高校涉气类实验室电气安全风险评估

裴晓东, 陈树亮, 李增华, 何书建, 朱建云

(1. 中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州,221116；2. 中国矿业大学 安全工程省级实验教学示范中心, 江苏 徐州 221116)



高校涉气类实验室电气安全风险评估

裴晓东1,2, 陈树亮1,2, 李增华1,2, 何书建1,2, 朱建云1,2

(1. 中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州,221116；2. 中国矿业大学 安全工程省级实验教学示范中心, 江苏 徐州 221116)

由于涉气类实验室中存在易燃、易爆、易腐蚀等物品,极易对该区域的电气设备产生影响,甚至会导致实验室爆炸等严重后果。已有的实验室安全管理方法不能很好的解决该问题,也无法对具体的危险系数进行定量评价。因此,类比石化工业的相关规定对实验室进行安全区域划分,采取隐形风险进行区域化管理。在此基础上,使用Delphi和CVM组合赋权的方式对不同量纲的指标进行最优权重分析。最后,使用改进型ALARP进行风险分级并建立相应的风险矩阵评估方法,实现了涉气类实验室复杂安全问题的定量分析,对实验室安全具有重要意义。

涉气类实验室； 电气安全； 风险评估; 组合赋权法； 风险矩阵

近年来,国内高校发生了多次实验室安全事故,尤其是涉气类实验室发生的安全事故尤为严重。根据多次事故中获得的信息,重大事故主要源于爆炸,而引发爆炸的两大关键因素是操作不当和电气故障。为了尽可能地提高此类实验室的安全性,已有的研究指出：应规范实验室管理和使用[1-2]、完善规章制度和实验流程[3-4]、联网监控已有危险[5]、建立安全体系[6]等。同时,有关文章指出了涉气类实验室存在易燃、易爆的风险,并对电气类实验室进行了较为详细的安全管理问题分析,但是却未给出技术层面的预防措施。涉气类实验室在高校各类实验室中危险等级较高,因普遍存在易燃、易爆气体和腐蚀性液体等物品。极易对区域内的电气设备造成影响,继而引发重大事故。鉴于此,研究涉气类实验室中电气设备安全风险问题意义重大。

1 涉气实验室电气安全评估基础

涉气实验室由于其环境和工作条件的特殊性,电气设备一般要求防爆,同时在使用过程中会受到化学高湿、盐雾、腐蚀、振动等影响,更加需要及时地进行检修维护,否则不但影响电气设备本身的性能,更可能导致气体爆炸等危险[7]。

在涉气类实验室采用防爆电气设备的基础是需要对危险场所的区域进行级别划分。然而,划分危险区域要综合考虑危险物质释放源、易燃易爆物质特性、通风条件等因素,故应由具备相应资质的建筑设计单位等进行设计划分[8]。根据GB3836.14—2000的相关规定,危险区域应该按三维区域进行空间划分。

此规定同时运用了统计数学的原理,并根据实际危险性出现的频率和持续时间,将危险场所划分以爆炸性气体为依据,划分为3个区域(见表1),并以此为标准,进行相应电气设备的选型。

根据涉气类实验室的具体情况和组别,选择相应防爆电气设备的3要素:防爆形式、温度组别、气体级别。电气设备的防爆形式与所在区域的危险物质无关,而是与使用场所危险区域级别有关系。

表1 爆炸性气体环境分区表

2 涉气实验室电气爆炸风险评估指标

对风险进行评估的基础是相应指标体系的构建。石化工业场所防爆电气危险性评估指标体系构建的前提是对影响该场所防爆电气设备安全状态的危险因素进行辨识分析,辨识影响各类防爆电气设备防爆安全性能的不安全状态。同时通过研究工艺单元整体与设备及子系统风险的关系,确立相应的防爆电气设备关键参数指标评判等级。

风险评估指标等级的划分直接影响到防爆电气设备防爆性能状况的描述,因此必须建立指标分级准则。指标体系的建立过程需遵循如下原则:

(1) 科学性原则。指标体系的选取必须以实验室各类防爆电气设备本身的结构特点以及爆炸风险评估理论为依据,整个指标体系应能客观反映各类防爆电气设备的技术特性,不宜过大或过小；

