特种设备安全防护体系的初步构建与应用研究
2022-04-16王霞张昱刘俞辰李强王威毛翔虎
*王霞 张昱 刘俞辰 李强 王威 毛翔虎
(内蒙古工业大学 化工学院 内蒙古 010051)
特种设备涉及生命安全、危险性较大,共包括八大类设备。其中,锅炉、压力容器(含气瓶)、压力管道属于承压类特种设备;电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场(厂)内专用机动车辆,属于机电类特种设备[1]。这些特种设备在工业生产和民用领域中占有极为重要的地位,关系着人民群众的生命、财产安全。近年来,随着工业生产和民用特种设备建设规模的扩大,国家对公共安全管理、风险防控与应急技术装备的日益重视,深入研究特种设备安全防护技术的迫切性日益突出。目前,我国特种设备安全防护技术领域内,安全性、可靠性的基础理论研究和标准体系建设,还需要进一步健全与完善。本文依托“特种设备安全防护系统功能安全保障关键技术研究”项目课题一“特种设备安全防护系统故障模式及预防关键技术研究”,借鉴功能安全评估理论的思想,以承压类设备为例,从以下几方面进行阐述:特种设备安全防护技术现状、功能安全评估理论简介、特种设备安全防护体系的初步构建及承压类设备安全防护系统示例。
1.特种设备安全防护技术现状
目前,我国特种设备总体运行平稳,但仍有安全生产事故发生。据国家市场监督管理总局关于2020年全国特种设备安全状况的通告[2],承压类设备(锅炉、压力容器、气瓶、压力管道)事故的主要特征是爆炸、泄漏着火等;事故发生的主要原因有:设备缺陷或安全附件失效;违章作业或操作不当。
对于承压类设备,要构建一整套安全防护技术保障体系,不仅是紧急停车系统、燃烧器管理系统、火灾和气体安全系统、高完整性压力保护系统等以安全保护和抑制减灾为目的的安全仪表系统(SIS)[3],还需要完善各项安全管理制度和日常安全操作规程,把人为的因素综合考虑进去,才能真正实现安全生产。
2.功能安全简介
功能安全的概念最早用于电气安全相关系统,是保障安全生产的重要措施。功能安全通过安全仪表系统功能的可靠执行来保证生产安全。功能安全的相关国际标准有国际电工委员会标准IEC61508和IEC61511(适于石油、化工等过程工业)等;目前我国等同采用的是GB/T 20438-2017《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》和GB/T 21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》两个推荐性标准[4-6]。
功能安全是一种基于风险分析的安全技术和管理理论,风险评估是实施前提,安全完整性等级是其技术体现,安全生命周期是功能安全管理的方法[6]。是贯穿安全生产全生命周期的系统分析方法[4]。
因此,基于风险的功能安全理论,对特种设备安全防护技术同样适用。下面以承压类设备为例,阐述特种设备安全防护系统的初步构建过程。
3.特种设备安全防护体系的初步构建
要构建一套完整的特种设备安全防护体系,需要明确受控对象即:具体的特种设备,分析其风险,并明确与之对应的安全防护措施。这是将功能安全理论应用于特种设备安全防护系统的必要基础条件。结合企业调研,参考目前我国特种设备行业安全防护技术相关的法规条文等内容,具体说明如下。
(1)明确防护对象(受控特种设备)
按《特种设备目录(2014年第114号)》压力容器(即承压设备)分为固定式容器、移动式容器和气瓶、氧舱四类。
(2)危险源辨识及其种类划分
目前,国内并无危险源分类的相关国家标准。危险源划分多数参考标准GB/T 13861-2009《生产过程危险和有害因素分类与代码》,将其按照导致事故和职业危害的直接原因分为六类:物理性、化学性、生物性、心理和生理性、行为性及其他危险源。部分学者按照在事故发生、发展中的作用,将危险源划分为:第一类危险源,生产过程中存在的、可能发生意外释放的能量或危险物质;第二类危险源,导致能量或危险物质的约束、限制措施破坏及失效的各种因素[7-11]。
特种设备,尤其是承压类特种设备,其工作介质蕴含能量高,危险性较大。本文提出一种新的危险源划分方法,即:将含有各种能量的物质,都归类为含能物质。危险源总体分为含能物质、毒性物质、窒息物质和其它四类。
(3)危险及危害种类的划分
根据上述危险源分类方法,我们将危险分为三类:能量的意外释放;毒性物质泄漏扩散;窒息物质聚集。其中,能量的意外释放又分为:爆炸、着火、高(低)温物质外泄或暴露、化学品侵逸出或暴露、物体运动或运动件外露等等14类。
笔者对特种设备安全防护技术涉及的危害种类划分,主要参考GB6441-1986《企业职工伤亡事故分类》中的20种类别。该标准划分的危害种类较多,标准制定时间较早,近40年时间内仍在沿用,并未修订。对于特种设备而言,该标准中的一些事故分类并不存在,如冒顶片帮、透水、放炮等。有些事故分类有交叉。从特种设备安全防护系统理论体系建设和故障模型建立的角度,特种设备宜有专门的事故类型划分。
(4)危害原因
