事故樹分析法在港機故障檢測中的應(yīng)用

舒安慶，張 鵬，丁克勤，喬 松

(1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205;2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

0 引 言

隨著加入世貿(mào)組織的不斷深入化，我國逐漸成為進出口貿(mào)易大國.據(jù)網(wǎng)上資料顯示，2012年前8個月，我國進口貿(mào)易額達13 091億美元，出口11 885億美元[1].港口機械在日益壯大的對外貿(mào)易中所起的作用越來越重要.然而港口機械中，門座式起重機所占的比重在一半以上，因此，港口門座式起重機的安全正常運行是我國對外貿(mào)易順利進行的關(guān)鍵所在.但如今，經(jīng)常聽到有關(guān)門座式起重機發(fā)生事故的報道，這些事故的發(fā)生，給國家?guī)砭薮蟮膿p失.港口門座式起重機這種結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大的裝載機械由于工作環(huán)境惡劣，各個部件都有可能存在潛在隱患.因此，對港口門座式起重機進行系統(tǒng)的危險源辨識，在事故發(fā)生前采取預(yù)防措施，做到防患于未然是十分必要的.

事故樹分析(accident tree analysis ,簡稱ATA)法起源于故障樹分析法(簡稱FTA)，是一種演繹的安全系統(tǒng)分析方法，是以人們對從結(jié)果推斷可能原因的思維方法為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的分析方法，只抓住一個特殊的事故進行原因分析，而不論這一事故是否真正發(fā)生，通過一整套科學有效的方法找出對事故發(fā)生起作用的基本原因(基本事件)，即可實現(xiàn)對引發(fā)事故的各種基本原因進行分析.它能夠直觀的分析出危險性所在，邏輯性很強，可以做定性分析、定量分析[2].

1 門座式起重機事故樹的建立

結(jié)合門座式起重機的工作環(huán)境以及事故案例[3-4]，以“門座式起重機事故”作為頂上事件，二級中間事件以“倒塌”和“貨物墜落”為主，按照事故樹建立的方法[5]，經(jīng)過逐層尋找上層事件的原因，層層深入，直到不能再分(底事件).根據(jù)這兩種主要事故模式，共找出導致頂上事件發(fā)生的原因包括120個中間事件和186個底事件.最后把這些中間事件和底事件用邏輯符號連接起來即建立起了門座式起重機的事故樹，如圖1所示.并列出了部分中間事件及底事件(由于中間事件和底事件比較多，這里只列出了部分中間事件和一階割集的所有底事件)的符號以及所代表的含義，如表1所示.

圖1 門座式起重機事故事故樹Fig.1 Accident tree of gantry crane accident

表1 事故樹事件代號及事件說明Table 1 Explain event of gantry crane accident

2 事故樹的定性分析

定性分析是事故樹的核心內(nèi)容，其目的是分析該類型事故的發(fā)生規(guī)律及特點，經(jīng)過專家討論分析找出控制事故的可行方案.其主要內(nèi)容包括：求解事故樹的最小割集、基本事件的結(jié)構(gòu)重要度以及制定預(yù)防事故的措施[6].

最小割集就是導致頂事件發(fā)生所必須的、最低限度的基本事件的集合.求解出最小割集是為了掌握事故發(fā)生的各種可能性，了解系統(tǒng)危險性，為事故預(yù)防和調(diào)查分析提供理論依據(jù).由最小割集的定義知，每個最小割集就是頂事件發(fā)生的一種可能.因此，事故樹中有多少個最小割集，頂上事件的發(fā)生就有多少種可能，最小割集越多，頂事件發(fā)生的可能性就越多，系統(tǒng)就越危險[7].

結(jié)構(gòu)重要度分析是從事故樹入手分析各底事件的重要程度，它是在不考慮(或者認為各底事件發(fā)生概率相同)底事件發(fā)生概率的前提下分析底事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的影響程度.

2.1 求最小割集

對事故樹進行定性分析首先需要對事故樹進行簡化，運用布爾代數(shù)法化簡后得到事故樹的代數(shù)表達式：

T=

M4+M5+M6+M7+M8+M9+M10+M11

由于此事故樹的底事件比較多，通過人工計算得到最小割集和各底事件的結(jié)構(gòu)重要度的計算量十分大，因此，運用本實驗室自己編寫的進行事故樹定性分析的簡易軟件進行分析.運用此軟件只需將事故樹的代數(shù)表達式及底事件以文本文檔的形式導入即可完成大量的計算工作.軟件界面如圖2所示.

