第九章系统安全分析与评价

1、第九章 系统安全分析与评价知识点v系统与安全的概念v故障类型、影响及致命度分析的概念v道化学公司火灾爆炸危险指数评价方法的概念、原理及程序v事故树分析的原理及其应用第一节 安全系统工程简述一、系统与安全一、系统与安全1、系统、系统（1）概念-P219（2）特性-P219（3）组成 生产系统：人、物质、设备、资金、任务指标、信息2、安全、安全（1）概念-P219（2）安全的本质-P2193、安全系统工程、安全系统工程（1）概念）概念-P219（2）作用）作用二、基本程序和方法二、基本程序和方法 安全系统工程是以预测和防止事故为中心，以检安全系统工程是以预测和防止事故为中心，以检查、测定和评价为重

2、点，按系统分析、安全评价查、测定和评价为重点，按系统分析、安全评价和系统综合三个基本程序展开。和系统综合三个基本程序展开。1 1系统分析系统分析 系统分析是以预测和防止事故为前提，对系统的系统分析是以预测和防止事故为前提，对系统的功能、操作、环境、可靠性等经济技术指标以及功能、操作、环境、可靠性等经济技术指标以及系统的潜在危险性进行分析和测定。系统的潜在危险性进行分析和测定。系统分析的程序，方法和内容如下：系统分析的程序，方法和内容如下：(1)(1)把所研究的生产过程和作业形式作为一个整体，确定安把所研究的生产过程和作业形式作为一个整体，确定安全设想和预定的目标；全设想和预定的目标； (2)(

3、2)把工艺过程和作业形式分成几个部分和环节，绘制流程把工艺过程和作业形式分成几个部分和环节，绘制流程图；图；(3)(3)应用数学模型和图表形式以及有关符号，将系统的结构应用数学模型和图表形式以及有关符号，将系统的结构和功能抽象化，并将因果关系、层次及逻辑结构用方框和功能抽象化，并将因果关系、层次及逻辑结构用方框或流线图表示出来，也就是将系统变换为图像模型；或流线图表示出来，也就是将系统变换为图像模型； (4)(4)分析系统的现状及其组成部分，测定与诊断可能发生的分析系统的现状及其组成部分，测定与诊断可能发生的故障、危险及其灾难性后果，分析并确定导致危险的各故障、危险及其灾难性后果，分析并确定导

4、致危险的各个事件的发生条件及其相互关系。个事件的发生条件及其相互关系。2 2安全评价安全评价 安全评价包括对物质、机械装置、工艺过程及人机系统的安全性评价，内容主要有： (1)确定适用的评价方法、评价指标和安全标淮； (2)依据既定的评价程序和方法，对系统进行客观的、定性或定量的评价，结合效益、费用、可靠性、危险度等指标及经验数据，求出系统的最优方案和最佳工作条件； (3)在技术上不可能或难以达到预期效果时，应对计划和设计方案进行可行性研究，反复评价，以达到符合最优化和安全标准为目的。 3 3系统综合系统综合 系统综合是在系统分析与安全评价的基础上，采取综合的控制和消除危险的措施，内容包括：

5、(1)对已建立的系统形式、潜在的危险程度及可能的事故损失进行验证，提出检查与测定方式，制定安全技术规程和规定，确定对危险性物料、装置及废弃物的处理措施； (2)根据安全分析评价的结果研究并改进控制系统，从而控制危险，以保证系统安全； (3)采取管理、教育和技术等综合措施，对工艺流程、设备、安全装置及设施、预防及处理事故方案、安全组织与管理、教育培训等方面进行统筹安排和检查测定，以有效地控制和消除危险，避免各类事故。三、安全系统工程的特点三、安全系统工程的特点-P221-P221第二节 系统危险性分析一、危险性及其表示方法一、危险性及其表示方法1、危险性：指对于人身和财产造成危害和损失的事故发生

6、的可能性。 危险性本身含有许多不确定的因素。原因： 生产过程中的许多因素是随机的； 危险的程度也是难以确定的； 同装置运行可靠性有关的故障数据资料还不完备，对于系统危险性的判定还不能提供充分的数据依据。 因此，对于危险性，应探求用定量的方法加以表述，即确定危险性的尺度。 2、表示方法、表示方法(1)危险率： 事故频率与损失严重度的乘积称为危险率或风险率，可表示为： 事故频率：根据经验和统计，得出的一定的时间内危险性可能导致事故的次数； 损失严重度：一定事故所造成的人员伤亡和财产损失的数值。(2)死亡概率： 例如，1971年美国国内发生约1500万次汽车事故，造成5万人万人死亡。美国总人口以20

