核電項(xiàng)目機(jī)械安全設(shè)計探討

陶新磊，褚兆鑫，杜 超，江敘偉

(1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172; 2.中廣核陸豐核電有限公司，廣東 汕尾 516545)

0 引言

隨著核能、機(jī)械行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對核電設(shè)備的機(jī)械安全問題也越來越重視，機(jī)械安全設(shè)計是保證設(shè)備設(shè)施安全，保障安全生產(chǎn)的前提。核電設(shè)計工作中，應(yīng)當(dāng)不僅僅關(guān)注設(shè)備設(shè)施功能的實(shí)現(xiàn)，也要關(guān)注設(shè)備的使用和維修安全，并從人機(jī)工效學(xué)角度提供安全合理的設(shè)計。當(dāng)前，核電設(shè)計中，機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)并沒有得到廣泛應(yīng)用，例如，在某核電廠檢修過程中，檢修人員從鋼梯上跌落，造成人員傷亡事故，事后檢查發(fā)現(xiàn)，鋼梯的機(jī)械安全防護(hù)能力不夠是造成人員跌落的誘因之一。研究探討核電項(xiàng)目中的機(jī)械安全問題，應(yīng)用機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)，提高核電設(shè)計中的機(jī)械安全水平對于提高核電站整體安全水平具有重要意義。

1 機(jī)械安全中的上鎖/掛牌問題

上鎖/ 掛牌通常簡稱為LOTO(Lockout/Tagout)，來源于ANSI/ASSE Z244.1《危險能源控制：上鎖、掛牌和其他方法》(The Control of Hazardous Energy-Lockout，Tagout and Alternative methods)和美國職業(yè)安全健康署導(dǎo)則(OSHA Regulation Standard 29CFR)。按ANSI/ASSE Z244.1《危險能源控制：上鎖、掛牌和其他方法》3.11 節(jié)的定義，上鎖/掛牌是按照既定程序在能量隔離裝置上放置鎖具/標(biāo)牌，以表明在鎖具/標(biāo)牌按照既定程序移除之前，不得操作能量隔離裝置。LOTO 是防范對可能造成人身傷害的能源，如電氣、機(jī)械、液壓、氣動、化學(xué)、熱能、勢能等非預(yù)期釋放的簡單、有效措施，在國內(nèi)外得到廣泛使用。

GB/T 33579—2017《機(jī)械安全 危險能量控制方法上鎖/掛牌》是國內(nèi)機(jī)械安全上鎖掛牌方面應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。其6.3.1 節(jié)規(guī)定“如果能量隔離裝置能夠上鎖，則應(yīng)上鎖，除非用戶可證明僅使用掛牌方案就可為人員提供有效保護(hù)。如果能量隔離裝置上附有搭扣或有可以上鎖的附屬結(jié)構(gòu)，或者其具有內(nèi)置的鎖定機(jī)構(gòu)，則能量隔離裝置可上鎖”。標(biāo)準(zhǔn)并沒有限定必須采用上鎖，在風(fēng)險評估通過的情況下，也可以采用掛牌來代替上鎖措施。

1.1 核電項(xiàng)目上鎖掛牌問題

在核電廠中已廣泛執(zhí)行上鎖/掛牌的規(guī)定，但尚未有核電行業(yè)統(tǒng)一的上鎖掛牌規(guī)范。對于一般機(jī)械行業(yè)，上鎖掛牌主要針對維修過程，避免在維修過程中意外的能量釋放。對于核電行業(yè)除了維修階段需要上鎖掛牌，正常運(yùn)行過程中，也存在大量的上鎖掛牌需求。例如輔助給水系統(tǒng)作為主給水系統(tǒng)的備用，向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供應(yīng)給水，在電站事故情況下，作為熱阱導(dǎo)出堆芯衰變熱，將主回路系統(tǒng)冷卻到余熱排出系統(tǒng)可以投運(yùn)或更低水平。為了保證任何情況下輔助給水系統(tǒng)都可用，運(yùn)行過程中需要對該系統(tǒng)隔離閥進(jìn)行鎖定，避免系統(tǒng)中的隔離閥被人為誤關(guān)，導(dǎo)致系統(tǒng)失去功能。此外，對于運(yùn)行中的疏水、排氣等支持系統(tǒng)為防止運(yùn)行期間意外開啟導(dǎo)致放射性釋放或影響核安全系統(tǒng)執(zhí)行功能也需要采取上鎖掛牌措施。例如SEC 泵排氣閥在運(yùn)行期間需要采取上鎖掛牌措施，確保閥門始終處于關(guān)閉狀態(tài)。核電項(xiàng)目閥門的隔離通常采用同時上鎖和掛牌的措施，不允許僅使用掛牌的方式來進(jìn)行隔離。

