安全性评价的基本方法

1、 安全性评价的基本方法 现在国内外已开发出很多种安全性评价方法，按指标量化的体系可以将其分为两大类，这就是风险率法和相对法。下面对几种常用的方法加以介绍。 风险率评价法 此法是以事故发生概率为依据的评价法。如用故障类型影响和致命度分析、事故树定量分析、大事树定量分析等，在求出事故发生概率的基础上，进一步计算风险率，按风险率大小确定其安全性。一个系统危急性的大小，取决于两个方面的因素，一是事故发生的概率，二是事故造成后果的严峻程度。假如事故发生概率微小，即使后果严峻，风险也不会太大，而有些事故发生概率很大，后果并不太严峻，但风险却很大。把这两个方面因素综合起来就是风险率。风险率等于事故概率（或频

2、率）乘以严峻度。其计算公式如下： R=SP （1） 式中 R风险率，事故损失/单位时间； S严理度，事故损失/事故次数； P事故发生概率，事故次数/单位时间。 由此可见，风险率是单位时间内事故造成损失的大小。单位时间可以是年、月、日、小时等；事故损失可以用人的伤亡、经济损失或是工作日的损失等表示。 知道了风险率就可以与安全指标比较，从而推断系统是否安全。 但是，欲求风险率必需首先求出评价系统事故概率或频率。因此，下面就概率的有关概念和计算作一简述。 （1） 概率的基本概念和计算 生产装置或工艺过程发生事故是由组成它的若干元件相互简洁作用而引起的，总的故障概率取决于这些元件的故障概率和它们之间相

3、互作用的性质，故要计算装置或工艺过程发生事故的概率，必需首先了解各个元件的故障概率。 元件的故障概率及其求法。构成设备或装置的元件，工作确定时间后就会发生故障或失效。所谓失效就是指元件丢失规定的功能。可修复系统的失效就是故障。 元件在两次相邻故障间隔期内正常工作时的平均时间，叫平均故障间隔期，用MTBF表示。如第一次工作t1时间后消逝故障，其次次工作t2时间后消逝故障，第n 次工作tn时间后消逝故障，则平均故障间隔时间为： （2） MTBF一般是通过试验，测定几个元件的平均故障间隔时间的平均值得到。 在试验条件下测定的这些数据，实际应用时要受到环境因素的恶劣影响，故应加确定的修正系数（严峻系数

4、k）。部分环境下严峻系数k的取值参见表3。 使 用 场 所 k 试验室 1 一般室 1.110 船舶 1018 铁路车辆、牵引式公共汽车 1330 火箭试验台 60 飞机 80150 火箭 4001000 表3 严峻系数k值举例 元件在单位时间（或周期）内发生故障的平均值称为平均故障率，用表示，单位为故障次数/时间。 平均故障率是平均故障间隔期的倒数。 （3） 元件在规定时间内和规定条件下完成规定功能的概率称为牢靠度，用R（t）表示。元件在时间间隔（0，t）内的牢靠度符合下列关系： R（t）=e-t （4） 式中t为元件运行时间。牢靠度的补大事就是故障概率（或不行靠度），用P表示。故障概率由下

5、式得到： P（t）=1-R（t）=1-e-t （5） 式中（4）和（5）只适用于故障率稳定不变的状况。但很多元件故障率随时间而变化。元件故障率随时间变化有三个时期，即：幼年故障期（早期故障期）、近似稳定故障期（偶然故障期）和老年故障期（损耗故障期）。元件在新的和老的时期故障率都很高，这是由于元件新的时候可能内部有缺陷或调试过程有损坏，因而开头故障率较高，但很快就下降了；当使用时间长期了，由于老化磨损，其功能下降，故障率又会快速提高。假如设备或元件在老年期之前，更换或修理即将失效部分，则可延长使用寿命。在这两个周期之间（近似稳定故障期）的故障率低且稳定，式（4）和（5）都适用。 表4列出部分元件

6、的故障率。 元 件 故障/（次/年） 元 件 故障/（次/年） 把握阀 把握器 流量测量（液体） 0.60 0.29 1.14 压力测量 泄压阀 压力开关 1.14 0.022 0.14 流量测量（固体） 流量开关 气液色谱 3.75 1.12 30.6 电磁阀 步进电动机 长纸条记录仪 0.42 0.044 0.22 手动阀 指示灯 液位测量（液体） 0.13 0.044 1.70 热电偶温度测量 温度计温度测量 阀动定位器 0.52 0.027 0.44 液位测量（固体） 氧分析仪 pH计 6.86 5.65 5.88 表4 部分元件的故障率 资料来源：Frank P. Lees，Loss

