109 地方特考四等 職業安全衛生 安全工程概要 考古題詳解

核心觀念

本題測驗職業安全衛生中「工業衛生」與「安全工程」對於粉塵（Dust）危害的基礎學理與防護實務。相關法規以命題當年（民國 109 年）之《粉塵危害預防標準》、《勞工作業場所容許暴露標準》（現行法規名稱為《勞工作業環境容許暴露標準》）及《職業安全衛生設施規則》為依據。核心重點包含：

1. 粉塵之物理定義與氣膠特性：由機械力產生之固體懸浮微粒。
2. 粉塵的多維度分類：依化學成分、生理毒性反應及空氣動力學徑（Aerodynamic Diameter）沉積部位分類。
3. 呼吸系統病理傷害：自上呼吸道至肺泡區之組織病變（纖維化、阻塞發炎、致敏反應、惡性腫瘤）。
4. 控制階層（Hierarchy of Controls）之工程實務：消除、取代、工程控制（密閉、局部排氣、濕式作業）、行政管理及個人防護具。

解題方法

本題為標準四等考試申論題，作答策略採取「系統層次化」切入，建立架構清晰、前後呼應的應試格式：

1. 第一小題（5分）：由「物理成因（機械破碎力）」、「存在型態（固體氣膠懸浮）」及「粒徑特性（斯托克定律沉降）」三要素界定精確定義，並引述法定定義。
2. 第二小題（5分）：避免單一維度列舉，從「化學組成（有機／無機）」、「生理毒性病理效應」與「空氣動力學粒徑分級」三向度條列，展現完整學理基礎。
3. 第三小題（5分）：對應呼吸系統解剖構造與病理機制，依序說明塵肺症、慢性阻塞發炎、過敏性肺病及呼吸道惡性腫瘤，並標示具體致病因子。
4. 第四小題（10分）：嚴格依循職業衛生「危害控制階層」由源頭至末端展開，重點強化工程控制（密閉、局部排氣 LEV、濕式作業）與法規管理措施（環境監測、健康管理），切忌僅回答防護具。

選項分析

本題為非選擇題之申論問答題，無選項分析。各子題配分比例為 (一) 5分、(二) 5分、(三) 5分、(四) 10分，作答篇幅與要點深度須與配分完全對應。

解題技巧

1. 名詞精準度：作答時務必使用工衛標準術語，如「氣膠（Aerosol）」、「空氣動力學當量直徑（AED）」、「游離二氧化矽（Free Silica）」、「局部排氣裝置（LEV）」、「可呼吸性粉塵（Respirable dust）」。
2. 架構套用公式：

• 粉塵危害口訣：纖維化、炎阻性、過敏性、惡性瘤。
• 防制對策口訣：消、代、工、管、防（消除、取代、工程控制、行政管理、防護裝備）。

3. 常見失分陷阱：

• 誤將煙（Fume，金屬蒸氣氧化凝結）或霧（Mist，液體微滴）混入粉塵定義；粉塵必須是「機械力」產生之「固體」微粒。
• 控制對策頭重腳輕，將「防塵口罩」列於第一項；在安全工程評分標準中，未依照「源頭工程控制優先於末端防護具」順序答題將大幅扣分。

【答案】

(一) 何謂粉塵？

1. 物理學與工業衛生定義： 粉塵（Dust）指固體物質因破裂、破碎、研磨、切削、衝擊、爆破或搬運等機械性力作用而粉碎，形成的微細固體粒子，並於空氣等氣體介質中呈懸浮（浮游）分散狀態之氣膠（Aerosol）。其粒徑通常介於 $0.1\,\mu\text{m} \sim 100\,\mu\text{m}$ 之間，在大氣中受重力影響依斯托克定律（Stokes' Law）沉降，極微細者可長時間飄浮於空氣中。
2. 法規定義（依《粉塵危害預防標準》第 2 條）： 粉塵作業指於工作場所中，因研磨、切削、攪拌、篩選、裝卸、搬運等作業，致粉狀物質或固體微粒飛散、浮游於空氣中之作業。

