龔 文 蔣 瑜 徐 彬（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

起重機(jī)械安全評(píng)估的程序和內(nèi)容初探

龔 文 蔣 瑜 徐 彬
（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

摘 要：通過(guò)總結(jié)開(kāi)展安全評(píng)估的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從對(duì)安全評(píng)估內(nèi)涵的理解、安全評(píng)估程序的制定和安全評(píng)估內(nèi)容的確定三個(gè)方面，對(duì)起重機(jī)械的安全評(píng)估進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械 安全評(píng)估 程序 內(nèi)容

安全評(píng)估是改善起重機(jī)械安全狀況、降低起重機(jī)械故障率和事故率的重要技術(shù)手段，為加強(qiáng)起重機(jī)械的安全監(jiān)察、安全檢驗(yàn)和安全使用管理提供技術(shù)支持，為延長(zhǎng)起重機(jī)械的使用壽命或?qū)Υ_實(shí)存在嚴(yán)重事故隱患，無(wú)改造、修理價(jià)值起重機(jī)械的判廢提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　安全評(píng)估的內(nèi)涵

從廣義來(lái)看，起重機(jī)械的安全評(píng)估工作應(yīng)該是對(duì)包括起重機(jī)械、人員和環(huán)境三要素在內(nèi)的完整統(tǒng)一系統(tǒng)的科學(xué)評(píng)估，通過(guò)各種技術(shù)手段獲取對(duì)象的性能和安全狀況信息，并提出改善其各項(xiàng)安全性能狀況合理化建議的創(chuàng)造性活動(dòng)。其中，起重機(jī)械是指設(shè)備本體，包括結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣、液壓和安全防護(hù)裝置等；人員是指與起重機(jī)械安全密切相關(guān)的人員，包括作業(yè)人員、安全管理人員、維護(hù)保養(yǎng)人員等；環(huán)境是指起重機(jī)械的外部環(huán)境，包括工作環(huán)境、安全管理制度等。從狹義來(lái)講，起重機(jī)械的安全評(píng)估工作針對(duì)的是設(shè)備本體安全狀況的評(píng)估活動(dòng)。本文將從這個(gè)角度系統(tǒng)闡述起重機(jī)械安全評(píng)估工作整體程序和主要內(nèi)容。

2　安全評(píng)估程序

制定安全評(píng)估程序應(yīng)重點(diǎn)考慮以下方面：

首先，應(yīng)當(dāng)明確安全評(píng)估工作的目標(biāo)。具體的目標(biāo)是開(kāi)展安全評(píng)估工作的基礎(chǔ)，只有確定了具體目標(biāo)才能設(shè)計(jì)有針對(duì)性的安全評(píng)估方案，才能真正圍繞目標(biāo)的要求對(duì)方案的科學(xué)性、合理性和可行性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，最后形成完整的安全評(píng)估方案。

其次，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前起重機(jī)械的安全狀況，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的安全評(píng)估方案。先通過(guò)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料、改造和維修保養(yǎng)記錄和前期的檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果得到起重機(jī)械安全概況，再進(jìn)一步設(shè)計(jì)具體的安全評(píng)估方案，確定包括采用何種理論計(jì)算方法和建模仿真分析方法，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展哪些檢驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目，后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理和分析等內(nèi)容，形成一套科學(xué)完整的安全評(píng)估方案。

最后，要綜合檢驗(yàn)檢測(cè)、計(jì)算、仿真、試驗(yàn)分析的結(jié)果，并結(jié)合前述所明確的安全評(píng)估具體目標(biāo)，以及設(shè)備使用和管理現(xiàn)狀，出具針對(duì)該起重機(jī)械的安全評(píng)估報(bào)告。

起重機(jī)械安全評(píng)估工作流程如圖1所示。

圖1　起重機(jī)械安全評(píng)估工作流程圖

從流程圖可見(jiàn)，安全評(píng)估主要分為前期準(zhǔn)備階段、中期測(cè)試評(píng)估階段和后期綜合論證階段。準(zhǔn)備階段重點(diǎn)在安全評(píng)估方案的確定及人員的配備；測(cè)試評(píng)估階段重點(diǎn)在具體項(xiàng)目的執(zhí)行和評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)的協(xié)調(diào)；綜合論證階段重點(diǎn)在各項(xiàng)數(shù)據(jù)和結(jié)果的綜合比對(duì)分析和作出安全評(píng)估結(jié)論。

