郭占平，徐照武

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于本質(zhì)安全方法的KM6真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)安全性分析

郭占平，徐照武

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章基于本質(zhì)安全理念，結(jié)合KM6真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)工程實(shí)際，提煉出KM6安全設(shè)計(jì)層次并進(jìn)行應(yīng)用分析，以本質(zhì)安全的視角定性地分析和評(píng)價(jià)了KM6的安全現(xiàn)狀，可為其他同類真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)參考。

真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)；本質(zhì)安全；安全分析

0 引言

本質(zhì)安全是指僅通過設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成安全失控。通過追求企業(yè)生產(chǎn)流程中人、物、系統(tǒng)、制度等諸要素的安全可靠和諧統(tǒng)一，使各種危害因素始終處于受控制狀態(tài)，進(jìn)而逐步趨近本質(zhì)型、恒久型安全目標(biāo)[1]。

20世紀(jì)60—70年代以后，本質(zhì)安全的理念開始逐步發(fā)展并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在這種安全理念的指導(dǎo)下，通過嚴(yán)格的工程設(shè)計(jì)、加工制造和精心的維修保養(yǎng)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)條件的本質(zhì)安全和產(chǎn)品安全[2]。

KM6真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)（以下簡稱KM6）是我國“神舟”飛船及大型衛(wèi)星進(jìn)行熱平衡、熱真空試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)。其作用是驗(yàn)證和考核航天器熱設(shè)計(jì)的正確性及各個(gè)飛行階段熱控等系統(tǒng)適應(yīng)各種熱環(huán)境的能力。該系統(tǒng)功能復(fù)雜，包含壓力容器、壓力管道、高低溫介質(zhì)等諸多存在安全風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)的部位。本文旨在通過本質(zhì)安全理念與方法對(duì)KM6的各風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，分析安全風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，以有效保證參試人員安全[3]。

1 本質(zhì)安全的基本原則

本質(zhì)安全的基本原則包括[4]：

1）最小化。即減少系統(tǒng)中危險(xiǎn)物質(zhì)的數(shù)量。系統(tǒng)中危險(xiǎn)物質(zhì)數(shù)量越少，能量越低，發(fā)生事故的可能性越小，事故的嚴(yán)重程度亦越低。

2）替代。使用安全的或危險(xiǎn)性較小的材料或工藝替代危險(xiǎn)的材料或工藝。

3）緩解。采用危險(xiǎn)物質(zhì)的最小危害形態(tài)或最小危險(xiǎn)的工藝條件。在進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)，采用相對(duì)更加安全的作業(yè)條件，以及相對(duì)更加安全的存儲(chǔ)、運(yùn)輸方式等。

4）簡化。通過設(shè)計(jì)簡化操作，減少人為失誤的機(jī)會(huì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)依次按照最小化原則、替代原則、緩解原則和簡化原則的順序，在前者無法實(shí)現(xiàn)的情況下再選擇后者，必要時(shí)將這些原則綜合予以考慮，同時(shí)運(yùn)用[4]。

1991年Kletz提出的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)原則[5]更加細(xì)化為：強(qiáng)化，替代，緩解，限制后果，簡化，盡早變更，避免連鎖后果，明確狀態(tài)，防止誤裝和誤操作，容錯(cuò)，易于控制，管理控制與規(guī)程。

2 KM6應(yīng)用分析

KM6由真空分系統(tǒng)、低溫分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)等幾大部分組成，每個(gè)分系統(tǒng)又由諸多子系統(tǒng)和單機(jī)設(shè)備組成。試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行期間，需要模擬航天器在空間環(huán)境中經(jīng)受的真空、冷黑以及外熱流3大環(huán)境條件。在環(huán)境條件建立的過程中，需要啟動(dòng)大型機(jī)械設(shè)備，如粗抽機(jī)組和空氣壓縮機(jī)；需要液氮儲(chǔ)槽、氣罐以及壓力管道帶壓運(yùn)行；需要經(jīng)常對(duì)區(qū)域內(nèi)包括密閉空間內(nèi)的配套設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢查。以上所有操作以及操作所處的環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生威脅參試人員人身安全的危險(xiǎn)因素[6]。

