吳占穩(wěn) 黃重陽 王逢秋 劉 淵 李 恒

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（特種設(shè)備安全與節(jié)能） 北京 100029）

（3.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804）

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)械的應(yīng)用范圍越來越廣[1]。截至2020年，全國的起重機(jī)械總數(shù)量達(dá)253.84萬臺。然而，由于國內(nèi)在其實(shí)際安全管理運(yùn)行中的滯后，也帶來了較高的安全隱患風(fēng)險。起重機(jī)械引起的事故主要是撞擊和剪切、機(jī)器及物品墜落、整機(jī)倒塌等，尤其是門式起重機(jī)和流動式起重機(jī)，事故發(fā)生頻率最高，傷亡人數(shù)占起重機(jī)械總傷亡人數(shù)的49%[2]，所占總體事故比重也相對較大。所以，為降低特種設(shè)備行業(yè)風(fēng)險，必須要保障起重機(jī)械的運(yùn)行安全。

分析事故起因，基本是由于操作人員的誤操作與違章作業(yè)、設(shè)備零部件的自身缺陷與保護(hù)裝置的失效、維護(hù)管理人員的安全管理不到位與松散以及惡劣作業(yè)環(huán)境的影響等不和諧的因素互相作用[3]，導(dǎo)致起重機(jī)所積聚的高危能量驟然釋放，進(jìn)而造成人身傷害以及設(shè)備故障。而以上原因大多可歸結(jié)為國內(nèi)安全理論保障的滯后。安全防護(hù)系統(tǒng)作為起重機(jī)運(yùn)行必不可缺的一環(huán)，在保障運(yùn)行中起到了重要作用，因此本文從安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備安全性、操作安全性著手，基于HAZOP分析理論，將起重機(jī)作業(yè)過程劃分成4個一級單元，若干個二級單元，以及作為安全系統(tǒng)基礎(chǔ)的三級單元，通過引導(dǎo)詞確定偏差并對以制動系統(tǒng)和小車緩沖系統(tǒng)為代表的起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行HAZOP分析，確定可能產(chǎn)生的后果及其原因。查找安全隱患，最大限度地辨識危險源，并對其提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，力求降低事故風(fēng)險。

1 新型RTG安全防護(hù)系統(tǒng)

21世紀(jì)以來，由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，RTG額定載重不斷加大，且愈加傾向于高速及智能化，此外，又由于客戶需求過高導(dǎo)致RTG的重量大幅提高，更易產(chǎn)生惡劣工況，進(jìn)一步損耗各個機(jī)構(gòu)，因此對于新型RTG，在開發(fā)新機(jī)型過程中，發(fā)展智能制動器就顯得尤為必要。為應(yīng)對大質(zhì)量帶來的制動慣性及其所伴隨的負(fù)面效應(yīng)，對新型RTG在如下兩方面進(jìn)行改進(jìn)。一方面改進(jìn)結(jié)構(gòu)，采用輕型化設(shè)計，改變結(jié)構(gòu)型式，減輕移動載荷重量，如優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)，采用輕型吊具，將驅(qū)動機(jī)構(gòu)搬離小車置于門框金屬結(jié)構(gòu)上，見圖1；此外，一些部件是新開發(fā)的裝置，所以需要更加注意其安全特性以防止意外發(fā)生；結(jié)構(gòu)上也需要關(guān)注結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞問題，所以開發(fā)新型包容式節(jié)點(diǎn)，同時也防止新結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)問題。另一方面提升安全防護(hù)系統(tǒng)性能，如應(yīng)用所開發(fā)的智能型制動器使得中間制動過程可控，但是對于既是安全防護(hù)系統(tǒng)又是工作裝置的制動器，還需根據(jù)安全分級需要，細(xì)化制動器設(shè)計選型要求，從制動機(jī)理出發(fā)研究各部分安全影響，繼續(xù)深入的研究，改進(jìn)牽引式小車防搖及緩沖功能。因此，本文的HAZOP分析將著重于這2項(xiàng)安全防護(hù)系統(tǒng)的組成部分的改進(jìn)。

圖1 新型RTG驅(qū)動系統(tǒng)

現(xiàn)有的RTG具有較大的運(yùn)動慣性，但是傳統(tǒng)制動器的制動時間短，制動力矩時常過大，無法逐漸消耗制動能量，導(dǎo)致緊停制動，造成傳動鏈的損壞甚至碰撞事故。與之相對的智能型制動器，通過嵌入式控制器以及變頻器，調(diào)整輸入電流頻率進(jìn)而調(diào)整電液推動器的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電液推動器推動力的改變。通過ECU程序指令，變頻器輸出不同的電源頻率以及持續(xù)時間，可以使制動摩擦材料不是瞬時一次壓向制動盤，而是逐步閉合鎖緊制動盤，實(shí)現(xiàn)有級或是無級的制動過程[4]，將原來只有開啟和閉合2項(xiàng)功能的傳統(tǒng)電液常閉式制動器，變成中間過程可根據(jù)需要控制的智能型制動器。實(shí)現(xiàn)了制動過程中制動力和制動時間的控制，可以使制動過程平穩(wěn)。類似的還有電磁式等智能型制動方式。

