鎂鋁粉塵爆炸事故樹(shù)分析與控制措施

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(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用事故樹(shù)分析法對(duì)鎂鋁粉塵爆炸的原因事件進(jìn)行分析。通過(guò)鎂鋁金屬粉塵爆炸事故樹(shù)的最小徑（割）集和結(jié)構(gòu)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(diǎn)火源兩處方面提出了預(yù)防鎂鋁金屬粉塵爆炸事故的對(duì)策措施，為了更好地預(yù)防鎂鋁金屬粉塵爆炸事故地發(fā)生、實(shí)施安全生產(chǎn)管理提供技術(shù)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(guān)鍵詞： 鎂鋁粉塵；爆炸；事故樹(shù)；安全；事故預(yù)防

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

中圖分類號(hào)：X932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chē)間發(fā)生一起粉塵爆炸事故[1]。案件截止14日時(shí)，已釀成75人死亡和185人受傷的悲慘局面，后經(jīng)確認(rèn)是汽車(chē)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(guó)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(huì)爆炸，而且后果往往極其嚴(yán)重。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，來(lái)自粉塵爆炸的事故在一定時(shí)期內(nèi)還會(huì)存在。

本文以鎂鋁金屬粉塵為研究對(duì)象，利用布爾代數(shù)法和行列法求鎂鋁粉塵爆炸事故樹(shù)的最小徑（割）集和結(jié)構(gòu)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(yù)防鎂鋁粉塵爆炸事故的發(fā)生、實(shí)施安全生產(chǎn)管理提供技術(shù)支持和參考依據(jù)。

1 鎂鋁金屬粉塵爆炸機(jī)理

1.1 粉塵爆炸的條件

鋁、鎂粉粉塵極易引起火災(zāi)、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(huì)發(fā)生擴(kuò)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(jī)理

①當(dāng)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(shí)間就會(huì)持續(xù)，進(jìn)而造成粉塵燃燒的途徑就越多，發(fā)生爆炸的機(jī)率也增多。

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

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

利用豎直式爆管的實(shí)驗(yàn)[2]可了解到：第一步當(dāng)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?xì)怏w；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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可燃性氣體，如下反應(yīng)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(yīng)速度，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸的產(chǎn)生，其爆炸過(guò)程如圖1所示。

2 鎂鋁金屬粉塵事故樹(shù)分析

2.1 事故樹(shù)分析方法概述[3]

事故樹(shù)分析法是安全界最經(jīng)濟(jì)的分析法之一。它能直接簡(jiǎn)潔扼要表達(dá)事故的因果關(guān)系，給人邏輯清晰的感覺(jué)。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(duì)象（即為頂上事件）的各個(gè)相關(guān)聯(lián)的底事件（也叫基本事件）之間的因果關(guān)聯(lián)，而后用邏輯符號(hào)（與門(mén)、或門(mén)等）逐級(jí)把各事件連接起來(lái)，直至最后即得樹(shù)狀圖，最后據(jù)此圖可對(duì)頂上事件進(jìn)行定性和定量分析計(jì)算得出研究結(jié)論。通過(guò)計(jì)算最小徑（割）集，尋求消除危險(xiǎn)的根源，再通過(guò)分析比較結(jié)構(gòu)重要度的大小，根據(jù)輕重緩急制定防范重點(diǎn)和渠道，以便及時(shí)有效斷開(kāi)事故鏈達(dá)到根除事故的目的。

2.2 鎂鋁粉塵爆炸事故樹(shù)的建立

由事故樹(shù)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(kāi)基本兩個(gè)事件（點(diǎn)火源M2和粉塵積聚M3），且這兩個(gè)事件在遇到受限空間內(nèi)形成粉塵空氣混合物后并達(dá)到其爆炸極限（X1）時(shí)就會(huì)引發(fā)爆炸。即存在點(diǎn)火源而未存在粉塵積聚，則就不會(huì)發(fā)生爆炸，反過(guò)來(lái)亦是如此，所以用邏輯與門(mén)將他們連接起來(lái)。這樣推出各個(gè)事件并層層分析出事故發(fā)生的因果關(guān)聯(lián)，最終將它們用邏輯符號(hào)連接即可。

本文綜合考慮了38個(gè)基本事件，圖2中所代表的各基本事件詳見(jiàn)表1事故樹(shù)事件表。

3 事故樹(shù)分析

事故樹(shù)編制完成后需要列出函數(shù)表達(dá)式對(duì)其求解，通過(guò)計(jì)算事故樹(shù)的最小割（或徑）集，確立各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，目的在于尋找危險(xiǎn)根源。

3.1 用布爾代數(shù)法求事故樹(shù)的最小割集

利用布爾代數(shù)運(yùn)算法則將事故樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)整合求出鎂鋁粉塵爆炸的最小割集。則圖2所示的事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)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?zèng)Q定系統(tǒng)危險(xiǎn)程度，用布爾代數(shù)法分解上式并化簡(jiǎn)后的結(jié)果有243個(gè)最小割集，表明該研究的對(duì)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(jì)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(shù)的最小徑集

