單元工藝危險系數(shù)F3和物質(zhì)系數(shù)MF確定，它表示出了工藝單元中危險物質(zhì)的能量釋放造成的火災(zāi)爆炸事故的全部效應(yīng)。3．各種損失計算(1)基本最大可能財產(chǎn)損失(BaseMPPD)確定了火災(zāi)爆炸影響區(qū)域，即可應(yīng)用該區(qū)域的設(shè)備(包括建筑物)價值及單元損害系數(shù)，計算出基本最大可能財產(chǎn)損失(基本MPPD)。計算公式為

基本MPPD＝0．82×單元損害系數(shù)×影響區(qū)域財產(chǎn)值×價格上漲因素

(2)實(shí)際最大可能財產(chǎn)損失(實(shí)際MPPD)基本MPPD與安全設(shè)施補(bǔ)償系數(shù)相乘，即可計算出實(shí)際MPPD，即實(shí)際MPPD＝基本MPPD×安全設(shè)施補(bǔ)償系數(shù)

(3)最大可能工作日損失(MPDO)和停產(chǎn)損失最大可能工作日損失MPDO可應(yīng)用實(shí)際MPPD由圖9—6查出。由最大可能工作日損失可以估算出停產(chǎn)損失(B1)。BI為

BI＝VPM×(MPDO／30)×0．70

第五節(jié)事故樹分析及其應(yīng)用一、事故樹分析概述1．事故樹分析進(jìn)展

1961年，為了評價民兵式導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的安全，Bell實(shí)驗(yàn)室的Watson首次提出了事故樹分析的概念。

1970年，適于連續(xù)過程的方程開發(fā)成功，加速了事故樹分析應(yīng)用的進(jìn)展。Powers及其同事提出了事故樹的自動生成程序，將其用于化學(xué)加工工業(yè)，并對計算機(jī)輔助事故樹合成作了描述。

2．結(jié)果-原因逆向分析程序事故樹是事故發(fā)展過程的圖樣模型。事故樹分析與事故形成過程方向相反，所以是逆向分析程序。事故樹編程步驟如下：

(1)確定分析系統(tǒng)的頂端事件；

(2)找出頂端事件的各種直接原因，并用“與門”或“或門”與頂端事件連接；

(3)把上一步找出的直接原因作為中間事件，再找出中間事件的直接原因，并用邏輯門與中間事件連接；

(4)反復(fù)重復(fù)步驟(3)，直到找出最基本的原因事件；

(5)繪制事故樹圖并進(jìn)行必要的整理；

(6)確定各原因事件的發(fā)生概率，按邏輯門符號進(jìn)行運(yùn)算，得出頂端事件的發(fā)生概率；

(7)對事故進(jìn)行分析評價，確定改進(jìn)措施。二、事故樹編制

1．事故樹符號事故樹分析符號，是用長方形表示基本事件，即頂端和中間事件(topandmiddleevents)；用圓表示獨(dú)立的不需要展開的事件，即樹或分支的末端事件(endevent)；用尖頂平底內(nèi)有“．”符號的圖形表示與門(andgate)；用尖頂凹(或乎)底內(nèi)有“+”符號的圖形表示或門(orgate)。2．資料準(zhǔn)備對分析系統(tǒng)而言，至少要熟悉系統(tǒng)的流程圖、配管及儀表控制圖，對其中的設(shè)備、介質(zhì)流動、控制系統(tǒng)和傳感器要有清楚地了解。下面是一些必需的資料：

(1)設(shè)備：名稱、功能、常規(guī)操作條件、特性等；

(2)介質(zhì)流動：流動開始和終點(diǎn)設(shè)備、常規(guī)操作條件、特性等；

(3)控制器：名稱、功能、輸入傳感器、控制設(shè)備、模式、形式、特性等；

(4)傳感器：名稱、功能、輸入開始信號、輸出終了信號、形式、特性等；

(5)物料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。3．編樹過程事故樹編制是由結(jié)果向原因的逆向演繹過程。下面以苯硝化制硝基苯工藝中的熱硝酸冷卻過程為例進(jìn)行說明。硝酸溫度過高會造成苯的劇烈硝化反應(yīng)。所以把去反應(yīng)器前的硝酸溫度偏高作為頂端事件。熱硝酸冷卻流程如圖9—7所示。

三、事故樹實(shí)例1．環(huán)氧乙烷合成爆炸事故樹圖

(1)工藝流程簡述原料乙烯、純氧和循環(huán)氣經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入列管式固定床反應(yīng)器，乙烯在銀觸媒下選擇氧化生成環(huán)氧乙烷；副反應(yīng)是乙烯深度氧化生成二氧化碳。反應(yīng)氣經(jīng)熱交換器冷卻后進(jìn)入環(huán)氧乙烷吸收塔，用循環(huán)水噴淋洗滌，吸收環(huán)氧乙烷。未被吸收的氣體經(jīng)二氧化碳吸收塔除去副反應(yīng)生成的二氧化碳后，再經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)返回氧化反應(yīng)器。環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝流程簡圖如圖9—9所示。(2)工藝條件及危險因素反應(yīng)溫度環(huán)氧乙烷合成和副反應(yīng)都是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度通常控制在220～280℃。反應(yīng)溫度較高時，易使環(huán)氧乙烷選擇性降低，副反應(yīng)增加。反應(yīng)壓力環(huán)氧乙烷合成過程，主反應(yīng)體積減小，而副反應(yīng)體積不變。所以可加壓操作，加快主反應(yīng)速度，提高收率。但壓力過高，易產(chǎn)生環(huán)氧乙烷聚合及催化劑表面積炭，影響催化劑壽命。操作壓力通常為1～3MPa。原料配比乙烯在氧氣中的爆炸極限為2．9％～79．9％，混合氣中氧的最大安全含量(體積分?jǐn)?shù))為10．6％。在原料氣中，一般乙烯含量(體積分?jǐn)?shù))為12％～30％，氧的含量(體積分?jǐn)?shù))不大于10％，其余為二氧化碳和惰性氣體。由上述情況可以看出，環(huán)氧乙烷生產(chǎn)過程中發(fā)生爆炸的主要危險是發(fā)生異?；瘜W(xué)反應(yīng)，超過設(shè)備壓力允許范圍引起的。

四、事故樹分析與計算

在事故樹中，如果所有的基本事件都發(fā)生，則頂端事件必然發(fā)生。但是在多數(shù)情況下，只要某個或某幾個基