安全风险分析与模拟仿真技术

第1章 概述 安全是人类生存的基本保障条件，在生产和生活中风险无处不在。安全是系统的一种客观状态，风险是人们在活动中可能出现的情景。本章将对安全、风险的概念进行讨论、分析，正确理解安全、风险的意义，掌握它们之间的关系，为预知风险、把控风险、保障安全提供理论指导。 1.1 安全与风险 1.1.1 安全 1. 安全的定义 美国安全工程师学会（ASSE）编写的《安全专业术语辞典》及《英汉安全专业术语辞典》中，将安全定义为“可以容忍的风险程度”。也就是说世界上没有绝对安全的事物，任何事物中都包含有不安全的因素，具有一定的危险性；安全是通过对系统的危险性和允许接受的限度相比较而确定，安全是主观认识对客观存在的反应。 1） 安全是相对的思想 长期以来，人们一直把安全和危险看作截然不同的、相对对立的。系统安全的思想认为，世界上没有绝对安全的事物，任何事物中都包含有不安全的因素，具有一定的危险性。 安全是通过对系统的危险性和允许接受的限度相比较而确定，对系统安全的判断，是主观认识对客观存在的反应，这一过程可用图1-1加以说明。 图1-1 对系统安全的认识判断过程 因此，安全工作的首要任务就是在主观认识能够真实地反映客观存在的前提下，在允许的安全限度内，判断系统危险性的程度。在这一认识判断过程中要注意： （1） 认识的客观、真实性； （2） 安全标准的科学、合理性； （3） 安全伴随着人们的活动过程，它是一种状态，与时、空相联系。 2） 安全伴随着系统生命周期的思想 系统的生命周期从系统的构思开始，经过可行性论证、设计、建造、试运转、运转、维修直至系统报废（完成一个生命周期），其各个环节都存在不同的安全问题。系统生命周期中的安全问题可用图1-2表示。 图1-2 系统生命周期中的R-M曲线 图中纵坐标H为系统的风险，横坐标t为时间，R-M为Rheology-Mutation的简称 以化工企业为例对图1-2加以说明。AB阶段表示某工艺单元刚刚建立运行时，设备刚刚投入使用，处于浴盆曲线中的早期失效期，可靠性较低，极易发生故障；人员由于刚刚开始生产，对工艺流程和设备的操作较为生疏，极易操作失误，且对设备故障的处理不够熟练；安全措施和管理不够完善，对于设备的维护和人员操作培训的管理不够。此时，系统风险呈现减速增长的趋势。由于系统的风险一直存在，因此在初始点，即t→+0时，系统风险的值并不为零。 BC阶段表示工程单元进入稳定的运行阶段。设备渡过早期失效期，运行较为稳定，故障的发生率降低；人员对于设备的操作开始熟练，出错较少，即使设备有意外情况发生，操作人员也可以根据经验采取及时有效的处理；安全措施逐渐到位，管理条款也愈加严密，防范措施成熟，此时系统风险以极低的速度增长。BC阶段中的波动，描述的是危险的发生与抑制的过程，该阶段会出现一些故障或误操作，可以通过正确的方法加以消除。虽然灾场风险存在波动，但是灾害没有发生，从本质上来讲，还是比较安全的。当然，如果BC阶段中任意一次波动处理不当，都会导致BC阶段结束，提前进入CD阶段。因此，加强设备维护，提高员工安全操作水平，建立危机防范制度，有助于BC阶段的延长。 随着工作时间的推移，工艺单元中的设备出现磨损，发生事故的概率增加；人员由于长期从事相同的工作，由于对工艺过于熟悉，容易产生麻痹大意的心理，导致操作失误增加，危机处理也不能完全按照规定达到准确有效地控制灾害的发生。此时，系统风险进入CD阶段，呈现加速增长的趋势。 当系统在这样的危险状态下维持一段时间，潜在的能量不断集聚，*终突破系统的约束向外释放引发事故，人员和财产就会有伤亡和损失，即DE阶段。 此后，工艺瘫痪，设备无法运行，需经过EF阶段对整体的工艺加以恢复和调整。