7、 Prevention in the Process Industries（London：Butterworths，1986） 元件的相互联接及概率计算。装置或工艺过程是由很多元件联接在一起构成的，这些元件发生故障常会导致系统故障或事故的发生。因此，可依据各个元件故障概率，依照它们之间的联接关系，计算出工艺过程或装置的故障概率。 元件间的相互联接有两种状况，一种是各元件为并联关系，并联结构用规律与门（AND）表示，意思是并联的几个元件同时发生故障，工艺过程就会故障。 并联联接的元件，总的故障概率等于各元件故障概率相乘，其计算公式为： （6） 式中n是总的元件数，Pi是每个元件的故障概率。 总的

8、牢靠度由下式得到： （7） 式中Ri是各个元件的牢靠度。 元件的另一种联接是串联关系，串联的各元件用规律或门（OR）表示，意思是任一个元件发生故障都会引起工艺过程发生故障或事故。 串联联接的元件，总的牢靠度等于各个元件牢靠度相乘，即： （8） 由下式计算总的故障概率： （9） 只有A和B两个元件组成的系统 P（A或B）=P（A）+P（B）P（A）P（B） （10） P（A）P（B）是补偿计算时重叠的部分。假如元件的故障概率很少，则P（A）P（B）项可以忽视。此时式（10）则简化为 P（A或B）=P（A）+P（B） （11） 式（9）简化为 （12） 下表列出各种类型元件联接的计算 故 障 概

9、率 可 靠 度 故 障 率 串联的元件：每个元件故障率相加得整个系统故障率 =（-1n R）/t 并联的元件：系统故障需要每个元件都故障。留意，没有便利的方法合并故障率 （2） 概率的计算举例 例：某化学反应器为防止超压爆炸，在反应器上安装了安全防护系统，如图4所示。这个系统包括一个高压报警系统和紧急关闭系统。高压报警系统是在反应器的1#压力开关上连接了报警指示灯，当压力超过规定值时，指示灯会指示报警。紧急关闭系统是将2#压力开关连接到反应器加料管的电磁阀上，在压力稍高于报警值时，这个系统会自动关闭反应物的进料阀，停止反应。 针对这一系统，计算由安全防护系统失效而发生超压的总的故障率、牢靠度、

10、故障概率和MTBF。假设操作周期为一年。 解：由表4查得压力开关，报警指示灯、电磁阀的故障率分别为0.14、0.044、0.42；用式（4）和（5）分别计算出每个元件的牢靠度和故障概率。结果列于表5。 元 件 故障率/（次/年） 牢靠度 故障概率 1#压力开关 0.14 0.87 0.13 报警指示灯 0.044 0.96 0.04 2#压力开关 0.14 0.87 0.13 电磁阀 0.42 0.66 0.34 表5 牢靠度和故障率、故障概率 由图得到，报警系统的指示灯和1#压力开关是串联的，紧急关闭系统的2#压力开关和电磁阀也是串联的，而报警系统和紧急关闭系统则是并联的。 首先分别计算报警

11、系统和关闭系统的故障率、牢靠度、故障概率和MTBF。 报警系统： R=R1R2=0.870.96=0.835 P=1-R=1-0.835=0.165 =1+2=0.14+0.044=0.184故障/（次/年） MTBF=5.4年 关系系统： R=R1R2=0.870.66=0.574 P=1-R=1-0.574=0.426 =1+2=0.14+0.42=0.56故障/（次/年） MTBF=1.8年 计算安全防护系统的故障概率、牢靠度、故障率和MTBF。 P=P1P2=0.1650.426=0.070 R=1-P=1-0.070=0.930 =（1-1nR）/t=-1n（0.930）/年=0.0

12、73故障/（次/年） MTBF=13.7年 计算结果说明，估量报警系统每5.4年发生一次故障，紧急关闭系统每1.8年发生一次故障。接受二个系统并联组成的安全防护系统，估量13.7年发生一次超压故障，其牢靠性得到明显提高。 计算出安全防护系统的故障概率，就可进一步确定反应器超压爆炸的风险率，从而可以比较它的安全性。 在事故树分析中谈到，事故树分析法不仅可以进行定性分析，还可用于定量分析和安全评价。所谓定量分析就是计算顶上大事的发生概率，依据概率或风险率的大小评价系统的安全性。 下面以图5所示的事故树为例，说明顶上大事发生概率的计算。 图5 反应失控容器爆炸事故树图 假设事故树中各基本大事的故障概

13、率分别是： 解：由图得中间大事D的输入大事X2，X3为或门（串联），依据式（9）计算D的故障概率： =1-（1-0.03）（1-0.04） =1-0.970.96=0.07 同理可计算： =1-（1-0.07）（1-0.1）=1-0.930.90=0.16 =1-（1-0.05）（1-0.1）(1-0.06) =1-0.950.90.94=0.20 =1-（1-0.16）（1-0.20）=1-0.840.80=0.33 中间大事A和基本大事X1为与门关系，用式（6）计算顶上大事T的事故概率 =0.330.02=0.0066 假如在反应器上安装一套紧急迫断系统，并与泄压系统并联，又设紧急迫断系统X8的故障概率为0.01，这时反应器反应特殊造成的事故概率则为： =0.330.020.01=0.00006