基于机械联锁装置的管理模式及安全应用探讨

龚达乐，王凯卫，吴刚，陆地

(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)

油气行业生产现场是企业产品和服务提供的主要场所，亦是企业生产安全事故的主要发生地。人、机、环境等诸多因素随机变化，任何人的不安全行为，物的不安全状态，环境的不安全条件以及管理制度、流程的缺陷，都可能导致生产安全事故的发生[1]。因此，企业安全生产管理的主战场就在生产作业现场，随着企业对安全生产、安全管理的重视，安全生产管理已经不只是安全部门和安全管理人员的责任，与现场所有人员息息相关，必须依靠现场所有人员共同完成。为了提高企业安全绩效，必须重视生产作业过程的优化和生产人员的有效控制才能实现。因此，可靠有效的工业现场安全管理模式是油气行业现场管理的重点。

1 工业现场安全管理现状

现场安全生产管理又称运行安全管理，是运用科学的管理思想、方法、手段合理配置和优化组合影响生产现场安全的要素，保证生产现场安全生产管理满足规定的要求。现场管理要素包括： 人员、机器/设备、材料、方法、环境，隐患和风险同样存在于以上方面；通过查询类、支撑类、情景分析类、功能分析类等风险识别方法辨识出现场可能存在的安全隐患和风险，及时采取必要的防范措施或者指定对应的安全控制和消除风险[2]。依据现行的法律法规，目前大部分安全管理是通过建立各项安全生产管理制度体系规范生产过程参与各方的安全生产行为，通过建立安全管理制度、执行安全操作培训、建立安全操作规程、执行安全操作检查一整套闭环安全生产管理模式，以防止和避免安全事故的发生。

然而，“安全是设计和规划出来的，而不是检查出来的，设计是保障，检查是辅助。”上述的安全管理模式都无法避免人为因素的影响，无法从本质上解决误操作、误判断的问题，无法从根本上消除风险。

2 基于机械联锁装置的安全管理模式

通常要求达到以下安全生产管理目标： 现场设备安全状态是明确的，要求通过可视化工具展现出设备的不安全状态；安全操作过程是可控的，要求通过各种可靠限制强制安全的操作行为；安全操作结果是可预知的，要求从本质上将操作流程固化，可判断每一步骤操作结果。

对于油气行业现场常见的安全风险采用基于逻辑联锁装置进行安全管理，同样需要通过各类风险识别方法辨识出现场可能存在的安全操作隐患和操作风险；进一步针对可能存在的安全隐患和风险设计与之相匹配的机械联锁装置/系统，通过机械限制强制合规操作流程，杜绝误操作带来的风险发生，并且通过与之配套的程序控制箱可以显示目前装置/系统的状态并储存操作钥匙。将该安全管理模式应用于存在操作风险隐患的各装置、设备上，以期实现真实的现场安全操作过程可控制，安全操作结果可预见，现场设备安全状态可见，达到操作过程的本质安全。

基于上述管理目标，结合最早应用于电力开关控制中的机械联锁装置[3]，采用挡柱/销、连板、拉杆或者钢丝类机械机构，以机械位置的变动来限制操作空间，根据长期安全生产经验总结出的安全操作特定步骤设计出一种安全设施[4]。将机械联锁装置应用于油气行业现场可操作部件，如阀门、按钮、手柄等，即可实现通过机械部件强制规避误操作。在阀门、按钮、手柄操作部件之间用相互制约和联动的机械结构来达到先后动作的联锁要求；用钥匙由程序控制单元控制随操作程序传递或置换而达到先后开锁操作的要求。并且机械联锁在操作过程中有钥匙的传递和钥匙数量变化的辅助动作，符合操作规程中限定开锁条件的操作顺序的要求，与操作规程中规定的操作顺序确保一致，所以容易为操作人员所接受。

采用机械联锁装置与现场各操作部件固化操作流程，采用放置于控制室内的程序控制箱进行操作权限/钥匙的获取、操作流程的切换以及设备状态的显示，具体工作流程如图1所示。若对于工业现场所有存在较大危险的操作流程以及对应被操作设备/装置，都采用上述机械联锁装置进行限制，通过程序控制箱进行统一安全管理，即可实现上述安全管理目标。

