船廠大型起重機(jī)械安全運(yùn)行保障常見問(wèn)題分析與對(duì)策

吳 韓， 周 楠， 汪 璇， 王奕杰

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

船廠大型起重機(jī)械主要有門式起重機(jī)、門座式起重機(jī)和橋式起重機(jī)等，其中100 t以上門式起重機(jī)和40 t以上門座式起重機(jī)是生產(chǎn)工作的關(guān)鍵。由于大型起重機(jī)械構(gòu)件龐大、運(yùn)行復(fù)雜、作業(yè)過(guò)程載荷變化幅度大、交叉作業(yè)多、長(zhǎng)期處于潮濕暴露環(huán)境中，其安全運(yùn)行保障工作面臨巨大的困難。大型起重機(jī)械一旦發(fā)生事故，對(duì)船廠生產(chǎn)影響較大[1]。

1 船廠大型起重機(jī)械安全運(yùn)行保障面臨的問(wèn)題

1.1 規(guī)定不夠系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

由于我國(guó)船舶工業(yè)的急速發(fā)展，一大批大型起重機(jī)械服役時(shí)間較長(zhǎng)，老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。部分大型起重機(jī)械使用強(qiáng)度、頻率較高，但尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限；而一些較為老舊、超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限的大型起重機(jī)械，其運(yùn)行、保養(yǎng)情況良好，船廠難以作出報(bào)廢決定。各船廠主要依據(jù)《起重機(jī)械安全規(guī)程》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，制訂相應(yīng)的廠級(jí)大型起重機(jī)械管理規(guī)定，定期進(jìn)行日常檢查、月度檢查及專項(xiàng)巡查，并定期進(jìn)行日常、一級(jí)、二級(jí)保養(yǎng)。船廠現(xiàn)有的檢查維保相關(guān)管理規(guī)定較為老舊，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、消除隱患。大型起重機(jī)械每2年進(jìn)行1次國(guó)家強(qiáng)檢。在船廠專業(yè)檢查手段相對(duì)薄弱的前提下，全面檢查周期較長(zhǎng)，與船舶行業(yè)大型起重機(jī)械長(zhǎng)期處于高頻次、變負(fù)荷使用情況不符。

目前我國(guó)沒(méi)有強(qiáng)制性的大型起重機(jī)械報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法為大型起重機(jī)械的降級(jí)使用、報(bào)廢提供技術(shù)支撐和判斷依據(jù)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有可參考的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與管理規(guī)定等，內(nèi)容相對(duì)寬泛，無(wú)法明確指導(dǎo)船廠管理人員的檢查維保工作，缺乏與之相匹配的指導(dǎo)手冊(cè)及配套文件模版。少數(shù)船廠定期邀請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，主要是收集大型起重機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，運(yùn)用專業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算分析、評(píng)估安全情況，而大部分船廠除強(qiáng)檢外沒(méi)有第三方檢測(cè)。由于技術(shù)力量有限，在大型起重機(jī)械管理過(guò)程中存在檢查不到位致使隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、潤(rùn)滑保養(yǎng)不及時(shí)致使部件磨損銹蝕等問(wèn)題。

1.2 運(yùn)行情況復(fù)雜，作業(yè)管理困難

大型起重機(jī)械運(yùn)行方式復(fù)雜。例如：門式起重機(jī)可完成起升、大車運(yùn)動(dòng)與小車運(yùn)動(dòng)；門座式起重機(jī)可完成起升、變幅、回轉(zhuǎn)與大車運(yùn)動(dòng)；在作業(yè)過(guò)程中，一般都是幾個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行操作，技術(shù)復(fù)雜。同時(shí)，大型起重機(jī)械運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，需要的運(yùn)行空間大、交叉作業(yè)多，與其他機(jī)械發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較大。例如：在作業(yè)中懸臂式起重機(jī)臂架可能會(huì)與龍門吊腿發(fā)生碰撞；部分船廠同軌運(yùn)行的大型起重機(jī)械可能發(fā)生碰撞。

目前對(duì)于交叉作業(yè)沒(méi)有較為有效的防碰撞手段，現(xiàn)有的防碰撞手段存在延時(shí)問(wèn)題無(wú)法確保安全，只能依靠現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行監(jiān)督。同軌防碰撞裝置較為成熟，但大部分船廠沒(méi)有普及，僅依靠人員進(jìn)行觀察，容易發(fā)生意外，沒(méi)有做到本質(zhì)安全。