在F点时，新的工艺单元建立，新的系统形成新的风险，即存在新的初始风险值，成为另一次风险“流变——突变”过程的起点。 要充分认识系统生命周期中安全的两个方面： （1） 本质化安全。本质化安全是系统安全的根本保证，从系统的构思、设计开始就融入系统，对系统有两个基本的要求。一是系统正常运行条件下本身是安全的，也就是系统在其生命周期中不依赖保护与修正安全设备也能安全运行。二是系统的故障安全，也就是系统在停电或失去公用工程时，系统能保持稳定状态。本质化安全是系统的理想状态，是安全工作追求的目标。 （2） 工程化安全。工程化安全思想是对本质安全的补充，其主导思想就是应用工程安全保护设备进一步加强系统在其生命周期中的安全性，但是必须确保工程安全设备在系统出现问题时不产生故障。 本质化安全和工程化安全构成了系统生命周期安全的思想。 3） 系统中的危险源是事故根源的思想 危险源是可能导致事故的潜在的不安全因素。任何系统都不可避免地存在某些危险源，而这些危险源只有在触发事件的触发下才会产生事故。 有关危险源的分类方法很多，这里介绍一种比较主流的分类： **类危险源。根据能量意外释放理论，能量或危险物质的意外释放是伤亡事故发生的本质。于是，把生产过程中存在的，可能发生意外释放的能量（能源或能量载体）或危险物质称为**类危险源。 第二类危险源。导致能量或危险物质约束或限制措施破坏或失效、故障的各种因素，称为第二类危险源。它主要包括物的故障、人的失误和环境因素等。 一起伤亡事故的发生往往是两类危险源共同作用的结果。**类危险源是伤亡事故发生的能量主体，决定事故后果的严重程度；第二类危险源是**类危险源造成事故的必要条件，决定事故发生的可能性。 综上所述，安全工作的一个重要指导思想就是辨识系统中的危险源和消除触发事件的思想。 如何解决危险源问题？应从三个方面思考： （1） 识别危险源。就是具有专门安全知识与技术的人员，利用现代安全检测技术及设备，应用危险源识别方法与技术进行系统的危险辨识。 （2） 危险源的评价分析。目的是得到各种危险源引发事故的可能性和后果严重程度，对危险源进行排序。 （3） 危险源的控制。就是应用由工程技术（Engineering） 对策、教育（Education） 对策和法制（Enforcement） 对策组成的“3E”对策进行危险源的综合控制。 2. 安全与危险的关系 1） 系统安全与系统危险 系统安全是指在系统生命周期内应用系统安全工程和系统安全管理方法，辨识系统中的危险源，并采取有效的控制措施使其危险性*小，从而使系统在规定的性能、时间和成本范围内达到*佳的安全程度。系统安全是人们为解决复杂系统的安全性问题而开发、研究出来的安全理论、方法体系。 系统安全与系统危险的关系见图1-3。 图1-3 系统安全与系统危险的关系 系统安全的基本原则就是在一个新系统的构思阶段就必须考虑其安全性的问题，制定并执行安全工作规划（系统安全活动）。并且把系统安全活动贯穿于整个系统生命周期，直到系统报废为止。 系统安全泛指系统中的安全性，它与系统中的可靠性等同为系统的特定性能指标，注意它和“安全系统”一词的不同。 20世纪50年代以来，科学技术进步的一个显著特征是设备、工艺及产品越来越复杂。战略武器的研制、宇宙开发及核电站建设等使得作为现代科学技术标志的大规模复杂系统相继问世。这些复杂系统往往由数以千万计的元素组成，元素之间以非常复杂的关系相连接，在被研究制造或使用过程中往往涉及高能量。系统中微小差错就会导致灾难性的事故，大规模复杂系统安全性问题受到人们的广泛关注。 1947年9月，美国航空科学院报道了一篇题为《安全工程》的论文，文中写道：“正如飞机性能、稳定性和结构完整性一样，必须进行安全设计，并使之成为飞机不可分割的一部分。