7、000万计，则美国每个人在汽车事故中的年死亡概率为14105 . 2200000000150000年总人数年死亡人数死亡概率 死亡概率在103数量级的产业或部门，与人的自然死亡概率相当，操作危险性极高，必须立即采取措施予以改进； 死亡概率在104数量级的产业或部门，其操作为中等程度危险，应采取改进措施； 死亡概率在105数量级的产业或部门和游泳或煤气中毒属同一数量级，人们对此比较关心，也愿采取措施加以预防； 死亡概率在106数量级的产业或部门，相当地震或天灾的死亡概率，人们并不担心这类事故的发生； 死亡概率在107-108数量级的产业或部门，相当于陨石坠落伤人，没有人愿为此投资加以预防。 二、

8、危险性分析的基本要素二、危险性分析的基本要素 导致灾难性事故的原因来自于人、物、环三个方面。导致灾难性事故的原因来自于人、物、环三个方面。1 1物的原因物的原因 设备、装置结构不良，强度较低，磨损和恶化；设备、装置结构不良，强度较低，磨损和恶化； 存在有毒有害物质及火灾爆炸危险性物质；存在有毒有害物质及火灾爆炸危险性物质； 安全装置及防护器具的缺陷等因素。安全装置及防护器具的缺陷等因素。 此外，对各种机械、装置、设备、管道等在整个系此外，对各种机械、装置、设备、管道等在整个系统中的地位和作用，它们在什么条件下会发生故障，统中的地位和作用，它们在什么条件下会发生故障，这些故障对系统安全会产生哪些

9、影响；以及有毒有这些故障对系统安全会产生哪些影响；以及有毒有害及危险性物质的贮存、运输和使用的状况，都应害及危险性物质的贮存、运输和使用的状况，都应该进行具体分析，以便于防范和控制。该进行具体分析，以便于防范和控制。 2人的原因人的原因 误判断、误操作； 违章指挥、违章作业； 精神不集中、疲劳及身体缺陷等。3环境条件环境条件 作业环境中的照明、色彩、温度、湿度、通风、噪声、振动以及由于邻近的火灾爆炸和有毒有害物质的泄漏弥散等所形成的次生灾害。 三、危险性分析的步骤和方法1 1分析步骤分析步骤 (1)危险性辨识。通过以往的事故经验，或对系统进行解剖，或采用逻辑推理的方法，把评价系统的危险性辨识出

10、来； (2)找出危险性导致事故的概率及事故后果的严重程度； (3)一般以以往的经验或数据为依据，确定可接受的危险率指标； (4)将计算出的危险率与可接受的危险率指标比较，确定系统的危险性水平； (5)对危险性高的系统，找出其主要危险性并进一步分析，寻求降低危险性的途径，将危险率控制在可接受的指标之内。 2分析方法分析方法(1)检查表检查表(Check List)；(2)危险预先分析危险预先分析(Preliminary Hazards Analysis)；(3)可操作性研究可操作性研究(Operability Study)；(4)故障类型、影响及致命度分析故障类型、影响及致命度分析(Failur

11、e Mode，Effects and Criticality Analysis，缩写为，缩写为FMECA)；(5)道化学公司道化学公司(Dows Chemical Company)化工装置评价法；化工装置评价法；(6)事故树分析事故树分析(Fault Tree Analysis，缩写为，缩写为FTA)；(7)事件树分析事件树分析(Event Tree Analysis，缩写为，缩写为ETA)。 第三节第三节 故障类型、影响及致命度分析故障类型、影响及致命度分析 故障类型、影响及致命度分析(FMECA)是一种归纳分析方法，用于系统安全性和可靠性的分析。尤其是在设计阶段充分考虑并提出所有可能发生的

12、故障，分析故障的类型和严重程度，判明其对系统的影响和发生的概率等。这种方法通常分为两部分，即故障类型及影响分析(FMEA)和致命度分析(CA)。一、故障类型及影响分析一、故障类型及影响分析(FMEA) 故障类型及影响分析是采用系统分割的方法，根据需要把系统分割成子系统或进一步分割成元件。首先逐个分析元件可能发生的故障和故障类型，进而分析故障对子系统乃至整个系统的影响，最后采取措施加以解决。 1故障类型故障类型 故障是指元件、子系统、系统在运行时不能完成设计规定的功能。并不是所有故障对系统都有影响，只是其中有些故障会影响系统任务的完成或造成事故损失。元件发生故障时，其表现形式不尽相同，因而呈现不