圖2 最小割集計算軟件Fig.2 Software to calculate minimum set

由圖2可知，門座式起重機事故樹共有199個最小割集，其中，一階割集(只包含一個底事件的割集)72個，占總數(shù)的36.18%，二階割集(包含兩個底事件的割集)63個，占總數(shù)的31.66%，三階割集(包含三個底事件的割集)55個，占總數(shù)的27.64%，四階割集(包含四個底事件的割集)4個，占總數(shù)的2.01%，五階割集(包含五個底事件的割集)0個，占總數(shù)的0.00%，六階割集(包含六個底事件的割集)2個，占總數(shù)的1.01%，七階割集(包含七個底事件的割集)3個，占總數(shù)的1.51%.因為每一個割集就是頂上事件發(fā)生的一種可能性，所以本事故樹頂上事件發(fā)生的可能性共有174種.而且，最小割集的階數(shù)越低，就越容易導致頂上事件發(fā)生.因此，事故樹中的72個一階割集為本事故樹的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當引起管理人員的重視.

2.2 一階割集中底事件的結(jié)構(gòu)重要度

通過求最小割集，找出了事故樹的72個最容易導致頂上事件發(fā)生的重大危險源(即一階割集)，計算它們的結(jié)構(gòu)重要度，并對一階割集進行結(jié)構(gòu)重要度排序，能夠看出這些重大危險源里面對系統(tǒng)可靠性影響的大小，以便維修保養(yǎng)人員更加注意這些環(huán)節(jié).結(jié)構(gòu)重要度的計算方法是將每個最小割集賦值1，然后平均分配給該最小割集里的每個底事件，最后累加起來得到每個底事件的結(jié)構(gòu)重要度.本事故樹一階割集的結(jié)構(gòu)重要度如表2所示.

表2 一階割集結(jié)構(gòu)重要度Table 2 Structure importance of the first cut set

按上述方法計算出每個一階割集的結(jié)構(gòu)重要度的數(shù)值如表2所示，并對重大危險源排序如下：

X49>X52>X53>X73=X57=X31=X117>X90=X89=X88=X84=X83=X74=X72=X71=X70=X67=X66=X65=X59=X58=X56=X55=X54=X51=X45=X44=X43=X34=X26=X25=X26=X186=X185=X184=X183=X182=X181=X180=X179=X178=X177=X176=X175=X174=X173=X172=X171=X170=X168=X167=X164=X163=X162=X161=X160=X159=X158=X157=X156=X155=X154=X153=X150=X139=X138=X137=X133=X128=X127=X126=X1

由定義可知，一階割集是最容易導致頂上事件發(fā)生的基本事件，為重大危險源，而在這些重大危險源中，結(jié)構(gòu)重要度值越高的，對頂上事件的影響就越大.所以，在預(yù)防類似事故發(fā)生時，就應(yīng)該把這些事件作為重點防范對象.

2.3 事故樹定性分析結(jié)論與對策

從一階割集可知，門座式起重機的72個危險源涉及到門座式起重機的設(shè)計、制造、安裝、維護保養(yǎng)及操作等環(huán)節(jié).其中，設(shè)計、安裝及維護保養(yǎng)方面的原因占了很大的比重.而在以上幾個方面中，X49、X52、X53、X73、X57、X31、X117這7個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度值較大，為本事故樹的主要重大危險源，應(yīng)該特別引起門機制造使用方的注意.針對以上重大危險源，為使門座式起重機的長期安全正常運行給出以下幾個方面的措施：

1)在有設(shè)計制造資質(zhì)的前提下，嚴格按照門座式起重機的國家設(shè)計標準設(shè)計制造.保證各種受力部件的結(jié)構(gòu)合理.

2)選材要合格，盡量避免材料的原始缺陷.如避免材料有初始裂紋或者初始撓度等.

3)安裝的各個環(huán)節(jié)一定要符合安裝要求，確保在誤差范圍內(nèi)精確安裝.

4)聘請有操作資歷且經(jīng)驗豐富的操作人員操作.合理調(diào)運，不超載、不超速，正確吊運.

5)定期檢查起重機的各種電氣制動裝置以及報警系統(tǒng)，對于失效的裝置及時給予更換.

6)嚴格按照起重機的檢驗時間、檢驗項目進行檢驗，不拖檢、不漏檢，檢驗不合格的及時處理.并做好運行期間的維護保養(yǎng)工作.對于焊縫處要嚴格檢查，存在裂紋的地方要及時維修或更換，以免交變應(yīng)力導致裂紋擴展.

3 結(jié) 語

通過對門座式起重機可能發(fā)生的事故建立事故樹，求出該事故樹的199個最小割集，其中最容易導致頂上事件發(fā)生的一階割集72個，計算出其結(jié)構(gòu)重要度并排序，最終確定了導致門座式起重機常見事故“倒塌”和“貨物墜落”的重大危險源并提出相應(yīng)的預(yù)防及改進措施，為預(yù)防和避免門座式起重機此類事故發(fā)生提供了有力依據(jù).從而保證其安全正常運行.

致謝

感謝中國特種設(shè)備檢測研究院提供的項目支持.

參考文獻：

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SHU An-qing, Zhang Peng. Fault Tree Analysis and Countermeasures of Gantry Crane Arm Fold Accident[J].Journal of Wuhan Institute of Technology,2012,34(6):69-73.(in Chinese)