安全性評價的基本方法

1、 安全性評價的基本方法 現(xiàn)在國內外已開發(fā)出很多種安全性評價方法，按指標量化的體系可以將其分為兩大類，這就是風險率法和相對法。下面對幾種常用的方法加以介紹。 風險率評價法 此法是以事故發(fā)生概率為依據(jù)的評價法。如用故障類型影響和致命度分析、事故樹定量分析、大事樹定量分析等，在求出事故發(fā)生概率的基礎上，進一步計算風險率，按風險率大小確定其安全性。一個系統(tǒng)危急性的大小，取決于兩個方面的因素，一是事故發(fā)生的概率，二是事故造成后果的嚴峻程度。假如事故發(fā)生概率微小，即使后果嚴峻，風險也不會太大，而有些事故發(fā)生概率很大，后果并不太嚴峻，但風險卻很大。把這兩個方面因素綜合起來就是風險率。風險率等于事故概率（或頻

2、率）乘以嚴峻度。其計算公式如下： R=SP （1） 式中 R風險率，事故損失/單位時間； S嚴理度，事故損失/事故次數(shù)； P事故發(fā)生概率，事故次數(shù)/單位時間。 由此可見，風險率是單位時間內事故造成損失的大小。單位時間可以是年、月、日、小時等；事故損失可以用人的傷亡、經濟損失或是工作日的損失等表示。 知道了風險率就可以與安全指標比較，從而推斷系統(tǒng)是否安全。 但是，欲求風險率必需首先求出評價系統(tǒng)事故概率或頻率。因此，下面就概率的有關概念和計算作一簡述。 （1） 概率的基本概念和計算 生產裝置或工藝過程發(fā)生事故是由組成它的若干元件相互簡潔作用而引起的，總的故障概率取決于這些元件的故障概率和它們之間相

3、互作用的性質，故要計算裝置或工藝過程發(fā)生事故的概率，必需首先了解各個元件的故障概率。 元件的故障概率及其求法。構成設備或裝置的元件，工作確定時間后就會發(fā)生故障或失效。所謂失效就是指元件丟失規(guī)定的功能。可修復系統(tǒng)的失效就是故障。 元件在兩次相鄰故障間隔期內正常工作時的平均時間，叫平均故障間隔期，用MTBF表示。如第一次工作t1時間后消逝故障，其次次工作t2時間后消逝故障，第n 次工作tn時間后消逝故障，則平均故障間隔時間為： （2） MTBF一般是通過試驗，測定幾個元件的平均故障間隔時間的平均值得到。 在試驗條件下測定的這些數(shù)據(jù)，實際應用時要受到環(huán)境因素的惡劣影響，故應加確定的修正系數(shù)（嚴峻系數(shù)

4、k）。部分環(huán)境下嚴峻系數(shù)k的取值參見表3。 使 用 場 所 k 試驗室 1 一般室 1.110 船舶 1018 鐵路車輛、牽引式公共汽車 1330 火箭試驗臺 60 飛機 80150 火箭 4001000 表3 嚴峻系數(shù)k值舉例 元件在單位時間（或周期）內發(fā)生故障的平均值稱為平均故障率，用表示，單位為故障次數(shù)/時間。 平均故障率是平均故障間隔期的倒數(shù)。 （3） 元件在規(guī)定時間內和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的概率稱為牢靠度，用R（t）表示。元件在時間間隔（0，t）內的牢靠度符合下列關系： R（t）=e-t （4） 式中t為元件運行時間。牢靠度的補大事就是故障概率（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）只適用于故障率穩(wěn)定不變的狀況。但很多元件故障率隨時間而變化。元件故障率隨時間變化有三個時期，即：幼年故障期（早期故障期）、近似穩(wěn)定故障期（偶然故障期）和老年故障期（損耗故障期）。元件在新的和老的時期故障率都很高，這是由于元件新的時候可能內部有缺陷或調試過程有損壞，因而開頭故障率較高，但很快就下降了；當使用時間長期了，由于老化磨損，其功能下降，故障率又會快速提高。假如設備或元件在老年期之前，更換或修理即將失效部分，則可延長使用壽命。在這兩個周期之間（近似穩(wěn)定故障期）的故障率低且穩(wěn)定，式（4）和（5）都適用。 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） 把握閥 把握器 流量測量（液體） 0.60 0.29 1.14 壓力測量 泄壓閥 壓力開關 1.14 0.022 0.14 流量測量（固體） 流量開關 氣液色譜 3.75 1.12 30.6 電磁閥 步進電動機 長紙條記錄儀 0.42 0.044 0.22 手動閥 指示燈 液位測量（液體） 0.13 0.044 1.70 熱電偶溫度測量 溫度計溫度測量 閥動定位器 0.52 0.027 0.44 液位測量（固體） 氧分析儀 pH計 6.86 5.65 5.88 表4 部分元件的故障率 資料來源：Frank P. Lees，Loss