13、同的故障类型。例如阀门故障有内部泄漏、外部泄漏、打不开、关不紧四种类型。 不同故障类型所引起的子系统或系统障碍有很大不同，因而在研究处理措施时应按轻重缓急区别对待。为此对故障类型应进行等级划分。几种故障类型分级方法(1)简单划分法 将故障类型对子系统或系统影响的严重程度分为四个等级(下表)，实际情况可以 据此进行分级。 (2)(2)评点法评点法 在难于取得可靠性数据的情况下，可以采用评点法。它从几个方面来考虑故障对系统 的影响程度，用一定的点数表示程度的大小，通过计算求出故障等级。 利用下式求评点数，即 式中:CS总评点数，0CS10； Ci因素系数，0Ci10。 评点因素一般考虑以下五个方面

14、： 故障影响大小； 对系统影响的程度 故障发生的频率； 防止故障的难易； 是否新设计的工艺。iiSCCCC21 确定因素系数确定因素系数C Ci i的方法：的方法： 头脑风暴法(Brain Storming)，即专家座谈会法，由三到五位有经验的专家座谈讨论 给出Ci相应数值； 德尔斐法(Delphi Technique)，即函询调查法，将提出的问题和必要的背景材料，用通 信的方式交给有经验的专家，然后把他们答复的意见进行综合，再反馈给他们，如此反复多 次，直到认为合适为止； 参考点数法，根据表113列出的评点因素的点数参考值求出Ci。 v定出因素系数定出因素系数CiCi后，根据式后，根据式(1

15、11)(111)计算总评点数计算总评点数CSCS，便可按照表，便可按照表1111一一4 4评选故障等评选故障等 级。级。 (3)(3)风险率矩阵评价法风险率矩阵评价法 将故障发生可能性和故障发生后引起的后果综合考虑后会得出比较准确的衡量标准， 称为风险率(也称危险度)，它是在考虑故障发生概率和严重度两方面基础上的综合评价。 a.a.严重度严重度 指故障类型对系统功能的影响程度，它分为四个等级，见表ll一50 b.b.故障概率故障概率 指在特定的时间，故障类型所出现的次数。时间可规定为一定的期限，如一年、一个月 等，或者根据大修间隔期，以及完成一项任务的周期或其他被认为适当的期间。 单个故障类型

16、的概率可以使用定性和定量的方法确定。 定性方法：参考表116给故障概率分级。 定量方法：参考表117给故障概率分级。(3)(3)风险率矩阵评价法风险率矩阵评价法 有严重度和故障概率的数据以后，就可以运用风险率矩阵评价法表示故障类型的实 际影响。有的故障类型虽有较高的发生概率，但其造成的危害严重度很低，风险率则很低， 有的故障类型的严重度虽然很低，但却发生很频繁，风险率也就很大；反之亦然。为了综合 这两个特性，以故障概率为纵坐标，严重度为横坐标，画出风险率矩阵图，如图ll一1所示。 沿矩阵原点到右上角画一条对角线，井将所有故障类型按其严重度和发生概率填入矩阵图，从中可以看出系统风险的密集情况。处

17、于风险率矩阵右上角方块中的故障类型的风险率最高，沿着对角线向左风险率逐渐降低。 2.可靠性框图可靠性框图 对于复杂的系统，为了说明子系统之间功能的传输情况，可以用可靠性框图表示系统的 状况，如图112所示。 从可靠件框图中可以明确地看出系统、子系统和元件之间的层次关系，系统以及子系统 间的功能输入和输出、连接方式。可靠性框图和流程图或设备布置图不同，它只是表示系统与子系统间功能流动情况，而且可以根据实际需要，对风险度大的子系统进行深入分析，问题不大的则可放置一边，可靠性框图的各层次要进行编码，以便和制表的项目编码相对应。3.制表制表 制表是FMEA方法的特点之一。为了表格便于编码、分类、查阅、