1.3 構(gòu)件體大量多，檢查維保困難

船廠起重機(jī)械在不斷向大型化發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)最大的起重機(jī)械單臺(tái)起重量已達(dá)千噸級(jí)，其高度、跨度、占地面積均達(dá)到龐大的程度。大型起重機(jī)械因其高度而存在人力無(wú)法檢查到的部位，如門式起重機(jī)大梁外側(cè)焊縫等。懸臂式起重機(jī)懸臂部分主要焊縫、滑輪、軸承等的檢查維保需要管理人員攀爬階梯進(jìn)行高空作業(yè)，有時(shí)還需要攜帶工具、潤(rùn)滑油等，不便系掛安全帶，危險(xiǎn)系數(shù)高。大型起重機(jī)械零部件眾多，即使年檢也無(wú)法做到全面細(xì)致的檢查，且一次全面檢查周期較長(zhǎng)、工作量大，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃影響較大。例如，大型起重機(jī)械鋼絲繩長(zhǎng)度可達(dá)千米，如停機(jī)檢查，則工作量大、需要人員多、檢查耗時(shí)長(zhǎng)。

目前船廠大型起重機(jī)械的定期檢查以目測(cè)為主，檢查結(jié)果在很大程度上受檢查人員的經(jīng)驗(yàn)及責(zé)任心影響，且只能檢查出表面缺陷，零部件內(nèi)部的健康情況缺少檢測(cè)手段，因此無(wú)法保障高負(fù)荷運(yùn)行安全，難以為維保計(jì)劃的制訂提供有效支撐。船廠大型起重機(jī)械一般處于沿江、沿海位置，長(zhǎng)期暴露于大風(fēng)、潮濕環(huán)境，且高處護(hù)欄容易腐蝕、斷裂，檢查維保作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 船廠現(xiàn)有大型起重機(jī)械技術(shù)保障措施

2.1 安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在“關(guān)于印發(fā)《大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)施方案》的通知”中強(qiáng)制規(guī)定：大型起重機(jī)械必須安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)重要運(yùn)行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄及管理。

北京中船信息科技有限公司針對(duì)大型起重機(jī)械運(yùn)行安全監(jiān)控和管理中的實(shí)時(shí)性差、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題研發(fā)“起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”，將北斗/GPS衛(wèi)星定位和慣導(dǎo)技術(shù)與成熟的自動(dòng)化、信息化技術(shù)相結(jié)合，具備遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、碰撞預(yù)警、協(xié)同吊裝等功能，達(dá)到有效保障生產(chǎn)安全、提高管理效率的效果。主要監(jiān)控項(xiàng)目為：(1)功能參數(shù)：起重量、起重力矩、起升高度/下降深度、運(yùn)行行程、風(fēng)速、回轉(zhuǎn)角度、幅度、大車運(yùn)行偏斜、水平度、同一或不同一軌道運(yùn)行構(gòu)件安全距離、操作指令、支腿垂直度、工作時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間、每次工作循環(huán)；(2)運(yùn)行狀態(tài)：起升構(gòu)件制動(dòng)狀態(tài)、抗風(fēng)防滑狀態(tài)、聯(lián)鎖保護(hù)(門限位和構(gòu)件之間的運(yùn)行聯(lián)鎖)、工況設(shè)置狀態(tài)、供電電纜卷筒狀態(tài)、過(guò)孔狀態(tài)、視頻系統(tǒng)。

2.2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康評(píng)估

各船廠對(duì)大型起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)健康狀況都很關(guān)心。例如，橫梁垂直高達(dá)數(shù)十米，其結(jié)構(gòu)健康情況是船廠自身無(wú)法檢查的死角，一旦這些部位結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，后果是船廠無(wú)法承受的。各地特檢機(jī)構(gòu)、研究院所和專業(yè)的檢測(cè)公司采用技術(shù)手段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方法：利用無(wú)損傳感技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)即時(shí)獲取的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行特征評(píng)估，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞損傷或破壞[3]。

