我國航天發(fā)射場危險源分析與應用

楊波 張利軍 劉召金 王亞 胡旭東

(1.中國文昌航天發(fā)射場 海南文昌 571300； 2.航天發(fā)射場可靠性技術重點實驗室 ?？?570100)

0 引言

航天發(fā)射場存在常規(guī)有毒推進劑(偏二甲基肼、無水肼、甲基肼、四氧化二氮、單推-3)、低溫推進劑(液氫、液氧、液氮)、高壓氣體(氦氣、空氣、氮氣)、火工品等化學危險源，以我國現(xiàn)役長征五號火箭為例，每次火箭發(fā)射僅低溫推進劑液氫需求量就超過700 m3，伴隨低溫推進劑使用的還有氦氣、氮氣、空氣等高壓氣體(最高使用壓力可達45 MPa)，這些大量低溫液氫和高壓氣體的儲運、使用都存在安全風險；同時，發(fā)射任務過程中還存在高處作業(yè)、吊裝作業(yè)、受限空間作業(yè)、動火作業(yè)等特殊作業(yè)。因此，危險源識別和風險管控對航天發(fā)射任務的成功執(zhí)行至關重要。

20世紀中葉以后，以工業(yè)危險源為目標的危險源分析得到一定重視并快速發(fā)展。一般認為，危險源是可能導致人員傷害(或財產損失)的潛在不安全因素，能夠在一定條件下轉化為事故的區(qū)域、崗位、設備等[1-3]。在安全科學領域，危險源分析方法很多，這些方法大多在化學工業(yè)領域率先提出并得到應用，包括安全檢查表法(SCL)、危險度評價法、危險和可操作性研究(HAZOP)、What-if 分析、類比法、因素圖法、因果分析法、作業(yè)危害分析等[4-6]。同時，危險源定量分析的方法也在化學工業(yè)領域得到快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了“火災爆炸危險指數法”、“蒙特火災、爆炸危險指數評價法”、“化工廠安全評價六階段法”等方法[7-8]。

發(fā)射場中的常規(guī)有毒推進劑、低溫推進劑、高壓氣體、火工品等危險、有害因素和危險源，根據航天發(fā)射場中的危險源存在的特點，危險、有害因素分析與危險源辨識和評估應綜合考慮多種因素，這些因素包括貯存條件、操作環(huán)境、危險故障狀態(tài)等。本文在分析評估發(fā)射場危險源的基礎上，結合發(fā)射場內軍用設備設施管理現(xiàn)狀和組織體系，明確危險辨識的基本要素和流程，討論了發(fā)射場危險源的分析方法和過程、量化表征和風險管理，為發(fā)射場危險源的科學評價提供理論依據和實踐指導。

1 發(fā)射場系統(tǒng)分析

1.1 危險、有害因素劃分

安全評價是建立在對發(fā)射場的危險、有害因素系統(tǒng)分析的基礎上，對發(fā)射場系統(tǒng)的危險、有害因素及其影響程度進行分析。發(fā)射場內危險、有害因素可以分為人的因素、物的因素和環(huán)境因素。其中物的因素主要是指與航天發(fā)射相關的各類軍用設備設施，發(fā)射場內物的因素可以從物的物理性和化學性進行分析，其危險、有害因素如表1所示。由表1可知，發(fā)射場內物的因素具有區(qū)別于其他危險源的明顯特征，其危險、有害因素復雜多樣，危害較大，包括防護缺陷、電危害、輻射、低溫凍傷、易燃易爆、有毒有害物質等。

表1 發(fā)射場中物的危險、有害因素

1.2 傷害事故分類

發(fā)射場危險、有害因素造成的人員傷害事故的種類較多，主要包括：物體打擊、機械傷害、起重傷害，高空作業(yè)墜落傷亡、高空墜物砸傷、觸電傷亡、燙傷凍傷、火災燒傷、坍塌損傷，火工品爆炸，容器爆炸，人員中毒和窒息等。發(fā)射場的危險、有害因素造成的傷害事故分析如表2所示。

表2 發(fā)射場的危險、有害因素造成的傷害事故分析

2 危險源辨識評價方法的建立

危險源辨識評價方法是對系統(tǒng)的危險性進行評價的工具。在化工安全領域，應用的危險源辨識的主要方法有安全檢查表法、專家評議法、類比推斷法、事故樹分析法、事件樹分析法、分析生產工藝和條件法、分析材料性質法等，這些方法按是否運用數學方法評價危險性，可分為定性評價方法和定量評價方法。