(2) 系统性原则。指标体系必须包括影响系统安全性的各个方面,并遵循系统的特性,如层次性、关联性、整体性；

(3) 可操作性原则。在指标体系构建之前,需要进行充分的调研,构建的评价指标应清晰,涉及的信息采集方便、且技术可实现。

依据现场对防爆电气的调研及分析,并借鉴失效和后果分析模型(FMEA)的思路,同时考虑以上3个关键原则,最终确立实验室防爆电气爆炸风险可能性评估指标体系(见图1)。

由于各指标在安全影响中表示的权重计量含义不同,标准不一,难以通过常用方法对风险权重影响进行分析。因此，需要寻求适合此环境的新方法对权重进行评估并对影响强度进行分级。

图1 电气爆炸风险可能性评估指标体系架构

3 基于组合赋权法的风险评估方法

对风险进行定量评估的核心是需根据实际情况确定相关影响因素集的相应指标重要程度,即权重的大小W=(w1,w2,w3，…，wm)。确定指标体系中相应权重的方法有主观赋权和客观赋权两大类[9]。对比两种赋权方法可知:前者的基础数据来自对专家主观经验值的量化,操作简单易实现,但结果与专家判断准确度直接相关。后者直接利用客观数据来获得权重值,不受到主观因素的影响,但对客观数据依赖严重,获取困难。

鉴于此,将主、客观赋权方法相组合应用到涉气实验室防爆电气风险评估工作的权重获取中,以实现互补,可得到更加准确的结果。

3.1 基于Delphi法的主观赋权法及分级策略

在隔爆电气设备部分,由于指标信息缺乏相应实验统计数据,故采用基于Delphi的层次分析法进行主观赋权。依据已划分的涉气类防爆电气爆炸风险可能性评估指标体系设计专家打分表,并依据专家打分结果,进行权重的计算处理及指标风险指数的确定。

设初步判断矩阵为:

则权重计算过程如下:

(1) 对初步判断矩阵进行归一化处理；

(4) 计算特征值与特征向量；

(5) 一致性检验:CI=(λmin-n)/(n-1),RI为相应的平均一致性指标,CR=CI/RI；当CR<0.1时,一致性检验可接受。

根据权重计算过程,以隔爆电气设备中的专家问卷调查数据为基础算例进行分析,得到基础矩阵A为:

利用以上分析对元素进行归一化处理,同时利用权重公式得到归一化之后的权重,结果见表2。

表2 归一化结果

由Awi=λmaxwi代入矩阵式,得:

计算可得λmax=5.122。

一致性检验:

根据层次分析法的有关规定,平均一致性指标(RI)取值如表3所示。

表3 平均一致性指标查询表

由于原始矩阵为5阶,所以RI取1.12,则CR=CI/RI=0.0305/1.12=0.05827<0.1,故满足一致性检验要求。因此,本例中最终指标权重为:

采取同样的流程步骤及计算过程,确定指标体系中其余主观赋权的指标权重,并依据专家打分对各项指标等级进行风险赋分,即可得到其他各项的结果。

3.2 基于变异系数法的客观赋权法

变异系数法(coefficient of variation method,CVM)作为一种客观赋权的权重确定方法,是通过各项指标所包含的信息内容及数据进行计算而得到指标权重。其基本原理是:在评估指标体系中,指标取值范围差异越大,也就是越关键的指标因素,这样的指标更能客观表征、反映被评估对象的差距。

根据图1给出的分级体系可以看出,由于爆炸危险出现的可能性G下面的各部分指标都具有明确的分级及相应的统计数据来源,因此适用于采用基于变异系数的客观赋权法对指标权重进行计算。

由于实验室防爆电气爆炸风险可能性评估指标体系中的G所包含的两个指标的量纲不同,其差异程度无法直接比较。为了消除量纲不同的影响,采用各项指标的变异系数来衡量其差异程度。变异系数的计算公式如下:

因此以G为计算样例,通过变异系数法两个指标进行权重计算,计算过程如下所示:

(1) 根据该指标所包含的信息和数据内容,分别计算各自的平均数和标准差,结果列于表4。

表4 指标数据及平均数和标准差

(2) 根据以上分析的计算方法,计算人工通风指标的变异系数:

(3) 由此可知变异系数总和:

(4) 因此人工通风指标权重:

最后确定危险环境G下对应的两个指标权重如表5所示。

表5 危险环境G的指标权重结果

3.3 基于EPL的爆炸风险可能性评估模型

设备保护级别(equipment protection level,EPL)是对电气设备的安全系数进行评定的方法概念。只要设备在保护级别概念体系内,不论其型式如何,都已表示了设备内在的点燃危险。根据我国普遍适用的风险可接受水平及爆炸风险要素间的数学概率关系,分级情况及其对应失效概率(见表6)。

表6 EPL等级划分及其失效概率

以上通过CVM已对爆炸危险环境出现可能性赋予相应概率数值,属于“固有危险系数”,而“现实危险”即防爆电气设备的引燃概率风险是依据其自身EPL并通过设备关键参数进行修正。可得系统整体爆炸风险可能性数学模型如下:

P=G·X·M

式中,P为系统整体爆炸风险可能性；

G为爆炸危险环境出现可能性；

X为防爆电气设备引燃可能性；

M为安全补偿措施修正系数。

其中防爆电气设备引燃可能性由于防爆电气设备类型和数量都是变量,故需分别评估各类各台设备的引燃可能性,得出各自概率风险值,再通过概率论计算准则对整体风险进行计算,其数学计算依据为:

式中,X为防爆电气设备引燃可能性；

由于各类防爆电气设备不被引燃的可能性并没有相关技术指标,因此需根据现场评估状况对相应设备EPL进行修正并进一步的计算,其数学模型如下:

式中,a为设备EPL对应的参数,取值6、4、3；

bj为设备关键技术参数对应取值；

bj′为设备关键技术参数对应的权重值；

Cm为处于同种情况的设备数值；

m为现场设备状况数。

4 基于改进风险矩阵的风险评估方法

风险可接受标准(risk acceptance criteria,RAC)是风险评估中进行风险判断的依据和准则,在风险评估、风险控制中起着重要的作用。因此,要分析涉气类实验室电气设备安全风险并最终确定其风险等级和可接受的程度,必须要确定RAC。

ALARP(as low as reasonably practicable,最低合理可行原则)是风险评估及管理领域广泛应用的有效方法,尤其在石化、交运、环境等领域的风险评估起着重要作用[10]。ALARP的核心思想是风险降低的成本原则；由于风险是绝对存在的,一定可以通过有关措施降低风险,但是当风险降低到适当值之后,继续降低风险所需要的成本会大幅增加,因此当风险在可接受范围内时,采取适当的风险降低措施即可,以控制相应成本。ALARP原则的重要意义是为寻找风险与成本之间的平衡。根据ALARP原则一般可以将风险区域按照风险大小依次分为3个区:可接受风险区、ALARP区、不可接受风险区。

采用ALARP原则作为涉气类实验室电气安全风险划分的参考准则,结合涉气类实验室电气安全风险可能性及事故后果严重度,划定风险的“可接受区”和“不可接受区”,并在不改变ALARP本质意义及其所限制的上下限的基础上,将3个区域继续细化以实现更加精确的风险评估。因此得到涉气实验室电气安全风险划分ALARP原则(见图2)。

图2 实验室防爆电气爆炸风险划分ALARP原则

根据建立的涉气实验室电气安全风险ALARP评估原则图,将风险等级由传统的3个大区域细分为5个小区域,具体区域名称如图2所示,风险等级从高到低依次为五级、四级、三级、二级、一级。

风险矩阵是一种通过相对风险来表征风险可接受准则的方法。风险矩阵将防爆电气爆炸风险潜在事故发生的可能性和相应的防爆电气爆炸风险潜在事故后果严重度以不同等级的形式分布在一个矩阵中,通过可能性和后果严重度的不同组合得到不同的风险等级。

按照《生产安全事故报告和调查处理条例》中的相关规定,事故的严重等级应按照后果严重程度分为四级，如图3中的纵坐标所示,将风险发生的概率分为6级,如图3中的横坐标所示。根据以上评估方法,结合ALARP原则将风险划分为5个等级,分别用不同颜色表示,其中红色代表五级、黄色代表四级、蓝色代表三级、绿色代表二级、无颜色代表一级,具体评估矩阵如图3所示。据此评估矩阵,可以判断出潜在风险的危害性,并针对性的对风险进行排除,大幅提高实验室的安全可靠性。