7、 Prevention in the Process Industries（London：Butterworths，1986） 元件的相互聯(lián)接及概率計算。裝置或工藝過程是由很多元件聯(lián)接在一起構成的，這些元件發(fā)生故障常會導致系統(tǒng)故障或事故的發(fā)生。因此，可依據(jù)各個元件故障概率，依照它們之間的聯(lián)接關系，計算出工藝過程或裝置的故障概率。 元件間的相互聯(lián)接有兩種狀況，一種是各元件為并聯(lián)關系，并聯(lián)結構用規(guī)律與門（AND）表示，意思是并聯(lián)的幾個元件同時發(fā)生故障，工藝過程就會故障。 并聯(lián)聯(lián)接的元件，總的故障概率等于各元件故障概率相乘，其計算公式為： （6） 式中n是總的元件數(shù)，Pi是每個元件的故障概率。 總的

8、牢靠度由下式得到： （7） 式中Ri是各個元件的牢靠度。 元件的另一種聯(lián)接是串聯(lián)關系，串聯(lián)的各元件用規(guī)律或門（OR）表示，意思是任一個元件發(fā)生故障都會引起工藝過程發(fā)生故障或事故。 串聯(lián)聯(lián)接的元件，總的牢靠度等于各個元件牢靠度相乘，即： （8） 由下式計算總的故障概率： （9） 只有A和B兩個元件組成的系統(tǒng) P（A或B）=P（A）+P（B）P（A）P（B） （10） P（A）P（B）是補償計算時重疊的部分。假如元件的故障概率很少，則P（A）P（B）項可以忽視。此時式（10）則簡化為 P（A或B）=P（A）+P（B） （11） 式（9）簡化為 （12） 下表列出各種類型元件聯(lián)接的計算 故 障 概

9、率 可 靠 度 故 障 率 串聯(lián)的元件：每個元件故障率相加得整個系統(tǒng)故障率 =（-1n R）/t 并聯(lián)的元件：系統(tǒng)故障需要每個元件都故障。留意，沒有便利的方法合并故障率 （2） 概率的計算舉例 例：某化學反應器為防止超壓爆炸，在反應器上安裝了安全防護系統(tǒng)，如圖4所示。這個系統(tǒng)包括一個高壓報警系統(tǒng)和緊急關閉系統(tǒng)。高壓報警系統(tǒng)是在反應器的1#壓力開關上連接了報警指示燈，當壓力超過規(guī)定值時，指示燈會指示報警。緊急關閉系統(tǒng)是將2#壓力開關連接到反應器加料管的電磁閥上，在壓力稍高于報警值時，這個系統(tǒng)會自動關閉反應物的進料閥，停止反應。 針對這一系統(tǒng)，計算由安全防護系統(tǒng)失效而發(fā)生超壓的總的故障率、牢靠度、

10、故障概率和MTBF。假設操作周期為一年。 解：由表4查得壓力開關，報警指示燈、電磁閥的故障率分別為0.14、0.044、0.42；用式（4）和（5）分別計算出每個元件的牢靠度和故障概率。結果列于表5。 元 件 故障率/（次/年） 牢靠度 故障概率 1#壓力開關 0.14 0.87 0.13 報警指示燈 0.044 0.96 0.04 2#壓力開關 0.14 0.87 0.13 電磁閥 0.42 0.66 0.34 表5 牢靠度和故障率、故障概率 由圖得到，報警系統(tǒng)的指示燈和1#壓力開關是串聯(lián)的，緊急關閉系統(tǒng)的2#壓力開關和電磁閥也是串聯(lián)的，而報警系統(tǒng)和緊急關閉系統(tǒng)則是并聯(lián)的。 首先分別計算報警

11、系統(tǒng)和關閉系統(tǒng)的故障率、牢靠度、故障概率和MTBF。 報警系統(tǒng)： 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 關系系統(tǒng)： 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 計算安全防護系統(tǒng)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 計算結果說明，估量報警系統(tǒng)每5.4年發(fā)生一次故障，緊急關閉系統(tǒng)每1.8年發(fā)生一次故障。接受二個系統(tǒng)并聯(lián)組成的安全防護系統(tǒng)，估量13.7年發(fā)生一次超壓故障，其牢靠性得到明顯提高。 計算出安全防護系統(tǒng)的故障概率，就可進一步確定反應器超壓爆炸的風險率，從而可以比較它的安全性。 在事故樹分析中談到，事故樹分析法不僅可以進行定性分析，還可用于定量分析和安全評價。所謂定量分析就是計算頂上大事的發(fā)生概率，依據(jù)概率或風險率的大小評價系統(tǒng)的安全性。 下面以圖5所示的事故樹為例，說明頂上大事發(fā)生概率的計算。 圖5 反應失控容器爆炸事故樹圖 假設事故樹中各基本大事的故障概

13、率分別是： 解：由圖得中間大事D的輸入大事X2，X3為或門（串聯(lián)），依據(jù)式（9）計算D的故障概率： =1-（1-0.03）（1-0.04） =1-0.970.96=0.07 同理可計算： =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 中間大事A和基本大事X1為與門關系，用式（6）計算頂上大事T的事故概率 =0.330.02=0.0066 假如在反應器上安裝一套緊急迫斷系統(tǒng)，并與泄壓系統(tǒng)并聯(lián)，又設緊急迫斷系統(tǒng)X8的故障概率為0.01，這時反應器反應特殊造成的事故概率則為： =0.330.020.01=0.00006