方法1：通過(guò)結(jié)構(gòu)載荷響應(yīng)測(cè)試、結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試、校核與計(jì)算、結(jié)構(gòu)仿真分析、結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命計(jì)算分析等技術(shù)手段檢測(cè)、分析計(jì)算并結(jié)合目視檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)等常規(guī)檢測(cè)手段，經(jīng)綜合分析后對(duì)金屬結(jié)構(gòu)作出較為全面的安全評(píng)估報(bào)告。目前只有部分船廠針對(duì)某些老舊機(jī)器采用該類方法。

方法2：結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)——應(yīng)力測(cè)試。選取起重機(jī)象鼻梁、臂架、大拉桿、活動(dòng)配重、人字架、轉(zhuǎn)柱、門腿等位置共13個(gè)點(diǎn)布置應(yīng)力片，如圖1所示。分別采用空載、30 t載荷、60 t載荷測(cè)試起重機(jī)的應(yīng)力變化，并進(jìn)行記錄分析。

圖1 某60 t門座式起重機(jī)應(yīng)力片布置

從記錄數(shù)據(jù)中可分析出受力最大構(gòu)件、測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)(拉)應(yīng)力值、人字架對(duì)稱測(cè)點(diǎn)受力是否對(duì)稱、轉(zhuǎn)柱對(duì)稱測(cè)點(diǎn)受力是否對(duì)稱。依據(jù)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)載荷規(guī)定，根據(jù)測(cè)試環(huán)境、風(fēng)載等，選擇強(qiáng)度安全系數(shù)及主結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，并與測(cè)點(diǎn)響應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，判斷是否滿足靜、動(dòng)強(qiáng)度要求。

方法3：金屬結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命計(jì)算。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和歷史資料統(tǒng)計(jì)載荷譜數(shù)據(jù)、模擬實(shí)際工作循環(huán)的實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)，利用大型有限元疲勞壽命分析軟件，輸入典型載荷譜和起重機(jī)材料的S-N曲線等疲勞特性參數(shù)，綜合考慮起重機(jī)的實(shí)際使用環(huán)境和材料劣化等因素，并以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的載荷譜，最終可估算結(jié)構(gòu)剩余安全使用期限。

2.3 采用鋼絲繩在線檢測(cè)技術(shù)

鋼絲繩復(fù)雜的繩股結(jié)構(gòu)及惡劣的工作環(huán)境使其在使用中易于產(chǎn)生磨損、銹蝕、疲勞、斷絲等損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，造成安全隱患[4]。船廠常規(guī)的鋼絲繩檢查以目測(cè)為主，無(wú)法判斷內(nèi)部損傷。

科尼起重機(jī)公司、洛陽(yáng)威爾若普檢測(cè)技術(shù)有限公司等研發(fā)的便攜式鋼絲繩探傷儀，可對(duì)由內(nèi)外部各種損傷導(dǎo)致的鋼絲繩實(shí)際承載金屬有效截面積損失進(jìn)行檢測(cè)，定量評(píng)估被測(cè)鋼絲繩的使用壽命。通過(guò)安裝于鋼絲繩探傷儀內(nèi)的專用軟件，輔助實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)過(guò)程中的檢測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定、實(shí)時(shí)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)處理、信息檢索、內(nèi)存管理和儀器自檢。檢測(cè)完成無(wú)須進(jìn)行人工分析，連接PC機(jī)及打印機(jī)即可打印檢測(cè)結(jié)果報(bào)告。目前，該類探傷儀在煤礦、港口、旅游索道等方面已有較為廣泛的應(yīng)用，但在船舶行業(yè)應(yīng)用較少，將其稍加改動(dòng)可較好地應(yīng)用于船廠大型起重機(jī)械鋼絲繩的在線檢測(cè)，將大幅提高鋼絲繩檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，有效保障船廠吊裝作業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 船廠大型起重機(jī)械安全運(yùn)行保障應(yīng)對(duì)建議

3.1 建立技術(shù)支援團(tuán)隊(duì)和專家?guī)?/h3>

國(guó)內(nèi)船廠大型起重機(jī)械管理普遍存在人才短缺問(wèn)題。受限于經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，船廠無(wú)法聘請(qǐng)足夠的專業(yè)技術(shù)人員，現(xiàn)有人員只能滿足常規(guī)管理工作，對(duì)于全面檢查維保缺乏足夠時(shí)間和相應(yīng)能力。因此，結(jié)合實(shí)際情況，應(yīng)出臺(tái)政策鼓勵(lì)組建更多的專業(yè)化團(tuán)隊(duì)，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)資源，建立專業(yè)全面的船廠大型起重機(jī)械技術(shù)保障機(jī)制，定期組織對(duì)各船廠進(jìn)行檢查，并培訓(xùn)指導(dǎo)各船廠管理人員，提升大型起重機(jī)械安全運(yùn)行保障的行業(yè)整體水平。

