基于AHP的火法煉銅工藝風(fēng)險因素耦合分析*

賈婷婷 許開立

(1.新疆工程學(xué)院安全科學(xué)與工程學(xué)院 烏魯木齊 650106； 2.新疆工程學(xué)院智慧應(yīng)急重點實驗室 烏魯木齊 650106； 3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽 110819)

0 引言

火法煉銅是目前運用最為廣泛的銅冶煉工藝，各國有關(guān)行業(yè)也都在積極向著“清潔”生產(chǎn)邁進，但因其工藝的繁雜性，生產(chǎn)過程必不可少地存在許多目前難以攻克的問題。

首先，火法冶煉工藝流程復(fù)雜，環(huán)境較差。其工藝環(huán)境涉及到高溫、噪聲、粉塵等危險有害因素，安全隱患較多[1]。熔融態(tài)銅液溫度可達(dá)1 000 ℃以上，故在車間工作，高溫防護是絕不能忽視的。其次，作業(yè)類別多，大型反應(yīng)爐眾多?；鸱掋~生產(chǎn)中涉及熔煉爐、吹煉爐、陽極爐、余熱鍋爐等大型鍋爐[1]，涉及到的作業(yè)類別眾多，爐前操作危險性較高，鍋爐發(fā)生泄漏爆炸等事故的危險性較高，所以要特別注意對鍋爐安全運行的防護。另外，工藝流程較長。火法煉銅從焙燒、造锍熔煉、冰銅吹煉、粗銅精煉到陽極板的電解，工藝眾多，涉及廠區(qū)車輛較多，存在銅液運輸操作，使用銅包是一種常見的運輸方式，銅包側(cè)翻等事故的發(fā)生也大大增加了運輸過程的危險性。最后，火法煉銅工藝的正常運行離不開電力、供水、燃?xì)獾容o助系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其是某些工藝設(shè)備涉及到冷卻水系統(tǒng)，冷卻水一旦接觸到高溫熔融金屬很容易導(dǎo)致噴濺甚至爆炸[1]，所以對冷卻水系統(tǒng)的防護至關(guān)重要。

1 火法煉銅事故風(fēng)險因素分析

1.1 事故類型分析

以銅精礦為原料的火法煉銅工藝過程不僅涉及到氯氣、二氧化硫、一氧化碳等多種?；?，且熔煉爐、機械設(shè)備以及工藝本身的特性決定了冶煉過程中存在多種危險有害因素，如高溫熔融金屬銅液遇水可能發(fā)生噴濺甚至是爆炸，膠帶運輸機等可能發(fā)生機械傷害等，將火法煉銅過程中主要發(fā)生的事故和其發(fā)生部位及原因統(tǒng)計如下。

(1)火災(zāi)。主要原因有：①天然氣泄漏、擴散遇明火；②氧氣泄漏，與其他氣體混合達(dá)到爆炸極限；③加油站、柴油發(fā)電站裝卸過程發(fā)生泄漏遇明火或電火花；④電力變壓器存在絕緣老化可能引起短路，其他配電、照明裝置也存在火災(zāi)危險性。

(2)爆炸，爆炸多是由于高溫熔體遇水引起。主要原因有：①熔煉爐冷卻水系統(tǒng)故障，若爐體出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象則可能發(fā)生高溫熔體遇水爆炸；②轉(zhuǎn)爐爐口水套漏水接觸高溫熔體發(fā)生噴濺或爆炸；③氧槍系統(tǒng)故障，發(fā)生漏水接觸高溫熔體；④使用潮濕工具或原、輔料水分過高；⑤余熱鍋爐材質(zhì)不良或是安全附件失靈可能發(fā)生常壓或超壓爆炸。

(3)灼燙。主要原因有：①熔煉爐、轉(zhuǎn)爐、陽極爐高溫條件下作業(yè)，出渣、放銅等高溫物料的運輸過程中發(fā)生人員灼燙；②陽極板澆鑄過程中，人員接觸未經(jīng)完全冷卻的陽極板；③人員與電解液直接接觸或吸入電解液蒸汽會造成化學(xué)灼燙。

