周德紅等

摘要： 鎂鋁粉塵爆炸事故是典型的金屬粉塵爆炸事故，也是造成二次爆炸事故威力最大的傷亡損失事故之一。在基于分析鎂鋁粉塵燃燒爆炸機理的基礎上，運用事故樹分析法對鎂鋁粉塵爆炸的原因事件進行分析。通過鎂鋁金屬粉塵爆炸事故樹的最小徑（割）集和結構重要度分析，主要從防止金屬粉塵積聚到爆炸極限和防止金屬粉塵遇到點火源兩處方面提出了預防鎂鋁金屬粉塵爆炸事故的對策措施，為了更好地預防鎂鋁金屬粉塵爆炸事故地發(fā)生、實施安全生產(chǎn)管理提供技術支持和參考依據(jù)。

Abstract： Magnesium-aluminum-dust-explosion accident mainly refers to metal dust explosion accident and is one of the powerful accidents causing casualties when the secondary explosion occurs. Based on the analysis of magnesium-aluminum-dust-explosion combustion mechanism， this paper analyzs the causes of the acciddents of magnesium-aluminium-dust-explosions via fault tree analysis.According to the analysis of minimal path sets and structure importance of magnesium aluminum dust explosion fault tree，countermeasures to prevent dust explosion are presented concerning prevention of dust accumulation to explosion limit and preventing dust from contacting ignition source. The concrete prevention measures are also presented.

關鍵詞： 鎂鋁粉塵；爆炸；事故樹；安全；事故預防

Key words： magnesium-aluminum-dust；explosions；fault tree；safety；accident prevention

中圖分類號：X932 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）29-0045-04

0 引言

2014年8月2日，昆山市中榮金屬制品有限公司的拋光車間發(fā)生一起粉塵爆炸事故[1]。案件截止14日時，已釀成75人死亡和185人受傷的悲慘局面，后經(jīng)確認是汽車鋁合金輪轂拋光產(chǎn)生的鎂鋁金屬粉塵誘發(fā)的一起特別重大事故。此次事故是我國歷史上造成人員傷亡最多、最重的金屬工業(yè)粉塵爆炸事故。

然而不止一次血淋淋的事故告誡人們金屬粉塵（如鎂、鋁、鎂鋁合金等）也會爆炸，而且后果往往極其嚴重。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，來自粉塵爆炸的事故在一定時期內(nèi)還會存在。

本文以鎂鋁金屬粉塵為研究對象，利用布爾代數(shù)法和行列法求鎂鋁粉塵爆炸事故樹的最小徑（割）集和結構重要度分析，并為防止鎂鋁粉塵爆炸的發(fā)生尋找控制事故發(fā)生的最佳方案，為更好地預防鎂鋁粉塵爆炸事故的發(fā)生、實施安全生產(chǎn)管理提供技術支持和參考依據(jù)。

1 鎂鋁金屬粉塵爆炸機理

1.1 粉塵爆炸的條件

鋁、鎂粉粉塵極易引起火災、爆炸事故，而且在一定的空間內(nèi)通?？諝庵袘腋〉匿X鎂粉塵有很大可能會發(fā)生擴散型二次爆炸，并且危害極大。一般粉塵顆粒越小，越易發(fā)生燃燒。

1.2 鋁鎂粉塵的燃燒爆炸機理

①當鋁鎂金屬被加工成微小的顆粒后，其接觸空氣中的總表面積隨著粒徑的變小而增大，那么粉末停留在空中的時間就會持續(xù)，進而造成粉塵燃燒的途徑就越多，發(fā)生爆炸的機率也增多。

②鋁鎂金屬形成粉末后，在空氣中其與氧的化學活性增強，那么發(fā)生爆炸的危險性也就變大，其反應式為：

2Mg+O2=2MgO 4Al+3O2=2Al2O3

利用豎直式爆管的實驗[2]可了解到：第一步當爆管內(nèi)局部懸浮的粉塵遇到一定熱量后表面溫度迅速升高；第二步受熱的粉粒向四周散發(fā)可燃氣體；第三步氣體在爆管內(nèi)與氧混合后燃燒，隨后造成周邊的粉粒受熱汽化促使燃燒面積增大，另外鎂、鋁在潮濕的環(huán)境下也會發(fā)生化學反應生成可燃性氣體，如下反應式：

Mg+2H2O=Mg（OH）2+H2↑

2Al+6H2O=2Al（OH3）+3H2↑

最后，如此循環(huán)持續(xù)地燃燒，加快了粉粒的反應速度，進而導致爆炸的產(chǎn)生，其爆炸過程如圖1所示。

2 鎂鋁金屬粉塵事故樹分析

2.1 事故樹分析方法概述[3]

