基于本質安全方法的KM6真空熱試驗系統安全性分析

郭占平，徐照武

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

基于本質安全方法的KM6真空熱試驗系統安全性分析

郭占平，徐照武

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

文章基于本質安全理念，結合KM6真空熱試驗系統工程實際，提煉出KM6安全設計層次并進行應用分析，以本質安全的視角定性地分析和評價了KM6的安全現狀，可為其他同類真空熱試驗系統提供設計參考。

真空熱試驗系統；本質安全；安全分析

0 引言

本質安全是指僅通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成安全失控。通過追求企業生產流程中人、物、系統、制度等諸要素的安全可靠和諧統一，使各種危害因素始終處于受控制狀態，進而逐步趨近本質型、恒久型安全目標[1]。

20世紀60—70年代以后，本質安全的理念開始逐步發展并廣泛應用于各行各業。在這種安全理念的指導下，通過嚴格的工程設計、加工制造和精心的維修保養，可實現生產條件的本質安全和產品安全[2]。

KM6真空熱試驗系統（以下簡稱KM6）是我國“神舟”飛船及大型衛星進行熱平衡、熱真空試驗的關鍵設備系統。其作用是驗證和考核航天器熱設計的正確性及各個飛行階段熱控等系統適應各種熱環境的能力。該系統功能復雜，包含壓力容器、壓力管道、高低溫介質等諸多存在安全風險環節的部位。本文旨在通過本質安全理念與方法對KM6的各風險環節進行評價研究，分析安全風險重點控制環節，以有效保證參試人員安全[3]。

1 本質安全的基本原則

本質安全的基本原則包括[4]：

1）最小化。即減少系統中危險物質的數量。系統中危險物質數量越少，能量越低，發生事故的可能性越小，事故的嚴重程度亦越低。

2）替代。使用安全的或危險性較小的材料或工藝替代危險的材料或工藝。

3）緩解。采用危險物質的最小危害形態或最小危險的工藝條件。在進行危險作業時，采用相對更加安全的作業條件，以及相對更加安全的存儲、運輸方式等。

4）簡化。通過設計簡化操作，減少人為失誤的機會。

在實際應用中，應當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，在前者無法實現的情況下再選擇后者，必要時將這些原則綜合予以考慮，同時運用[4]。

1991年Kletz提出的本質安全設計原則[5]更加細化為：強化，替代，緩解，限制后果，簡化，盡早變更，避免連鎖后果，明確狀態，防止誤裝和誤操作，容錯，易于控制，管理控制與規程。

2 KM6應用分析

KM6由真空分系統、低溫分系統、測控分系統等幾大部分組成，每個分系統又由諸多子系統和單機設備組成。試驗系統運行期間，需要模擬航天器在空間環境中經受的真空、冷黑以及外熱流3大環境條件。在環境條件建立的過程中，需要啟動大型機械設備，如粗抽機組和空氣壓縮機；需要液氮儲槽、氣罐以及壓力管道帶壓運行；需要經常對區域內包括密閉空間內的配套設備進行狀態檢查。以上所有操作以及操作所處的環境都會產生威脅參試人員人身安全的危險因素[6]。

分析、識別出KM6存在的危險源有壓力容器、壓力管道、交流電、液氮、旋轉的皮帶、轉動的軸、有毒物質、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、職業健康傷害等。針對這些危險源，在設計和后期防護方面已經采取了相應的措施，本文以本質安全的基本原則方法來定性評價KM6的本質安全化水平[7]。

3 KM6本質安全水平定性分析

3.1 劃分安全設計層次

基于本質安全的理念及KM6的構成，參考其他行業對安全設計層次的分類[2]，提煉出KM6的安全設計層次，見表1。意義在于從設計階段的初期納入產生危險的因素考慮和預防事故的措施，這是一種從傳統的安全設計模式向現代的本質安全設計模式的轉變。

由于KM6已設計并建造完成，下文將從每個安全設計層次對已建造完成的 KM6的本質安全水平進行定性的評價分析。本質安全設計層次之間相互獨立，但從整體上形成了一個完整的包絡系統，是保證評價分析客觀性、全面性、系統性的基礎[8]。

表1 KM6的安全設計層次Table 1 Safety design layer for the KM6 system

表1 （續）

3.2 設定評價分級

為直觀地評價出基于本質安全的視角所采取措施的效果，采用4個等級對本質安全水平進行定性評價分析：

基本防護（★）：即從個體防護、事后防護、應急處置或管理控制等角度出發采取措施。雖然采取措施的效果會達到防護要求，但從本質安全設計理念出發，屬于基本防護。

過程控制（★★）：采用監測、報警、加裝防護罩、采取輔助支撐等手段，完成了對安全風險的控制，即使出現了不良后果，也能及時遏制。

源頭緩解（★★★）：較好地完成了本質安全設計，對識別出的安全風險從源頭設計上盡可能弱化，即使進行了誤動作或誤操作也不會造成人員傷害。

源頭消除（★★★★）：很好地實施了本質安全設計理念，從源頭將存在安全風險的原材料、設備設施等采用替代或重新設計消除的方法來將風險控制到最小化。

評價等級的星數越多，說明本質安全的設計要求落實的越徹底，風險越小。

3.3 定性評價

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粗抽機組設備產生較大噪聲，從一般工藝過程來看，在設備運轉時需要操作人員接近，在無法使用其他設備代替的情況下需要降低噪聲或者使現場工作人員不直接接觸噪聲。實際設備工作現場無法實現在粗抽機組設備外加裝降噪裝置，故只能從人員的個體防護角度采取措施，包括配備耳罩、作業人員的定期體檢等，屬于本質安全基本原則中的限制后果，從本質安全效果分析屬于基本防護，評價結果為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動設備、靜設備的結構