國(guó)內(nèi)船廠起重機(jī)方面專家較少，甚至一些船廠沒(méi)有該方面專家，面對(duì)大型起重機(jī)械相關(guān)的疑難問(wèn)題，大多數(shù)船廠缺少辦法，因此建議整合全行業(yè)力量，以有關(guān)部門或特檢機(jī)構(gòu)為依托，成立大型起重機(jī)械領(lǐng)域?qū)＜規(guī)?，為全行業(yè)提供疑難問(wèn)題的在線/現(xiàn)場(chǎng)咨詢指導(dǎo)。

3.2 建立統(tǒng)一的檢查維保和報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)

以《起重機(jī)械安全規(guī)程》為指導(dǎo)，借鑒國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合船廠大型起重機(jī)械技術(shù)和管理現(xiàn)狀，以兼容性、全面性、可執(zhí)行性為原則，集合船廠、特檢機(jī)構(gòu)、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)專家力量，編制行業(yè)統(tǒng)一的“大型起重機(jī)械關(guān)鍵部件檢查維保和報(bào)廢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，為船廠大型起重機(jī)械關(guān)鍵部件的檢查維保和報(bào)廢提供技術(shù)指導(dǎo)，為保障大型起重機(jī)械安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

3.3 逐步完善安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)定，自2015年底開始，所有在用大型起重機(jī)械必須配備安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)和記錄運(yùn)行狀態(tài)、額定性能和風(fēng)險(xiǎn)因素。但各船廠對(duì)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的使用并不充分，只有司機(jī)可實(shí)時(shí)看到相關(guān)功能參數(shù)。建議各船廠以現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)裝備為抓手，研究完善大型起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理運(yùn)行狀況，并做好數(shù)據(jù)的分析和整理工作，引入、利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行監(jiān)控、管理。

3.4 研發(fā)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

大型起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等已較為成熟，但目前以定期檢測(cè)形式實(shí)施，對(duì)于高負(fù)荷、高頻次運(yùn)轉(zhuǎn)使用的大型起重機(jī)械是不夠的。建議利用現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)大型起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)健康檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)、運(yùn)行中的健康問(wèn)題，結(jié)合人工智能技術(shù)提供預(yù)防性維護(hù)方案，同時(shí)為生產(chǎn)計(jì)劃和使用計(jì)劃的調(diào)整提供高效合理的方案。

3.5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方法

針對(duì)船廠老舊大型起重機(jī)械，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、安全檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法安裝使用，降頻、降量的使用方法無(wú)法保證其運(yùn)行安全，因此需要研究?jī)?yōu)化現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方案，加大應(yīng)用力度，定期進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康評(píng)估，測(cè)試、計(jì)算剩余使用年限，為老舊大型起重機(jī)械的使用、大修、報(bào)廢提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)造船工業(yè)走上快速發(fā)展的軌道，各大主力船廠承接的船舶噸位從幾萬(wàn)噸發(fā)展到幾十萬(wàn)噸，年造船能力也普遍躍上百萬(wàn)噸級(jí)。為提高生產(chǎn)效率，縮短建造周期，各船廠大力推進(jìn)分段預(yù)舾裝及分段總組工作，使總段的重量和規(guī)格尺寸越來(lái)越大，而大型起重機(jī)械的跨度、起升高度和提升重量也隨之增加。大型起重機(jī)械的運(yùn)行情況直接影響船廠的經(jīng)營(yíng)管理和效益水平。

由于船廠大型起重機(jī)械的特殊性，在其運(yùn)行及管理中存在諸多困難與問(wèn)題。為保障大型起重機(jī)械的安全運(yùn)行，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，研究分析所面臨的問(wèn)題并提出相應(yīng)的對(duì)策建議，將有效提升船廠本質(zhì)安全水平，保障船廠的安全和平穩(wěn)發(fā)展。