事故樹分析法是安全界最經(jīng)濟的分析法之一。它能直接簡潔扼要表達事故的因果關系，給人邏輯清晰的感覺。使用該方法首先要熟悉并確立所要分析的系統(tǒng)，其次要搞清楚所要調(diào)查的對象（即為頂上事件）的各個相關聯(lián)的底事件（也叫基本事件）之間的因果關聯(lián)，而后用邏輯符號（與門、或門等）逐級把各事件連接起來，直至最后即得樹狀圖，最后據(jù)此圖可對頂上事件進行定性和定量分析計算得出研究結論。通過計算最小徑（割）集，尋求消除危險的根源，再通過分析比較結構重要度的大小，根據(jù)輕重緩急制定防范重點和渠道，以便及時有效斷開事故鏈達到根除事故的目的。

2.2 鎂鋁粉塵爆炸事故樹的建立

由事故樹分析法判斷可知，人們不期望的事件就是發(fā)生爆炸事故，則我們把鎂鋁粉塵爆炸作為頂上事件。而致使頂上事件的發(fā)生離不開基本兩個事件（點火源M2和粉塵積聚M3），且這兩個事件在遇到受限空間內(nèi)形成粉塵空氣混合物后并達到其爆炸極限（X1）時就會引發(fā)爆炸。即存在點火源而未存在粉塵積聚，則就不會發(fā)生爆炸，反過來亦是如此，所以用邏輯與門將他們連接起來。這樣推出各個事件并層層分析出事故發(fā)生的因果關聯(lián)，最終將它們用邏輯符號連接即可。

本文綜合考慮了38個基本事件，圖2中所代表的各基本事件詳見表1事故樹事件表。

3 事故樹分析

事故樹編制完成后需要列出函數(shù)表達式對其求解，通過計算事故樹的最小割（或徑）集，確立各基本事件的結構重要度，目的在于尋找危險根源。

3.1 用布爾代數(shù)法求事故樹的最小割集

利用布爾代數(shù)運算法則將事故樹結構函數(shù)進行化簡整合求出鎂鋁粉塵爆炸的最小割集。則圖2所示的事故樹的結構函數(shù)為：

T=X1M2M3

=X1（M2+M4+M5）（M6+M7+M8+M9+M10+M11+M12）

=X1（X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10）（X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25+X26+X27+X28+X29X30X31+X32+X33+X34+X35+X36+X37+X38）

割集數(shù)目的多少決定系統(tǒng)危險程度，用布爾代數(shù)法分解上式并化簡后的結果有243個最小割集，表明該研究的對象的頂上事件發(fā)生可能性越大，鎂鋁粉塵發(fā)生爆炸的因素就越多，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。因最小割集數(shù)目太多，計算分析較繁瑣，所以宜從最小徑集著手分析。

3.2 用行列法求事故樹的最小徑集

求所需的最小徑集，必須根據(jù)原事故樹通過一系列轉(zhuǎn)換成如圖3所示其對偶的成功樹。

根據(jù)成功樹的結構，結合布爾代數(shù)法，利用行列法對其求解：

T→X■■M■■M■■→X■■M■■M■■M■■M■■M■■M■■M■■M■■M■■M■■→X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■→

X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■X■■

由此可得原事故樹有5個最小徑集：

P1={X1}

P2={X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10}

P3={X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38}

P4={X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X30，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38}

P5={X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X31，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38}

3.3 結構重要度求解[4]

根據(jù)結構重要度定義判斷可知，需尋求各個事件的重要度，它的大小決定著頂上事件的嚴重程度。

由于X1是單個最小徑集，所以I？準 （1）為最大。又因為X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10屬于P2，所以I？準 （2）=I？準 （3）=I？準 （4）=I？準 （5）=I？準 （6）=I？準 （7）=I？準 （8）=I？準 （9）=I？準 （10）；而X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38同位于等數(shù)目的P3、P4、P5中，所以I？準 （11）=……=I？準 （28）=I？準 （32）=……=I？準 （38）；而X29，X30，X31所在的集合中數(shù)目均相等，則I？準 （29）=I？準 （30）=I？準 （31）。故只需求出I？準 （2）、I？準 （11）、I？準 （29）即可得出各基本事件的重要度排序。由I？椎 （i）=■■可計算。