(二) 粉塵的種類

粉塵分類依評估目的不同，主要涵蓋以下三種分類標準：

1. 依化學成分與來源分類：

• 無機粉塵（Inorganic dust）：
• 礦物性粉塵：游離二氧化矽（石英）、石綿、滑石、水泥、煤塵等。
• 金屬性粉塵：鐵、鉛、錳、鎘、鋅、鋁等金屬研磨粉塵。
• 有機粉塵（Organic dust）：
• 植物性粉塵：棉塵、木屑、穀粉、蔗渣、煙草粉塵。
• 動物性粉塵：皮革屑、毛髮、羽毛、骨粉。
• 合成有機粉塵：塑膠粉末、樹脂粉塵、農藥粉劑。

2. 依人體吸收與沉積之粒徑分類（空氣動力學徑，AED）：

• 吸入性粉塵（Inhalable dust）：中位截取粒徑 $d_{50} = 100\,\mu\text{m}$，可沉積於呼吸系統任何部位（鼻、咽、喉及以下）。
• 胸腔性粉塵（Thoracic dust）：中位截取粒徑 $d_{50} = 10\,\mu\text{m}$，可穿透喉部深入氣管、支氣管區域。
• 可呼吸性粉塵（Respirable dust）：中位截取粒徑 $d_{50} = 4\,\mu\text{m}$，能穿透終末呼吸性細支氣管直達肺泡區，引發嚴重肺部病變。

3. 依生理病理反應分類：

• 纖維化粉塵：如結晶型游離二氧化矽、石綿。
• 非纖維化（惰性／滋擾性）粉塵：如碳酸鈣、氧化鈦。
• 全身性毒性粉塵：如鉛粉塵、鎘粉塵。
• 致敏性粉塵：如麵粉、蓖麻籽粉塵。
• 致癌性粉塵：如石綿、六價鉻化合物粉塵。

核心觀念

本題考查安全工程中「熱工與壓力容器安全」之核心範疇——鍋爐危害機轉、附屬安全防護裝置及災害預防管理。 本題涉及法規以命題當年（民國 109 年）之《職業安全衛生法》、《鍋爐及壓力容器安全規則》、《職業安全衛生設施規則》及《職業安全衛生管理辦法》為準（現行法規部分條文雖有酌作文字修正，惟鍋爐附屬安全裝置項目、安全管理與檢查機制之核心規範均維持一致）。 鍋爐內部儲存高溫、高壓之水與蒸汽，火側則有燃油、燃氣或燃煤之燃燒室，本質上具備「物理性過壓破裂爆炸」與「化學性爐膛瓦斯氣爆」雙重高潛勢危害，必須依賴完善之附屬安全裝置與作業安全程序嚴格控管。

解題方法

本題配分 25 分，採申論三合一題型，解題架構切分為三大子題，依序以結構化條列作答：

1. 事故原因：從系統性角度切入，按「水/汽側（過壓、過熱、腐蝕、空燒）」、「火側/爐膛（未燃瓦斯氣爆）」及「人為與管理缺失」分類說明。
2. 附屬安全裝置：依據《鍋爐及壓力容器安全規則》具體列出六大核心安全裝置及其法定功能。
3. 預防對策：按「工程技術防護」、「操作作業管制」及「檢驗保養管理」三構面展開具體對策，展現安全工程專業度。

選項分析

本題為申論題，無選擇題選項。答題關鍵在於各子題皆能精確對應給分點，層次分明、用語符合國家安全標準名詞。

解題技巧

1. 火側與水側並重：許多考生僅著眼於「水側壓力過高導致破裂」，而遺漏「爐側未燃可燃性氣體蓄積引發之爐膛爆炸」，兩者機制截然不同，並陳作答方能拿取滿分。
2. 名詞法定化：附屬安全裝置切勿泛稱「偵測器」，應寫出法規標準名稱，如「低水位燃燒遮斷裝置」、「水面計」、「安全閥」、「熄火安全裝置（火焰檢出器）」。
3. 預防對策對應事故原因：前文列出空燒、未掃氣、水垢，後文預防對策就要精確對應「低水位聯鎖測試」、「點火前預先通風（Purge）」、「定期排污與軟水處理」。