分析、識(shí)別出KM6存在的危險(xiǎn)源有壓力容器、壓力管道、交流電、液氮、旋轉(zhuǎn)的皮帶、轉(zhuǎn)動(dòng)的軸、有毒物質(zhì)、噪聲等，可能造成的后果包括容器爆炸、觸電、灼燙、物體打擊、中毒、職業(yè)健康傷害等。針對(duì)這些危險(xiǎn)源，在設(shè)計(jì)和后期防護(hù)方面已經(jīng)采取了相應(yīng)的措施，本文以本質(zhì)安全的基本原則方法來定性評(píng)價(jià)KM6的本質(zhì)安全化水平[7]。

3 KM6本質(zhì)安全水平定性分析

3.1 劃分安全設(shè)計(jì)層次

基于本質(zhì)安全的理念及KM6的構(gòu)成，參考其他行業(yè)對(duì)安全設(shè)計(jì)層次的分類[2]，提煉出KM6的安全設(shè)計(jì)層次，見表1。意義在于從設(shè)計(jì)階段的初期納入產(chǎn)生危險(xiǎn)的因素考慮和預(yù)防事故的措施，這是一種從傳統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)模式向現(xiàn)代的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。

由于KM6已設(shè)計(jì)并建造完成，下文將從每個(gè)安全設(shè)計(jì)層次對(duì)已建造完成的 KM6的本質(zhì)安全水平進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)分析。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)層次之間相互獨(dú)立，但從整體上形成了一個(gè)完整的包絡(luò)系統(tǒng)，是保證評(píng)價(jià)分析客觀性、全面性、系統(tǒng)性的基礎(chǔ)[8]。

表1 KM6的安全設(shè)計(jì)層次Table 1 Safety design layer for the KM6 system

表1 （續(xù)）

3.2 設(shè)定評(píng)價(jià)分級(jí)

為直觀地評(píng)價(jià)出基于本質(zhì)安全的視角所采取措施的效果，采用4個(gè)等級(jí)對(duì)本質(zhì)安全水平進(jìn)行定性評(píng)價(jià)分析：

基本防護(hù)（★）：即從個(gè)體防護(hù)、事后防護(hù)、應(yīng)急處置或管理控制等角度出發(fā)采取措施。雖然采取措施的效果會(huì)達(dá)到防護(hù)要求，但從本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理念出發(fā)，屬于基本防護(hù)。

過程控制（★★）：采用監(jiān)測(cè)、報(bào)警、加裝防護(hù)罩、采取輔助支撐等手段，完成了對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的控制，即使出現(xiàn)了不良后果，也能及時(shí)遏制。

源頭緩解（★★★）：較好地完成了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，對(duì)識(shí)別出的安全風(fēng)險(xiǎn)從源頭設(shè)計(jì)上盡可能弱化，即使進(jìn)行了誤動(dòng)作或誤操作也不會(huì)造成人員傷害。

源頭消除（★★★★）：很好地實(shí)施了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理念，從源頭將存在安全風(fēng)險(xiǎn)的原材料、設(shè)備設(shè)施等采用替代或重新設(shè)計(jì)消除的方法來將風(fēng)險(xiǎn)控制到最小化。

評(píng)價(jià)等級(jí)的星數(shù)越多，說明本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)要求落實(shí)的越徹底，風(fēng)險(xiǎn)越小。

3.3 定性評(píng)價(jià)

3.3.1 KM6工藝的安全性

從整體上考慮，KM6工藝的安全性如表2所示[9]，包括工藝物料、設(shè)備、工藝操作的安全性，特殊工藝過程以及一般工藝過程等方面。例如，KM6粗抽機(jī)組設(shè)備產(chǎn)生較大噪聲，從一般工藝過程來看，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要操作人員接近，在無法使用其他設(shè)備代替的情況下需要降低噪聲或者使現(xiàn)場(chǎng)工作人員不直接接觸噪聲。實(shí)際設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)在粗抽機(jī)組設(shè)備外加裝降噪裝置，故只能從人員的個(gè)體防護(hù)角度采取措施，包括配備耳罩、作業(yè)人員的定期體檢等，屬于本質(zhì)安全基本原則中的限制后果，從本質(zhì)安全效果分析屬于基本防護(hù)，評(píng)價(jià)結(jié)果為1顆星。