图1 机械联锁装置作用原理示意

3 基于机械联锁装置的安全管理应用

大型油气行业现场主要存在以下几个方面的安全问题： 生产环境和条件严苛，常常伴随着高温高压，生产介质易燃易爆；安全管理制度、安全检查制度无法尽善尽美，无法完全杜绝安全事故发生；安全生产理应是按照严格的步骤和要求进行的，但是，操作员能力、安全生产意识无法保证，存在误操作、违规操作现象，对于这些问题如果不予以重视，易造成严重的安全事故。以下根据油气行业现场中常见的一些安全风险实例，采用机械联锁装置进行安全管理，形成新的、有效的安全管理模式。

3.1 一种用于收发球筒的机械联锁装置

在油气管道建设及运行过程中，管道内壁会附着杂物、积液和积污等杂质，影响油气管道的输送效率和使用寿命，造成油气管道内壁腐蚀，因此需要采用清管器定期清理管道内壁，清管操作时一般会配合收发球筒进行清管器的发送和回收[5]。清管操作过程中，作业风险较大，为了保证在收发球筒操作和维护期间的安全性，禁止收发球筒在带压状态下打开，其连接线阀门需要按照特定顺序操作，防止在操作时高压流体泄漏造成人身伤亡，环境污染，财产损失等事故。

为确保清管作业安全，针对该类风险，通过在收发球筒所需操作的阀门/快开盲板上配置机械联锁装置[6]，程序控制箱以及对应匹配钥匙，形成固化的操作流程，从根本上杜绝了误操作的可能。一种用于收发球筒的机械联锁装置原理如图2所示。

图2 一种用于收发球筒的机械联锁装置原理示意

3.2 一种用于冗余压力变送器表决机制的机械联锁装置

油气行业经常涉及高温高压等危险性较高的应用场合，对于一些危险性较大、发生频率高的潜在风险，会对安全仪表系统(SIS)的安全完整性等级(SIL)提出高要求，如高完整性压力保护系统(HIPPS)[7]，SIL 3。基于现有制造技术，单个变送器无法达到对应SIL等级要求，需要多个冗余变送器进行表决输出，如“三取二”“二取一”“四取二”等，使安全仪表功能(SIF)回路达到SIL等级要求。对该类应用场合，当存在某个变送器故障需要拆卸维修时，为了保证维修更换过程中SIF的可靠性及可用性，通常会要求同一时间只允许对表决压力变送器组中的1台变送器隔离进行拆卸维修操作，每台变送器的维护需要依次进行。防止在维修操作过程中造成对SIF回路的影响甚至失效。

根据该要求设计了一种用于冗余压力变送器表决机制的机械联锁装置[8]，该装置可以取代传统的压力变送器两阀组与隔离阀的配置，在满足工艺操作隔离泄放要求的基础上，进一步确保操作人员按照预定的操作原则对所安装的冗余变送器进行维护检修更换等操作，在维护检修更换冗余变送器期间依然保持整个SIF的可靠性和安全性。一种用于冗余压力变送器表决机制的机械联锁装置原理如图3所示。

图3 一种用于冗余压力变送器表决机制的机械联锁装置原理示意

3.3 其他可扩展应用

随着油气行业现场风险辨识的细化深入，现场安全意识的不断加强，安全操作要求的不断提高，各种涉及到安全的现场操作被重视起来，比如安全泄放阀的运行与检维修[9]，火炬气排放的运行与检维修[10]，并行装置开车与切换；跨专业间设备之间的联锁，如电气开关柜、泵就地控制盘与泵前后阀门之间的联锁。这些实际应用场合都可以根据现场安全操作要求以及正确的操作流程，设计采用对应机械联锁装置保障操作安全。

4 结束语

为加强油气行业安全管理，需要优化企业安全管理模式，强制企业生产合规操作，简化企业安全检查流程，实现油田生产管理的本质安全。本文针对油气行业存在的几个主要安全问题，探讨采用一种基于机械联锁装置的安全管理模式，其主要目的在于机械设备的稳定性以及可控性，针对存在风险的现场操作流程，根据安全操作逻辑采用机械结构强制限制，杜绝人为因素在操作过程中的影响，从而达到操作过程本质安全的目的。随着中国油气行业对于安全的愈发重视，更先进的安全管理理念，管理模式将得到进一步的发展。