式中：I？椎 i- 基本事件Xi重要度系數(shù)近似判斷值；

Pi-包含Xi的所有最小徑集；

ni-為第i個基本事件所在Pi中各基本事件的總數(shù)目。

則I？準 （2）=0.003906250000

I？準 （11）=0.000000089407

I？準 （29）=0.000000029802

可得出（徑集）結構重要度排列如下：

IΦ （1）〉I？準 （2）=I？準 （3）=I？準 （4）=I？準 （5）=I？準 （6）=I？準 （7）=I？準 （8）=I？準 （9）=I？準 （10）〉I？準 （11）=I？準 （12）=I？準 （13）=I？準 （14）=I？準 （15）=I？準 （16）=I？準 （17）=I？準 （18）=I？準 （19）=I？準 （20）=I？準 （21）=I？準 （22）=I？準 （23）=I？準 （24）=I？準 （25）=I？準 （26）=I？準 （27）=I？準 （28）=I？準 （32）=I？準 （33）=I？準 （34）=I？準 （35）=I？準 （36）=I？準 （37）=I？準 （38）〉I？準 （29）=I？準 （30）=I？準 （31）

3.4 結果分析

①由以上分析，事故樹中或門個數(shù)占巨多，可知很大一批單個底事件均有輸出。如除塵不干凈（X2）就會導致粉塵積聚的發(fā)生（M3）；吸煙（X12）就會導致點火源（M2）的存在。而剩余的與門的個數(shù)只占10%之多，僅僅有少數(shù)的個別底事件同時發(fā)生才有輸出。所以，從以上比例來看可知鎂鋁粉塵爆炸的概率較大。

②從最小割集上看，由于最小割集共有243組，說明有243種可能誘發(fā)鎂鋁粉塵爆炸的路徑，這預示著鎂鋁粉塵爆炸的可能性極大。

從以上所列的（徑集）基本事件重要度順序可以說明以下幾點：

①引起鎂鋁金屬粉塵達到爆炸極限的重要度最大，同樣誘發(fā)頂上事件的發(fā)生概率也最大；

②鎂鋁金屬粉塵積聚也是誘發(fā)頂上事件的重要因素，它對其頂事件影響僅次于第一事件；

③再者就是點火源的控制，雖說這些事件造成鎂鋁粉塵自燃的結構重要度最小，但也不容忽視。

4 對策措施

為了更好地預防并根除事故隱患，防止頂上事件的發(fā)生可按照結構重要度大小根據(jù)輕重緩急制定一系列對策措施，減少不必要的損失。

4.1 防止粉塵積聚到爆炸極限

防止鎂鋁金屬粉塵積聚而達到爆炸點是誘發(fā)爆炸的原因之一，也是預防粉塵爆炸的關鍵，所以關鍵是如何使空氣中的粉粒降到爆炸范圍之外。針對此問題提出以下幾點措施[5]：①保持工作面的清潔，注意采取負壓吸塵的方法消除粉塵，發(fā)現(xiàn)粉塵積聚及時處理；②使用排風效果好的設備（必要時采取一用一備的通風機）保持工作場所的足夠通風量，及時去除殘留的鎂鋁金屬粉塵，使之降到爆炸點之外；③對特殊設備實施密閉性，防止過量粉塵積聚在某一角落，必要時在工作場所設置金屬粉粒濃度超標自動檢測報警裝置。

4.2 防止粉塵遇到點火源

這方面技術措施主要是禁止一切能引發(fā)鎂鋁金屬粉粒的助燃劑及引燃劑，概括如下幾點：

①加強隔爆、防爆措施。例如把易爆炸危險的物質(zhì)與不易爆炸的物質(zhì)按照國家標準設置安全距離或修筑防爆墻阻擋，在這種場合使用防爆型開關及燈具等；

②在易發(fā)生漏電的場所配置正規(guī)的靜電消除器；

③禁止在爆炸性粉塵場所使用攜帶式電氣設備；

④防止生產(chǎn)場所發(fā)生摩擦與撞擊，禁止惡意敲打金屬及穿帶訂的鞋子；

⑤車間地坪材料要符合金屬加工行業(yè)的規(guī)范要求，另必須設有有效的避雷裝置；

⑥為避免引起自燃應控制采暖載熱體溫度在150℃以下等。

5 結束語

綜上，根據(jù)粉塵爆炸機理，利用FTA分析法合理分析鎂鋁粉塵爆炸可能的各種因素，既能全面地論述各基本事件間因果關聯(lián)又能對金屬粉塵事故的發(fā)生進行系統(tǒng)的分析判斷，并為根除鎂鋁等金屬粉塵爆炸的發(fā)生尋求最經(jīng)濟的方案。這種方法可供從事金屬拋光等易產(chǎn)生粉塵場所的安全管理的同行參考借鑒。該法不足之處若系統(tǒng)過于繁瑣，不利于把握重點。

參考文獻：

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[2]張小濤，胡雙啟.鎂鋁粉塵爆炸與防護措施研究[J].機械管理開發(fā)，2012（1）：66-67，70.

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[4]沈斐敏.安全系統(tǒng)工程理論與應用[M].北京：煤炭工業(yè)出社，2001：33-52.

[5]袁麗麗，李孜軍，賀兵紅.糧食粉塵爆炸事故樹分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（5）：53-55，44.