108 專技高考高等考試 工業安全技師 風險危害評估 考古題詳解

108 年・專技高考・高等考試・工業安全技師
試題代碼 風險危害評估

第 一 題25 分

先進國家為進行石化業者或相關行業，如運輸、供銷、使用高度危險物品業者的危害分析，以防止易燃、易爆或毒性物質可能造成的危害，常以下列系統安全分析技術進行風險評估：

  1. WHAT-IF 分析與檢查表。
  2. PHA 初步危害分析。
  3. HAZOP 危害與操作性研究。
  4. DOW INDEX 道氏指數。
  5. ETA 事件樹分析。

請略述此五種分析方法在系統壽命週期中實施的時機。

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核心觀念

本題考查五種系統安全分析技術在系統壽命週期中的適用時機。判斷重點是：分析方法所需的系統資料、設計成熟度與分析目的。通常系統資料越完整，越能使用針對設備、操作程序及事故發展的細部分析。

題目未涉及特定法條或計算公式，依各方法的典型用途與系統開發階段說明。

解題方法

依「概念設計與早期危害辨識 → 設計發展 → 細部設計與操作規劃 → 營運及事故後果分析」排列，並辨認各方法的資料需求：

分析方法適用時機與用途
WHAT-IF 分析與檢查表可在設計階段、設計審查或既有設施營運期間實施。設計資料初步具備後，利用「如果……會怎樣？」提出偏差情境，再用檢查表補充常見危害與防護項目。適合跨部門團隊快速辨識危害，亦可用於變更管理或定期檢討。
PHA 初步危害分析主要在系統概念設計、可行性評估或規劃初期實施。此時細部設計與完整操作資訊尚未形成，分析著重先辨認主要危害、可能事故、初步風險及所需安全措施，以供方案比較、設計取捨與後續分析規劃。重大設計變更時也可重新執行。
HAZOP 危害與操作性研究在製程設計已發展到具備足夠細節後實施，通常於細部設計、設備與管線配置及操作條件確定階段，並應在建造、試車前完成。分析團隊以設計意圖為基礎，逐節點套用引導詞，辨認流量、壓力、溫度等參數偏差及其原因、後果與防護措施；營運期間遇重大變更或定期檢討時亦可再做。
DOW INDEX 道氏指數在製程、物質及主要設備資料已有一定程度後，常於設計或工程評估階段使用，亦可用於既有工廠。依物質危害、一般製程危害及特殊製程危害等因素計算指數，作為比較單元或製程的相對火災爆炸危害、辨識高危害區域及改善優先順序的工具。它是半定量的危害指標，不是完整的事故情境分析。
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第 二 題20 分

當重大危害發生後，會以效應模式分析災害發生時呈現的物理現象，如排放（discharge）、汽化（evaporation）和散布（dispersion），及其所造成的物理效應。

(一) 請說明危害物質排放與散布模式。

(二) 今有丙烷自加壓氣體容器中排出，容器中丙烷溫度為 30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C}、壓力為 6 kg/cm26\,\mathrm{kg/cm^2}，請計算丙烷自直徑 10 mm10\,\mathrm{mm} 的排出口排放的速率。假設容器外環境溫度為 30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C}，丙烷蒸氣壓可予以忽略不計。

30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C} 時，丙烷的熱容率 =1.15=1.15、丙烷的飽和蒸氣壓 =9.5 kg/cm2=9.5\,\mathrm{kg/cm^2}。

1 kg/cm2=98066.5 N/m21\,\mathrm{kg/cm^2}=98066.5\,\mathrm{N/m^2}。

氣體排放公式：

Qv=cA⋅Pa0ψQ_v=\frac{cA\cdot P}{a_0}\psi

其中：

  • QvQ_v：氣體排放率（kg/s\mathrm{kg/s}）
  • cc：排放係數 =0.85=0.85
  • AA：排出口面積（m2\mathrm{m^2}）
  • PP：上游絕對壓力（N/m2\mathrm{N/m^2}）
  • a0a_0：在溫度 TT 的氣體音速 =245.4 m/s=245.4\,\mathrm{m/s}
  • ψ\psi：流量係數 =0.685=0.685