【答案】

一、鍋爐發生事故之原因

鍋爐事故主要分為「鍋爐破裂爆炸（物理性）」與「爐膛爆炸（化學性）」，成因歸納如下：

1. 壓力異常升高（超壓破裂）

• 安全閥故障、卡死、口徑不足或調整壓力設定過高。
• 蒸氣閥誤關閉或用汽量劇減，而燃燒控制系統未適時降載。

2. 缺水與過熱（低水位空燒）

• 給水泵故障、給水管路堵塞、水面計假水位誤導操作員，導致水量不足。
• 爐管或傳熱面露出水面形成空燒，管壁溫度飆升至材料降伏強度以下而發生破裂。

3. 水垢過厚與材質劣化

• 水處理不良，爐水硬度過高沉積水垢，使傳熱效率急遽下降，導致管壁局部過熱燒損。
• 鍋爐鋼板因長期高溫氧化、應力腐蝕破裂、疲勞或低溫露點腐蝕導致厚度減薄。

4. 爐膛爆炸（火側氣爆）

• 點火前未實施充分換氣（Pre-purge），爐膛內積存未燃燃料氣體與空氣混合達爆炸範圍，遇火源瞬間氣爆。

核心觀念

依原圖，$A$、$B$位於上方支路，$D$、$E$位於下方支路；$C$連接的是兩支路中間的節點。因此，圖示是含有橋接元件 $C$ 的可靠度網路，並非「上、中、下三條各自從輸入端通到輸出端的並聯路徑」。

採用元件彼此獨立的可靠度計算。串聯系統須所有元件都正常，可靠度相乘；並聯系統只要至少一條路徑正常，可靠度為「$1-$所有路徑均失效的機率」。

解題方法與計算

依 $C$ 的狀態分成兩種情況計算，再以全機率公式合併。

情況一：$C$正常

$C$使上、下支路的中間節點相通。系統正常的條件是：輸入端至少有 $A$、$D$ 其中一個正常連到中間節點，且中間節點至少有 $B$、$E$ 其中一個正常連到輸出端。

因此：

情況二：$C$失效

核心觀念

本題旨在考驗機械與結構物之靜態穩定度（Static Stability）與抗傾覆原理（Anti-overturning Principle），涉及物體在重力場中的力系平衡與安全幾何界限。以命題當年（民國 109 年）法規為準，相關安全精神貫穿《職業安全衛生設施規則》中關於起重機具防翻倒（如第 155 條）、車輛系營建機械作業安全（如第 116 條）及堆高機偏載防止（如第 126 條）等規範。其物理與力學基礎包含：

1. 重心（Center of Gravity, CG）：物件各質點所受重力之合力作用點。
2. 底盤支撐面（Base of Support, BOS）：物體所有接地支撐點外緣所圍成之**最小凸多邊形（Convex Hull）**區域（例如：三輪車為三角形、四輪車輛為矩形、起重機伸出外伸撐座為多邊形）。
3. 穩定平衡判據：

• 安全/穩定狀態：重心的垂直投影線落在底盤支撐多邊形邊界之內。此時支撐面產生的正反力能形成「扶正力矩（Restoring Moment）」，抵抗微小擾動。
• 臨界狀態（Neutral/Tipping Line）：重心垂直投影線恰落於支撐多邊形的邊緣線上。此時遠端支撐點之正反力歸零（$R=0$），系統處於翻覆邊界。
• 翻覆失穩狀態（Unstable/Overturning）：重心垂直投影線超出支撐多邊形。重力對接觸支點產生「傾覆力矩（Overturning Moment）」，物體在無外力輔助下必定翻倒。