安全组也要像应力组、空气动力系组和荷载组一样，必须成为制造厂的重要组织机构之一。”这是*早提出系统安全概念的一篇论文。 系统安全的基本思想是人们在研制、开发、使用、维护这些大规模复杂系统的过程中，逐渐萌发的。在20世纪五六十年代美国研制洲际导弹的过程中，系统安全的理论逐渐形成。 导弹的推进剂是一种气体加压到420kg/cm2、温度低达-196℃的低温液体，这种推进剂的化学性质非常活泼且有剧毒。其毒性远远超过**次世界大战中使用的毒气的毒性，其爆炸性比烈性炸药更强烈，并且比工业中使用的腐蚀性化学物质更具有腐蚀性。当时负责该项目的美国空军的官员们并没有认识到他们着手建造的导弹系统潜伏着巨大的危险性。在洲际导弹试验开始的头一年半里就发生了四次爆炸，损失惨重。事故调查结果表明，主要原因是产品安全性存在重大问题。于是，这个产品被报废，重新进行设计。美国空军于1962年明确提出了以系统工程的方法研究导弹系统安全性的文件。1963年美国空军制定了“系统和有关子系统以及设备的安全工程通用要求”，作为系统和设备的设计指导。1966年美国国防部对空军的标准作了修改，发布了自己的标准。1969年再次修订了这个标准，发布了“系统、有关子系统与设备的系统安全大纲”，在这个标准中首先建立了较为完善的系统安全的概念，以及安全分析、设计和评价等的基本原则。 2） 系统安全理论的主要创新观点 系统安全理论包括很多区别于传统安全理论的创新概念，主要表现在： （1） 在事故致因理论方面，改变了人们只注重操作人员的不安全行为而忽略硬件的故障在事故致因中作用的传统观念，开始考虑如何通过改善事物的系统的可靠性来提高复杂系统的安全性，从而避免事故。 （2） 没有任何一种事物是绝对安全的，任何事物中都潜伏着危险因素，通常所说的安全或危险只不过是一种主观的判断。能够造成事故的潜在危险因素称为危险源，来自某种危险源的造成人员伤害或物质损失的可能性称为危险。危险源是一些可能出问题的事物或环境因素等，而危险表征潜在的危险源造成伤害或损失的机会，可以用概率来衡量。 （3） 不可能根除一切危险源和危险，可以减少来自现有危险源的危险性。在生产过程中要注意减少系统总的危险性，而不是只去消除几种特定的危险。 （4） 由于人的认识能力有限和事物不断发展的客观性，有时不能完全认识系统中的危险源和危险。即使认识了现有的危险源，随着生产技术的发展，新技术、新工艺、新材料和新能源的出现，又会产生新的危险源。由于受技术、资金、环境、劳动力等因素的限制，对于认识了的危险源也不可能完全根除。由于不能全部根除危险源，只能通过相关的方法、措施把危险降低到可接受的程度，即可接受的危险。安全工作的目标就是控制危险源，努力把事故发生概率降到*低，即使发生事故时，也可把伤害和损失控制在较轻的程度上。 1.1.2 风险 1. 风险的定义 什么是风险，目前尚无统一的定义，有关风险的学说很多，如风险是损失发生的可能性、风险是一种不确定性、风险是结果对期望的偏离、风险是一种利益等。 风险由风险因素、风险事故与风险损失三因素构成，而风险因素、风险事故与风险损失三者之间又存在着因果关系，即风险因素引发风险事故，而风险事故导致损失。如果将这种关系连接起来，便得到对风险的直观图解，如图1-4所示。 图1-4 风险及其构成要素 （1） 风险因素。风险因素是指引起或增加风险事故发生的机会或扩大损失程度的条件，是风险事故发生和造成风险损失直接的或间接的原因。通常，风险因素是客观存在难以避免的，是不以人们的意志为转移的。对于建筑物来说，风险因素是指其建材与建筑结构等；对于人体，风险因素是指其健康状况和年龄等。风险因素通常可分为物理风险因素、道德风险因素和心理风险因素三类。 （2） 风险事故。风