表2 KM6工藝的安全性分析Table 2 Safety analysis of KM6 operation process

3.3.2 KM6動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備的結(jié)構(gòu)

從動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備載荷狀態(tài)分析，找出可能由于承受過大負(fù)荷而造成潛在風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，包括氣壓、液壓、重力、電壓、電流等負(fù)荷。KM6使用承載負(fù)荷主要設(shè)備為承載壓力相關(guān)設(shè)備，包括低溫壓力容器、儲(chǔ)氣壓力容器、低溫壓力管道、氣體壓力管道，故本層次主要從包含壓力容器或壓力管道的設(shè)備或部位分析本質(zhì)安全水平。例如，KM6低溫壓力容器存儲(chǔ)的介質(zhì)主要為低溫液氮，其汽化后迅速膨脹，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，故在低溫壓力容器上設(shè)計(jì)安全閥、爆破片降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。低溫壓力管道存儲(chǔ)的介質(zhì)亦為低溫液氮，由于管道表面的溫度極低，故需在管道外包覆保溫材料以防止人員凍傷，同時(shí)在適當(dāng)?shù)牟课患友b安全閥、波紋管、輔助支撐等安全防護(hù)措施，一般管道兩端均有閥門時(shí)管道中間必須加裝安全閥。KM6動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全性分析如表3所示。

表3 KM6動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全性分析Table 3 Safety analysis of the structure for equipment associated with KM6

3.3.3 KM6控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、工藝控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

KM6已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及聯(lián)動(dòng)功能，人機(jī)交互界面簡單智能，達(dá)到了人與設(shè)備的有效隔離，這已經(jīng)是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理念的初衷。同時(shí)，由于KM6對(duì)壓力容器、壓力管道使用需求大、使用頻繁，故在人與壓力容器、壓力管道交互上設(shè)置了遠(yuǎn)程控制程序、閥門聯(lián)動(dòng)、防止誤操作設(shè)施、PLC控制等，這些設(shè)計(jì)往往本質(zhì)安全效果較好，是推薦的一種設(shè)計(jì)手段。KM6控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、工藝控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性分析如表4所示[10]。

表4 KM6控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、工藝控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全性分析Table 4 Safety analysis of control parts, software parts, process control and observation parts of KM6

3.3.4 KM6設(shè)備和作業(yè)場(chǎng)所的安全防護(hù)設(shè)施、檢測(cè)報(bào)警設(shè)施

KM6由大量的配套設(shè)備組成，功能、樣式多樣，且坐落在不同的區(qū)域，由地下至地上可達(dá)4層樓左右的高度，因此某些設(shè)備和作業(yè)場(chǎng)所可能需要加裝安全防護(hù)設(shè)施和檢測(cè)報(bào)警設(shè)施。例如，KM6地下室屬于相對(duì)較為密閉的空間，且此區(qū)域存在著低溫液氮管道，一旦液氮泄漏造成此區(qū)域氧濃度降低，則存在人員窒息的危險(xiǎn)，故在地下室設(shè)置氧濃度監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)氧濃度，在地下室的各個(gè)入口處設(shè)置顯示屏與語音報(bào)警器，顯示屏顯示當(dāng)前傳感器監(jiān)測(cè)的氧濃度數(shù)值，語音報(bào)警在氧濃度過低時(shí)報(bào)警提醒人員勿入。KM6設(shè)備和作業(yè)場(chǎng)所的安全防護(hù)設(shè)施、檢測(cè)報(bào)警設(shè)施的安全性分析如表5所示。

When ABC crank rotate at speed ω1=1 rad/s, the motion equation of point C on the upper horizon line track is in the following

表5 KM6設(shè)備和作業(yè)場(chǎng)所的安全防護(hù)設(shè)施、檢測(cè)報(bào)警裝置的安全性分析Table 5 The safety analysis of the facility for protecting the KM6 equipment or work place and giving warnings

3.3.5 KM6安全標(biāo)志

KM6使用了大量各式各樣的安全標(biāo)志，如噪聲、介質(zhì)流向、危險(xiǎn)點(diǎn)、防燙傷等，這是一種管理手段，從本質(zhì)安全基本原則角度來說安全標(biāo)志的排序靠后，是一種本質(zhì)安全效果較弱的手段，一般屬于管理控制與規(guī)程和明確狀態(tài)范疇，本質(zhì)安全度評(píng)級(jí)為1顆星或者2顆星；但在其他手段方法已落實(shí)到位的情況下，安全標(biāo)志又是一種加強(qiáng)管理與強(qiáng)化效果的手段，故應(yīng)大量使用。KM6安全標(biāo)志的安全性分析如表6所示。

