起重機械安全評估的程序和內(nèi)容初探
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龔文 蔣瑜 徐彬
(上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海200333)
摘要：通過總結(jié)開展安全評估的實踐經(jīng)驗，從對安全評估內(nèi)涵的理解、安全評估程序的制定和安全評估內(nèi)容的確定三個方面，對起重機械的安全評估進行了探討。
關(guān)鍵詞：起重機械安全評估程序 內(nèi)容
安全評估是改善起重機械安全狀況、降低起重機械故障率和事故率的重要技術(shù)手段，為加強起重機械的安全監(jiān)察、安全檢驗和安全使用管理提供技術(shù)支持，為延長起重機械的使用壽命或?qū)Υ_實存在嚴重事故隱患，無改造、修理價值起重機械的判廢提供科學依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。
1安全評估的內(nèi)涵
從廣義來看，起重機械的安全評估工作應該是對包括起重機械、人員和環(huán)境三要素在內(nèi)的完整統(tǒng)一系統(tǒng)的科學評估，通過各種技術(shù)手段獲取對象的性能和安全狀況信息，并提出改善其各項安全性能狀況合理化建議的創(chuàng)造性活動。其中，起重機械是指設備本體，包括結(jié)構(gòu)、機械、電氣、液壓和安全防護裝置等；人員是指與起重機械安全密切相關(guān)的人員，包括作業(yè)人員、安全管理人員、維護保養(yǎng)人員等；環(huán)境是指起重機械的外部環(huán)境，包括工作環(huán)境、安全管理制度等。從狹義來講，起重機械的安全評估工作針對的是設備本體安全狀況的評估活動。本文將從這個角度系統(tǒng)闡述起重機械安全評估工作整體程序和主要內(nèi)容。
2安全評估程序
制定安全評估程序應重點考慮以下方面：
首先，應當明確安全評估工作的目標。具體的目標是開展安全評估工作的基礎，只有確定了具體目標才能設計有針對性的安全評估方案，才能真正圍繞目標的要求對方案的科學性、合理性和可行性進行有效評價，最后形成完整的安全評估方案。
其次，應當結(jié)合當前起重機械的安全狀況，設計科學合理的安全評估方案。先通過現(xiàn)有的設計資料、改造和維修保養(yǎng)記錄和前期的檢驗檢測結(jié)果得到起重機械安全概況，再進一步設計具體的安全評估方案，確定包括采用何種理論計算方法和建模仿真分析方法，現(xiàn)場開展哪些檢驗檢測項目，后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)如何處理和分析等內(nèi)容，形成一套科學完整的安全評估方案。
最后，要綜合檢驗檢測、計算、仿真、試驗分析的結(jié)果，并結(jié)合前述所明確的安全評估具體目標，以及設備使用和管理現(xiàn)狀，出具針對該起重機械的安全評估報告。
起重機械安全評估工作流程如圖1所示。
從流程圖可見，安全評估主要分為前期準備階段、中期測試評估階段和后期綜合論證階段。準備階段重點在安全評估方案的確定及人員的配備；測試評估階段重點在具體項目的執(zhí)行和評估現(xiàn)場的協(xié)調(diào)；綜合論證階段重點在各項數(shù)據(jù)和結(jié)果的綜合比對分析和作出安全評估結(jié)論。
3安全評估內(nèi)容
起重機械類別品種繁多，各具特點，功能各異。在設計安全評估方案時，應當充分考慮評估具體對象的結(jié)構(gòu)特點和功能特性，既要對其常規(guī)的結(jié)構(gòu)和功能進行評估，也要突出對其特殊結(jié)構(gòu)和功能的評估。
要確定安全評估的具體內(nèi)容，還需要充分利用現(xiàn)有的設計資料圖紙、改造和維修保養(yǎng)記錄、故障事故處理記錄等技術(shù)文檔，參考國家和行業(yè)技術(shù)標準和規(guī)范，比較同類型同規(guī)格產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)和指標。同時，還應當充分考慮對象的使用年限、使用場合和使用條件現(xiàn)狀以及將來可能的變化。最后，盡可能的將使用單位起重機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估工作的內(nèi)容中。本文以常見的門式起重機為例，對安全評估的主要內(nèi)容進行探討。
