礦山安全工程 第4章

第四章

系統(tǒng)安全分析與評(píng)價(jià)

4.1系統(tǒng)安全分析

系統(tǒng)安全分析從安全角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的分析，它通過(guò)揭示系統(tǒng)中可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障或事故的各種因素及其相互關(guān)聯(lián)來(lái)辨識(shí)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源，以便采取措施消除或控制它們。系統(tǒng)安全分析是系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，定量的系統(tǒng)安全分析是定量的系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。4.1.1系統(tǒng)安全分析方法預(yù)先危害分析(PHA)故障類型和影響分析(FMEA)

魚刺圖分析事件樹分析(ETA)

故障樹分析(FTA)

1.預(yù)先危害分析

在一項(xiàng)工程開始之前的方案選擇、初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的初步系統(tǒng)安全分析，它為以后的更詳細(xì)的系統(tǒng)安全分析奠定基礎(chǔ)。首先利用安全檢查表、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)判斷查明重大的危險(xiǎn)源存在的部位，然后識(shí)別使其發(fā)展為不安全狀態(tài)的觸發(fā)因素，研究由危險(xiǎn)狀態(tài)演變?yōu)槭鹿实谋匾獥l件，以及事故的危險(xiǎn)性等級(jí)等，并且進(jìn)一步研究防止可能發(fā)生事故的方法及其效果。2.故障類型和影響分析

系統(tǒng)的組成部分或元素在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生故障，并且往往可能發(fā)生不同類型的故障不同類型的故障對(duì)系統(tǒng)的影響是不同的。首先找出系統(tǒng)中各組成部分及元素可能發(fā)生的故障及其類型，查明各種類型故障對(duì)鄰近部分或元素的影響以及最終對(duì)系統(tǒng)的影響，然后提出避免或減少這些影響的措施。儲(chǔ)氣罐元素的故障類型和影響分析

元素故障類型故障的影響故障原因故障的識(shí)別校正措施儲(chǔ)氣罐罐體輕微漏氣能耗增加接口不嚴(yán)漏氣噪聲，空壓機(jī)頻繁打壓加強(qiáng)維修保養(yǎng)嚴(yán)重漏氣壓力迅速下降焊縫有裂隙壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理破裂壓力迅速下降損傷周圍設(shè)備人員材料缺陷受沖擊等壓力表度數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理安全閥漏氣能耗增加彈簧疲勞漏氣噪聲，空壓機(jī)頻繁打壓加強(qiáng)維修保養(yǎng)誤開啟壓力迅速下降彈簧折斷壓力表度數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理不開啟超壓時(shí)失去功能，儲(chǔ)氣罐內(nèi)超壓銹蝕，污物調(diào)節(jié)錯(cuò)誤無(wú)，只有在檢驗(yàn)安全閥時(shí)發(fā)現(xiàn)3.魚刺圖分析利用形狀象魚骨架的魚刺圖進(jìn)行的系統(tǒng)安全分析方法。它用于事故或重大故障的原因分析，是一種演繹的分析方法。魚刺圖又稱因果分析圖，其主干的右端(相當(dāng)于魚頭)為被分析的事件；在主干的兩側(cè)排列若干條主刺，分別代表造成被分析事件發(fā)生的直接原因或主要原因類別；由主刺兩側(cè)分支出來(lái)的細(xì)刺代表造成直接原因的間接原因，或?qū)儆谀持饕蝾悇e的諸原因。根據(jù)需要，細(xì)刺的兩側(cè)還可以分支出更細(xì)的刺，用以表示更進(jìn)一步的原因。

魚刺圖分析

4.1.2事件樹分析

事件樹是一種按時(shí)間順序描述事故或故障發(fā)生發(fā)展過(guò)程中各種事件之間相互關(guān)系的樹圖。事件樹是由決策樹演化而來(lái)的，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是概率論中的馬爾可夫過(guò)程。編制事件樹

從導(dǎo)致被分析事件發(fā)生的最初始的事件開始。按每一事件發(fā)生后安全功能可能成功或失敗，會(huì)產(chǎn)生兩種對(duì)立結(jié)果事件(安全或危險(xiǎn)等)的途徑之一發(fā)展的規(guī)則，自左至右，把成功的、結(jié)果好的分支畫在上面，把失敗的、結(jié)果不好的分支畫在下面，一步步地展示故障或事故的發(fā)展過(guò)程，直到最終系統(tǒng)故障或傷害事件為止，做成事件樹?！芭潘收稀笔录?/p>

