化工火災爆炸事故復雜致因網絡分析

秦華禮，王馨琪

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

化工行業是我國經濟產業的重要支柱之一，其覆蓋面廣、產業鏈長，與人們日常的生產生活聯系密切。伴隨著化工產業的快速發展。重大及特別重大化工事故常有發生，暴露了我國化工安全生產管理當中仍然存在著安全生產條件差、安全管理能力低、隱患排查和風險治理不到位等問題[1]。基于化工行業易燃易爆危化品眾多的特性，火災爆炸事故是化工企業發生次數最多、危險性最大、事故后果最為嚴重的事故類型[2]。化工火災爆炸事故的兩大特點：一是任何細小的事故隱患都可能導致事故發生；二是具有群死群傷的特性。為了對化工企業火災爆炸事故進行系統、深入研究，利用復雜網絡探討風險因素的關聯，識別其中關鍵致因因素。

復雜網絡理論最早可以追溯到18世紀Euler開創的圖論。1998年，Watts和Strogatz引入小世界網絡模型，揭示了復雜網絡的小世界特性。1999年Barabasi和Albert揭示了復雜網絡的無標度特性。由此為國內外復雜網絡理論研究奠定了基礎。2004年，方錦清等[3]回顧了國外復雜網絡研究所取得的重要成果，并在展望中第一次提出將復雜網絡理論用于石油化工領域的概念。2006年，姜洪權等[4]基于復雜網絡理論對流程工業系統的結構脆弱性分析，提出了一種新的系統安全性評估方法。這是復雜網絡理論首次在化工方面的具體應用。近年來，許多學者開始探索復雜網絡在安全風險研究中的應用。陳文瑛等[5]基于復雜網絡對生產安全事故進行致因研究，確定生產安全事故的主要致災因素。陳全等[6]以傳統的“人、機、環、管”4類風險因素建立風險框架，構建化工事故致因無向復雜網絡模型，采用PR算法進行關鍵因素的分析。事故的發生是一系列因素耦合的過程，復雜網絡理論的應用可以直觀地顯示出事故的發展鏈條、各致災因素之間的相互作用，探索各因素之間關聯特性。

本文搜集了2015—2021年間的50起化工企業火災爆炸事故案例，通過文獻分析法總結各學者關于化工企業火災爆炸事故的致因因素，篩選、整合后以這些致因因素為節點提取50起事故的事故致因鏈，構建事故致因有向復雜網絡模型，以分析化工企業火災爆炸事故的關鍵致因因素。

1 復雜網絡理論

復雜網絡是由節點和邊組成的復雜拓撲結構。節點用來表示系統中的不同個體，邊則表示這些不同個體間的關系。復雜網絡的研究基于圖論和統計物理等學科知識和理論，可以對復雜系統進行抽象地描述[7]。通過對節點、邊以及結構的屬性進行參數統計，可以進一步理解復雜系統。

1.1 節點度、出度和入度

節點的出度和入度體現在有向復雜網絡中。有向網絡中，節點出度指該節點指向鄰居節點的邊的數目[8]。節點入度指鄰居節點指向該節點的邊的數目。圖1為一個節點出度為2、入度為3的示意圖。節點的出度與入度之和為節點的總度。

圖1 節點出入度示例圖

1.2 邊權與介數中心性

在事故的復雜致因網絡中，兩致因因素之間出現多次交互會加重邊的權重。邊的權值越高，兩致因因素之間的聯系越密切。介數是網絡中的重要全局幾何量，代表了某節點與其他節點之間的互動程度。介數中心性越大，節點在連接路徑上能量越大。某節點vg的介數中心性Cb計算公式為：