隔離與上鎖雖然主要實(shí)施和應(yīng)用對象是維修和運(yùn)行人員，但是并非僅與運(yùn)行和維修人員有關(guān)。GB/T 33579 第5.1.1 節(jié)規(guī)定“機(jī)器的設(shè)計、制造和安裝應(yīng)便于用戶執(zhí)行本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制方法，任何影響能源隔離的修改都在符合本標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)器的設(shè)計階段應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險評估，以確定對能量隔離裝置和系統(tǒng)的需求以及設(shè)計余量，風(fēng)險評估程序見GB/T 15706”。但實(shí)際工作中，并沒有進(jìn)行機(jī)械安全風(fēng)險評估，也沒有識別對閥門類設(shè)備提供可靠鎖定裝置的需求，導(dǎo)致現(xiàn)場操作人員無法可靠、方便地完成設(shè)備上鎖?，F(xiàn)場維修操作人員只能采取臨時替代措施，將手輪通過鏈條纏繞在管道、支架、閥體吊裝孔、軛架等位置上。這些裝置并非專門的鏈條固定裝置，仍存在無法牢固鎖定閥門的隱患，此外，需要運(yùn)行維修人員攜帶鏈條進(jìn)行鎖定，執(zhí)行完鎖定功能需要回收鏈條，工作量大且容易造成鏈條丟失和管理困難。

1.2 設(shè)計階段對上鎖掛牌問題的考慮

核電項(xiàng)目執(zhí)行上鎖掛牌規(guī)范的過程中，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計階段進(jìn)行機(jī)械安全風(fēng)險評價，識別需要執(zhí)行上鎖掛牌的閥門，并策劃好上鎖掛牌功能的實(shí)現(xiàn)，要求閥門具備方便上鎖的機(jī)械安全功能。不能將機(jī)械安全風(fēng)險識別、上鎖掛牌措施執(zhí)行留到運(yùn)行維修階段解決，或僅根據(jù)維修需求識別需要上鎖掛牌閥門。在設(shè)計階段正確識別了閥門需具備上鎖隔離需求，就可以通過增加固定鏈條裝置、設(shè)置專用上鎖附屬裝置等途徑解決閥門上鎖問題，實(shí)現(xiàn)可靠的上鎖掛牌，保證設(shè)備機(jī)械安全。

2 固定設(shè)施設(shè)計問題

進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施是運(yùn)行維修設(shè)備的必備附屬設(shè)施，直接關(guān)系著設(shè)備的運(yùn)行維修安全，但當(dāng)前核電設(shè)備的設(shè)計過程中并未對此有足夠的重視，存在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)混亂問題，導(dǎo)致的人員傷亡事故也時有發(fā)生，如某核電廠在大修現(xiàn)場泵房旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)豎井向下攀爬豎梯時人員不慎墜落事件。雖然未使用防墜器連接是導(dǎo)致傷亡的主要原因，但是豎梯的設(shè)計不符機(jī)械安全方面標(biāo)準(zhǔn)，踏棍后側(cè)與壁面距離不夠，不具備良好的機(jī)械安全性能亦是事故發(fā)生的誘因。

