基于FTA-BN模型的粉尘爆炸风险评估及控制研究

陶梦醒 汪涛

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

0 引言

随着工业化进程的推进，越来越多的企业在生产过程与工艺中涉及可燃性粉尘，由于受工艺技术、管理、人员意识等因素制约，粉尘爆炸事故频发，造成了群死群伤和巨大的经济损失，也给风险分级管控和安全生产带来了很大难度。因此研究并评估粉尘爆炸风险，针对其薄弱环节进行风险控制，对涉爆粉尘企业的安全管理提供针对性建议与措施意义重大。

目前，国内外的专家学者分别从不同视角、不同维度，采用不同的研究方法对粉尘爆炸风险进行研究。DAVIS S G[1]采用捷径风险分析方法(SCRAM)等技术来帮助识别潜在的粉尘爆炸危险条件，评估粉尘爆炸的可能性及其后果；ABUSWER M[2]提出了定量风险管理框架(QRMF)，使用粉尘爆炸模拟代码和故障树分析评估爆炸后果和可能性；马云歌[3]采用模糊综合评价法，对烟草加工系统的粉尘防爆安全总体水平进行了评价，得出粉尘防爆安全等级。这些研究大多是采用定性和半定量的分析手段对不同粉尘的爆炸风险进行评估，分析模拟粉尘爆炸的后果，然而工业生产涉粉种类繁多，粉尘爆炸成因复杂，针对典型的粉尘爆炸风险评估模型较少。在对粉尘爆炸调查、分析的基础上，本文考虑诸多因素，综合运用事故树分析法和贝叶斯网络法，构建FTA-BN评估模型，利用贝叶斯网络的双向推理功能，在对其进行风险评估后，提出相应的控制措施，以更好的预防粉尘爆炸事故发生，提高安全监管和风险管控水平。

1 粉尘爆炸事故模型

1.1 编制事故树

事故树是安全系统工程的分析方法之一，由符号和逻辑门组成，自顶向下，演绎推理，将事件树状图形化的逻辑方法。

粉尘爆炸事故树第一步是确定顶上事件，发生事故是人们最不期望的结果，于是把粉尘爆炸作为顶上事件。发生粉尘爆炸必须同时具备5个条件即粉尘爆炸5要素：可燃粉尘、氧化物、粉尘呈悬浮状态(粉尘云)、点火源、空间相对密闭。化入事故树，即粉尘积聚遇上点火源在受限空间里达到爆炸极限，用逻辑与门连接，层层分析，最终构建事故树。

综合考虑了12个基本事件，表1为事故树各基本事件，图1为爆炸事故树。

表1 事故树基本事件

图1 粉尘爆炸事故树

1.2 事故树向贝叶斯网络转化

贝叶斯网络是一个由节点变量以及连接节点的有向边构成的有向无环概率图模型。

相比于事故树中基本事件只有“发生”和“不发生”两种状态，逻辑关系只有“与”和“或”，贝叶斯网络则凭借其图形化的结构，类比人脑推理，不仅可以反应变量的复杂关系，更直观的分析问题，还可以不断学习新的数据，优化结构，使分析结果更为准确。

事故树向贝叶斯网络转化，两者相互映照，顶上事件对应叶节点，中间事件对应中间节点，基本事件对应根节点，逻辑门对应条件概率表，基本事件发生概率对应根节点先验概率。前文的事故树已对粉尘爆炸事故主要致因因素及其关系有较清晰的描述，粉尘爆炸事故贝叶斯网络可通过该事故树转化，方法如下：

(1)将事故树中的事件定为贝叶斯网络中的节点，对重复的事件只定一个节点。

(2)将存在逻辑关系的事件对应的节点，通过有向边相连。

(3)设置各节点的条件概率表。

1.3 构建FTA-BN模型

根据事故树向贝叶斯网络转化，可以得到贝叶斯网络图，如图2所示。在贝叶斯网络中，先验概率为其变量的边缘分布，是根据以往经验和分析得到的概率，可通过大量的历史统计数据计算频率取得或由专家的经验给出。由于缺少相关数据，本文结合粉尘爆炸事故统计数据[4]与研究[5]，参考相关领域专家的评估，经概率标杆修正，将事件发生频率转化为概率值，得出先验概率表。事故树所表示的各个事件的逻辑关系可由条件概率表描述，如表2所示。

图2 贝叶斯网络模型

表2 贝叶斯网络基本事件的先验概率

在GeNIE软件中建立各节点，通过存在逻辑关系的事件所对应的节点连接起来，并设置各节点的状态与概率，经过贝叶斯网络推断，形成了节点之间的联合分布，如图2所示。

2 基于模型进行风险评估

2.1 风险分级

粉尘爆炸风险评估是综合考虑粉尘爆炸发生的可能性和后果严重程度，根据前文的分析，将采用风险矩阵法[6]确定粉尘爆炸的风险等级。风险矩阵中，从E到A的风险级别逐级升高，详情如下表3。