露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析

某露天礦鐵路運(yùn)輸過(guò)程中，一列上坡行駛的列車的尾車連結(jié)器鉤舌斷裂，造成尾車沿披道下滑。由于調(diào)車員沒有及時(shí)采取制止車輛下滑措施，車速不斷增加。當(dāng)尾車滑行列135站時(shí)，該站運(yùn)轉(zhuǎn)員錯(cuò)誤地將車放人上線。尾車進(jìn)入上線后繼續(xù)滑行，經(jīng)過(guò)ll7站時(shí)該站運(yùn)轉(zhuǎn)員束手無(wú)策。結(jié)果，尾車與前方的檢修車、移道機(jī)相撞，造成多人傷亡的事故。露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析選擇斷鉤跑車為初始事件，針對(duì)該初始事件有三種安全功能：調(diào)車員采取制動(dòng)措施；

135站運(yùn)轉(zhuǎn)員將尾車放人安全線；

117站運(yùn)轉(zhuǎn)員將尾車放入安全線。露天礦斷鉤跑車事故的事件樹分析

調(diào)車員采取制動(dòng)措施安全斷鉤跑車135站運(yùn)轉(zhuǎn)員措施正確安全

117站運(yùn)轉(zhuǎn)員采取措施安全調(diào)車員沒采取措施

135站措施錯(cuò)誤

117站沒采取措施事故4.2系統(tǒng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.2.1系統(tǒng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)原理及方法

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中存在的危險(xiǎn)源及其控制措施的評(píng)價(jià)客觀地描述系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度，從而指導(dǎo)人們先行采取措施降低系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。系統(tǒng)危險(xiǎn)性包括系統(tǒng)中存在的危險(xiǎn)源導(dǎo)致事故的可能性及危險(xiǎn)嚴(yán)重程度兩個(gè)方面。危險(xiǎn)嚴(yán)重程度是對(duì)某種危險(xiǎn)源導(dǎo)致事故所產(chǎn)生的最壞結(jié)果的評(píng)價(jià)，可以用人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失或設(shè)備損壞的最嚴(yán)重程度來(lái)度量。在涉及人員傷害時(shí)，常用傷害嚴(yán)重度來(lái)表示危險(xiǎn)嚴(yán)重程度。

系統(tǒng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法相對(duì)的評(píng)價(jià)法和概率的評(píng)價(jià)法。相對(duì)的評(píng)價(jià)法：(1)利用安全系數(shù)或安全余裕來(lái)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)性。(2)根據(jù)同類系統(tǒng)或類似系統(tǒng)以往的事故經(jīng)驗(yàn)指定分類等級(jí)。(3)評(píng)價(jià)者根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和自己的見解指定一系列數(shù)值基準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)危險(xiǎn)性。危險(xiǎn)性矩陣MIL-STD-882D

概率等級(jí)

嚴(yán)重度等級(jí)I致命的II危險(xiǎn)的III臨界的IV可忽略的(A)經(jīng)常13713(B)可能25916(C)偶而461118(D)稀少8101419(E)不可能121517204.2.2生產(chǎn)作業(yè)條件的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

以被評(píng)價(jià)的作業(yè)條件與某些作為參考基準(zhǔn)的作業(yè)條件之對(duì)比為基礎(chǔ)，指定各種評(píng)價(jià)因素以一定分?jǐn)?shù)，最后按總的危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性。L—事故發(fā)生可能性分?jǐn)?shù)

分?jǐn)?shù)值事故發(fā)生可能性

10完全會(huì)被預(yù)料到

6相當(dāng)可能

3不經(jīng)常，但可能

1完全意外，極少可能

0.5可以設(shè)想，但高度不可能

0.2極不可能

0.1實(shí)際上不可能E—人員暴露情況分?jǐn)?shù)

分?jǐn)?shù)值暴露于危險(xiǎn)環(huán)境情況

10連續(xù)暴露于潛在危險(xiǎn)環(huán)境

5逐日在工作時(shí)間內(nèi)暴露

3每周一次或偶然地暴露

2每月暴露一次

1每年幾次出現(xiàn)在潛在危險(xiǎn)環(huán)境

0.5非常罕見地暴露C—危險(xiǎn)嚴(yán)重程度分?jǐn)?shù)

分?jǐn)?shù)值可能結(jié)果

100許多人死亡

40數(shù)人死亡

15一人死亡

7嚴(yán)重傷害

3致殘

1需要治療危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分?jǐn)?shù)值危險(xiǎn)程度＞320極其危險(xiǎn)，不能繼續(xù)作業(yè)160~320高度危險(xiǎn)，需要立即整改