牽引式小車則通過鋼絲繩的牽引實(shí)現(xiàn)起升運(yùn)動和沿軌道運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這2種運(yùn)動，使用差動的方式驅(qū)動鋼絲繩沿不同方向、不同速度運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)起吊集裝箱以及小車運(yùn)行兩大功能，并利用八繩來實(shí)現(xiàn)防搖。

2 HAZOP分析

HAZOP是基于系統(tǒng)工程的結(jié)構(gòu)化風(fēng)險分析工具，主要用于研究并尋找生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程中的危害及其產(chǎn)生的原因。通過分析工藝參數(shù)在生產(chǎn)過程中的變化，控制產(chǎn)生的偏差，以及這些變化和偏差對系統(tǒng)的影響和可能的后果，來最大化地避免管理的盲點(diǎn)，以提高工作效率，簡化工作流程。最后，通過尋找原因，識別設(shè)備中存在的危險源，并對相應(yīng)的后果提出應(yīng)對措施。HAZOP分析流程圖[5]如圖2所示。

圖2 HAZOP分析流程圖

3 新型RTG的HAZOP分析過程及其結(jié)果

3.1 人員準(zhǔn)備

HAZOP分析小組的建立是工作開啟的首要環(huán)節(jié)。本次HAZOP分析小組由1位負(fù)責(zé)人、1位記錄人、2位專業(yè)設(shè)計師構(gòu)成。負(fù)責(zé)人為與本項(xiàng)目無關(guān)的第三方單位資深專家，具有豐富的HAZOP分析經(jīng)驗(yàn)，在港口裝備應(yīng)用一線，并具有特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測經(jīng)歷，統(tǒng)籌HAZOP分析工作，是保障HAZOP分析工作完成的重中之重。記錄者為全程參與此項(xiàng)目的員工。專業(yè)設(shè)計師為項(xiàng)目設(shè)計部門項(xiàng)目總體設(shè)計人員和生產(chǎn)制造部門工藝設(shè)計人員，負(fù)責(zé)提出并分析問題，以及HAZOP建議的跟蹤和關(guān)閉、進(jìn)度報告編寫、督促和整改。

3.2 資料準(zhǔn)備

在項(xiàng)目建設(shè)階段，HAZOP分析的主要資料有PID圖、工藝流程圖（PFD）、以往事故信息等。

其中PID是重中之重，PID圖應(yīng)當(dāng)用簡單的線條勾畫出設(shè)備功能組成。所有的傳感器和儀表均應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)圖例和分類編號繪制。本起重機(jī)的PID圖主要由小車起升-行走機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、動力發(fā)電機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)4個部分構(gòu)成。這也是本文HAZOP分析的4個一級單元，這4個部分也基本構(gòu)成起重機(jī)整體。門式起重機(jī)PID圖見圖3。

圖3 門式起重機(jī)PID圖

小車起升-行走機(jī)構(gòu)PID圖見圖4，根據(jù)常規(guī)的安全需要，小車行走和起升機(jī)構(gòu)的軌道兩端分別安裝了超行程限位開關(guān)、上升和下降限位開關(guān)和抓斗限速開關(guān)。為了保證小車運(yùn)行到設(shè)計時的最大行程位置時能夠停止運(yùn)行，主要是通過運(yùn)行極限位置限位開關(guān)觸發(fā)動作；當(dāng)抓斗運(yùn)行到接近設(shè)計時的最大行程位置時，抓斗限速開關(guān)觸發(fā)動作，抓斗開始減速運(yùn)行，直到下一動作觸發(fā)上升和下降限位開關(guān)，當(dāng)抓斗超載時，超載限制器開關(guān)打開；運(yùn)行極限位置限位開關(guān)是在小車運(yùn)行位置超出設(shè)計時的最大行程位置時打開，與之一并打開的還有緩沖器開關(guān)。

圖4 小車起升-行走機(jī)構(gòu)PID圖

大車行走機(jī)構(gòu)PID圖見圖5，在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的安全防護(hù)系統(tǒng)中，在大車的兩端裝有2個相互對稱的超行程限位開關(guān)、停止限位開關(guān)和減速限位開關(guān)。為了保證大車運(yùn)行到設(shè)計時的最大行程位置時能夠停止運(yùn)行，主要是通過停止限位開關(guān)觸發(fā)動作；大車運(yùn)行到設(shè)計最大行程位置附近時，減速限位開關(guān)觸發(fā)，大車減速，直到下一動作觸發(fā)停止限位系統(tǒng)；超行程限位開關(guān)是在停止限位開關(guān)失效后開始起作用，且大車運(yùn)行位置超出設(shè)計時的最大行程位置[6]。此外，還有胎壓檢測開關(guān)用以監(jiān)測輪胎狀態(tài)，制動力檢測開關(guān)和制動器開關(guān)幫助大車制動。

圖5 大車行走機(jī)構(gòu)PID圖

3.3 HAZOP分析過程

HAZOP分析首先需要劃分節(jié)點(diǎn)，接著根據(jù)引導(dǎo)詞分析節(jié)點(diǎn)，最后跟蹤、關(guān)閉。對于輪胎式門式起重機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)龐大，組成復(fù)雜，整體分析困難，所以依據(jù)設(shè)備組成劃分節(jié)點(diǎn)，逐級分析。