对危害原因的分类,基本参照了GB/T 13861-2009《生产过程危险和有害因素分类与代码》的分类方法,从“人、机、料、法、环”几方面进行划分。此处不再赘述。
(5)安全防护措施
特种设备安全防护系统的落脚点,即安全防护措施。上述所有的危险源、危险危害种类划分,目的就是找到与之对应的合理的安全防护对策措施。从功能安全的角度,结合事故演化的规律,安全防护措施可分为防止措施、减缓措施,以及必要的程序安全措施和个体防护措施。特种设备的设计、制造和选材等内容,不在安全防护措施范围内,即默认设备的初始设计安全。
防止措施,是指主动防止危险发生所采取的一系列措施,例如压力、温度、液位等报警联锁设施,包含受DCS远程控制的带报警的温度指示仪表,当温度超限时,即可采取相应措施;还包括紧急停车系统等等。
减缓措施,譬如紧急泄压的安全阀、爆破片或易熔塞等安全附件,当防止措施不能完全控制危险事件的发生时,所采用的安全防护措施,可降低事故的危害后果。
除设备、设施安全,还应充分考虑人的因素,即程序安全措施和个体防护措施。
程序安全措施包括:日常维护和保养的基本程序以及特种设备相关操作人员、管理人员应执行的安全准则、作业规程,以及应急预案和应急演练的相关内容。
个体防护措施是危害发生后,使相关人员尽可能避免受到伤害所需采取的措施。不仅包括一般的生产劳动保护措施,还包含一些特殊工艺或工段应具备的相关保护措施,如化工企业广泛使用的工作服、安全帽、防砸鞋等,易燃易爆工段需要配备的便携式气体探测仪,等等。此部分内容参照了GB/T 29639-2020《经营单位生产安全事故应急预案编制导则》和AQ/T 9011-2019《生产经营单位安全事故应急预案评估指南》等规范的内容[12]。
4.特种设备安全防护体系构架及示例
(1)特种设备安全防护体系初步框架
借鉴功能安全理念分析特种设备安全防护系统,从明确防护对象(受控设备)开始,以不同能量类别区分危险源,分析风险点(危险源)和危险有害因素,按照事故发展、演变过程,对应不同等级的安全防护措施。通过企业实地调研,收集了八大类中典型特种设备的安全防护技术数据,以思维导图的方式,绘制了特种设备安全防护体系的初步框架,见图1。
图1 特种设备安全防护系统的初步框架示意图(部分)
(2)特种设备安全防护体系示例
作者调研、分析了八大类典型特种设备的安全防护技术数据,如燃煤锅炉、气化炉、合成塔、压力管道、曳引式电梯、叉车、观光车、客运索道、游乐设施、门式起重机等,建立了各类特种设备安全防护系统的初步框架。因篇幅所限,这里仅以燃煤锅炉为例。锅炉的压力能危险源意外释放导致爆炸伤害,从危害原因之一—物的不安全状态分析其对应的安全防护措施,如图2、图3所示。对于燃煤锅炉,可采取的安全防护措施包括:
图2 燃煤锅炉压力能危险源导致的爆炸伤害及危害原因分析示例
图3 燃煤锅炉危害原因及安全防护措施示例
主动防止措施(信号响应型):设置温度、液位报警,高低压报警、控制;设置紧急停车系统等。这些措施可避免爆炸伤害的发生。
减缓措施(机械液压型):设置安全阀等泄压保护装置。可减轻爆炸伤害的损害。
程序安全措施:涉及日常操作、维护保养,包括:编制操作规程,定期培训;班组定期对压力表、温度表、液位计、阀门阀位进行对照检查;班组定期检查安全附件;定期检验设备本体、安全阀、压力表等;企业建立应急预案,定期组织培训,设专门应急电话,安排专人24小时值班值守;设置视频监控系统等等。
个体防护措施:配备必要的劳动防护用品,如工作服、安全帽、防砸鞋;佩戴护目镜、防尘口罩等防护措施;设置事故应急柜,配备:正压式空气呼吸器、安全绳、隔热服、防烫手套等应急物资。
燃煤锅炉工作介质为煤粉,易发生粉尘爆炸、粉尘污染等事故;因工作环境特殊,容易导致人员中毒、窒息、尘肺病和中暑危害的发生。这是锅炉区别于其它特种设备的地方,针对这些危害的防护措施也应配套。
5.结论
(1)本文借鉴功能安全评估理论的思想,通过采集、分析八大类典型特种设备的危险源、危险危害因素数据及对应的安全防护措施,搭建了特种设备安全防护体系的初步框架,并以承压类设备燃煤锅炉为例,具体说明了该安全防护系统的应用。
(2)本文从能量释放的角度,提出一种新的危险源划分方法,即:将含有压力能、化学能、热能、电能、声能、动能、势能等的物质,都归类为含能物质。危险源总体划分为:含能物质、毒性物质、窒息物质和其它四大类。
(3)在构建特种设备安全防护体系的过程中,参考了国内现行的相关法规条文,从特种设备安全防护理论体系建设和建立故障模型的角度提出,特种设备宜有专门的事故类型划分,便于后续研究的开展。
(4)构建和应用以功能安全为基础的特种设备安全防护体系,对企业安全生产管理(包括日常安全的自查、自检)提供了有益的参考;同时为进一步深入研究特种设备安全防护理论体系提供数据支持。
(5)今后我们还将进一步探讨特种设备安全防护系统风险分析的定量方法,采用定量分析法确定事故发生的可能性大小、频率及事故造成后果的严重程度,从量的角度完善这一系统,使之具有可操作性,充分发挥安全防护技术在特种设备安全保障中的关键作用。