3　安全評(píng)估內(nèi)容

起重機(jī)械類別品種繁多，各具特點(diǎn)，功能各異。在設(shè)計(jì)安全評(píng)估方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮評(píng)估具體對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性，既要對(duì)其常規(guī)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行評(píng)估，也要突出對(duì)其特殊結(jié)構(gòu)和功能的評(píng)估［2-6］。

要確定安全評(píng)估的具體內(nèi)容，還需要充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資料圖紙、改造和維修保養(yǎng)記錄、故障事故處理記錄等技術(shù)文檔，參考國(guó)家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，比較同類型同規(guī)格產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)充分考慮對(duì)象的使用年限、使用場(chǎng)合和使用條件現(xiàn)狀以及將來(lái)可能的變化。最后，盡可能的將使用單位起重機(jī)械安全管理能力和作業(yè)人員技術(shù)能力等影響因素加入安全評(píng)估工作的內(nèi)容中。本文以常見(jiàn)的門式起重機(jī)為例，對(duì)安全評(píng)估的主要內(nèi)容進(jìn)行探討。

3.1劃分評(píng)估單元

起重機(jī)是一個(gè)包括有金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣和液壓等的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，因此安全評(píng)估中需要根據(jù)對(duì)象結(jié)構(gòu)和功能，將其細(xì)分為金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備和液壓潤(rùn)滑等子系統(tǒng)，再對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化，確定評(píng)估單元。

以門式起重機(jī)為例，可以將其分為金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、液壓潤(rùn)滑和安全防護(hù)等五大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的評(píng)估單元?jiǎng)澐秩缦拢?/p>

1）金屬結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評(píng)估單元：主梁?jiǎn)卧?、端梁?jiǎn)卧?、剛性支腿單元、柔性支腿單元等?/p>

2）機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評(píng)估單元：軌道單元、車輪單元、減速器單元、聯(lián)軸器單元、制動(dòng)器單元、卷筒單元、鋼絲繩單元、滑輪單元、吊具單元等；

3）電氣設(shè)備子系統(tǒng)的評(píng)估單元：饋電裝置單元、電氣隔離裝置單元、短路保護(hù)單元、失壓保護(hù)單元、零位保護(hù)單元、錯(cuò)相和缺相保護(hù)單元、電動(dòng)機(jī)保護(hù)單元等；

4）液壓潤(rùn)滑子系統(tǒng)的評(píng)估單元：液壓動(dòng)力單元、液壓控制單元、液壓執(zhí)行單元、潤(rùn)滑供油單元、潤(rùn)滑管路單元等；

5）安全防護(hù)子系統(tǒng)的評(píng)估單元：緊急斷電開(kāi)關(guān)單元、行走機(jī)構(gòu)限位單元、起升高度限位單元、起重量限制器單元、聯(lián)鎖保護(hù)裝置單元等。

3.2確定評(píng)估項(xiàng)目

根據(jù)單元?jiǎng)澐?，確定各單元評(píng)估的具體項(xiàng)目，對(duì)門式起重機(jī)各子系統(tǒng)的典型單元的評(píng)估項(xiàng)目確定如下：

1）主梁?jiǎn)卧木唧w項(xiàng)目：上拱度、水平旁彎、下?lián)隙取⒛p、腐蝕等；

2）軌道單元的具體項(xiàng)目：高低差、軌距偏差、磨損等；

3）電氣隔離裝置單元具體項(xiàng)目：功率匹配、老化程度、連接狀況等；

4）液壓動(dòng)力單元：泄漏、振動(dòng)、噪音、溫升等；

5）行走機(jī)構(gòu)限位單元：防護(hù)等級(jí)、老化程度、緊固情況等；

3.3選擇評(píng)估方法

根據(jù)上述評(píng)估單元和項(xiàng)目，確定相應(yīng)的評(píng)估方法，主要包括：

1）檢查：針對(duì)機(jī)構(gòu)和裝置的設(shè)置以及各部位外觀情況等，如制動(dòng)器的設(shè)置等；

2）幾何測(cè)量：測(cè)量金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)等的形位偏差，如主梁上拱度等；