(4)中毒、窒息。主要原因有：①火法精煉還原期產(chǎn)生CO，若處理不到位可能逸散；②冶煉過程產(chǎn)生煙氣中含有SO2，若未進行有效的后期處理，可能發(fā)生人員傷害；③銅煙霧對于人體也是有害的，長期吸入銅煙霧可能引起金屬熱。

(5)觸電。生產(chǎn)車間內(nèi)配電室、電氣設(shè)備眾多，若絕緣損壞、未按照規(guī)定使用漏電保護器、電氣設(shè)備未進行可靠的接地接零保護、配電盤或插座沒有按照規(guī)定進行隔離保護、亂拉電線、電氣設(shè)備安排不當(dāng)、使用不合理、維修不及時或操作人員違章操作等原因都易造成觸電事故。

(6)機械傷害。冶金企業(yè)機械設(shè)備眾多，人員操作失誤、違章；設(shè)備的不安全狀態(tài)都可能引起機械傷害。

(7)起重傷害。起重運輸作業(yè)局限性的位移空間使得起重運輸作業(yè)具有較多危險性，人、物雙重因素都有可能引起傷害的發(fā)生。

(8)車輛傷害。廠內(nèi)叉車、汽車等發(fā)生撞車、溜車、撞人等事故。

(9)高處墜落。高處平臺、立體作業(yè)時為設(shè)置安全防護設(shè)施或未佩戴個人防護用品。

(10)物體打擊。①人員手動作業(yè)，如檢修維護時誤操作；②物料放置不穩(wěn)、突然倒下或掉落傷人。

1.2 事故風(fēng)險因素及其耦合分析

一起事故的發(fā)生往往是多因素共同作用的結(jié)果，本部分僅針對人、設(shè)、環(huán)、管等四個因素共同作用導(dǎo)致事故的復(fù)雜情況進行風(fēng)險因素耦合分析[2]，見圖1。其中，人具有主觀能動性，可能由于技能不足或心理不佳發(fā)生違章、失誤等不安全行為；設(shè)備的不安全狀態(tài)是導(dǎo)致人員違章和事故發(fā)生的重要原因，同時也是環(huán)境狀態(tài)改變的原因之一；環(huán)境對于人員生理和心理的影響以及對設(shè)備狀態(tài)的影響也是生產(chǎn)需要關(guān)注的重點之一；管理是對其他三者的管理，所以管理是主導(dǎo)因素。

圖1 人-設(shè)-環(huán)-管因素風(fēng)險耦合

2 火法煉銅事故風(fēng)險因素耦合度

以葫蘆島某有色金屬公司的火法煉銅整個工序為例，建立其風(fēng)險因素耦合的指標(biāo)體系，計算得出其各因素之間的耦合度大小。

2.1 建立火法煉銅事故風(fēng)險因素耦合度指標(biāo)體系

根據(jù)前文關(guān)于火法煉銅風(fēng)險因素耦合的分析，本部分將人為風(fēng)險因素、設(shè)備風(fēng)險因素、環(huán)境風(fēng)險因素和管理風(fēng)險因素作為一級指標(biāo)建立火法煉銅事故風(fēng)險因素耦合指標(biāo)體系[3]，如表1所示。

表1 火法煉銅事故風(fēng)險因素耦合指標(biāo)體系

2.2 確定指標(biāo)層次權(quán)重

本部分以4個一級指標(biāo)為例，利用AHP確定各指標(biāo)權(quán)重。采用1—9標(biāo)度法建立一級指標(biāo)的判斷矩陣，見表2。

表2 一級指標(biāo)判斷矩陣

經(jīng)過規(guī)一化處理得到一級指標(biāo)的權(quán)重向量為：

求其最大特征值并進行一致性檢驗：

λmax=4.140 6，CI=0.046 9，CR=0.049 9<0.1。

重復(fù)以上步驟，確定各二級指標(biāo)的權(quán)重并將結(jié)果統(tǒng)計在表1中。

2.3 耦合度計算

首先，確定指標(biāo)風(fēng)險值，確定風(fēng)險指標(biāo)實際值時很難準(zhǔn)確測定，故本文采用專家打分法(共同前往該企業(yè)進行實地考察的5位專家)來定量指標(biāo)值，為了降低結(jié)果的模糊性和不確定性，選取多個專家進行打分，將結(jié)果平均來降低結(jié)果的模糊性，見表3。設(shè)定(0，1)為風(fēng)險區(qū)間，值越大則風(fēng)險越大[4]。

