流程行業安全事故致因對應分析及監控策略

鐘化雨,張 偉,師玉棟,趙挺生

(華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

流程行業生產過程普遍具有規模大、過程長、工序多等特點,生產運行中涉及的原料生產和工藝等方面存在諸多安全隱患。以化工行業為例,企業儲存和加工的化學品大都具有有毒有害、易燃易爆的性質,極易引發安全事故。與前幾十年相比,全球處理危險化工產品的工廠數量在大幅增加[1],流程行業的安全生產形勢仍面臨著嚴峻的挑戰。因此,有必要識別出流程行業安全事故致因,并提出對應的監控方案,以減少行業內安全生產事故的發生。

安全生產是不容忽視的一個問題,國內外學者針對工業安全事故進行了多方面的研究,其主要集中在事故致因分析、事故演化路徑的確定、事故后果模擬和事故風險評價四個方面。在事故致因分析方面:Chen等[2]搜集并統計了212起石油化工企業事故,結果表明人員的違規行為、智力限制、監管不足和安全文化不足是最重要的事故致因;Dong等[3]對引發電力安全事故的各個致因因素進行了灰色關聯分析,為電力事故的預防提供了依據。在事故演化路徑的研究方面:岳文靜等[4]實現了氣體泄漏事故的動態推演,并找出了事故推演過程中的關鍵節點,以快速應對化工園區氣體泄漏事故;Huang等[5]提出了事故多米諾效應的動態演化模型,并將其用于獲取化工園區風險演變路徑、演變時間等參數。為了確定事故的嚴重程度:Zhao等[6]識別了中國2006至2017年間引發鋼鐵行業鋼包傾翻事故的致因因素,并通過模擬事故獲得了不同鋼包高度傾覆條件下的最大風險半徑回歸線,為預防鋼鐵及相關行業的事故提供了依據;Tauseef等[7]開發了一種新的化學事故模擬工具,該工具可以模擬化學流程工業不同類型的火災和爆炸場景,評估此類事故可能的后果。在事故預防方面:Phimister等[8]基于對20家化學制藥企業的100多次訪談,制定了一個能分析企業未遂事件的“七階段”管理框架,包括識別、報告、確定優先級、分析原因、制定解決方案、應急處理和解決問題階段;Shin等[9]基于現有的化工企業信息確定了韓國化學事故風險指數,以作為初步篩選和管理化學事故高風險企業的工具。

總體而言,已有研究為流程行業事故致因分析提供了基礎,但大多數研究只針對單一致因或單一行業進行分析,缺少系統性,未考慮致因因素間的關聯與共同作用,也未將致因體系拓展至其他流程型的行業?；诖?本文依據所搜集的398份覆蓋電力、化工、鋼鐵、石油、制藥5個流程行業的生產安全事故調查報告,采用系統分析、對應分析和案例分析相結合的方法構建流程行業安全事故致因系統,分析致因因素間的相關性,并通過案例驗證結果的合理性,提出有針對性的監控方案,以為相關企業事故的預防提供依據。

1 研究方法

1.1 系統分析

在安全科學領域,普遍需要采用系統思維的方法來理解事故發生的原因,以預防事故的發生[10]。系統思維的分析方法是將事故的發生視為因社會系統中多個層面因素沖突而引發的緊急狀況[11]。用此分析方法可以揭示引發事故的多層次因素,以“系統-子系統-因素”的結構對致因系統進行分解,進而構建流程行業安全事故致因系統。

1.2 對應分析

對應分析是一種統計技術,以列聯表的形式輸入數據,所得的結果以散點圖的形式呈現出來[12]。利用SPSS軟件對流程行業安全事故的3組變量開展對應分析,可確定出某一特定變量與特定致因因素之間的相關性。

1.3 案例分析

案例分析法被廣泛應用于建筑、化工和道路交通等行業的事故分析研究中,它可以在所搜集到的相關資料或已有理論的基礎上,對理論進行闡釋以及應用[13]。本研究選擇臨沂金譽石化有限公司“6·5”罐車泄漏重大爆炸著火事故進行案例分析,通過事故調查報告確定該事故的直接原因和間接原因,基于流程行業安全事故致因系統細化此事故原因,并與對應分析的結果進行比較,以驗證所構建的事故致因系統和對應分析結果的可靠性。

2 基于系統思維的流程行業安全事故致因分解

2.1 流程行業安全事故致因的系統層次

流程行業通常以批量或連續的方式進行生產,產出物料的數量及質量可能受到人員技術水平、工藝條件、環境等多種因素的影響,其事故的發生不是單一因素造成的。從系統思維的角度上來看,流程行業事故致因可以被視為一個系統,依據事故致因2-4模型[14]、STAMP(systems-theoretic accident modeling and process)模型[15]、4M1E模型等理論,綜合分析人、機、物、法、環五個要素,將該系統分解為人因子系統(human subsystem,H)、設備子系統(equipment subsystem,EQ)、環境子系統(environment subsystem,EN)和控制方法子系統(control method subsystem,CM)。