3.1劃分評估單元
起重機是一個包括有金屬結(jié)構(gòu)、機械、電氣和液壓等的復雜機電系統(tǒng)，因此安全評估中需要根據(jù)對象結(jié)構(gòu)和功能，將其細分為金屬結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)、電氣設備和液壓潤滑等子系統(tǒng)，再對各子系統(tǒng)進行細化，確定評估單元。
以門式起重機為例，可以將其分為金屬結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)、電氣設備、液壓潤滑和安全防護等五大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的評估單元劃分如下：
1)金屬結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評估單元：主梁單元、端梁單元、剛性支腿單元、柔性支腿單元等；
2)機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評估單元：軌道單元、車輪單元、減速器單元、聯(lián)軸器單元、制動器單元、卷筒單元、鋼絲繩單元、滑輪單元、吊具單元等；
3)電氣設備子系統(tǒng)的評估單元：饋電裝置單元、電氣隔離裝置單元、短路保護單元、失壓保護單元、零位保護單元、錯相和缺相保護單元、電動機保護單元等；
4)液壓潤滑子系統(tǒng)的評估單元：液壓動力單元、液壓控制單元、液壓執(zhí)行單元、潤滑供油單元、潤滑管路單元等；
5)安全防護子系統(tǒng)的評估單元：緊急斷電開關(guān)單元、行走機構(gòu)限位單元、起升高度限位單元、起重量限制器單元、聯(lián)鎖保護裝置單元等。
3.2確定評估項目
根據(jù)單元劃分，確定各單元評估的具體項目，對門式起重機各子系統(tǒng)的典型單元的評估項目確定如下：
1)主梁單元的具體項目：上拱度、水平旁彎、下?lián)隙�、磨損、腐蝕等；
2)軌道單元的具體項目：高低差、軌距偏差、磨損等；
3)電氣隔離裝置單元具體項目：功率匹配、老化程度、連接狀況等；
4)液壓動力單元：泄漏、振動、噪音、溫升等；
5)行走機構(gòu)限位單元：防護等級、老化程度、緊固情況等；
3.3選擇評估方法
根據(jù)上述評估單元和項目，確定相應的評估方法，主要包括：
1)檢查：針對機構(gòu)和裝置的設置以及各部位外觀情況等，如制動器的設置等；
2)幾何測量：測量金屬結(jié)構(gòu)和機構(gòu)等的形位偏差，如主梁上拱度等；
3)功能試驗：驗證某些裝置的功能，如行程限位裝置；
4)載荷試驗：包括靜態(tài)和動態(tài)試驗，考察起重機工作能力和應力狀況，如額定載荷試驗；
5)理論計算：采用理論力學的計算方法，對形狀規(guī)則金屬結(jié)構(gòu)中腐蝕和磨損的部位，根據(jù)實測的板材厚度，校核其力學性能，如主梁強度校核；
6)有限元分析：如利用有限元軟件分析強度、剛度和穩(wěn)定性等；特別是對復雜的金屬結(jié)構(gòu)，使用理論計算費時且可靠性差，因此，建立有限元模型，通過設置合理的邊界條件，可以快速地對金屬結(jié)構(gòu)的變形和應力變化情況進行分析；
7)無損檢測：如利用無損探傷技術(shù)對金屬結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部裂紋進行檢測；
8)疲勞分析：利用載荷試驗中的應力數(shù)據(jù)，基于疲勞強度理論，估算起重機剩余疲勞壽命。
3.4金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估計
金屬結(jié)構(gòu)的疲勞分析是安全評估中的重要部分。當前，疲勞壽命估算常用的方法主要有：基于Miner線性累計損傷理論，基于斷裂力學和裂紋擴展分析以及基于疲勞壽命軟件數(shù)值模擬。
Miner線性累計損傷法通過跟蹤記錄起重機在正常使用狀態(tài)下的應力數(shù)據(jù)，得到相應的應力時間歷程，視為統(tǒng)計計算時依據(jù)的隨機過程樣本記錄。通過統(tǒng)計分析得到疲勞強度校核部位工作過程中應力變程頻次統(tǒng)計分析結(jié)果以及工作過程應力變程頻次分布情況。根據(jù)起重機已投入使用時間，反推其經(jīng)歷的工作循環(huán)次數(shù)為n’，而設計時的工作循環(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’，進而得到剩余疲勞壽命。該方法忽略了金屬結(jié)構(gòu)中單個裂紋等缺陷帶來的影響，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)計規(guī)律性，但對特定的某臺起重機分析時，計算結(jié)果有可能帶來較大誤差。但該方法的優(yōu)勢就在于工程實用性強。