18、保存，各部门应根据各自 的不同情况拟出表格，但其基本内容相似。表118到表1110给出了三种不同的式样。 4.分析步骤分析步骤1）明确系统本身的情况和目的分析时首先要熟悉有关资料，了解系统的组成、任务等情况，查出系统包含有多少个子 系统，各个子系统又包含有多少单元或元件，了解它们之间如何结合及相互关系、相互干扰、 输入输出等情况。 2）确定分析程度和水平 分析一开始就要根据所了解的系统情况，决定分析到什么水平，这是一个十分重要的问 题o 如果分析程度太浅会漏掉重要的故障类型，得不到有用的数据；反之，如果分析的程度太深，一切都分析到元件甚至零部件，则会造成手续复杂，实施改善措施也困难。一般来讲，

19、 对关键的子系统可以分析得深一些，不重要的可分析得浅一些，甚至可以不分析。 3 3）绘制系统图和可靠性框图）绘制系统图和可靠性框图 为了便于分析，对复杂系统可以绘制各功能子系统相结为了便于分析，对复杂系统可以绘制各功能子系统相结合的系统图，以表示各子系统之间的关系。简单的系统合的系统图，以表示各子系统之间的关系。简单的系统可以用流程图代替系统图。从系统图可以继续画出可靠可以用流程图代替系统图。从系统图可以继续画出可靠性框图，它表示各元件的连接方式以及输入输出情况。性框图，它表示各元件的连接方式以及输入输出情况。由几个元件共同完成一项功能时用串联连接，由几个元件共同完成一项功能时用串联连接，元件

20、有备品时则用并联连接。可靠性框图内容和相应的元件有备品时则用并联连接。可靠性框图内容和相应的系统图一致。系统图一致。 4）列出所有故障类型并选出对系统有影响的故障类型 按照可靠性框图，根据过去的经验和有关的故障资料，列举出所有的故障类型，填入FMEA表内。然后从其中选出对子系统以至系统有影响的故障类型，深入分析其影响后果、 故障等级及应采取的措施。 5 5）列出造成故障的原因）列出造成故障的原因 对于系统以至系统有影响的故障类型要深入分析造成故对于系统以至系统有影响的故障类型要深入分析造成故障的原因。危险性特别重大的障的原因。危险性特别重大的 故障类型，例如故障等级故障类型，例如故障等级为为I

21、 I级时，还要进行致命度分析。级时，还要进行致命度分析。二、致命度分析二、致命度分析 对于特别危险的故障类型，例如故障等级是1级的故障类型，有可能导致人身伤亡或全系统损坏。因此对这类元件要特别注意，可采用致命度分析方法(CA)，进一步分析。致命度分析一般是与故障类型影响分析合用。致命度指数Cr的计算公式如下： 式中 n为致命故障类型序号；j为致命故障类型总数；kA为实际运行修正系数：kE为环境修正系数；G为106h致命故障次数；t运行周期，h：为该故障类型在总故障中所占的比例；为该故障造成致命影响的发生概率。值与致命影响的关系如表94所示。表95是致命度分析表格样式。 第四节第四节 道化学公司

22、火灾爆炸危险指数评价方道化学公司火灾爆炸危险指数评价方法法一、概述一、概述 美国道化学公司火灾、爆炸危险性指数评价法是美国道化学公司火灾、爆炸危险性指数评价法是以工艺过程中物料的火灾、爆炸潜在以工艺过程中物料的火灾、爆炸潜在 危险性为基危险性为基础，结合工艺条件、物料量等因素求取火灾、爆础，结合工艺条件、物料量等因素求取火灾、爆炸指数，进而可求出经济损失炸指数，进而可求出经济损失 的大小。以经济损的大小。以经济损失评价生产装置的安全性。评价中定量的依据是失评价生产装置的安全性。评价中定量的依据是以往事故的统计资料、物以往事故的统计资料、物 质的潜在能量和现行安质的潜在能量和现行安全措施的状况。

23、全措施的状况。 该方法主要用于评价储存、处理、生产易燃、可燃、活性物质的操作过程，还可用于潜在危险物质库存量较小的工艺过程的风险评价。 二、评价程序n评价的基本程序评价的基本程序如图如图4646所示。所示。选取评价单元确定物质系数MF计算一般工艺危险系数F1计算特殊工艺危险系数F2确定工艺单元危险系数F3=F1F2危害系数计算安全措施补偿系数C=C1C2C3确定火灾、爆炸指数F&EI=F3MF确定经安全补偿后火灾爆炸指数F&EI# = F&EIC安全补偿后危险分级危险分级三、资料准备三、资料准备 在评价之前首先要准备如下资料： 1)装置或工厂的设计方案； 2)火灾、爆炸

