HAZOP分析在新型轮胎式门式起重机安全防护系统上的应用

吴占稳 黄重阳 王逢秋 刘 渊 李 恒

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.国家市场监管重点实验室（特种设备安全与节能） 北京 100029）

（3.同济大学 机械与能源工程学院 上海 201804）

随着我国现代工业的发展，起重机械的应用范围越来越广[1]。截至2020年，全国的起重机械总数量达253.84万台。然而，由于国内在其实际安全管理运行中的滞后，也带来了较高的安全隐患风险。起重机械引起的事故主要是撞击和剪切、机器及物品坠落、整机倒塌等，尤其是门式起重机和流动式起重机，事故发生频率最高，伤亡人数占起重机械总伤亡人数的49%[2]，所占总体事故比重也相对较大。所以，为降低特种设备行业风险，必须要保障起重机械的运行安全。

分析事故起因，基本是由于操作人员的误操作与违章作业、设备零部件的自身缺陷与保护装置的失效、维护管理人员的安全管理不到位与松散以及恶劣作业环境的影响等不和谐的因素互相作用[3]，导致起重机所积聚的高危能量骤然释放，进而造成人身伤害以及设备故障。而以上原因大多可归结为国内安全理论保障的滞后。安全防护系统作为起重机运行必不可缺的一环，在保障运行中起到了重要作用，因此本文从安全防护系统的设备安全性、操作安全性着手，基于HAZOP分析理论，将起重机作业过程划分成4个一级单元，若干个二级单元，以及作为安全系统基础的三级单元，通过引导词确定偏差并对以制动系统和小车缓冲系统为代表的起重机安全防护系统进行HAZOP分析，确定可能产生的后果及其原因。查找安全隐患，最大限度地辨识危险源，并对其提出相应的应对措施，力求降低事故风险。

1 新型RTG安全防护系统

21世纪以来，由于工业生产的需要，RTG额定载重不断加大，且愈加倾向于高速及智能化，此外，又由于客户需求过高导致RTG的重量大幅提高，更易产生恶劣工况，进一步损耗各个机构，因此对于新型RTG，在开发新机型过程中，发展智能制动器就显得尤为必要。为应对大质量带来的制动惯性及其所伴随的负面效应，对新型RTG在如下两方面进行改进。一方面改进结构，采用轻型化设计，改变结构型式，减轻移动载荷重量，如优化钢结构，采用轻型吊具，将驱动机构搬离小车置于门框金属结构上，见图1；此外，一些部件是新开发的装置，所以需要更加注意其安全特性以防止意外发生；结构上也需要关注结构节点破坏问题，所以开发新型包容式节点，同时也防止新结构节点问题。另一方面提升安全防护系统性能，如应用所开发的智能型制动器使得中间制动过程可控，但是对于既是安全防护系统又是工作装置的制动器，还需根据安全分级需要，细化制动器设计选型要求，从制动机理出发研究各部分安全影响，继续深入的研究，改进牵引式小车防摇及缓冲功能。因此，本文的HAZOP分析将着重于这2项安全防护系统的组成部分的改进。

图1 新型RTG驱动系统

现有的RTG具有较大的运动惯性，但是传统制动器的制动时间短，制动力矩时常过大，无法逐渐消耗制动能量，导致紧停制动，造成传动链的损坏甚至碰撞事故。与之相对的智能型制动器，通过嵌入式控制器以及变频器，调整输入电流频率进而调整电液推动器的驱动电机转速，实现电液推动器推动力的改变。通过ECU程序指令，变频器输出不同的电源频率以及持续时间，可以使制动摩擦材料不是瞬时一次压向制动盘，而是逐步闭合锁紧制动盘，实现有级或是无级的制动过程[4]，将原来只有开启和闭合2项功能的传统电液常闭式制动器，变成中间过程可根据需要控制的智能型制动器。实现了制动过程中制动力和制动时间的控制，可以使制动过程平稳。类似的还有电磁式等智能型制动方式。

牵引式小车则通过钢丝绳的牵引实现起升运动和沿轨道运行。为实现这2种运动，使用差动的方式驱动钢丝绳沿不同方向、不同速度运动以实现起吊集装箱以及小车运行两大功能，并利用八绳来实现防摇。

2 HAZOP分析

HAZOP是基于系统工程的结构化风险分析工具，主要用于研究并寻找生产设备和生产过程中的危害及其产生的原因。通过分析工艺参数在生产过程中的变化，控制产生的偏差，以及这些变化和偏差对系统的影响和可能的后果，来最大化地避免管理的盲点，以提高工作效率，简化工作流程。最后，通过寻找原因，识别设备中存在的危险源，并对相应的后果提出应对措施。HAZOP分析流程图[5]如图2所示。

图2 HAZOP分析流程图

3 新型RTG的HAZOP分析过程及其结果

3.1 人员准备

HAZOP分析小组的建立是工作开启的首要环节。本次HAZOP分析小组由1位负责人、1位记录人、2位专业设计师构成。负责人为与本项目无关的第三方单位资深专家，具有丰富的HAZOP分析经验，在港口装备应用一线，并具有特种设备检验检测经历，统筹HAZOP分析工作，是保障HAZOP分析工作完成的重中之重。记录者为全程参与此项目的员工。专业设计师为项目设计部门项目总体设计人员和生产制造部门工艺设计人员，负责提出并分析问题，以及HAZOP建议的跟踪和关闭、进度报告编写、督促和整改。