在實踐的基礎上，借鑒系統(tǒng)安全性分析的理論和原則，我們建立發(fā)射場的危險源分析流程，其核心是利用系統(tǒng)安全性分析的技術方法，聚焦安全事故分析，以發(fā)射場內設備設施體系構成作為評價關注的對象，對可能造成的人體傷害的設備設施進行評價和預測，提出風險管理措施。發(fā)射場危險源辨識評價方法的分析過程包括：發(fā)射場系統(tǒng)分析、危險源確認、危險源評估、風險表征共4個部分。危險源辨識評價分析流程見圖1，通過該分析流程可以很好地實現(xiàn)危險源辨識評價，為采取有效措施提供依據，能夠確保危險源可控。

3 危險源的分析過程

3.1 危險源的確認

3.1.1 評價單元

根據航天發(fā)射場危險、有害因素表現(xiàn)突出的特點，確立評價單元劃分方式，建立以危險、有害因素的類別為主，以裝置和物質特征劃分為輔的方式。評價單元劃分及其危險性分析如表3所示。危險、有害因素辨識評價單元主要包括：推進劑固有危險、有害因素辨識，高空作業(yè)的危險、有害因素辨識，壓力容器、閥門、管路等設備設施危險有害因素辨識，火工品貯存、使用過程的危險、有害因素辨識，自然條件產生的危險、有害因素辨識等。

表3 評價單元危險性分析

3.1.2 定性評價

定性評價是通過科學方法，找出系統(tǒng)中存在的危險、有害因素，通過辨識這些因素，從技術和管理上提出對策措施，并加以控制，從而達到系統(tǒng)安全的目的?；谙鄳砀耖_展定性分析的有安全檢查表法(SCL)、危險性和可操作研究、預先危險性分析、What-if 分析等4 種方法。在發(fā)射場存在的危險、有害因素進行定性分析過程中，安全檢查表是目前較為簡單易行，可以通過明確標準加以細化且針對性較強的方法。

本文根據我國發(fā)射場的實際情況，提出定性評價安全檢查表，如表4所示(舉例)。由表4可知，航天發(fā)射場危險定性評價從參試人員、試驗文書、設備設施、環(huán)境因素、組織管理5個方面展開，通過安全檢查表(SCL)進行定性評價，確定發(fā)射場系統(tǒng)內存在的主要危險、有害因素的類別，分析發(fā)生的可能性和后果嚴重性，確定風險等級，查找風險原因，提出相應的防范措施，并進行風險監(jiān)控。

表4 航天發(fā)射場危險定性評價

值得注意的是，發(fā)射場內危險源和風險隱患是動態(tài)變化的，需要通過風險監(jiān)控實時跟進監(jiān)管措施，做到風險可控。

3.2 重大危險源量化評估

重大危險源是指生產、搬運、使用或儲存危險物質，且危險物質的數量等于或超過臨界量的單元，以及其他存在的危險能量等于或超過臨界量的場所和設施。發(fā)射場內的重大危險源主要包括推進劑(包括火箭推進劑和衛(wèi)星等航天器用推進劑)貯存庫和高壓氣瓶庫。

3.2.1 推進劑重大危險源

航天發(fā)射場內貯存使用的推進劑主要包括常規(guī)推進劑：偏二甲肼、甲基肼、無水肼、單推-3、四氧化二氮、綠色四氧化二氮、煤油；低溫推進劑：液氫、液氧、液氮(輔助推進劑)。這些推進劑的的危險性按照GB 12268—2012《危險貨物品名表》分類，其中屬于劇毒化學品且屬于易燃液體的推進劑包括：甲基肼、偏二甲基肼、單推-3、四氧化二氮、綠色二氧化氮；液氫屬于高度易燃液體。發(fā)射場推進劑危險信息如表5所示。

表5 推進劑危險信息

目前，我國國家軍用標準體系中并沒有航天發(fā)射場推進劑重大危險源的相關標準，確定重大危險源所依據的推進劑臨界貯存量，需要根據發(fā)射場軍用設備設施管理的相關規(guī)定，參考民用國家標準GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》和行業(yè)標準QJ 3299—2018《航天工業(yè)危險源辨識指南》，結合發(fā)射場內推進劑儲運、管理使用情況，進行綜合判定,判定結果如表6所示。根據判定結果，常規(guī)推進劑、液氫、液氧的重大危險源臨界貯存量分別為50、10、200 t。