根據(jù)RTG的機(jī)構(gòu)組成，按照 HAZOP 方法對RTG進(jìn)行單元劃分，將其劃分為一級單元、二級單元和三級單元，見表1。

表1 HAZOP節(jié)點(diǎn)劃分

HAZOP 分析單元劃分完成，將二級單元中的制動系統(tǒng)與小車緩沖系統(tǒng)作為分析節(jié)點(diǎn)，選取偏移、失效等作為 HAZOP 分析引導(dǎo)詞，根據(jù)引導(dǎo)詞確定HAZOP分析模型中的偏差并進(jìn)行分析，確定偏差起因及其后果，制定對應(yīng)的安全控制措施。分析結(jié)果見表 2、表 3。

表2 制動系統(tǒng)HAZOP分析結(jié)果

表3 小車緩沖系統(tǒng)HAZOP分析結(jié)果

3.4 HAZOP分析建議與措施

結(jié)合RTG實(shí)際使用情況以及本次分析所得到的2個安全防護(hù)系統(tǒng)HAZOP結(jié)果，筆者建議從軟件、硬件兩方面入手降低危險源的發(fā)生概率，提高RTG的運(yùn)行可靠性。

一方面優(yōu)化控制過程，從基于SIL分級的功能安全方法入手，對于影響制動的關(guān)鍵因素，諸如智能驅(qū)動器的頻率、小車吊裝重量與吊裝頻率進(jìn)行優(yōu)化，以降低制動風(fēng)險，提高制動可靠性。對智能制動器來說，由于是全新產(chǎn)品，可以從智能制動原理出發(fā)，通過研究獲得頻率與制動力關(guān)系。但是，由于各種不確定因素及杠桿影響，此關(guān)系并非單純的線性關(guān)系，因此，在通過多臺制動器實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提取頻率-制動力數(shù)據(jù)，確定各頻率下的制動力分布函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，并基于SIL等級，獲得了最優(yōu)的制動器工作頻率區(qū)間，優(yōu)化后的頻率-可靠度曲線如圖6所示[7]，藍(lán)色點(diǎn)劃線為各SIL等級對應(yīng)的可靠度，紅色線條為頻率曲線。通過優(yōu)化結(jié)果，可見SIL等級越高，制動頻率區(qū)間越窄，其整體偏向低頻區(qū)間，從而為保障安全提供強(qiáng)有力設(shè)計依據(jù)。目前針對不同制動器進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，已成功實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)制動時間的情況下降低制動沖擊，進(jìn)而提高制動可靠性。

圖6 頻率-可靠度曲線

另一方面從結(jié)構(gòu)出發(fā)，增加冗余結(jié)構(gòu)，諸如限位、限速開關(guān)等，以保障單個開關(guān)失效情況下的RTG的安全運(yùn)行，或者同樣基于SIL等級對硬件的可靠性進(jìn)行優(yōu)化，如小車緩沖器橡膠材料、大車小車制動器的制動材料。

動力發(fā)電機(jī)構(gòu)功能較為單一，主要由驅(qū)動電機(jī)與供電系統(tǒng)組成。為保證電路安全可靠，供電系統(tǒng)安裝有電源穩(wěn)定裝置用以穩(wěn)定電源輸出，防止欠壓過壓、電流過大以及電壓波動等突發(fā)情況，此外還有功率監(jiān)測系統(tǒng)，用以保證功率安全。為保證電機(jī)運(yùn)行安全，防止過載、堵轉(zhuǎn)、缺相等電機(jī)運(yùn)行異常狀態(tài)的發(fā)生，采用電機(jī)保護(hù)裝置。

金屬結(jié)構(gòu)組成除了保證靜強(qiáng)度外，主要采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架接頭采用包容式節(jié)點(diǎn)，以提高節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能。包容式節(jié)點(diǎn)由于是鼓包狀的，因此，大大增加了用于焊接腹桿的區(qū)域面積，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其降低了應(yīng)力集中系數(shù)，只有常規(guī)相貫節(jié)點(diǎn)的1/3。此外，對于相同截面尺寸的腹桿，包容式節(jié)點(diǎn)的相貫線長度變得更長，這就提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力。根據(jù)類似的其他性能參數(shù)，建立了失效分布函數(shù)以及功能安全函數(shù)，最終確定了安全等級，發(fā)現(xiàn)包容式節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)了桁架結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，進(jìn)一步保障了結(jié)構(gòu)安全[8-9]。

4 結(jié)束語

通過HAZOP研究，辨識出了RTG在安全防護(hù)系統(tǒng)上的潛在風(fēng)險，并提出2個方面的建議，即提高硬件設(shè)備SIL等級、改良桁架結(jié)構(gòu)等，為其安全運(yùn)行提供了指導(dǎo)?？傊?，在大型輪胎式門式起重機(jī)上開展HAZOP分析，可以為其設(shè)計和使用提供支撐，大幅提高其安全性和可靠性。