式中：Gij為從節點i到節點j的最短路徑數目；Gij(vg)為從節點i到節點j經過節點vg的最短路徑數目。

通過對網絡中邊的分析，可以了解兩因素之間的關聯程度，有利于在安全管理中用最低的成本獲得最大的效益。

1.3 聚類分析

聚類系數用來描述網絡中某節點能與其他相連節點之間聚集成團的程度，其計算如公式（2）所示。聚類系數越高，該節點能影響和聚集的致災因子越多，在網絡中的能量越大。

式中：Cg為節點聚類系數；Kvg為總度；eg為節點與相鄰其他節點之間實際邊的數量。

2 事故致因分析與模型構建

2.1 化工企業火災爆炸致因因素統計

現行的火災爆炸事故致因模型主要采用傳統的“人機環管”事故致因模型和基于HFACS的人因分析。HFACS方法側重于人的失誤和管理，忽視了化工企業危化品的管理。傳統的“人機環管”事故致因模型適用于系統整體安全的研究。根據化工行業的生產特點，將工藝也歸為一類重要的風險因素，體現在化工企業火災爆炸事故致因模型當中。結合化工企業生產規章制度、參考相關文獻歸納的122點致因因素[9-11]和50起事故案例中的致災因素，建立一個6類主風險因子76個二級風險因子為節點的火災爆炸事故致因模型，并對這76個風險因子編號，詳如表1所示。

表1 化工企業火災爆炸事故致因因素

2.2 事故致因模型建立

本文根據收集整理的50起事故案例的文本信息，提煉出各個事故案例的事故致因鏈。針對每起事故，將事故中存在的致因因素作為網絡節點，事故中各因素之間的有向關系連接為邊，構建事故的復雜網絡。例如2021年5月29日“中國石化上海化工一般燃爆事故”，事故起因于乙烯裝置在停車檢修期間，完成管線氮氣吹掃置換后，未關閉裂解爐進料管線盲板上下游閥門(操作失誤)→未現場確認即開展抽盲板作業(違章作業)導致現場發生燃爆。事故中違章作業行為與安全管理人員監管不足以及企業安全管理責任未落實有直接關系，暴露了作業準備不足及未有效落實作業許可證審批手續等問題。將各個因素作為節點，利用可視化軟件Gephi構建“中石化上海化工5·29一般爆燃事故”子網絡，如圖2所示。將所有事故的復雜網絡融合在一起，最終形成化工企業火災爆炸的事故致因網絡，如圖3所示。圖3中，節點越大表示節點度值越大；連接線越粗，兩節點邊權越大。

圖2 “中石化上海化工5·29一般爆燃事故”網絡模型

圖3 化工企業火災爆炸事故致因網絡模型

3 化工企業火災爆炸事故致因網絡模型分析

3.1 節點度和邊權

3.1.1 入度值計算

根據模型計算出網絡中各個節點的入度值如圖4所示。本文所構建的化工企業火災爆炸事故致因模型中，節點入度值越大，表明節點可導致發生的致因因素越多，從圖4可以看出，節點K55企業違法經營建設節點入度值最大，表明企業違法經營建設可以造成最多個事故因素發生，是化工企業火災爆炸事故當中的關鍵因素。此外，規章制度不健全、安全管理責任未落實、風險管理隱患排查治理不到位、監管不足及安全意識淡薄的入度值也比較突出。且大都與企業違法經營建設直接相關，增強了網絡致因模型的可信度。管理這些因素，有助于安全管理者盡早從事故源頭阻止事故發生。

圖4 化工企業火災爆炸事故致因網絡節點入度值

3.1.2 出度值計算

通過統計計算化工企業火災爆炸事故致因模型中節點的出度值如圖5所示。節點的出度值越大，表明直接影響該節點因素發生的相關因素越多，該節點因素易發、頻發。節點K8違章作業的節點出度值最大，節點K2操作失誤，K19設備設施缺陷/故障的出度值次之。這表明工人違章作業，操作失誤以及設備設施的缺陷/故障是化工企業火災爆炸事故中比較頻發的因素。在日常的事故管理當中應當重點關注，提前預警并及時處理。