70~160顯著危險(xiǎn)，需要整改

20~70比較危險(xiǎn)，需要注意＜20稍有危險(xiǎn)，或許可被接受例

工人每天都操作一臺(tái)沒有安全防護(hù)裝置的機(jī)械，有時(shí)不注意會(huì)把手?jǐn)D傷，過(guò)去曾發(fā)生過(guò)造成一只手致殘的事故。事故發(fā)生的可能性：“相當(dāng)可能發(fā)生”，L=6；工人每天都在這樣的條件下操作，E=6；可能結(jié)果：“致殘”，C=3。危險(xiǎn)性分?jǐn)?shù)：R=6×6×3=108顯著危險(xiǎn)，需要整改。

危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)諾模圖

4.2.3概率危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

以某種傷亡事故或財(cái)產(chǎn)損失事故的發(fā)生概率為基礎(chǔ)進(jìn)行的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。一種定量的評(píng)價(jià)方法，以危險(xiǎn)度作為危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)：危險(xiǎn)度=事故發(fā)生概率×后果嚴(yán)重度概率危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

危險(xiǎn)度(每人每年死亡概率)可比事件危險(xiǎn)程度對(duì)策10-3疾病死亡特別高立即采取對(duì)策10-4中等必須采取對(duì)策10-5游泳溺水一般采取措施10-6地震、天災(zāi)很小注意預(yù)防10-7~10-8隕石傷人極小注意預(yù)防4.3故障樹分析

故障樹分析

從特定的故障事件(或事故)開始，利用故障樹考察可能引起該事件發(fā)生的各種原因事件及其相互關(guān)系的系統(tǒng)安全分析方法。本來(lái)是一種復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析方法。故障樹是演繹地表示故障事件發(fā)生原因及其邏輯關(guān)系的邏輯樹圖。因其形狀像一棵倒置的樹，并且其中的事件一般地都是故障事件，故而得名。4.3.1故障樹中的事件及其符號(hào)在故障樹中，事件間的關(guān)系是因果關(guān)系或邏輯關(guān)系，用邏輯門來(lái)表示。以邏輯門為中心，上一層事件是下一層事件產(chǎn)生的結(jié)果，稱為輸出事件；下一層事件是上一層事件的原因，稱為輸入事件。故障樹中的事件及其符號(hào)頂事件：被分析對(duì)象的特定故障事件，被畫在故障樹的頂端?；臼录簩?dǎo)致頂事件發(fā)生的最初始的原因事件，位于故障樹下部的各分支的終端。中間事件：處于頂事件與基本事件中間的事件，它們是造成頂事件的原因，又是基本事件產(chǎn)生的結(jié)果。

故障樹的事件符號(hào)

4.3.2邏輯門及其符號(hào)

邏輯與門：全部輸人事件都出現(xiàn)時(shí)輸出事件出現(xiàn)，只要有一個(gè)輸入事件不出現(xiàn)則輸出事件就不出現(xiàn)。邏輯或門：只要有一個(gè)或一個(gè)以上輸入事件出現(xiàn)則輸出事件就出現(xiàn)，只有全部輸入事件都不出現(xiàn)則輸出事件才不出現(xiàn)?？刂崎T：當(dāng)滿足輸入事件的發(fā)生條件時(shí)輸出事件才出現(xiàn)，如果不滿足輸入事件發(fā)生條件時(shí)、則不產(chǎn)生輸出。條件門：把邏輯與門或邏輯或門與條件事件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成附有各種條件的邏輯門。

邏輯門符號(hào)

4.3.3故障樹的編制

目的在于找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部基本事件，弄清它們與頂事件之間的關(guān)系。

確定頂事件：選擇對(duì)系統(tǒng)有重大影響的故障事件或后果嚴(yán)重的事故為頂事件。找出造成頂事件發(fā)生的直接原因，并用恰當(dāng)?shù)倪壿嬮T把這些作為原因的事件與頂事件聯(lián)結(jié)起來(lái)。自上而下依次畫出各故障事件的原因事件，直到找出全部基本事件為止?！芭潘收稀惫收蠘?/p>

4.4

故障樹的數(shù)學(xué)表達(dá)

4.4.1布爾代數(shù)及邏輯運(yùn)算

邏輯和運(yùn)算：對(duì)應(yīng)于集合的“并”，記為“∪”或“＋”；對(duì)應(yīng)于故障樹中的邏輯或門。邏輯積運(yùn)算：對(duì)應(yīng)于集合的“交”，記為“∩”或“·”；對(duì)應(yīng)于故障樹中的邏輯與門。布爾代數(shù)的主要運(yùn)算法則