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

根據(jù)成功樹(shù)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合布爾代數(shù)法，利用行列法對(duì)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(shù)有5個(gè)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(jié)構(gòu)重要度求解[4]

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度定義判斷可知，需尋求各個(gè)事件的重要度，它的大小決定著頂上事件的嚴(yán)重程度。

由于X1是單個(gè)最小徑集，所以I？準(zhǔn) （1）為最大。又因?yàn)閄2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10屬于P2，所以I？準(zhǔn) （2）=I？準(zhǔn) （3）=I？準(zhǔn) （4）=I？準(zhǔn) （5）=I？準(zhǔn) （6）=I？準(zhǔn) （7）=I？準(zhǔn) （8）=I？準(zhǔn) （9）=I？準(zhǔn) （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(zhǔn) （11）=……=I？準(zhǔn) （28）=I？準(zhǔn) （32）=……=I？準(zhǔn) （38）；而X29，X30，X31所在的集合中數(shù)目均相等，則I？準(zhǔn) （29）=I？準(zhǔn) （30）=I？準(zhǔn) （31）。故只需求出I？準(zhǔn) （2）、I？準(zhǔn) （11）、I？準(zhǔn) （29）即可得出各基本事件的重要度排序。由I？椎 （i）=■■可計(jì)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(gè)基本事件所在Pi中各基本事件的總數(shù)目。

則I？準(zhǔn) （2）=0.003906250000

I？準(zhǔn) （11）=0.000000089407

I？準(zhǔn) （29）=0.000000029802

可得出（徑集）結(jié)構(gòu)重要度排列如下：

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

3.4 結(jié)果分析

①由以上分析，事故樹(shù)中或門(mén)個(gè)數(shù)占巨多，可知很大一批單個(gè)底事件均有輸出。如除塵不干凈（X2）就會(huì)導(dǎo)致粉塵積聚的發(fā)生（M3）；吸煙（X12）就會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火源（M2）的存在。而剩余的與門(mén)的個(gè)數(shù)只占10%之多，僅僅有少數(shù)的個(gè)別底事件同時(shí)發(fā)生才有輸出。所以，從以上比例來(lái)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(shuō)明有243種可能誘發(fā)鎂鋁粉塵爆炸的路徑，這預(yù)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(shuō)明以下幾點(diǎn)：

①引起鎂鋁金屬粉塵達(dá)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(duì)其頂事件影響僅次于第一事件；

③再者就是點(diǎn)火源的控制，雖說(shuō)這些事件造成鎂鋁粉塵自燃的結(jié)構(gòu)重要度最小，但也不容忽視。

4 對(duì)策措施

為了更好地預(yù)防并根除事故隱患，防止頂上事件的發(fā)生可按照結(jié)構(gòu)重要度大小根據(jù)輕重緩急制定一系列對(duì)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(dá)到爆炸點(diǎn)是誘發(fā)爆炸的原因之一，也是預(yù)防粉塵爆炸的關(guān)鍵，所以關(guān)鍵是如何使空氣中的粉粒降到爆炸范圍之外。針對(duì)此問(wèn)題提出以下幾點(diǎn)措施[5]：①保持工作面的清潔，注意采取負(fù)壓吸塵的方法消除粉塵，發(fā)現(xiàn)粉塵積聚及時(shí)處理；②使用排風(fēng)效果好的設(shè)備（必要時(shí)采取一用一備的通風(fēng)機(jī)）保持工作場(chǎng)所的足夠通風(fēng)量，及時(shí)去除殘留的鎂鋁金屬粉塵，使之降到爆炸點(diǎn)之外；③對(duì)特殊設(shè)備實(shí)施密閉性，防止過(guò)量粉塵積聚在某一角落，必要時(shí)在工作場(chǎng)所設(shè)置金屬粉粒濃度超標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警裝置。

4.2 防止粉塵遇到點(diǎn)火源

這方面技術(shù)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(diǎn)：

①加強(qiáng)隔爆、防爆措施。例如把易爆炸危險(xiǎn)的物質(zhì)與不易爆炸的物質(zhì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置安全距離或修筑防爆墻阻擋，在這種場(chǎng)合使用防爆型開(kāi)關(guān)及燈具等；

②在易發(fā)生漏電的場(chǎng)所配置正規(guī)的靜電消除器；

③禁止在爆炸性粉塵場(chǎng)所使用攜帶式電氣設(shè)備；

④防止生產(chǎn)場(chǎng)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(chē)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(shè)有有效的避雷裝置；

⑥為避免引起自燃應(yīng)控制采暖載熱體溫度在150℃以下等。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上，根據(jù)粉塵爆炸機(jī)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(guān)聯(lián)又能對(duì)金屬粉塵事故的發(fā)生進(jìn)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(jì)的方案。這種方法可供從事金屬拋光等易產(chǎn)生粉塵場(chǎng)所的安全管理的同行參考借鑒。該法不足之處若系統(tǒng)過(guò)于繁瑣，不利于把握重點(diǎn)。

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