解題方法

本題為 25 分的申論分析題，解題切入點應分為兩大主軸：「理論推算（力學數學推導與幾何判斷）」與「實務做法（檢驗量測、感測器應用與作業檢驗）」，循序建構嚴密的答題體系。

一、理論上的推算方法

理論推算分為三個步驟：求出重心空間座標、定義支撐面幾何邊界、進行投影幾何與力矩平衡判別。

1. 重心空間座標推算（分部綜合法 / 幾何分割法）

將複雜物件拆解為 $n$ 個形狀規則、已知質量 $m_i$（或重量 $W_i$）與幾何中心 $(x_i, y_i, z_i)$ 的子構件。依據力矩之和等於合力之矩原理，重心空間座標 $(\bar{x}, \bar{y}, \bar{z})$ 計算公式為： $\bar{x} = \frac{\sum_{i=1}^n W_i x_i}{\sum_{i=1}^n W_i}, \quad \bar{y} = \frac{\sum_{i=1}^n W_i y_i}{\sum_{i=1}^n W_i}, \quad \bar{z} = \frac{\sum_{i=1}^n W_i z_i}{\sum_{i=1}^n W_i}$ 連續形體則以重積分求取：$\bar{x} = \frac{\int x \, dW}{W}$。

2. 建立底盤支撐面之數學邊界

設物件接地底盤共形成 $k$ 個支撐點，其水平面座標分別為 $P_1(x_1, y_1), P_2(x_2, y_2), \dots, P_k(x_k, y_k)$。將外側點依序連線，建立凸多邊形區域 $S$ 之各邊直線方程式： $L_j(x, y) = A_j x + B_j y + C_j = 0 \quad (j = 1, 2, \dots, m)$ 其中每一條邊線 $L_j$ 即為潛在的「翻覆轉動軸（Tipping Axis）」。

3. 幾何投影與力學平衡判定

• 幾何投影判別法：取重心的水平投影座標 $P_{CG}(\bar{x}, \bar{y})$。若對於所有多邊形外邊界直線，代入方程式後滿足同號不等式（即點落在凸多邊形內部半平面交集），則證明重心未超過支撐面： $L_j(\bar{x}, \bar{y}) \ge 0 \quad (\forall j \in \{1, 2, \dots, m\})$
• 力矩平衡法（支點反力判別法）：以兩端支撐點 $A$ 與 $B$ 跨距 $L$ 為例，對 $A$ 點取力矩平衡： $\sum M_A = 0 \implies W \cdot \bar{x} - R_B \cdot L = 0 \implies R_B = \frac{W \cdot \bar{x}}{L}$ $R_A = W - R_B = W \left(1 - \frac{\bar{x}}{L}\right)$
• 當 $0 < \bar{x} < L$ 時，$R_A > 0$ 且 $R_B > 0$，系統穩定。
• 當 $\bar{x} = L$ 時，$R_A = 0$（臨界翻覆點）。
• 若 $\bar{x} > L$（推算出的假想反力 $R_A < 0$），由於接地點通常無法提供拉力，此時合力矩產生角加速度，物體繞 $B$ 點翻覆。

二、實務上的做法

現場作業通常無法於吊運或行駛中進行繁複微積分計算，實務上採用以下工程手法檢測與監控：

1. 多點稱重與反力回推法（地磅／荷重元法）

• 操作方式：將物件各支撐輪或支撐腳分別置於地磅或荷重元（Load Cell）上，同時量測各接力點之垂直反力 $R_1, R_2, \dots, R_k$。
• 判斷基準： $\bar{x} = \frac{\sum_{i=1}^k R_i x_i}{\sum_{i=1}^k R_i}$ 若各支撐點實測反力皆為合理正值，且未出現單側受力劇減（趨近於 0），表示重心落在各支撐點所包圍的安全裕度內；