3.2 资料准备

在项目建设阶段，HAZOP分析的主要资料有PID图、工艺流程图（PFD）、以往事故信息等。

其中PID是重中之重，PID图应当用简单的线条勾画出设备功能组成。所有的传感器和仪表均应以标准图例和分类编号绘制。本起重机的PID图主要由小车起升-行走机构、大车行走机构、动力发电机构、金属结构4个部分构成。这也是本文HAZOP分析的4个一级单元，这4个部分也基本构成起重机整体。门式起重机PID图见图3。

图3 门式起重机PID图

小车起升-行走机构PID图见图4，根据常规的安全需要，小车行走和起升机构的轨道两端分别安装了超行程限位开关、上升和下降限位开关和抓斗限速开关。为了保证小车运行到设计时的最大行程位置时能够停止运行，主要是通过运行极限位置限位开关触发动作；当抓斗运行到接近设计时的最大行程位置时，抓斗限速开关触发动作，抓斗开始减速运行，直到下一动作触发上升和下降限位开关，当抓斗超载时，超载限制器开关打开；运行极限位置限位开关是在小车运行位置超出设计时的最大行程位置时打开，与之一并打开的还有缓冲器开关。

图4 小车起升-行走机构PID图

大车行走机构PID图见图5，在大车运行机构的安全防护系统中，在大车的两端装有2个相互对称的超行程限位开关、停止限位开关和减速限位开关。为了保证大车运行到设计时的最大行程位置时能够停止运行，主要是通过停止限位开关触发动作；大车运行到设计最大行程位置附近时，减速限位开关触发，大车减速，直到下一动作触发停止限位系统；超行程限位开关是在停止限位开关失效后开始起作用，且大车运行位置超出设计时的最大行程位置[6]。此外，还有胎压检测开关用以监测轮胎状态，制动力检测开关和制动器开关帮助大车制动。

图5 大车行走机构PID图

3.3 HAZOP分析过程

HAZOP分析首先需要划分节点，接着根据引导词分析节点，最后跟踪、关闭。对于轮胎式门式起重机，由于其结构庞大，组成复杂，整体分析困难，所以依据设备组成划分节点，逐级分析。

根据RTG的机构组成，按照 HAZOP 方法对RTG进行单元划分，将其划分为一级单元、二级单元和三级单元，见表1。

表1 HAZOP节点划分

HAZOP 分析单元划分完成，将二级单元中的制动系统与小车缓冲系统作为分析节点，选取偏移、失效等作为 HAZOP 分析引导词，根据引导词确定HAZOP分析模型中的偏差并进行分析，确定偏差起因及其后果，制定对应的安全控制措施。分析结果见表 2、表 3。

表2 制动系统HAZOP分析结果

表3 小车缓冲系统HAZOP分析结果

3.4 HAZOP分析建议与措施

结合RTG实际使用情况以及本次分析所得到的2个安全防护系统HAZOP结果，笔者建议从软件、硬件两方面入手降低危险源的发生概率，提高RTG的运行可靠性。

一方面优化控制过程，从基于SIL分级的功能安全方法入手，对于影响制动的关键因素，诸如智能驱动器的频率、小车吊装重量与吊装频率进行优化，以降低制动风险，提高制动可靠性。对智能制动器来说，由于是全新产品，可以从智能制动原理出发，通过研究获得频率与制动力关系。但是，由于各种不确定因素及杠杆影响，此关系并非单纯的线性关系，因此，在通过多台制动器实验基础上，提取频率-制动力数据，确定各频率下的制动力分布函数，建立数学模型，并基于SIL等级，获得了最优的制动器工作频率区间，优化后的频率-可靠度曲线如图6所示[7]，蓝色点划线为各SIL等级对应的可靠度，红色线条为频率曲线。通过优化结果，可见SIL等级越高，制动频率区间越窄，其整体偏向低频区间，从而为保障安全提供强有力设计依据。目前针对不同制动器进行类似实验，已成功实现在最优制动时间的情况下降低制动冲击，进而提高制动可靠性。

图6 频率-可靠度曲线

另一方面从结构出发，增加冗余结构，诸如限位、限速开关等，以保障单个开关失效情况下的RTG的安全运行，或者同样基于SIL等级对硬件的可靠性进行优化，如小车缓冲器橡胶材料、大车小车制动器的制动材料。

动力发电机构功能较为单一，主要由驱动电机与供电系统组成。为保证电路安全可靠，供电系统安装有电源稳定装置用以稳定电源输出，防止欠压过压、电流过大以及电压波动等突发情况，此外还有功率监测系统，用以保证功率安全。为保证电机运行安全，防止过载、堵转、缺相等电机运行异常状态的发生，采用电机保护装置。

金属结构组成除了保证静强度外，主要采用桁架结构，桁架接头采用包容式节点，以提高节点抗疲劳性能。包容式节点由于是鼓包状的，因此，大大增加了用于焊接腹杆的区域面积，实验研究发现其降低了应力集中系数，只有常规相贯节点的1/3。此外，对于相同截面尺寸的腹杆，包容式节点的相贯线长度变得更长，这就提高了节点的承载能力。根据类似的其他性能参数，建立了失效分布函数以及功能安全函数，最终确定了安全等级，发现包容式节点增强了桁架结构的安全性和可靠性，进一步保障了结构安全[8-9]。

4 结束语

通过HAZOP研究，辨识出了RTG在安全防护系统上的潜在风险，并提出2个方面的建议，即提高硬件设备SIL等级、改良桁架结构等，为其安全运行提供了指导。总之，在大型轮胎式门式起重机上开展HAZOP分析，可以为其设计和使用提供支撑，大幅提高其安全性和可靠性。