表6 重大危險源綜合臨界貯存量 t

如果單元內存在的推進劑為多種，則參照公式(1)計算，若滿足公式(1)，則定為重大危險源。

(q1/Q1)+(q2/Q2)+…+(qn/Qn)≥1

(1)

式中，q1，q2，…，qn為每種危險物質實際存在量，t；Q1，Q2，…，Qn為與各危險物質相對應的生產場所或儲存區(qū)的臨界量，t。

3.2.2發(fā)射場氣瓶庫重大危險源

壓力容器、氣瓶、管路等設備構成的發(fā)射場氣瓶庫是用來盛裝氦氣、氮氣、空氣等高壓氣體的重要設施。參考民用標準GB/T 20801.1—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第1部分總則》等相關標準，確定發(fā)射場氣瓶庫內設備重大危險源辨識標準如表7所示。壓力容器、壓力氣瓶、壓力管道符合表7中條件之一即可判定為重大危險源。

表7 發(fā)射場氣瓶庫內設備重大危險源辨識標準

3.3 定量評價與風險表征

定量評價方法通過科學構造數學模型對特定系統(tǒng)進行危險度定量評價，評價過程中物質特性和標準數據資料的選取至關重要?；すI(yè)領域常用的危險源的定量分析包括美國“道化法”和英國“ICI/Mond法”等評價方法，但這些方法無法直接應用于國內發(fā)射場重大危險源的定性評價和風險表征，因此，我們根據航天發(fā)射場的實際情況，提出了一種簡單可行的定量評價與風險表征方法，這種方法以物質系數、可靠性、安全性為原則，以物質特性、設備設施、作業(yè)環(huán)境、人員操作、應急措施、安全管理共6項指標作為量化指標，通過量化計算和專家評價相結合的方式建立危險源量化評價體系。發(fā)射場危險源量化指標以及各指標對應的量化內容和要素詳見表8。該體系通過專家評價確定危險源量化內容和主要因素，經過專家評分后，危險源量化結果依據公式(2)計算，通過該方法可以簡單高效的進行發(fā)射場內危險源的量化評價，且該方法易于掌握，可操作性較強，能夠較好地滿足實際需求。

表8 發(fā)射場危險源量化評價內容和要素

(2)

4 風險管理和應用

航天發(fā)射場依據實際需要建立了風險管理體系，該體系根據發(fā)射場危險源量化評價結果和發(fā)射場任務的總體情況，從參試人員、試驗文書、設備設施、環(huán)境因素、組織管理等5個方面，進行安全風險管控，將風險管理的內容概括為風險識別、風險分析、風險評價、風險應對和風險監(jiān)控5個方面，并記錄所有風險管理情況，風險管理的過程和內容如圖2所示。以推進劑庫房的風險管理為例，首先從參試人員、試驗文書、設備設施、環(huán)境因素、組織管理方面進行定性評價，結合推進劑的理化特性和儲量得到的定量評價結果，確定其風險等級，然后根據表8所示的危險源量化評價內容和要素(M1～M6)量化評價危險源，最后以量化結果為依據進行風險管理。

圖2 風險管理的過程和內容

發(fā)射場風險管理體系充分考慮到了所涉及的多種危險源的特異性和組織體系的特點，注重可操作性，在實踐過程中不斷完善，形成了具有軍用特色的危險源管理系列方法，為實現(xiàn)我國發(fā)射場的安全管理發(fā)揮了重大作用。

5 結語

航天發(fā)射場內存在有毒推進劑、高壓氣體、火工品等大量危險、有害因素，也存在著推進劑貯存庫和高壓氣瓶庫等重大危險源，根據發(fā)射場的實際情況，對發(fā)射場系統(tǒng)的危險、有害因素及其危險、危害程度進行評價具有重要意義。

發(fā)射場危險源分析在借鑒系統(tǒng)安全評價方法的基礎上，結合對航天發(fā)射系統(tǒng)危險、有害因素的分析和現(xiàn)實需要，建立發(fā)射場危險源綜合評價體系，對發(fā)射場存在的危險、有害因素進行定性、定量評價。發(fā)射場危險源評價體系的建立，為發(fā)射場風險管理和應對措施提供切實可行的技術支撐。