液體排放公式：

QL=cAρ2(P−Pa)ρ+2ghQ_L=cA\rho\sqrt{\frac{2(P-P_a)}{\rho}+2gh}

其中：

  • QLQ_L：液體排放率（kg/s\mathrm{kg/s}）
  • cc：排放係數 =0.61=0.61
  • AA：排出口面積（m2\mathrm{m^2}）
  • ρ\rho：丙烷液體密度 =490 kg/m3=490\,\mathrm{kg/m^3}
  • PP：上游絕對壓力（N/m2\mathrm{N/m^2}）
  • PaP_a：下游絕對壓力（N/m2\mathrm{N/m^2}）
  • hh：排出口上方的液體高度（m\mathrm{m}）

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核心觀念

本題考查重大危害事件的效應模式分析，以及辨認容器內物料狀態、選用適當的排放公式。

排放速率取決於物料狀態與流況：容器內物料為氣體時，使用氣體排放式；為液體時，使用液體排放式。題目已知丙烷溫度為 30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C}，其飽和蒸氣壓為 9.5 kg/cm29.5\,\mathrm{kg/cm^2}，高於容器壓力 6 kg/cm26\,\mathrm{kg/cm^2}，因此容器內丙烷以氣相排放，採用氣體排放公式。題目並指定忽略丙烷蒸氣壓，故下游壓力取環境壓力。

（一）危害物質排放與散布模式

排放模式（discharge model）​用來估算物料由容器、管線或設備破口流出的速率與總量。計算時須考慮上游與下游壓力、開口面積、排放係數、物料狀態，以及液體排放時的液柱高度等因素。氣體與液體的流動特性不同，須分別採用相應公式；若物料會因壓力或溫度變化而閃火汽化，也須考慮相態改變對後續排放的影響。

散布模式（dispersion model）​用來預測排放物進入環境後，隨風與湍流移動、稀釋及擴散的情形，估算不同位置與時間的濃度。常見影響因素包括排放量與持續時間、物質密度及浮力、風速與風向、大氣穩定度、地形與障礙物，以及排放高度。散布分析可用於判斷可燃、毒性或窒息性氣體可能影響的範圍。

（二）丙烷氣體排放率計算

解題方法

先比較容器壓力與丙烷飽和蒸氣壓，判斷排出物相態；再將上游壓力換算為絕對壓力，並依排出口直徑計算面積，代入氣體排放公式。

題目提供的 6 kg/cm26\,\mathrm{kg/cm^2} 未標示為表壓或絕對壓力。以下依工程題常見設定，視為表壓；再加上大氣壓 1 kg/cm21\,\mathrm{kg/cm^2}，作為上游絕對壓力。下游為環境壓力，且題目指定丙烷蒸氣壓可忽略。

1. 判斷排放相態

6 kg/cm2<9.5 kg/cm26\,\mathrm{kg/cm^2}<9.5\,\mathrm{kg/cm^2}

因此在 30 ∘C30\,^\circ\mathrm{C} 下，容器內丙烷未達飽和蒸氣壓，以氣體形式排放，使用

Qv=cA⋅Pa0ψQ_v=\frac{cA\cdot P}{a_0}\psi

2. 計算排出口面積

排出口直徑為 d=10 mm=0.010 md=10\,\mathrm{mm}=0.010\,\mathrm{m}，半徑為 r=0.005 mr=0.005\,\mathrm{m}：

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第 三 題30 分

由失誤模式／原因的相依性（dependent failure events）所引起多重／複式元件的故障，進而導致事故的發生時，可以用共同原因失誤模式（common cause failure, CCF）進行分析，且其機率可引用 Beta 因子估算：