2.1 鋼梯的機(jī)械安全性能對比

GB 4053—2009 系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了固定式直梯、固定式斜梯、固定式工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺的設(shè)計、制造和安裝方面的基本安全要求，是核電當(dāng)前設(shè)計中廣泛使用的鋼梯標(biāo)準(zhǔn)，但其安全防護(hù)性能較機(jī)械安全系列標(biāo)準(zhǔn)低，這在設(shè)計工作中容易被忽視。例如GB/T 17888.4《機(jī)械安全 固定式直梯的安全設(shè)計規(guī)范》對交錯梯段護(hù)籠設(shè)計沒有明確要求，僅對梯段交錯距離做了規(guī)定，而GB/T 17888.4《機(jī)械安全 固定式直梯的安全設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“下梯段應(yīng)延伸至使最高踏棍在休息平臺上至少1 680 mm,以便為使用者提供合適的扶手，平臺上的防護(hù)高度應(yīng)至少為1 600 mm，平臺和上面的梯段的安全護(hù)籠最底層完整籠箍之間的通道凈高應(yīng)在2 200 mm～2 300 mm 之間”，并給出了設(shè)計示范圖。

GB/T 17888.4《機(jī)械安全 固定式直梯的安全設(shè)計規(guī)范》以及GB 4053.1《固定式鋼梯平臺安全要求 第1 部分：鋼直梯》安全防護(hù)性能對比見表1。通過表1 對比可以發(fā)現(xiàn)GB 17888.4《機(jī)械安全 固定式直梯的安全設(shè)計規(guī)范》設(shè)計要求的安全防護(hù)性能明顯高于GB 4053.1《固定式鋼梯及平臺安全要求 第一部分：鋼直梯》，例如對頂部踏棍與平臺間隙的減小、交錯梯段護(hù)籠和休息平臺、自閉門的設(shè)計可以有效減少運(yùn)行維修人員安全風(fēng)險。在鋼斜梯方面亦存在同樣的問題，GB/T 17888.3《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施 第3 部分：樓梯、階梯和護(hù)欄》與及GB 4053.2《固定式鋼梯平臺安全要求 第2 部分：鋼斜梯》部分安全防護(hù)性能對比見表2。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)直梯性能要求對比

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)鋼斜梯性能要求對比

2.2 適用性

GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》適用于作為機(jī)器部件的固定式鋼梯、適用于安裝在建筑物內(nèi)作為建筑一部分的機(jī)械設(shè)施，該裝置的主要功能是提供進(jìn)入機(jī)器的進(jìn)入設(shè)施。核電項(xiàng)目鋼梯當(dāng)前由土建專業(yè)根據(jù)GB 4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》設(shè)計，但很多鋼梯其主要功能是為進(jìn)入機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢修服務(wù)，功能上亦屬于GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》管轄范圍，例如儲罐檢修鋼梯、機(jī)泵檢修鋼梯等。由于GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》安全防護(hù)性能明顯高于GB 4053《固定式鋼梯平臺及安全要求》，對于核電項(xiàng)目內(nèi)主要用途用于設(shè)備檢修的鋼梯應(yīng)當(dāng)采用GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》標(biāo)準(zhǔn)替代GB 4053《固定式鋼梯平臺及安全要求》。在實(shí)際應(yīng)用過程中，核電項(xiàng)目業(yè)主也對增加自閉門、增加3 m 以上直梯護(hù)籠、降低分段高度，增加中間休息平臺等要求較為迫切，采用GB 4053《固定式鋼梯平臺及安全要求》設(shè)計往往難以達(dá)到業(yè)主滿意的需求，需要進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計改進(jìn)。此外，GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》系列標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 14144《Safety of machinery--Permanent means of access to machinery》系列標(biāo)準(zhǔn)，采用GB 17888 系列標(biāo)準(zhǔn)也有利于核電項(xiàng)目走出國門，與國際化接軌。