1) 人因子系統(H)。人的不安全行為通常與事故的發生有著直接的聯系,安全事故預防的重點在于人[16]。該子系統涉及的致因因素包括一線的操作人員、現場的安全管理人員、企業的高層管理者或是社會層面的監管部門人員對安全生產的態度與行為。

2) 設備子系統(EQ)。安全事故預防的重點也在于保證現場生產設備的正常運行,由于流程行業生產的連續性,設備的異常狀態很容易引發安全事故。設備子系統就是生產過程中整個機械設備或局部物件所組成的系統。

3) 環境子系統(EN)。環境子系統中包括當天的大氣環境、人和物所處的現場環境,尤其要重視有毒有害與易燃易爆氣體的泄漏,氣體濃度過高會影響人與物的狀態,從而導致事故的發生。

4) 控制方法子系統(CM)?？刂品椒ㄗ酉到y是最后一個子系統,它涉及與技術方案、危險源識別及處理相關的所有問題。

2.2 流程行業安全事故致因的主要因素

事故致因系統結構的建立是子系統進一步分解的基礎,考慮到事故致因系統所涉及的要素,需要先對各子系統做一次初步分解。本文提取搜集的398份流程行業安全事故報告中的直接原因和間接原因,與初步清單進行對比和整合,確定出流程行業事故致因系統4個子系統中的22個致因因素,如表1所示。

表1 流程行業安全事故致因系統的子系統和致因因素

3 流程行業安全事故致因的對應分析

3.1 基本信息

從國家應急管理部以及各省市應急管理局的官網上搜集到2000年至2022年我國流程行業安全事故調查報告398份,覆蓋了電力、化工、鋼鐵、石油、制藥5個流程行業的生產安全事故。其中,鋼鐵行業的生產安全事故數量占比最大達52.51%,位列第二的是化工行業,其占比達20.60%,而電力、石油、制藥行業的生產安全事故數量占比均較小。搜集到的安全事故絕大部分是一般事故和較大事故,重大及以上事故僅有21起,占比為5.28%。根據流程行業生產安全事故的特點以及所搜集到的事故調查報告,本文所研究的398起安全事故的類型包括高空墜落、物體打擊、機械傷害、爆炸、起重傷害、中毒窒息、灼燙、車輛傷害、火災、坍塌、觸電、淹溺和其他。其中,爆炸和中毒窒息事故數量的占比均超過了事故總數的20%,其次是高空墜落、機械傷害、火災事故,其數量占比也相對較高,上述5種類型的事故數量之和占事故總數的75.88%。

統計398起流程行業安全事故中所包含的事故致因因素,可以揭示以下變量之間的相關性:①事故等級與事故致因;②事故類型與事故致因;③事故發生行業與事故致因。由于流程行業安全事故等級中重大與特大事故數量的占比均較少,為了保證數據的均衡性,本次分析中將兩者合為“重大及特大事故”這一等級。同理,事故類型中將物體打擊、起重傷害、灼燙、車輛傷害、坍塌、觸電、淹溺與其他事故合并為“其他”。

由搜集到的流程行業安全事故調查報告可知,幾乎每起生產安全事故的發生都與控制方法子系統中的致因因素相關,為了得到更有意義的結果,本研究在對應分析中將控制方法子系統作為輔助子系統,該子系統的致因因素與人因、設備、環境子系統中的致因因素間接相關,存在一定的重疊,因此將控制方法子系統中的4個因素不計入對應分析列聯表的致因中。

3.2 事故等級與致因因素的對應分析

對應分析以圖形形式來描述構成列聯表的變量之間的關聯。但對應分析的降維過程可能會使得一部分信息丟失,一般兩個維度攜帶的信息占總信息量的比例用慣量(度量行列變量關聯的強度)的比例來表示[17],慣量越大代表所丟失的信息越少。變量間的相關性在二維散點圖中主要通過兩個相應點之間的位置關系來顯示:兩點之間的距離越小,其相關性越強;分別連接兩點到原點作射線,兩線間的夾角為銳角且夾角越小,則兩點間的相關性越強。

事故等級與事故致因這對變量的列聯表如圖1(a)所示,表中的數字是不同等級事故中出現的不同致因因素的頻數,398起安全事故中統計出來的事故致因因素總數為986。圖1(b)顯示了基于上述列聯表的對應分析二維散點圖,兩個維度慣量的比例累計達到了100%,說明此次對應分析的降維過程沒有丟失數據,獲得的變量間相關性信息是可靠的,其中具有相關關系的變量在圖中用圓圈出。