β=λcλc+λi\beta=\frac{\lambda_c}{\lambda_c+\lambda_i}

其中：

  • λi\lambda_i：元件之獨立失誤事件的失誤率
  • λc\lambda_c：考慮 CCF 事件的失誤率

今有一連續攪拌槽反應器，需有連續穩定的反應物進流量，以防溢流而導致危害物外洩的潛在危害，故該反應器設有液位過高時緊急連鎖卸料閥裝置，可使反應終止。

如原卷圖示，該反應器底部設有兩個緊急卸料閥 V1V1 與 V2V2，該卸料閥是由一組三選二的選擇邏輯單元（voting logic unit, VLU）所控制。

(一) 請做此反應器於液位過高時緊急卸料閥故障的失誤樹分析。

(二) 考慮此系統具有多重／複式卸料閥的共同原因失誤（不考慮液位訊號線路的共同原因失誤），計算此系統因液位過高而導致危害物外洩的機率。

假設各元件之年故障率如下：

  • 卸料閥的 Beta 因子為 0.20.2
  • 卸料閥：0.1/year0.1/\mathrm{year}（包括反應器至閥體的管線、閥本體及閥的操作員）
  • 三選二邏輯單元（VLU）：0.005/year0.005/\mathrm{year}
  • 液位感測元件（LE）：0.3/year0.3/\mathrm{year}
  • 液位訊號傳送器（LT）：0.1/year0.1/\mathrm{year}
  • 高液位開關（LSHH）：0.025/year0.025/\mathrm{year}

原卷圖示元件配置如下：

  • 進料進入反應器。
  • 液位感測元件、液位訊號傳送器及高液位開關各有三組，分別為 LE1、LT1、LSHH1；LE2、LT2、LSHH2；LE3、LT3、LSHH3。
  • 三組高液位訊號連接至三選二邏輯選擇器（VLU）。
  • VLU 控制反應器底部的兩個緊急卸料閥 V1V1 與 V2V2。
  • 兩個緊急卸料閥共同連接至緊急卸料閥系統。
🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題考共同原因失誤（CCF）與失誤樹分析。液位過高時，系統必須收到有效訊號，並使至少一個緊急卸料閥開啟；若保護系統失效，反應器便可能溢流。

圖示的三組液位訊號採三選二（2oo3）表決，因此兩組或三組訊號通道失效，才會使表決器無法取得有效的高液位訊號。兩個卸料閥則是並聯保護，任一閥能開啟即可卸料，所以必須兩閥同時失效，卸料閥系統才算失效。

解題方法與失誤樹

以下以「液位已過高」為條件，分析緊急卸料保護系統的失效。頂端事件為：

液位過高時，緊急卸料保護系統失效，導致危害物外洩。

其失效樹可寫成：

頂端事件=VLU失效  OR  三組訊號中至少兩組失效  OR  V1、V2兩閥皆失效\text{頂端事件} = \text{VLU失效} \;\text{OR}\; \text{三組訊號中至少兩組失效} \;\text{OR}\; \text{V1、V2兩閥皆失效}

每一組訊號通道由 LE、LT、LSHH 串聯組成，任一元件失效即使該通道失效：

Ci=LEi失效  OR  LTi失效  OR  LSHHi失效C_i=LE_i\text{失效}\;\text{OR}\;LT_i\text{失效}\;\text{OR}\;LSHH_i\text{失效}

三選二表決的失效事件為：

(C1失效 AND C2失效)  OR  (C1失效 AND C3失效)  OR  (C2失效 AND C3失效)(C_1\text{失效 AND }C_2\text{失效}) \;\text{OR}\; (C_1\text{失效 AND }C_3\text{失效}) \;\text{OR}\; (C_2\text{失效 AND }C_3\text{失效})

兩閥的失效事件則包含閥門共同原因失效，或兩閥各自獨立失效：

閥門系統失效=閥門CCF  OR  (V1 ⁣i失效 AND V2 ⁣i失效)\text{閥門系統失效} = \text{閥門CCF} \;\text{OR}\; (V1_{\!i}\text{失效 AND }V2_{\!i}\text{失效})