24、指数危险度分级表； 3)火灾、爆炸指数（F&EI）计算表(表45) 确定MF的物质：MF=1、一般工艺危险危险系数范围采用危险系数基本系数1.001.00 A、放热化学反应0.301.25B、吸热反应0.200.40C、物料处理与输送0.251.05D、密闭式或室内工艺单元0.250.90E、通道0.200.35F、排放和泄漏控制0.200.50一般工艺系数(F1)2、特殊工艺危险基本系数1.001.00 A、毒性物质0.200.80B、负压 (500mmHg)0.50C、接近易燃范围的操作：惰性化、未惰性化(1)罐装易燃液体0.50(2)过程失常或吹扫故障0.30(3)一直在燃烧范围

25、内0.80D、粉尘爆炸0.252.00E、压力：操作压力/kpa,(绝对)释放压力/kpa，(绝对)F、低温0.200.30G、易燃及不稳定物质量(1)工艺中的液体及气体(2)储存中的液体及气体(3)储存中的可燃固体及工艺中的粉尘H、腐蚀与磨损0.100.75I、泄漏接头和填料0.101.50J、使用明火设备K、热油、热交换设备0.151.15L、转动设备0.50特殊工艺危险系数(F2)工艺单元危险系数 F3火灾爆炸指数 FEI4)安全措施补偿系数表(右表)5)工艺单元风险分析汇总表；6)工厂风险分析汇总表；7)有关装置的更换费用数据。项目补偿系数范围采用补偿系数1、工艺控制a、应急电源0.9

26、8b、急冷装置0.970.99c、抑爆装置0.840.98d、紧急切断装置0.960.99e、计算机控制0.930.99f、惰性气体保护0.940.96g、操作规程/程序0.910.99h、化学活泼性物质检查0.910.98I、其他工艺危险分析0.910.98工艺控制安全补偿系数C12、物质隔离a、遥控阀0.960.98b、卸料/排空装置0.960.98c、排放系统0.910.97d、连锁装置0.98物质隔离安全补偿系数C23、防火设施a、泄漏检验装置0.940.98b、钢结构0.950.98c、消防水供应系统0.940.97d、特殊灭火系统0.91e、喷洒系统0.740.97f、水幕0.97

27、0.98g、泡沫灭火装置0.920.97h、手提式灭火器和喷水枪0.930.98I、电缆防护0.940.98防火设施安全补偿C3安全措施补偿系数C=C1*C2*C3四、评价步骤四、评价步骤1.选择评价单元选择评价单元 单元是装置的一个独立部分，与其他部分保持一定的距离，或用防火墙隔开。 选择评价单元时可以从以下几个方面考虑： (1)潜在化学能(物质系数)； (2)工艺单元中危险物质的数量； (3)资金密度(每平方米美元数)； (4)操作压力和操作温度； (5)导致火灾、爆炸事故的历史资料； (6)对装置操作起关键作用的单元，如热氧化器。 一般情况下，这些方面的数值越大，该工艺单元越一般情况下，

28、这些方面的数值越大，该工艺单元越需要评价需要评价 2.确定物质系数确定物质系数MF 在火灾、爆炸指数的计算和其他危险性评价时，物质系数(MF)是最基础的数值，它 是表述物质由燃烧或其他化学反应引起的火灾、爆炸中释放能量大小的内在特性。 物质系数根据由美国消防协会规定的物质可燃性NF和化学活性(或不稳定性)NR，查表求取。3. 3. 确定确定一般工艺危险系数一般工艺危险系数F1 一般工艺危险性是确定事故损害大小的主要因素，共包一般工艺危险性是确定事故损害大小的主要因素，共包括六项内容，即放热反应、吸热反应、物料处理和输送、括六项内容，即放热反应、吸热反应、物料处理和输送、封闭单元或室内单元、通道、排放和泄漏。封闭单元或室内单元、通道、排放和泄漏。 一个评价单元不一定每项都包括，要根据具体情况选取一个评价单元不一定每项都包括，要根据具体情况选取恰当的系数，填入前面恰当的系数，填入前面火灾、爆炸指数（火灾、爆炸指数（F&EIF&EI）计算表）计算表中，并将这些危险系数相加，得到单元一般工艺危险系中，并将这些危险系数相加