HAZOP分析在新型輪胎式門式起重機安全防護系統(tǒng)上的應用

吳占穩(wěn) 黃重陽 王逢秋 劉 淵 李 恒

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監(jiān)管重點實驗室（特種設備安全與節(jié)能） 北京 100029）

（3.同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804）

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

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)、設備零部件的自身缺陷與保護裝置的失效、維護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]，導致起重機所積聚的高危能量驟然釋放，進而造成人身傷害以及設備故障。而以上原因大多可歸結為國內安全理論保障的滯后。安全防護系統(tǒng)作為起重機運行必不可缺的一環(huán)，在保障運行中起到了重要作用，因此本文從安全防護系統(tǒng)的設備安全性、操作安全性著手，基于HAZOP分析理論，將起重機作業(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)基礎的三級單元，通過引導詞確定偏差并對以制動系統(tǒng)和小車緩沖系統(tǒng)為代表的起重機安全防護系統(tǒng)進行HAZOP分析，確定可能產生的后果及其原因。查找安全隱患，最大限度地辨識危險源，并對其提出相應的應對措施，力求降低事故風險。

1 新型RTG安全防護系統(tǒng)

21世紀以來，由于工業(yè)生產的需要，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致RTG的重量大幅提高，更易產生惡劣工況，進一步損耗各個機構，因此對于新型RTG，在開發(fā)新機型過程中，發(fā)展智能制動器就顯得尤為必要。為應對大質量帶來的制動慣性及其所伴隨的負面效應，對新型RTG在如下兩方面進行改進。一方面改進結構，采用輕型化設計，改變結構型式，減輕移動載荷重量，如優(yōu)化鋼結構，采用輕型吊具，將驅動機構搬離小車置于門框金屬結構上，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；結構上也需要關注結構節(jié)點破壞問題，所以開發(fā)新型包容式節(jié)點，同時也防止新結構節(jié)點問題。另一方面提升安全防護系統(tǒng)性能，如應用所開發(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，細化制動器設計選型要求，從制動機理出發(fā)研究各部分安全影響，繼續(xù)深入的研究，改進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項安全防護系統(tǒng)的組成部分的改進。

圖1 新型RTG驅動系統(tǒng)

現(xiàn)有的RTG具有較大的運動慣性，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，調整輸入電流頻率進而調整電液推動器的驅動電機轉速，實現(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現(xiàn)起升運動和沿軌道運行。為實現(xiàn)這2種運動，使用差動的方式驅動鋼絲繩沿不同方向、不同速度運動以實現(xiàn)起吊集裝箱以及小車運行兩大功能，并利用八繩來實現(xiàn)防搖。

2 HAZOP分析

HAZOP是基于系統(tǒng)工程的結構化風險分析工具，主要用于研究并尋找生產設備和生產過程中的危害及其產生的原因。通過分析工藝參數(shù)在生產過程中的變化，控制產生的偏差，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，以提高工作效率，簡化工作流程。最后，通過尋找原因，識別設備中存在的危險源，并對相應的后果提出應對措施。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分析過程及其結果

3.1 人員準備

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位負責人、1位記錄人、2位專業(yè)設計師構成。負責人為與本項目無關的第三方單位資深專家，具有豐富的HAZOP分析經驗，在港口裝備應用一線，并具有特種設備檢驗檢測經歷，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目的員工。專業(yè)設計師為項目設計部門項目總體設計人員和生產制造部門工藝設計人員，負責提出并分析問題，以及HAZOP建議的跟蹤和關閉、進度報告編寫、督促和整改。

3.2 資料準備

在項目建設階段，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圖應當用簡單的線條勾畫出設備功能組成。所有的傳感器和儀表均應以標準圖例和分類編號繪制。本起重機的PID圖主要由小車起升-行走機構、大車行走機構、動力發(fā)電機構、金屬結構4個部分構成。這也是本文HAZOP分析的4個一級單元，這4個部分也基本構成起重機整體。門式起重機PID圖見圖3。