圖5 化工企業火災爆炸事故致因網絡節點出度值

3.1.3 總度計算

節點的總度值如圖6所示。節點K59風險管理隱患排查治理不到位的總度值最高。節點K55企業違法經營建設、K57安全管理責任未落實次之。結合節點入度值、出度值的統計分析發現，入度值高的節點主要分布在規章制度和管理的因素類別當中；出度值高的節點主要分布在人的因素和物的因素方面；節點總度值高的節點在整個致因因素類別當中分布比較平均。表明事故發生的源頭在于化工企業的規章制度及管理方面，而導致事故發生的直接原因在于人的不安全行為和物的不安全狀態方面。應當預先完善企業的各種規章制度，落實安全管理責任，強化企業的管理職責和內容，做好雙重預防機制，在日常的生產過程中，注意人的不安全行為和物的不安全狀態。

圖6 化工企業火災爆炸事故致因網絡節點總度值

3.2 邊的分析

3.2.1 邊的權重

在圖3所構建的化工企業火災爆炸網絡模型中，節點之間的連線越粗，兩節點的邊的權值越大，表明兩節點之間的聯系越深。節點K58安全教育培訓不足/未落實→K57安全管理責任未落實的權值最大。表明工人的安全教育培訓問題與管理人員的安全管理責任未落實相關聯，且常常發生在化工企業火災爆炸事故當中。網絡模型中，邊權較大的邊主要集中在節點K58安全教育培訓不足/未落實、K57安全管理責任未落實及K59風險管理隱患排查治理不到位周邊。表示這3個節點代表的致因因素在化工企業火災爆炸事故中具有相當大的影響力，高發且與相鄰致因因素的聯系緊密。在化工企業的生產當中，應當盡量控制該類風險因素，及時切斷因素與周邊因素的聯系。

3.2.2 介數中心性

邊的介數中心度高，表示節點因素在整個致因網絡中的全局影響度高。網絡中介數中心度較高的5個因素分別是安全防護裝置/監控不足、企業違法經營建設、擅自改變工藝、操作失誤及設備設施缺陷/故障，如表2所示。

表2 介數中心度

3.3 聚類分析

化工企業火災爆炸復雜網絡模型的平均聚類系數為0.378，考慮到是因為網絡中節點較多造成了影響。網絡中聚類系數較高的5個節點如表3所示。其中作業前檢查和設備帶病運轉聚類系數高達1.0。結合事故案例考慮，是因為大部分化工企業火災爆炸事故是由于作業失誤和設備故障引起，這點從節點的出度值可以體現，而根據連接邊和介數中心度，作業前檢查不足和設備帶病運轉很大程度上與作業失誤和設備故障相關聯。

表3 節點聚類系數

4 結語

在建立化工企業火災爆炸事故復雜致因網絡模型中，通過對相關文獻分析后，在傳統的“人機環管”事故致因模型的基礎上，基于化工企業的特殊性新增了工藝方面的致因因素。將原有管理分類具體分為建立健全的規章制度與人員管理方面，使事故致因網絡模型更加清晰、直觀。

通過分析事故網絡模型中各節點的度及其分布特征，辨識出企業違法經營建設、安全管理未落實等致因因素在事故網絡模型中影響較大。工人違章作業，操作失誤以及設備設施的缺陷/故障等致因因素是化工企業火災爆炸事故中頻發的致因因素。

網絡中邊權較大的邊主要集中在安全教育培訓不足、安全管理責任未落實及風險管理隱患排查治理不到位周圍。網絡中安全防護裝置/監控不足、企業違法經營建設、擅自改變工藝3個因素介數中心度較大，表示這3個致因因素在化工企業火災爆炸事故中具有較廣的影響力，應當重點關注。對事故網絡進行聚類分析，其中作業前檢查和設備帶病運轉聚類系數高達1.0，需要著重考慮。

綜合所有分析結果，企業違法經營建設、安全管理責任不落實、設備故障、操作失誤、違章作業、隱患排查不到位和安全教育7個因素重合率高，屬于化工企業火災爆炸安全管理工作中需要重點控制的風險因素。