核电项目机械安全设计探讨
2021-05-27陶新磊褚兆鑫江叙伟
陶新磊,褚兆鑫,杜 超,江叙伟
(1.深圳中广核工程设计有限公司,广东 深圳 518172; 2.中广核陆丰核电有限公司,广东 汕尾 516545)
0 引言
随着核能、机械行业技术的进步和发展,对核电设备的机械安全问题也越来越重视,机械安全设计是保证设备设施安全,保障安全生产的前提。核电设计工作中,应当不仅仅关注设备设施功能的实现,也要关注设备的使用和维修安全,并从人机工效学角度提供安全合理的设计。当前,核电设计中,机械安全标准并没有得到广泛应用,例如,在某核电厂检修过程中,检修人员从钢梯上跌落,造成人员伤亡事故,事后检查发现,钢梯的机械安全防护能力不够是造成人员跌落的诱因之一。研究探讨核电项目中的机械安全问题,应用机械安全标准,提高核电设计中的机械安全水平对于提高核电站整体安全水平具有重要意义。
1 机械安全中的上锁/挂牌问题
上锁/ 挂牌通常简称为LOTO(Lockout/Tagout),来源于ANSI/ASSE Z244.1《危险能源控制:上锁、挂牌和其他方法》(The Control of Hazardous Energy-Lockout,Tagout and Alternative methods)和美国职业安全健康署导则(OSHA Regulation Standard 29CFR)。按ANSI/ASSE Z244.1《危险能源控制:上锁、挂牌和其他方法》3.11 节的定义,上锁/挂牌是按照既定程序在能量隔离装置上放置锁具/标牌,以表明在锁具/标牌按照既定程序移除之前,不得操作能量隔离装置。LOTO 是防范对可能造成人身伤害的能源,如电气、机械、液压、气动、化学、热能、势能等非预期释放的简单、有效措施,在国内外得到广泛使用。
GB/T 33579—2017《机械安全 危险能量控制方法上锁/挂牌》是国内机械安全上锁挂牌方面应用较为广泛的标准。其6.3.1 节规定“如果能量隔离装置能够上锁,则应上锁,除非用户可证明仅使用挂牌方案就可为人员提供有效保护。如果能量隔离装置上附有搭扣或有可以上锁的附属结构,或者其具有内置的锁定机构,则能量隔离装置可上锁”。标准并没有限定必须采用上锁,在风险评估通过的情况下,也可以采用挂牌来代替上锁措施。
1.1 核电项目上锁挂牌问题
在核电厂中已广泛执行上锁/挂牌的规定,但尚未有核电行业统一的上锁挂牌规范。对于一般机械行业,上锁挂牌主要针对维修过程,避免在维修过程中意外的能量释放。对于核电行业除了维修阶段需要上锁挂牌,正常运行过程中,也存在大量的上锁挂牌需求。例如辅助给水系统作为主给水系统的备用,向蒸汽发生器二次侧供应给水,在电站事故情况下,作为热阱导出堆芯衰变热,将主回路系统冷却到余热排出系统可以投运或更低水平。为了保证任何情况下辅助给水系统都可用,运行过程中需要对该系统隔离阀进行锁定,避免系统中的隔离阀被人为误关,导致系统失去功能。此外,对于运行中的疏水、排气等支持系统为防止运行期间意外开启导致放射性释放或影响核安全系统执行功能也需要采取上锁挂牌措施。例如SEC 泵排气阀在运行期间需要采取上锁挂牌措施,确保阀门始终处于关闭状态。核电项目阀门的隔离通常采用同时上锁和挂牌的措施,不允许仅使用挂牌的方式来进行隔离。
隔离与上锁虽然主要实施和应用对象是维修和运行人员,但是并非仅与运行和维修人员有关。GB/T 33579 第5.1.1 节规定“机器的设计、制造和安装应便于用户执行本标准规定的控制方法,任何影响能源隔离的修改都在符合本标准。在机器的设计阶段应进行风险评估,以确定对能量隔离装置和系统的需求以及设计余量,风险评估程序见GB/T 15706”。但实际工作中,并没有进行机械安全风险评估,也没有识别对阀门类设备提供可靠锁定装置的需求,导致现场操作人员无法可靠、方便地完成设备上锁。现场维修操作人员只能采取临时替代措施,将手轮通过链条缠绕在管道、支架、阀体吊装孔、轭架等位置上。这些装置并非专门的链条固定装置,仍存在无法牢固锁定阀门的隐患,此外,需要运行维修人员携带链条进行锁定,执行完锁定功能需要回收链条,工作量大且容易造成链条丢失和管理困难。
