我国航天发射场危险源分析与应用

杨波 张利军 刘召金 王亚 胡旭东

(1.中国文昌航天发射场 海南文昌 571300； 2.航天发射场可靠性技术重点实验室 海口 570100)

0 引言

航天发射场存在常规有毒推进剂(偏二甲基肼、无水肼、甲基肼、四氧化二氮、单推-3)、低温推进剂(液氢、液氧、液氮)、高压气体(氦气、空气、氮气)、火工品等化学危险源，以我国现役长征五号火箭为例，每次火箭发射仅低温推进剂液氢需求量就超过700 m3，伴随低温推进剂使用的还有氦气、氮气、空气等高压气体(最高使用压力可达45 MPa)，这些大量低温液氢和高压气体的储运、使用都存在安全风险；同时，发射任务过程中还存在高处作业、吊装作业、受限空间作业、动火作业等特殊作业。因此，危险源识别和风险管控对航天发射任务的成功执行至关重要。

20世纪中叶以后，以工业危险源为目标的危险源分析得到一定重视并快速发展。一般认为，危险源是可能导致人员伤害(或财产损失)的潜在不安全因素，能够在一定条件下转化为事故的区域、岗位、设备等[1-3]。在安全科学领域，危险源分析方法很多，这些方法大多在化学工业领域率先提出并得到应用，包括安全检查表法(SCL)、危险度评价法、危险和可操作性研究(HAZOP)、What-if 分析、类比法、因素图法、因果分析法、作业危害分析等[4-6]。同时，危险源定量分析的方法也在化学工业领域得到快速发展，先后出现了“火灾爆炸危险指数法”、“蒙特火灾、爆炸危险指数评价法”、“化工厂安全评价六阶段法”等方法[7-8]。

发射场中的常规有毒推进剂、低温推进剂、高压气体、火工品等危险、有害因素和危险源，根据航天发射场中的危险源存在的特点，危险、有害因素分析与危险源辨识和评估应综合考虑多种因素，这些因素包括贮存条件、操作环境、危险故障状态等。本文在分析评估发射场危险源的基础上，结合发射场内军用设备设施管理现状和组织体系，明确危险辨识的基本要素和流程，讨论了发射场危险源的分析方法和过程、量化表征和风险管理，为发射场危险源的科学评价提供理论依据和实践指导。

1 发射场系统分析

1.1 危险、有害因素划分

安全评价是建立在对发射场的危险、有害因素系统分析的基础上，对发射场系统的危险、有害因素及其影响程度进行分析。发射场内危险、有害因素可以分为人的因素、物的因素和环境因素。其中物的因素主要是指与航天发射相关的各类军用设备设施，发射场内物的因素可以从物的物理性和化学性进行分析，其危险、有害因素如表1所示。由表1可知，发射场内物的因素具有区别于其他危险源的明显特征，其危险、有害因素复杂多样，危害较大，包括防护缺陷、电危害、辐射、低温冻伤、易燃易爆、有毒有害物质等。

表1 发射场中物的危险、有害因素

1.2 伤害事故分类

发射场危险、有害因素造成的人员伤害事故的种类较多，主要包括：物体打击、机械伤害、起重伤害，高空作业坠落伤亡、高空坠物砸伤、触电伤亡、烫伤冻伤、火灾烧伤、坍塌损伤，火工品爆炸，容器爆炸，人员中毒和窒息等。发射场的危险、有害因素造成的伤害事故分析如表2所示。

表2 发射场的危险、有害因素造成的伤害事故分析

2 危险源辨识评价方法的建立

危险源辨识评价方法是对系统的危险性进行评价的工具。在化工安全领域，应用的危险源辨识的主要方法有安全检查表法、专家评议法、类比推断法、事故树分析法、事件树分析法、分析生产工艺和条件法、分析材料性质法等，这些方法按是否运用数学方法评价危险性，可分为定性评价方法和定量评价方法。

在实践的基础上，借鉴系统安全性分析的理论和原则，我们建立发射场的危险源分析流程，其核心是利用系统安全性分析的技术方法，聚焦安全事故分析，以发射场内设备设施体系构成作为评价关注的对象，对可能造成的人体伤害的设备设施进行评价和预测，提出风险管理措施。发射场危险源辨识评价方法的分析过程包括：发射场系统分析、危险源确认、危险源评估、风险表征共4个部分。危险源辨识评价分析流程见图1，通过该分析流程可以很好地实现危险源辨识评价，为采取有效措施提供依据，能够确保危险源可控。

3 危险源的分析过程

3.1 危险源的确认

3.1.1 评价单元

根据航天发射场危险、有害因素表现突出的特点，确立评价单元划分方式，建立以危险、有害因素的类别为主，以装置和物质特征划分为辅的方式。评价单元划分及其危险性分析如表3所示。危险、有害因素辨识评价单元主要包括：推进剂固有危险、有害因素辨识，高空作业的危险、有害因素辨识，压力容器、阀门、管路等设备设施危险有害因素辨识，火工品贮存、使用过程的危险、有害因素辨识，自然条件产生的危险、有害因素辨识等。

表3 评价单元危险性分析

3.1.2 定性评价

定性评价是通过科学方法，找出系统中存在的危险、有害因素，通过辨识这些因素，从技术和管理上提出对策措施，并加以控制，从而达到系统安全的目的。基于相应表格开展定性分析的有安全检查表法(SCL)、危险性和可操作研究、预先危险性分析、What-if 分析等4 种方法。在发射场存在的危险、有害因素进行定性分析过程中，安全检查表是目前较为简单易行，可以通过明确标准加以细化且针对性较强的方法。