其中 V1i、V2iV1_i、V2_i 表示閥門的獨立失效部分。

機率計算

題目提供的是年故障率，未提供修復率、定期測試間隔或高液位發生率。因此以下採用明確假設：以一年為任務期間、元件故障服從常數故障率的指數分布、期間內不修復；各感測通道及其他系統分支相互獨立。計算的是「已發生液位過高時，保護系統一年內失效的機率」，不是全年溢流的無條件機率。

1. 三組液位訊號通道失效

單一通道由 LE、LT、LSHH 串聯，故通道故障率為：

λC=0.3+0.1+0.025=0.425/year\lambda_C=0.3+0.1+0.025=0.425/\text{year}

一年內單一通道失效機率：

pC=1−e−0.425=0.34623p_C=1-e^{-0.425}=0.34623
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第 四 題25 分

道氏指數（Dow Index）與邦德指數（Mond Index）是危害分析技術中較常見的相對危害等級分析技術。其中，道氏指數僅適用於化學製程單元，作為化學工廠防範火災與爆炸參考用之指數，而邦德指數則可用於彌補道氏指數之不足，如毒性危害評估。

請針對此兩種指數的估算基礎，說明下列問題：

(一) 道氏指數於評估火災與爆炸危害的基礎為何？如何實施道氏指數危害分析？

(二) 邦德指數於評估毒性危害的基礎為何？

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核心觀念

本題考查兩種相對危害指數各自衡量的對象：

  • 道氏火災爆炸指數（Dow Fire & Explosion Index, F&EI）以製程單元為評估對象，將物質本身的危害與操作條件造成的製程危害合併，估算火災、爆炸及反應性危害的相對程度。
  • 邦德指數（Mond Index）是在道氏指數概念上擴充的危害分析方法，可納入毒性危害。毒性評估的核心，是物質的健康危害程度，以及容許暴露濃度所反映的毒性強弱；再考量製程危害因子。

兩者都是相對危害等級分析工具，可用於比較、排序及辨識應優先改善的製程單元；指數本身不等於事故發生機率，也不能取代詳細的風險評估。

（一）道氏指數：火災與爆炸危害基礎及分析步驟

評估基礎

道氏指數的基本計算關係為：

F&EI=MF×F3F\&EI=MF\times F_3

其中：

  • MFMF：物質因子（Material Factor），反映物質本身的可燃性與反應性所代表的潛在能量危害。
  • F3F_3：製程單元危害因子（Process Unit Hazard Factor），由一般製程危害與特殊製程危害共同決定：
F3=F1×F2F_3=F_1\times F_2
  • F1F_1：一般製程危害因子（General Process Hazards Factor），反映製程單元的一般性危害，例如放熱反應、物料處理與轉移、封閉或排放等條件。
  • F2F_2：特殊製程危害因子（Special Process Hazards Factor），反映特定操作條件造成的額外危害，例如高溫、高壓、易燃範圍、腐蝕、粉塵或大量物料等。

因此，F&EIF\&EI 同時反映物質的固有危害與製程操作條件的加成效果；MFMF 或製程危害因子越高，指數通常越高。

分析步驟

  1. 選定評估單元：將工廠劃分為製程單元，依物料存量、操作條件、設備價值及可能損失等因素，選出具代表性或危害較高的單元。
  2. 確認物質因子 MFMF：依評估物質的可燃性、反應性等資料，查表或依指數手冊程序決定 MFMF。
  3. 評估一般製程危害 F1F_1：逐項檢視一般製程危害項目，依評估表給定其危害加成，合併求得 F1F_1。
  4. 評估特殊製程危害 F2F_2：檢視操作溫度、壓力及其他特殊危害條件，依評估表計入加成，合併求得 F2F_2。
  5. 計算製程單元危害因子及道氏指數：
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