表3 專家打分確定各指標(biāo)風(fēng)險值

通過構(gòu)建功效函數(shù)和耦合度函數(shù)來計算各指標(biāo)之間的耦合關(guān)系，以一級指標(biāo)中人為因素風(fēng)險U1和設(shè)備因素風(fēng)險U2為例計算兩者耦合度。

首先利用功效函數(shù)[5-6]計算兩個一級指標(biāo)中各二級指標(biāo)的功效系數(shù)：

Aij、Bij分別為上、下限值1和0，故fij在數(shù)值上等于Xij。

同樣運用功效函數(shù)計算一級指標(biāo)的功效系數(shù)：

以此類推可以得到F3=0.635 0，F(xiàn)4=0.372 3。

根據(jù)火法煉銅事故風(fēng)險耦合度模型，得出人為因素風(fēng)險F1和設(shè)備因素風(fēng)險F2的耦合度模型為：

C12=0.509 3∈[0.3，0.7]，為中等水平耦合狀態(tài)，即人為因素風(fēng)險和設(shè)備因素風(fēng)險的耦合處于中等水平，關(guān)聯(lián)性較高，容易相互作用、相互影響導(dǎo)致事故的發(fā)生，耦合度結(jié)果見表4。

表4 耦合度結(jié)果

由耦合度計算結(jié)果可知，葫蘆島某有色金屬公司火法煉銅的事故風(fēng)險耦合度為C1234=0.507 2，處于中等水平的耦合狀態(tài)，此時，各因素之間的關(guān)聯(lián)性較高，出現(xiàn)事故的概率也較大。此外，人-環(huán)因素風(fēng)險耦合以及人-設(shè)-環(huán)因素風(fēng)險耦合的耦合度都超過了0.6，接近于強耦合狀態(tài)，這種狀態(tài)下，發(fā)生事故的概率很高，一旦有某些因素失去控制，事故一觸即發(fā)。

3 基于解耦理論的火法煉銅事故控制策略

解耦即用一定的方法將本身相關(guān)性較大或聯(lián)系較為緊密的各因素隔離開或者是關(guān)聯(lián)度降低變得松散。在火法煉銅生產(chǎn)中，解耦的目的即采取措施消弱各因素之間的耦合，降低事故風(fēng)險。

在生產(chǎn)活動中，人是生產(chǎn)活動的主體，同時，人也是管理的執(zhí)行者和被執(zhí)行者，所以解耦的重點在于約束人的行為，加強對人、設(shè)、環(huán)的管理。

基于以上理論，提出了以下控制策略：

(1)加強對人員的職業(yè)適合性測試，選擇具有最符合職業(yè)能力的人員承擔(dān)相應(yīng)崗位工作，從人員的生理和心理兩個方面減少人員失誤和違章行為的產(chǎn)生。

(2)落實人員的職業(yè)技能培訓(xùn)以及定期考核工作，特殊崗位持證上崗，從專業(yè)技能的角度減少人員由于工作經(jīng)驗不足和專業(yè)技能差所產(chǎn)生的失誤和違章行為。

(3)加強安全培訓(xùn)教育的力度，增強人員安全意識，完善安全獎懲制度，營造良好的安全文化氛圍。

(4)增加對于人和作業(yè)環(huán)境安全檢查以及設(shè)備監(jiān)管的強度，及時發(fā)現(xiàn)違章行為和設(shè)備的不安全狀態(tài)進行修正。

(5)加大安全投入，為建立合理的安全管理機構(gòu)和完善的安全規(guī)章制度奠定基礎(chǔ)，減少因投入不足而產(chǎn)生的制度缺陷。

此外，基于人-環(huán)和人-設(shè)-環(huán)因素風(fēng)險耦合度較高這一結(jié)果，必須加強對于環(huán)境，尤其是生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的管理，環(huán)境的情況時刻影響著人員的生理和心理狀況以及設(shè)備的運行情況。