圖1 事故等級與事故致因的列聯表和二維散點圖Fig.1 Contingency table and 2-D scatter plot of accident level and accident cause

圖1(b)中展示了3種相關關系:一般事故與安全防護、安全意識;較大事故與有毒氣體、沖料現象、連接故障;重大及特大事故與電火花、環境溫度、原料控制。這意味著安全防護和安全意識較其他致因因素而言更易導致一般事故的發生,且這兩個致因因素之間具有相關性。由于安全意識淡薄,工人可能會違規進入危險區域,而管理人員可能在安全監督管理工作上有疏漏,結合人員傷亡和財產損失情況來看,更大概率會引發一般事故。同樣,有毒氣體、沖料現象和連接故障這3個致因因素之間有聯系。由于設備內部爆沸發生沖料或是設備的連接不緊密會導致物料的溢出,通常會引發較大事故的發生。此外,還發現電火花、環境溫度和原料控制都會導致火災爆炸事故,其影響范圍大,可能會引發重大及特大事故。

3.3 事故類型與致因因素的對應分析

事故類型與事故致因這對變量的對應分析結果如圖2所示,其中圖2(b)顯示兩個維度慣量的比例累計為90.9%,說明從對應分析中獲得的變量間相關性信息能較好地反映實際情況。同理,圖2(b)中展示了兩種相關關系:火災與環境溫度;爆炸與沖料現象、設備堵塞、可燃氣體、電火花。這意味著環境溫度的失控更可能導致火災事故的發生。同樣,設備堵塞可能會導致沖料,而可燃氣體與其高速沖出產生的電火花作用會引起爆炸事故,所以爆炸事故通常由這幾個因素引發。

圖2 事故類型與事故致因的列聯表和二維散點圖Fig.2 Contingency table and 2-D scatter plot of accident type and accident cause

3.4 事故發生行業與致因因素的對應分析

事故發生行業與事故致因這對變量的對應分析結果如圖3所示,其中圖3(b)顯示兩個維度慣量的比例累計為92.1%,說明對應分析結果也能較好地反映實際相關性,并可以確定石油行業的生產安全事故更可能由電火花和可燃氣體引發。由于石油行業中所處理的物料大多具有易燃易爆的性質,所以要格外注意在作業現場需要消除電火花;制藥行業事故與設備振動之間具有相關性;而電力行業事故與安全防護之間有強相關性,與破損裂縫之間也具有相關性;鋼鐵行業事故與設備操作之間具有相關性;此外,與其他致因因素相比,與化工行業事故相關的致因因素有設備堵塞、連接故障和電路故障,可能會出現安全閥失效引起堵塞、設備連接不緊密泄漏有毒有害氣體、突然停電無法控制反應器內溫度等情況,最終引發安全事故。

圖3 事故發生行業與事故致因的列聯表和二維散點圖Fig.3 Contingency table and 2-D scatter plot of accident occurred industry and accident cause

3.5 流程行業安全事故對應分析的主要結論

基于上述對應分析,可得到3組變量各致因因素之間以及致因因素內部的相關性分析結果(表2),并得到以下結論:

表2 流程行業安全事故致因因素的對應分析結果

1) 為了減少重大及特大事故的發生,企業在制定監控方案時應特別注意電火花產生、環境溫度異常及設備投料誤操作等危險因素,并在對從業人員進行安全培訓教育時需要強調禁止擅自改變加料速度。

2) 為了減少流程行業中常見的爆炸事故的發生,企業管理者需要更加關注設備子系統中的致因因素,尤其是要避免產生電火花或發生設備堵塞、沖料現象。

3) 與5個行業生產安全事故相關性最強的是設備子系統中的致因因素,其次是人因子系統中的致因因素,這同樣說明設備子系統是安全管理工作的重點。但需要注意的是,石油行業相關致因因素電火花與可燃氣體易引發爆炸事故,且電火花與重大及特大事故相關,事故后果嚴重,作業現場應盡量避免產生電火花。

4 案例分析與監控方案

4.1 案例概況與事故致因因素分析

2017年6月5日,臨沂金譽石化有限公司儲運部裝卸區的一輛液化石油氣運輸罐車在卸車作業過程中發生泄漏,引起重大爆炸著火事故,事故造成10死9傷,直接經濟損失為4 468萬元。