表6 KM6安全標(biāo)志的安全性分析Table 6 The safety analysis of the safety signs of KM6

3.3.6 KM6設(shè)備布局與結(jié)構(gòu)

設(shè)備布局與結(jié)構(gòu)應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初考慮，本質(zhì)安全的核心理念就是在源頭管控、消除風(fēng)險(xiǎn)。以KM6集中控制室與機(jī)柜間為例：集中控制室是操作人員集中操作的區(qū)域，在設(shè)計(jì)上考慮了與壓力管道的隔離布局，依據(jù)壓力管道爆炸后的沖擊波毀傷半徑計(jì)算出安全區(qū)域范圍，并據(jù)此設(shè)計(jì)集中控制室和機(jī)柜間的位置，同時(shí)也有效防止了由于爆炸沖擊而產(chǎn)生的次生傷害。KM6設(shè)備布局與結(jié)構(gòu)的安全性分析如表7所示。

表7 KM6設(shè)備布局與結(jié)構(gòu)的安全性分析Tabel 7 The safety analysis of equipment layout and structure of KM6

3.3.7 KM6個(gè)體防護(hù)用品、裝備與應(yīng)急處理

在上述安全防護(hù)措施都不能將生產(chǎn)過程和作業(yè)場(chǎng)所的風(fēng)險(xiǎn)降至可接受水平的情況下，必須采用個(gè)體防護(hù)裝備以保護(hù)操作人員的健康和安全。應(yīng)急處理則涉及硬件設(shè)置與管理控制2個(gè)方面，硬件設(shè)置包括緊急情況下的制動(dòng)、緊急情況下應(yīng)急設(shè)施的續(xù)航能力等，管理控制包括應(yīng)急預(yù)案的編制與演練、應(yīng)急物資的配置等。在發(fā)生意外情況下能夠采取有效的應(yīng)急處理措施，及時(shí)遏制嚴(yán)重后果的發(fā)生，也不失為一種有效的防護(hù)手段。KM6個(gè)體防護(hù)用品、裝備與應(yīng)急處理的安全性分析如表8所示。

表8 KM6個(gè)體防護(hù)用品、裝備與應(yīng)急處理的安全性分析Table 8 The safety analysis of personal protective appliance and emergency treatment of KM6

4 結(jié)束語

綜上分析，本文基于本質(zhì)安全的基本原則，從7個(gè)方面對(duì)KM6的安全設(shè)計(jì)層次分別進(jìn)行了分析，并對(duì)每個(gè)層次的安全措施進(jìn)行了定性的評(píng)價(jià)分級(jí)?；谠u(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì) KM6采取源頭設(shè)計(jì)及相關(guān)控制措施，有效地使各重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)安全狀態(tài)受控，對(duì)于無法從根本上實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的部位也均從個(gè)體防護(hù)、管理制度、應(yīng)急處理等方面進(jìn)行了多重管控，本質(zhì)安全效果較好。本文的評(píng)價(jià)結(jié)果可為后續(xù)同類系統(tǒng)的本質(zhì)安全建設(shè)提供參考分析方法。由于時(shí)間和水平所限，對(duì) KM6的分析尚不夠全面深入，控制措施也不限于前述內(nèi)容，后續(xù)須結(jié)合實(shí)際再進(jìn)行完善。

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（編輯：馮露漪）

The safety analysis of KM6 vacuum thermal test system based on the concept of intrinsic safety

GUO Zhanping, XU Zhaowu
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Based on the advanced intrinsic safety concept, this paper proposes the thermal vacuum test system KM6’s safety design level and makes an application analysis by considering the actual situation of KM6 engineering.A qualitative analysis of the current safety condition of KM6 in the perspective of the intrinsic safety provides a reference for the design of other similar vacuum thermal test systems.

thermal vacuum test system; intrinsic safety; safety analysis

X924.4

：C

：1673-1379(2016)06-0657-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.015

郭占平（1984—），男，碩士學(xué)位，主要從事安全生產(chǎn)管理工作。E-mail: 13810411705@163.com。

2016-01-18；

：2016-11-23