1.2 设计阶段对上锁挂牌问题的考虑
核电项目执行上锁挂牌规范的过程中,应当在设计阶段进行机械安全风险评价,识别需要执行上锁挂牌的阀门,并策划好上锁挂牌功能的实现,要求阀门具备方便上锁的机械安全功能。不能将机械安全风险识别、上锁挂牌措施执行留到运行维修阶段解决,或仅根据维修需求识别需要上锁挂牌阀门。在设计阶段正确识别了阀门需具备上锁隔离需求,就可以通过增加固定链条装置、设置专用上锁附属装置等途径解决阀门上锁问题,实现可靠的上锁挂牌,保证设备机械安全。
2 固定设施设计问题
进入机械的固定设施是运行维修设备的必备附属设施,直接关系着设备的运行维修安全,但当前核电设备的设计过程中并未对此有足够的重视,存在执行标准混乱问题,导致的人员伤亡事故也时有发生,如某核电厂在大修现场泵房旋转滤网竖井向下攀爬竖梯时人员不慎坠落事件。虽然未使用防坠器连接是导致伤亡的主要原因,但是竖梯的设计不符机械安全方面标准,踏棍后侧与壁面距离不够,不具备良好的机械安全性能亦是事故发生的诱因。
2.1 钢梯的机械安全性能对比
GB 4053—2009 系列标准规定了固定式直梯、固定式斜梯、固定式工业防护栏杆及钢平台的设计、制造和安装方面的基本安全要求,是核电当前设计中广泛使用的钢梯标准,但其安全防护性能较机械安全系列标准低,这在设计工作中容易被忽视。例如GB/T 17888.4《机械安全 固定式直梯的安全设计规范》对交错梯段护笼设计没有明确要求,仅对梯段交错距离做了规定,而GB/T 17888.4《机械安全 固定式直梯的安全设计规范》规定“下梯段应延伸至使最高踏棍在休息平台上至少1 680 mm,以便为使用者提供合适的扶手,平台上的防护高度应至少为1 600 mm,平台和上面的梯段的安全护笼最底层完整笼箍之间的通道净高应在2 200 mm~2 300 mm 之间”,并给出了设计示范图。
GB/T 17888.4《机械安全 固定式直梯的安全设计规范》以及GB 4053.1《固定式钢梯平台安全要求 第1 部分:钢直梯》安全防护性能对比见表1。通过表1 对比可以发现GB 17888.4《机械安全 固定式直梯的安全设计规范》设计要求的安全防护性能明显高于GB 4053.1《固定式钢梯及平台安全要求 第一部分:钢直梯》,例如对顶部踏棍与平台间隙的减小、交错梯段护笼和休息平台、自闭门的设计可以有效减少运行维修人员安全风险。在钢斜梯方面亦存在同样的问题,GB/T 17888.3《机械安全 进入机械的固定设施 第3 部分:楼梯、阶梯和护栏》与及GB 4053.2《固定式钢梯平台安全要求 第2 部分:钢斜梯》部分安全防护性能对比见表2。
表1 不同标准直梯性能要求对比
表2 不同标准钢斜梯性能要求对比
2.2 适用性
GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》适用于作为机器部件的固定式钢梯、适用于安装在建筑物内作为建筑一部分的机械设施,该装置的主要功能是提供进入机器的进入设施。核电项目钢梯当前由土建专业根据GB 4053《固定式钢梯及平台安全要求》设计,但很多钢梯其主要功能是为进入机械设备进行检修服务,功能上亦属于GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》管辖范围,例如储罐检修钢梯、机泵检修钢梯等。