斷裂力學和裂紋擴展分析方法是假設因為金屬材料本身或金屬結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生的裂紋缺陷，在使用過程中將不斷擴展，最終導致金屬結(jié)構(gòu)斷裂。該方法以裂紋的尺寸大小和裂紋的擴展速度作為結(jié)構(gòu)損傷大小的判據(jù)來判定金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命。該方法將重點放在對起決定作用危險截面的裂紋分析上。通過加載實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)，計算出上述裂紋達到臨界裂紋長度所需時間，即為金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命。該方法需要通過無損探傷檢測技術(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，實際使用難度較大。
疲勞分析軟件可以方便的進行前后處理，可充分利用軟件強大的圖形功能，方便地建立疲勞壽命計算的模型，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題。改變材料等疲勞輸入?yún)?shù)，后處理可直接計算出新參數(shù)下的疲勞壽命，實現(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）輸入時間一載荷數(shù)據(jù)；3）輸入有限元應力或應變；4）進行疲勞計算求解；5）計算結(jié)果可視化處理。疲勞分析軟件能陜速高效的進行疲勞分析，但計算過程對使用者是不開放的，計算過程無法控制，所以使用時參數(shù)和數(shù)據(jù)的輸入要比較準確，否則計算結(jié)果可能會造成比較大的偏差。
3.5作出評估結(jié)論
在對起重機械各子系統(tǒng)安全性能狀況分析評估之后，進一步分析各子系統(tǒng)對起重機械整體安全性能的影響，并就各子系統(tǒng)存在的安全因素進行甄別，綜合各系統(tǒng)安全狀況和對整機安全性能的影響程度大小，得到整機的安全狀況，基于評估結(jié)果提出合理的改善意見和建議，至此結(jié)束本次安全評估。
3.6評估中的注意事項
與常規(guī)檢驗檢測不同，安全評估應根據(jù)評估對象的具體情況選擇相應的評估內(nèi)容和方法。例如：
1)對使用年限不同的設備，經(jīng)前期現(xiàn)場勘查（外觀質(zhì)量等），確定載荷試驗是采用額定載荷、動載荷還是靜載荷，或者是采用更小的載荷（如降級使用的設備）。對在用設備不建議進行靜載荷試驗；對超過設計壽命的設備宜采用小于額定載荷進行載荷試驗。
2)根據(jù)起重機類型及工作特點的不同，應力測試布點的位置和方式也有所不同，對承受主要承受彎曲應力的部位可以采用應變片，對承受彎曲和剪切復合應力的部位則應采用應變花，而且盡量將應變片布置在應力集中區(qū)、危險應力區(qū)和交變應力區(qū)等危險部位。
3)應特別注意對焊接應力集中部位和承受交變載荷部位的無損檢測，上述部位最容易出現(xiàn)疲勞裂紋。
4總結(jié)
起重機械的安全評估工作是一項復雜的系統(tǒng)性工作，對人員的技術(shù)能力、隊伍的知識結(jié)構(gòu)、項目的管理能力、工作涉及的設備儀器、對起重機械的認知水平及起重機械的安全使用和管理制度各方面都提出了更高的要求。開展起重機械安全評估工作對改善服役周期較長和大（特大）型起重機械安全狀況，降低起重機械安全風險等方面都有積極的現(xiàn)實意義。面對起重機械安全評估工作提出的新要求，評估人員還需要進一步提高自身的技術(shù)能力，特別是需要努力提高運用新技術(shù)和先進儀器儀表的能力，才能滿足起重機械使用單位日益增加的對起重機械安全技術(shù)服務的需求。
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