图3 实验室电气风险评估矩阵

5 结论

在对以我校涉气类实验室为代表的防爆电气设备统计与故障分析的基础上,分析了防爆电气设备可能的危险状态。综合应用Delphi和CVM组合赋权的方法对指标进行权重计量,研究防爆电气设备及所处环境构成的整体系统与各子系统的关系,据此建立涉气类实验室电气爆炸风险可能性评估数学模型,提出基于设备危险性分析的事故后果严重度评估模型,通过风险矩阵判断风险可能性和事故后果的严重性。

提出的模型不但可以应用于涉气类实验室,同样可以推广到各类涉气易爆场合的电气设备中,具有较好的实际意义和应用价值。

References)

[1] 孙晓霞, 赵光烈, 殷宏斌. 基于SWOT分析的高校实验室安全管理对策研究[J]. 实验技术与管理, 2010,27(7):179-181.

[2] 鲍敏秦, 张原, 张双才. 高校化学实验室安全问题及管理对策探究[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(1):188-191.

[3] 梁建国, 于燕梅. 高校化工实验室安全环境建设的探索与思考[J]. 实验技术与管理, 2014,31(10):229-231.

[4] 王志强, 郑帅, 陈翠丽, 等. 高校电气实验室安全管理探讨[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(7):293-296.

[5] 张扬, 张建波. 基于危险性评价的地质实验室电气安全管理模式研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2013, 9(1):168-173.

[6] 王红艳, 祝罄. 浅谈石化企业中的电气防爆问题[J]. 电气应用, 2010, 24(18):42-44.

[7] 徐建平. 新版GB3836系列标准解读与实施[J]. 石油化工自动化, 2011, 47(2):9-18.

[8] 蒋艳, 岳超源. 方案排序对权重比例变化的敏感性分析[J]. 华中科技大学学报:自然科学版, 2002, 30(8):24-26.

[9] 赵微, 林健, 王树芳, 等. 变异系数法评价人类活动对地下水环境的影响[J]. 环境科学, 2013,34(4):1277-1283.

[10] 张忠会, 万东, 何乐彰, 等. 电力系统暂态稳定风险量化分级方法研究[J]. 电测与仪表, 2015, 52(3):42-47.

Risk assessment on electrical safety in gas-involving laboratories in colleges and universities

Pei Xiaodong1,2, Chen Shuliang1,2, Li Zenghua1,2, He Shujian1,2, Zhu Jianyun1,2

(1. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2. Provincial Experimental Teaching Demonstration Center of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Due to the presence of inflammable, explosive, perishable items, etc., in gas-involving laboratories, the electrical equipment in such area is easily affected, which may even lead to serious consequences such asa laboratory explosion. The existing methods for the laboratory safety management can neither solve this problem, nor carry out the quantitative evaluation of specific risk factors. Therefore, based on the relevant regulations for the petrochemical industry about the laboratory safety zoning, the regional management of the invisible risks is adopted. On this base, a combination weighing method of Delphi and CVM is used for optimal weight analysis of different dimensional index. Finally, the improved ALARP is accepted for the risk classification matrix, and the appropriate risk assessment methods are accepted. The quantitative analysis on complicated safety issues in gas-involving laboratories can be realized, which is of great importance for laboratory safety.

gas-involving laboratory; electrical safety; risk assessment；combination weighing method; risk matrix

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.066

2016-05-05 修改日期：2016-06-29

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015A055)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发[2014]37号)；江苏省省级实验教学示范中心建设项目(苏教高[2011]24号); 中国矿业大学教育教学改革与建设项目(2015QN48)；中国矿业大学课程建设与教学改革项目(2001262)

裴晓东(1981—),男,江苏徐州,硕士，讲师,安全工程实验教学中心主任,主要从事安全科学与工程方面的教学与科研工作.

E-mail：xiaodongpeicumt@163.com

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1002-4956(2016)11-0254-05