由于GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》安全防护性能明显高于GB 4053《固定式钢梯平台及安全要求》,对于核电项目内主要用途用于设备检修的钢梯应当采用GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》标准替代GB 4053《固定式钢梯平台及安全要求》。在实际应用过程中,核电项目业主也对增加自闭门、增加3 m 以上直梯护笼、降低分段高度,增加中间休息平台等要求较为迫切,采用GB 4053《固定式钢梯平台及安全要求》设计往往难以达到业主满意的需求,需要进行后续的设计改进。此外,GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》系列标准等效采用ISO 14144《Safety of machinery--Permanent means of access to machinery》系列标准,采用GB 17888 系列标准也有利于核电项目走出国门,与国际化接轨。
3 机械安全风险评价
GB/T 33579《机械安全 危险能量控制方法 上锁挂牌》、GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》,都要求在设计阶段进行机械安全风险评价,即应用GB/T 15706—2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》进行机械安全风险识别与评价。这在当前的核电设备设计中尚未得到应用,是导致上锁挂牌困难、钢梯防护要求不够的根本原因。
机械安全风险评价是以系统方法对机械有关风险进行分析和评定的,根据分析和评定结果,采取合理可行的消除危险或减小风险的安全措施,根据实际应用情况重复进行分析、评定和采取消除措施。
当前核电设备设计过程中,已将设备故障模式分析引入到设备设计工作中,但是并没有在故障模式分析的基础上对设备的机械安全风险进行评估,也没有相应的机械安全分析评估报告。虽然设备故障是导致机械安全风险发生的因素之一,但是人机工效学方面的不合理设计引发的安全风险并不能被设备故障模式分析所覆盖。虽然核电项目有系统的消防、职业安全设计专篇,但并没有引用机械安全类标准,对设备运行和操作的中可能出现的风险没有进行逐一设备的识别和评价工作。机械安全风险识别仍依靠运维人员在运维阶段识别和采取措施,并没有从设计源头上管控机械安全风险。
例如根据GB/T 15706—2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》6.3.5.3 规定应设立被困人员逃生和救援措施。某三代非能动核电的原始设计中环吊无环形走廊,一旦环吊因地震等事故急停,将导致人员无法通过正常上下吊位置撤离的风险。在设计阶段如不进行系统的机械安全评价,则容易造成类似的风险隐患。
4 结论
核电项目不仅在维修阶段,在正常运行过程中也存在大量的上锁挂牌需求。为解决设备的上锁挂牌问题,应当在设计阶段根据运行和维修需要,进行机械安全风险分析,识别设备上锁挂牌需求,并策划好设备上锁挂牌功能的实现,例如在闸阀、截止阀上增加链条固定装置。不能依靠一般经验认为上锁挂牌仅仅是对维修人员的要求或仅根据维修需要识别设备上锁挂牌功能需求。
当前核电项目的钢梯,包括大量设备的检修钢梯,大都由土建专业按GB 4053《固定式钢梯及平台安全要求》设计,但是其安全防护性能较差,难以满足业主越来越高的安全需求。在当前核电行业没有专用标准的情况下,对于主要用途为设备检修提供服务的钢梯,采用GB 17888《机械安全 进入机械的固定设施》替代GB 4053《固定式钢梯及平台安全要求》是提高核电厂钢梯机械安全水平的重要措施。当前核电设备设计阶段并没有机械安全风险评价环节。在设计阶段对设备的机械安全风险进行系统识别和评价对于提高设备机械安全水平,确保设备安全运行具有重要意义。