從動設備、靜設備載荷狀態分析，找出可能由于承受過大負荷而造成潛在風險的設備，包括氣壓、液壓、重力、電壓、電流等負荷。KM6使用承載負荷主要設備為承載壓力相關設備，包括低溫壓力容器、儲氣壓力容器、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備或部位分析本質安全水平。例如，KM6低溫壓力容器存儲的介質主要為低溫液氮，其汽化后迅速膨脹，存在爆炸風險，故在低溫壓力容器上設計安全閥、爆破片降低爆炸風險。低溫壓力管道存儲的介質亦為低溫液氮，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，同時在適當的部位加裝安全閥、波紋管、輔助支撐等安全防護措施，一般管道兩端均有閥門時管道中間必須加裝安全閥。KM6動設備、靜設備結構的安全性分析如表3所示。

表3 KM6動設備、靜設備結構的安全性分析Table 3 Safety analysis of the structure for equipment associated with KM6

3.3.3 KM6控制系統、軟件系統、工藝控制與監測系統

KM6已實現遠程控制以及聯動功能，人機交互界面簡單智能，達到了人與設備的有效隔離，這已經是本質安全設計理念的初衷。同時，由于KM6對壓力容器、壓力管道使用需求大、使用頻繁，故在人與壓力容器、壓力管道交互上設置了遠程控制程序、閥門聯動、防止誤操作設施、PLC控制等，這些設計往往本質安全效果較好，是推薦的一種設計手段。KM6控制系統、軟件系統、工藝控制與監測系統的安全性分析如表4所示[10]。

表4 KM6控制系統、軟件系統、工藝控制與監測系統安全性分析Table 4 Safety analysis of control parts, software parts, process control and observation parts of KM6

3.3.4 KM6設備和作業場所的安全防護設施、檢測報警設施

KM6由大量的配套設備組成，功能、樣式多樣，且坐落在不同的區域，由地下至地上可達4層樓左右的高度，因此某些設備和作業場所可能需要加裝安全防護設施和檢測報警設施。例如，KM6地下室屬于相對較為密閉的空間，且此區域存在著低溫液氮管道，一旦液氮泄漏造成此區域氧濃度降低，則存在人員窒息的危險，故在地下室設置氧濃度監測傳感器監測氧濃度，在地下室的各個入口處設置顯示屏與語音報警器，顯示屏顯示當前傳感器監測的氧濃度數值，語音報警在氧濃度過低時報警提醒人員勿入。KM6設備和作業場所的安全防護設施、檢測報警設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設備和作業場所的安全防護設施、檢測報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安全標志

KM6使用了大量各式各樣的安全標志，如噪聲、介質流向、危險點、防燙傷等，這是一種管理手段，從本質安全基本原則角度來說安全標志的排序靠后，是一種本質安全效果較弱的手段，一般屬于管理控制與規程和明確狀態范疇，本質安全度評級為1顆星或者2顆星；但在其他手段方法已落實到位的情況下，安全標志又是一種加強管理與強化效果的手段，故應大量使用。KM6安全標志的安全性分析如表6所示。

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

3.3.6 KM6設備布局與結構

設備布局與結構應在系統設計之初考慮，本質安全的核心理念就是在源頭管控、消除風險。以KM6集中控制室與機柜間為例：集中控制室是操作人員集中操作的區域，在設計上考慮了與壓力管道的隔離布局，依據壓力管道爆炸后的沖擊波毀傷半徑計算出安全區域范圍，并據此設計集中控制室和機柜間的位置，同時也有效防止了由于爆炸沖擊而產生的次生傷害。KM6設備布局與結構的安全性分析如表7所示。

表7 KM6設備布局與結構的安全性分析Tabel 7 The safety analysis of equipment layout and structure of KM6

3.3.7 KM6個體防護用品、裝備與應急處理

在上述安全防護措施都不能將生產過程和作業場所的風險降至可接受水平的情況下，必須采用個體防護裝備以保護操作人員的健康和安全。應急處理則涉及硬件設置與管理控制2個方面，硬件設置包括緊急情況下的制動、緊急情況下應急設施的續航能力等，管理控制包括應急預案的編制與演練、應急物資的配置等。在發生意外情況下能夠采取有效的應急處理措施，及時遏制嚴重后果的發生，也不失為一種有效的防護手段。KM6個體防護用品、裝備與應急處理的安全性分析如表8所示。

表8 KM6個體防護用品、裝備與應急處理的安全性分析Table 8 The safety analysis of personal protective appliance and emergency treatment of KM6

4 結束語

綜上分析，本文基于本質安全的基本原則，從7個方面對KM6的安全設計層次分別進行了分析，并對每個層次的安全措施進行了定性的評價分級。基于評價結果，對 KM6采取源頭設計及相關控制措施，有效地使各重點風險環節安全狀態受控，對于無法從根本上實現安全防護的部位也均從個體防護、管理制度、應急處理等方面進行了多重管控，本質安全效果較好。本文的評價結果可為后續同類系統的本質安全建設提供參考分析方法。由于時間和水平所限，對 KM6的分析尚不夠全面深入，控制措施也不限于前述內容，后續須結合實際再進行完善。

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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，碩士學位，主要從事安全生產管理工作。E-mail: 13810411705@163.com。

2016-01-18；

：2016-11-23