本文根据我国发射场的实际情况，提出定性评价安全检查表，如表4所示(举例)。由表4可知，航天发射场危险定性评价从参试人员、试验文书、设备设施、环境因素、组织管理5个方面展开，通过安全检查表(SCL)进行定性评价，确定发射场系统内存在的主要危险、有害因素的类别，分析发生的可能性和后果严重性，确定风险等级，查找风险原因，提出相应的防范措施，并进行风险监控。

表4 航天发射场危险定性评价

值得注意的是，发射场内危险源和风险隐患是动态变化的，需要通过风险监控实时跟进监管措施，做到风险可控。

3.2 重大危险源量化评估

重大危险源是指生产、搬运、使用或储存危险物质，且危险物质的数量等于或超过临界量的单元，以及其他存在的危险能量等于或超过临界量的场所和设施。发射场内的重大危险源主要包括推进剂(包括火箭推进剂和卫星等航天器用推进剂)贮存库和高压气瓶库。

3.2.1 推进剂重大危险源

航天发射场内贮存使用的推进剂主要包括常规推进剂：偏二甲肼、甲基肼、无水肼、单推-3、四氧化二氮、绿色四氧化二氮、煤油；低温推进剂：液氢、液氧、液氮(辅助推进剂)。这些推进剂的的危险性按照GB 12268—2012《危险货物品名表》分类，其中属于剧毒化学品且属于易燃液体的推进剂包括：甲基肼、偏二甲基肼、单推-3、四氧化二氮、绿色二氧化氮；液氢属于高度易燃液体。发射场推进剂危险信息如表5所示。

表5 推进剂危险信息

目前，我国国家军用标准体系中并没有航天发射场推进剂重大危险源的相关标准，确定重大危险源所依据的推进剂临界贮存量，需要根据发射场军用设备设施管理的相关规定，参考民用国家标准GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》和行业标准QJ 3299—2018《航天工业危险源辨识指南》，结合发射场内推进剂储运、管理使用情况，进行综合判定,判定结果如表6所示。根据判定结果，常规推进剂、液氢、液氧的重大危险源临界贮存量分别为50、10、200 t。

表6 重大危险源综合临界贮存量 t

如果单元内存在的推进剂为多种，则参照公式(1)计算，若满足公式(1)，则定为重大危险源。

(q1/Q1)+(q2/Q2)+…+(qn/Qn)≥1

(1)

式中，q1，q2，…，qn为每种危险物质实际存在量，t；Q1，Q2，…，Qn为与各危险物质相对应的生产场所或储存区的临界量，t。

3.2.2发射场气瓶库重大危险源

压力容器、气瓶、管路等设备构成的发射场气瓶库是用来盛装氦气、氮气、空气等高压气体的重要设施。参考民用标准GB/T 20801.1—2020《压力管道规范 工业管道 第1部分总则》等相关标准，确定发射场气瓶库内设备重大危险源辨识标准如表7所示。压力容器、压力气瓶、压力管道符合表7中条件之一即可判定为重大危险源。

表7 发射场气瓶库内设备重大危险源辨识标准

3.3 定量评价与风险表征

定量评价方法通过科学构造数学模型对特定系统进行危险度定量评价，评价过程中物质特性和标准数据资料的选取至关重要。化工工业领域常用的危险源的定量分析包括美国“道化法”和英国“ICI/Mond法”等评价方法，但这些方法无法直接应用于国内发射场重大危险源的定性评价和风险表征，因此，我们根据航天发射场的实际情况，提出了一种简单可行的定量评价与风险表征方法，这种方法以物质系数、可靠性、安全性为原则，以物质特性、设备设施、作业环境、人员操作、应急措施、安全管理共6项指标作为量化指标，通过量化计算和专家评价相结合的方式建立危险源量化评价体系。发射场危险源量化指标以及各指标对应的量化内容和要素详见表8。该体系通过专家评价确定危险源量化内容和主要因素，经过专家评分后，危险源量化结果依据公式(2)计算，通过该方法可以简单高效的进行发射场内危险源的量化评价，且该方法易于掌握，可操作性较强，能够较好地满足实际需求。

表8 发射场危险源量化评价内容和要素

(2)

4 风险管理和应用

航天发射场依据实际需要建立了风险管理体系，该体系根据发射场危险源量化评价结果和发射场任务的总体情况，从参试人员、试验文书、设备设施、环境因素、组织管理等5个方面，进行安全风险管控，将风险管理的内容概括为风险识别、风险分析、风险评价、风险应对和风险监控5个方面，并记录所有风险管理情况，风险管理的过程和内容如图2所示。以推进剂库房的风险管理为例，首先从参试人员、试验文书、设备设施、环境因素、组织管理方面进行定性评价，结合推进剂的理化特性和储量得到的定量评价结果，确定其风险等级，然后根据表8所示的危险源量化评价内容和要素(M1～M6)量化评价危险源，最后以量化结果为依据进行风险管理。

图2 风险管理的过程和内容

发射场风险管理体系充分考虑到了所涉及的多种危险源的特异性和组织体系的特点，注重可操作性，在实践过程中不断完善，形成了具有军用特色的危险源管理系列方法，为实现我国发射场的安全管理发挥了重大作用。

5 结语

航天发射场内存在有毒推进剂、高压气体、火工品等大量危险、有害因素，也存在着推进剂贮存库和高压气瓶库等重大危险源，根据发射场的实际情况，对发射场系统的危险、有害因素及其危险、危害程度进行评价具有重要意义。

发射场危险源分析在借鉴系统安全评价方法的基础上，结合对航天发射系统危险、有害因素的分析和现实需要，建立发射场危险源综合评价体系，对发射场存在的危险、有害因素进行定性、定量评价。发射场危险源评价体系的建立，为发射场风险管理和应对措施提供切实可行的技术支撑。