冪等法則

交換法則

結(jié)合法則

分配法則

布爾代數(shù)的主要運(yùn)算法則

吸收法則

對(duì)偶法則

4.4.2故障樹的布爾表達(dá)式把故障樹中連結(jié)各事件的邏輯門用相應(yīng)的布爾代數(shù)邏輯運(yùn)算表現(xiàn)，就得到了故障樹的布爾表達(dá)式。一般地，可以自上而下將故障樹逐步展開，得到其布爾表達(dá)式。故障樹的布爾表達(dá)式

計(jì)算頂事件發(fā)生概率

事件邏輯積的概率事件邏輯和的概率

概率函數(shù)

故障樹的布爾表達(dá)式故障樹的概率函數(shù)

4.4.3故障樹化簡(jiǎn)在同一故障樹中，如果相同的基本事件在不同的位置上出現(xiàn)時(shí)，需要考慮故障樹中是否有多余的事件必須除掉.基本原理：布爾代數(shù)的冪等法則和吸收法則

故障樹化簡(jiǎn)

（分配法則）（冪等法則）（吸收法則）4.5故障樹定性與定量分析故障樹定性分析：編制故障樹，找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的全部基本事件，求出最小割集合與徑集合，確定各基本事件的重要度，為采取措施防止頂事件發(fā)生提供依據(jù)。故障樹定量分析：計(jì)算頂事件發(fā)生概率，為概率危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。4.5.1最小割集合與最小徑集合

割集合：能使頂事件發(fā)生的基本事件集合。最小割集合：其中任一基本事件不發(fā)生就會(huì)造成頂事件不發(fā)生，即割集合中包含的基本事件對(duì)引起頂事件發(fā)生不但充分而且必要。對(duì)于事故原因分析故障樹，最小割集合表明哪些基本事件組合在一起發(fā)生可以使頂事件發(fā)生，為人們指明事故發(fā)生模式。

最小割集合與最小徑集合徑集合：其中的基本事件都不發(fā)生就能保證頂事件不發(fā)生的基本事件集合。最小徑集合：其中包含的基本事件不發(fā)生對(duì)保證頂事件不發(fā)生不但充分而且必要。對(duì)于事故原因分析故障樹，它指明應(yīng)該如何采取措施防止事故發(fā)生。

最小割集合求法

通過(guò)觀察可以直接找出簡(jiǎn)單故障樹的最小割集合。

最小割集合求法把布爾表達(dá)式變換成基本事件邏輯積的邏輯和的形式，則邏輯積項(xiàng)包含的基本事件構(gòu)成割集合；進(jìn)一步應(yīng)用冪等法則和吸收法則整理，得到最小割集合。

最小割集合求法

最小徑集合求法

根據(jù)布爾代數(shù)的對(duì)偶法則

把故障樹中故障事件用其對(duì)立的非故障事件代替，把邏輯與門用邏輯或門、邏輯或門用邏輯與門代替，便得到了與原來(lái)故障樹對(duì)偶的成功樹。求出成功樹的最小割集合，就得到了原故障樹的最小徑集合。

最小徑集合求法

4.5.2基本事件重要度在故障樹分析中，用基本事件重要度來(lái)衡量某一基本事件對(duì)頂事件影響的大小。結(jié)構(gòu)重要度

概率重要度臨界重要度

1.結(jié)構(gòu)重要度

基本事件的結(jié)構(gòu)重要度取決于它們?cè)诠收蠘浣Y(jié)構(gòu)中的位置?？梢愿鶕?jù)基本事件在故障樹最小割集合(或最小徑集合)中出現(xiàn)的情況，評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)重要度：在由較少基本事件組成的最小割集合中出現(xiàn)的基本事件，其結(jié)構(gòu)重要度較大；在不同最小割集合中出現(xiàn)次數(shù)多的基本事件，其結(jié)構(gòu)重要度較大。結(jié)構(gòu)重要度

第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：k——故障樹包含的最小割集合數(shù)目；m——包含第i個(gè)基本事件的最小割集合數(shù)目；Ri——包含第i個(gè)基本事件的第j個(gè)最小割集合中基本事件的數(shù)目。

結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度次序：最小割集合：結(jié)構(gòu)函數(shù)：2.概率重要度

g(q)——故障樹的概率函數(shù)；qi——第i個(gè)基本事件的發(fā)生概率。

2.概率重要度

故障樹的概率函數(shù)為：

假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率為q1=0.01，q2=0.02，q3=0.03，q4=0.04，q5=0.05?；臼录1的概率重要度

概率重要度Ig(2)=0.02Ig(3)=0.049Ig(4)=0.031Ig(5)=0.01概率重要度次序Ig(1)＞

Ig(3)

＞Ig(4)＞

Ig(5)＞

Ig(2)3.臨界重要度