3 機(jī)械安全風(fēng)險評價

GB/T 33579《機(jī)械安全 危險能量控制方法 上鎖掛牌》、GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》，都要求在設(shè)計階段進(jìn)行機(jī)械安全風(fēng)險評價，即應(yīng)用GB/T 15706—2012《機(jī)械安全 設(shè)計通則 風(fēng)險評估與風(fēng)險減小》進(jìn)行機(jī)械安全風(fēng)險識別與評價。這在當(dāng)前的核電設(shè)備設(shè)計中尚未得到應(yīng)用，是導(dǎo)致上鎖掛牌困難、鋼梯防護(hù)要求不夠的根本原因。

機(jī)械安全風(fēng)險評價是以系統(tǒng)方法對機(jī)械有關(guān)風(fēng)險進(jìn)行分析和評定的，根據(jù)分析和評定結(jié)果，采取合理可行的消除危險或減小風(fēng)險的安全措施，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況重復(fù)進(jìn)行分析、評定和采取消除措施。

當(dāng)前核電設(shè)備設(shè)計過程中，已將設(shè)備故障模式分析引入到設(shè)備設(shè)計工作中，但是并沒有在故障模式分析的基礎(chǔ)上對設(shè)備的機(jī)械安全風(fēng)險進(jìn)行評估，也沒有相應(yīng)的機(jī)械安全分析評估報告。雖然設(shè)備故障是導(dǎo)致機(jī)械安全風(fēng)險發(fā)生的因素之一，但是人機(jī)工效學(xué)方面的不合理設(shè)計引發(fā)的安全風(fēng)險并不能被設(shè)備故障模式分析所覆蓋。雖然核電項(xiàng)目有系統(tǒng)的消防、職業(yè)安全設(shè)計專篇，但并沒有引用機(jī)械安全類標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備運(yùn)行和操作的中可能出現(xiàn)的風(fēng)險沒有進(jìn)行逐一設(shè)備的識別和評價工作。機(jī)械安全風(fēng)險識別仍依靠運(yùn)維人員在運(yùn)維階段識別和采取措施，并沒有從設(shè)計源頭上管控機(jī)械安全風(fēng)險。

例如根據(jù)GB/T 15706—2012《機(jī)械安全 設(shè)計通則 風(fēng)險評估與風(fēng)險減小》6.3.5.3 規(guī)定應(yīng)設(shè)立被困人員逃生和救援措施。某三代非能動核電的原始設(shè)計中環(huán)吊無環(huán)形走廊，一旦環(huán)吊因地震等事故急停，將導(dǎo)致人員無法通過正常上下吊位置撤離的風(fēng)險。在設(shè)計階段如不進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)械安全評價，則容易造成類似的風(fēng)險隱患。

4 結(jié)論

核電項(xiàng)目不僅在維修階段，在正常運(yùn)行過程中也存在大量的上鎖掛牌需求。為解決設(shè)備的上鎖掛牌問題，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計階段根據(jù)運(yùn)行和維修需要，進(jìn)行機(jī)械安全風(fēng)險分析，識別設(shè)備上鎖掛牌需求，并策劃好設(shè)備上鎖掛牌功能的實(shí)現(xiàn)，例如在閘閥、截止閥上增加鏈條固定裝置。不能依靠一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為上鎖掛牌僅僅是對維修人員的要求或僅根據(jù)維修需要識別設(shè)備上鎖掛牌功能需求。

當(dāng)前核電項(xiàng)目的鋼梯，包括大量設(shè)備的檢修鋼梯，大都由土建專業(yè)按GB 4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》設(shè)計，但是其安全防護(hù)性能較差，難以滿足業(yè)主越來越高的安全需求。在當(dāng)前核電行業(yè)沒有專用標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對于主要用途為設(shè)備檢修提供服務(wù)的鋼梯，采用GB 17888《機(jī)械安全 進(jìn)入機(jī)械的固定設(shè)施》替代GB 4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》是提高核電廠鋼梯機(jī)械安全水平的重要措施。當(dāng)前核電設(shè)備設(shè)計階段并沒有機(jī)械安全風(fēng)險評價環(huán)節(jié)。在設(shè)計階段對設(shè)備的機(jī)械安全風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)識別和評價對于提高設(shè)備機(jī)械安全水平，確保設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。