依據《臨沂金譽石化有限公司 “6·5”罐車泄漏重大爆炸著火事故調查報告》,該事故的直接原因是肇事罐車駕駛員在裝卸區未能可靠連接接口與罐車液相卸料管,造成罐體內液化氣大量泄漏,且由于現場人員未能及時有效處理,導致泄漏后的液化氣與空氣形成爆炸性混合氣體達到爆炸極限,遇電火花發生爆炸燃燒,并先后導致泄漏車輛罐體、區域內其他運輸車輛罐體發生爆炸。依據該事故調查報告中提及的直接原因和間接原因,并結合所構建的流程行業安全事故致因系統識別此次事故發生的致因因素,如表3所示。

表3 臨沂金譽石化有限公司“6·5”罐車泄漏重大爆炸著火事故致因因素的識別與說明

由表3可知:流程行業安全事故致因系統的4個子系統、11個致因因素在此事故中均有涉及,這說明流程行業安全事故致因系統所劃分的子系統與致因因素具有典型性;另外,從事故致因對應分析的結果來看,與石油行業最相關的致因因素可燃氣體、電火花在本事故中均是主要致因因素,兩者與爆炸事故相關,且電火花更易導致重大及特大事故的發生,與本事故實際情況相符。

4.2 監控方案

根據對應分析的結果可以確定需要重點監測的致因因素有電火花、環境溫度、原料控制、沖料現象、設備堵塞和可燃氣體。相應的安全管理監控方案如圖4所示。

圖4 流程行業安全管理監控方案Fig.4 Safety management monitoring scheme in process industry plant

由圖4可以看出:

1) 在人因子系統中,由于一線操作人員的不安全行為需要安全管理人員來現場進行糾正,由上述案例分析可知可能存在糾正不及時、檢查不全面的問題,因此可以在現場以全覆蓋視頻監控的方式對現場工人作業行為進行監測,以降低作業人員習慣性違章操作率,并針對作業人員原料控制失誤這一需重點關注的致因因素,可以在設備投料口裝上液位計、流量計等來輔助控制作業人員投料量。

2) 在設備子系統中,作業現場一般傳統做法是需要巡檢人員依靠個人經驗來判斷設備是否出現異常,因此存在判斷不準確、效率低的問題,這同樣可以利用傳感器來監測設備的異常狀態,例如針對本案例中設備的連接故障可以通過開關傳感器來感知。應力傳感器可以用來檢測機器內部的異常壓力,以解決設備堵塞和沖料現象等問題。為了避免可能引起火災的電火花,需不斷監測靜電導體和大地之間的漏電電阻,并在生產過程的設計中要控制物料流動的速度。對于設備的振動、傾斜和破損裂縫等問題,可以通過使用加速度傳感器、傾角傳感器等元件進行監測,實現故障報警,使設備在良好的狀態下運行。

3) 為了使人員和設備處于安全穩定的環境下,需要在現場布設溫度、濕度、壓強等多合一傳感器和風力風向傳感器。由于爆炸和中毒窒息是流程行業生產過程中最常見的事故類型,還應在現場增設有毒有害氣體傳感器和易燃易爆氣體傳感器。

4) 控制方法子系統作為輔助子系統,在制定和執行技術方案之前就應該預先識別危險源,并在安全檢查和隱患治理方面,利用信息化的手段實現對人和設備的實時監控并預警。此外,應預先編制中毒窒息、火災爆炸等事故應對的措施,編制停水停電等突發狀況的應急預案,并配備應急救援物資,從而提升生產安全事故突發狀況下的應急救援能力。

5 結 論

本文采用系統思維和對應分析相結合的方法,構建了流程行業安全事故致因系統,確定了3組變量之間的相關性,得到的主要結論如下:

1) 搜集并整理了398起5類典型流程行業的安全事故,建立了流程行業安全事故致因系統,并將流程行業事故致因視為一個系統,利用系統思維將其分成人因子系統(H)、設備子系統(EQ)、環境子系統(EN)和控制方法子系統(CM)4個子系統,這4個子系統可以進一步分解成與流程行業安全生產事故相關的22個致因因素。

2) 通過事故致因對應分析確定了事故等級與事故致因、事故類型與事故致因、事故發生行業與事故致因3組變量之間明確的相關性,有助于確定與特定變量相關性最大的致因因素。對應分析結果表明:為了預防重大及以上事故的發生,應特別注意電火花、環境溫度和設備進料等危險源;沖料現象、設備堵塞、可燃氣體、電火花與爆炸事故有較強的相關性,為了減少流程行業生產過程中頻發的爆炸事故,有關單位應加強對設備子系統中致因因素的安全檢查。各流程行業的生產安全事故更可能由設備和人因子系統中的致因因素引發。

3) 依據系統思維、對應分析和案例分析的結果提出了一套面向流程行業生產場景的安全管理監控方案,主要使用視頻監控來監測人的不安全行為,采用布設傳感器的方式來監測設備子系統和環境子系統的異常狀態,并實時預警,及時反饋到控制方法子系統中,為流程行業生產的安全管理提供依據。