表3 粉尘爆炸风险矩阵

2.2 风险评估

某企业涉粉场所为喷雾干燥车间，主要工艺为：热风进料→喷雾干燥→除尘→过滤→出料。该粉尘爆炸特性参数可参考《工贸行业重点可燃性粉尘目录(2015版)》[7]。车间正常运行时，粉尘地面存在积尘，未及时清扫，采用机械通风；点火源明火、机械火花、高温表面偶然出现，概率较大；电气火花、静电火花、雷电等很难出现。

基于前文建立的FTA-BN模型，一般情况下12个指标风险状态的条件概率，将粉尘爆炸分为A、B、C、D、E 5级，X1分为Ⅰ到Ⅴ级，M1、M2分为high、medium、low，经过贝叶斯网络的结构参数学习推理和风险概率分析得到(如图3所示)：粉尘爆炸风险等级为A的概率是4%，B的概率是7%，C的概率是29%，D的概率是25%，E的概率是35%。

图3 粉尘爆炸风险等级

2.3 逆向推理

通过贝叶斯网络的逆向推理功能和影响强度分析(图4)，可以进一步对粉尘爆炸风险的关键因素进行推断，从而控制风险点，降低粉尘爆炸发生的可能性，降低其风险等级。

图4 逆向推理

当风险等级为A时，即粉尘爆炸特征很高，处于不可接受的范围，应停产采取措施，节点X1、X2、X3、X4、X6、X7、X11的风险概率大于30%，爆炸极限、机械火花、高温表面、粉尘未及时清扫、机械通风不畅、自然通风不畅、明火等的风险概率大于30%，这些节点处于危险状态，对风险等级潜在影响严重，需要采取措施加强防范。

3 粉尘爆炸风险控制

3.1 粉尘积聚控制

在可燃性粉尘的企业生产场所和设备的内部以及表面，往往会积聚较厚的粉尘层，极易形成爆炸性粉尘云。因此，应制定详细的粉尘清扫制度，定期进行粉尘清理，防止积尘存在。

在受限空间内，可燃性粉尘爆炸压力高，破坏性很强。因此，应避免相对较小的空间，智能化布置设备设施，尽量敞开式作业，为生产留有足够的空间，通风顺畅，使之达不到爆炸极限，避免飘尘。

3.2 点火源控制

点火源主要分为电点火源、化学点火源、机械点火源、高温表面。

(1)电点火源。电点火源分为电气火花、静电火花和雷电。

电气线路应设有过负荷保护装置、短路保护装置等，防止因过载、短路等而引发事故；电气设备选用防爆型，并进行定期检查维护。

防止人体静电，作业人员应穿防静电服进入作业场所；与粉尘接触的金属部件必须接地。

雷电破坏力极强，是燃烧爆炸危险场所不可忽略的点火源。虽然发生频率低，但仍需防范。因此，应安装防雷装置，并定期对防雷接地进行检修，防止因防雷接地失效而产生雷电火花。

(2)化学点火源。化学点火源分为明火、自燃。

加强日常管理，严禁生产场所动火，严禁作业区吸烟。如需维修动火，应将设备拆卸，转移至安全场所维修。

日常管理中应注意粉尘环境，防止因潮湿或高温、通风不畅等引起粉尘自燃。

(3)机械点火源。机械火花主要由摩擦、冲击、研磨等产生，控制机械火花主要在于控制易于产生机械碰撞与摩擦的设备设施。

(4)高温表面。为避免高温表面成为有效的点火源，其设备的表面温度应低于粉尘层最小点火温度。

3.3 控制相遇

防止粉尘爆炸，采取措施控制粉尘与点火源相遇。一般采取泄爆措施、隔爆措施、抑爆措施、惰化措施、抗爆措施。如干式除尘器必须采取泄爆、抑爆、惰化3个措施之一，不能单独采取隔爆措施，考虑经济性与安全性，一般企业采取泄爆措施和隔爆措施较好。

4 结论

(1)基于FTA-BN模型，借助启发式算法设计网络结构，对粉尘爆炸进行风险评估，避免了人的主观因素对评价结果的影响，具有较强的客观性。

(2)通过贝叶斯网络的逆向推理功能，对粉尘爆炸风险的关键因素进行推断，即风险评估等级高时，关键因素最可能处于的状态，从而控制风险点，降低粉尘爆炸发生的可能性。

(3)根据粉尘爆炸原理，对粉尘积聚和点火源采取措施，有针对性的控制风险，从而为粉尘爆炸风险控制提供措施依据。