圖3 門式起重機PID圖

小車起升-行走機構PID圖見圖4，根據(jù)常規(guī)的安全需要，小車行走和起升機構的軌道兩端分別安裝了超行程限位開關、上升和下降限位開關和抓斗限速開關。為了保證小車運行到設計時的最大行程位置時能夠停止運行，主要是通過運行極限位置限位開關觸發(fā)動作；當抓斗運行到接近設計時的最大行程位置時，抓斗限速開關觸發(fā)動作，抓斗開始減速運行，直到下一動作觸發(fā)上升和下降限位開關，當抓斗超載時，超載限制器開關打開；運行極限位置限位開關是在小車運行位置超出設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。

圖4 小車起升-行走機構PID圖

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

圖5 大車行走機構PID圖

3.3 HAZOP分析過程

HAZOP分析首先需要劃分節(jié)點，接著根據(jù)引導詞分析節(jié)點，最后跟蹤、關閉。對于輪胎式門式起重機，由于其結構龐大，組成復雜，整體分析困難，所以依據(jù)設備組成劃分節(jié)點，逐級分析。

根據(jù)RTG的機構組成，按照 HAZOP 方法對RTG進行單元劃分，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，選取偏移、失效等作為 HAZOP 分析引導詞，根據(jù)引導詞確定HAZOP分析模型中的偏差并進行分析，確定偏差起因及其后果，制定對應的安全控制措施。分析結果見表 2、表 3。

表2 制動系統(tǒng)HAZOP分析結果

表3 小車緩沖系統(tǒng)HAZOP分析結果

3.4 HAZOP分析建議與措施

結合RTG實際使用情況以及本次分析所得到的2個安全防護系統(tǒng)HAZOP結果，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，對于影響制動的關鍵因素，諸如智能驅動器的頻率、小車吊裝重量與吊裝頻率進行優(yōu)化，以降低制動風險，提高制動可靠性。對智能制動器來說，由于是全新產品，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系。但是，由于各種不確定因素及杠桿影響，此關系并非單純的線性關系，因此，在通過多臺制動器實驗基礎上，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]，藍色點劃線為各SIL等級對應的可靠度，紅色線條為頻率曲線。通過優(yōu)化結果，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有力設計依據(jù)。目前針對不同制動器進行類似實驗，已成功實現(xiàn)在最優(yōu)制動時間的情況下降低制動沖擊，進而提高制動可靠性。

圖6 頻率-可靠度曲線

另一方面從結構出發(fā)，增加冗余結構，諸如限位、限速開關等，以保障單個開關失效情況下的RTG的安全運行，或者同樣基于SIL等級對硬件的可靠性進行優(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)電機構功能較為單一，主要由驅動電機與供電系統(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。為保證電機運行安全，防止過載、堵轉、缺相等電機運行異常狀態(tài)的發(fā)生，采用電機保護裝置。

金屬結構組成除了保證靜強度外，主要采用桁架結構，桁架接頭采用包容式節(jié)點，以提高節(jié)點抗疲勞性能。包容式節(jié)點由于是鼓包狀的，因此，大大增加了用于焊接腹桿的區(qū)域面積，實驗研究發(fā)現(xiàn)其降低了應力集中系數(shù)，只有常規(guī)相貫節(jié)點的1/3。此外，對于相同截面尺寸的腹桿，包容式節(jié)點的相貫線長度變得更長，這就提高了節(jié)點的承載能力。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)點增強了桁架結構的安全性和可靠性，進一步保障了結構安全[8-9]。

4 結束語

通過HAZOP研究，辨識出了RTG在安全防護系統(tǒng)上的潛在風險，并提出2個方面的建議，即提高硬件設備SIL等級、改良桁架結構等，為其安全運行提供了指導?？傊诖笮洼喬ナ介T式起重機上開展HAZOP分析，可以為其設計和使用提供支撐，大幅提高其安全性和可靠性。