3）功能試驗(yàn)：驗(yàn)證某些裝置的功能，如行程限位裝置；

4）載荷試驗(yàn)：包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，考察起重機(jī)工作能力和應(yīng)力狀況，如額定載荷試驗(yàn)；

5）理論計(jì)算：采用理論力學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)形狀規(guī)則金屬結(jié)構(gòu)中腐蝕和磨損的部位，根據(jù)實(shí)測(cè)的板材厚度，校核其力學(xué)性能，如主梁強(qiáng)度校核；

6）有限元分析：如利用有限元軟件分析強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等；特別是對(duì)復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)，使用理論計(jì)算費(fèi)時(shí)且可靠性差，因此，建立有限元模型，通過(guò)設(shè)置合理的邊界條件，可以快速地對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析；

7）無(wú)損檢測(cè)：如利用無(wú)損探傷技術(shù)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部裂紋進(jìn)行檢測(cè)；

8）疲勞分析：利用載荷試驗(yàn)中的應(yīng)力數(shù)據(jù)，基于疲勞強(qiáng)度理論，估算起重機(jī)剩余疲勞壽命。

3.4金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估計(jì)

金屬結(jié)構(gòu)的疲勞分析是安全評(píng)估中的重要部分。當(dāng)前，疲勞壽命估算常用的方法主要有：基于Miner線性累計(jì)損傷理論，基于斷裂力學(xué)和裂紋擴(kuò)展分析以及基于疲勞壽命軟件數(shù)值模擬［7-9］。

Miner線性累計(jì)損傷法通過(guò)跟蹤記錄起重機(jī)在正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的應(yīng)力時(shí)間歷程，視為統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)依據(jù)的隨機(jī)過(guò)程樣本記錄。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到疲勞強(qiáng)度校核部位工作過(guò)程中應(yīng)力變程頻次統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以及工作過(guò)程應(yīng)力變程頻次分布情況。根據(jù)起重機(jī)已投入使用時(shí)間，反推其經(jīng)歷的工作循環(huán)次數(shù)為n′，而設(shè)計(jì)時(shí)的工作循環(huán)次數(shù)為n，因此，可以求得剩余工作循環(huán)次數(shù)n剩=n-n′，進(jìn)而得到剩余疲勞壽命。該方法忽略了金屬結(jié)構(gòu)中單個(gè)裂紋等缺陷帶來(lái)的影響，而是將所有的影響因素歸結(jié)到工作循環(huán)次數(shù)上，具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，但對(duì)特定的某臺(tái)起重機(jī)分析時(shí)，計(jì)算結(jié)果有可能帶來(lái)較大誤差。但該方法的優(yōu)勢(shì)就在于工程實(shí)用性強(qiáng)。

斷裂力學(xué)和裂紋擴(kuò)展分析方法是假設(shè)因?yàn)榻饘俨牧媳旧砘蚪饘俳Y(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋缺陷，在使用過(guò)程中將不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)斷裂。該方法以裂紋的尺寸大小和裂紋的擴(kuò)展速度作為結(jié)構(gòu)損傷大小的判據(jù)來(lái)判定金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命。該方法將重點(diǎn)放在對(duì)起決定作用危險(xiǎn)截面的裂紋分析上。通過(guò)加載實(shí)際載荷譜以及選取合適的初始裂紋尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)、形狀修正因子等參數(shù)，計(jì)算出上述裂紋達(dá)到臨界裂紋長(zhǎng)度所需時(shí)間，即為金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命。該方法需要通過(guò)無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)，確定初始裂紋位置和尺寸，工作量較大，參數(shù)的選取也需要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際使用難度較大。

疲勞分析軟件可以方便的進(jìn)行前后處理，可充分利用軟件強(qiáng)大的圖形功能，方便地建立疲勞壽命計(jì)算的模型，并直接使用軟件的所有分析功能。后處理功能可方便地透視和診斷各種疲勞壽命問(wèn)題。改變材料等疲勞輸入?yún)?shù)，后處理可直接計(jì)算出新參數(shù)下的疲勞壽命，實(shí)現(xiàn)疲勞的快速分析。疲勞軟件分析的流程一般步驟是：1）輸入金屬結(jié)構(gòu)材料特性；2）輸入時(shí)間-載荷數(shù)據(jù)；3）輸入有限元應(yīng)力或應(yīng)變；4）進(jìn)行疲勞計(jì)算求解；5）計(jì)算結(jié)果可視化處理。疲勞分析軟件能快速高效的進(jìn)行疲勞分析，但計(jì)算過(guò)程對(duì)使用者是不開(kāi)放的，計(jì)算過(guò)程無(wú)法控制，所以使用時(shí)參數(shù)和數(shù)據(jù)的輸入要比較準(zhǔn)確，否則計(jì)算結(jié)果可能會(huì)造成比較大的偏差。

3.5作出評(píng)估結(jié)論

在對(duì)起重機(jī)械各子系統(tǒng)安全性能狀況分析評(píng)估之后，進(jìn)一步分析各子系統(tǒng)對(duì)起重機(jī)械整體安全性能的影響，并就各子系統(tǒng)存在的安全因素進(jìn)行甄別，綜合各系統(tǒng)安全狀況和對(duì)整機(jī)安全性能的影響程度大小，得到整機(jī)的安全狀況，基于評(píng)估結(jié)果提出合理的改善意見(jiàn)和建議，至此結(jié)束本次安全評(píng)估。

3.6評(píng)估中的注意事項(xiàng)

與常規(guī)檢驗(yàn)檢測(cè)不同，安全評(píng)估應(yīng)根據(jù)評(píng)估對(duì)象的具體情況選擇相應(yīng)的評(píng)估內(nèi)容和方法。例如：

1）對(duì)使用年限不同的設(shè)備，經(jīng)前期現(xiàn)場(chǎng)勘查（外觀質(zhì)量等），確定載荷試驗(yàn)是采用額定載荷、動(dòng)載荷還是靜載荷，或者是采用更小的載荷（如降級(jí)使用的設(shè)備）。對(duì)在用設(shè)備不建議進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)；對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的設(shè)備宜采用小于額定載荷進(jìn)行載荷試驗(yàn)。

2）根據(jù)起重機(jī)類型及工作特點(diǎn)的不同，應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)的位置和方式也有所不同，對(duì)承受主要承受彎曲應(yīng)力的部位可以采用應(yīng)變片，對(duì)承受彎曲和剪切復(fù)合應(yīng)力的部位則應(yīng)采用應(yīng)變花，而且盡量將應(yīng)變片布置在應(yīng)力集中區(qū)、危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)和交變應(yīng)力區(qū)等危險(xiǎn)部位。

3）應(yīng)特別注意對(duì)焊接應(yīng)力集中部位和承受交變載荷部位的無(wú)損檢測(cè)，上述部位最容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

4　總結(jié)

起重機(jī)械的安全評(píng)估工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，對(duì)人員的技術(shù)能力、隊(duì)伍的知識(shí)結(jié)構(gòu)、項(xiàng)目的管理能力、工作涉及的設(shè)備儀器、對(duì)起重機(jī)械的認(rèn)知水平及起重機(jī)械的安全使用和管理制度各方面都提出了更高的要求。開(kāi)展起重機(jī)械安全評(píng)估工作對(duì)改善服役周期較長(zhǎng)和大（特大）型起重機(jī)械安全狀況，降低起重機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)等方面都有積極的現(xiàn)實(shí)意義。面對(duì)起重機(jī)械安全評(píng)估工作提出的新要求，評(píng)估人員還需要進(jìn)一步提高自身的技術(shù)能力，特別是需要努力提高運(yùn)用新技術(shù)和先進(jìn)儀器儀表的能力，才能滿足起重機(jī)械使用單位日益增加的對(duì)起重機(jī)械安全技術(shù)服務(wù)的需求。

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中圖分類號(hào)：X941

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）02-0050-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.013

作者簡(jiǎn)介：龔文（1986～），男，碩士，工程師，起重機(jī)械檢驗(yàn)師，從事起重機(jī)械安全評(píng)估和檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

收稿日期：（2015-06-12）

Safety Assessment Procedures and Content of Crane

Gong Wen Jiang Yu Xu Bin
（Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research Shanghai 200333）

AbstractThis paper，according to the author's safety assessment project experience，summarizes the understanding of safety assessment，its development procedures and the content.

KeywordsCrane Safety assessment Procedure Content