事故樹分析法在港機故障檢測中的應用

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.中國特種設備檢測研究院，北京 100013)

0 引 言

隨著加入世貿組織的不斷深入化，我國逐漸成為進出口貿易大國.據網上資料顯示，2012年前8個月，我國進口貿易額達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易順利進行的關鍵所在.但如今，經常聽到有關門座式起重機發生事故的報道，這些事故的發生，給國家帶來巨大的損失.港口門座式起重機這種結構復雜，體積龐大的裝載機械由于工作環境惡劣，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的危險源辨識，在事故發生前采取預防措施，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分析方法，是以人們對從結果推斷可能原因的思維方法為基礎而發展起來的分析方法，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生，通過一整套科學有效的方法找出對事故發生起作用的基本原因(基本事件)，即可實現對引發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

結合門座式起重機的工作環境以及事故案例[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).根據這兩種主要事故模式，共找出導致頂上事件發生的原因包括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容，其目的是分析該類型事故的發生規律及特點，經過專家討論分析找出控制事故的可行方案.其主要內容包括：求解事故樹的最小割集、基本事件的結構重要度以及制定預防事故的措施[6].

最小割集就是導致頂事件發生所必須的、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生的各種可能性，了解系統危險性，為事故預防和調查分析提供理論依據.由最小割集的定義知，每個最小割集就是頂事件發生的一種可能.因此，事故樹中有多少個最小割集，頂上事件的發生就有多少種可能，最小割集越多，頂事件發生的可能性就越多，系統就越危險[7].

結構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生概率相同)底事件發生概率的前提下分析底事件的發生對頂事件發生的影響程度.

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，運用布爾代數法化簡后得到事故樹的代數表達式：

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構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，占總數的36.18%，二階割集(包含兩個底事件的割集)63個，占總數的31.66%，三階割集(包含三個底事件的割集)55個，占總數的27.64%，四階割集(包含四個底事件的割集)4個，占總數的2.01%，五階割集(包含五個底事件的割集)0個，占總數的0.00%，六階割集(包含六個底事件的割集)2個，占總數的1.01%，七階割集(包含七個底事件的割集)3個，占總數的1.51%.因為每一個割集就是頂上事件發生的一種可能性，所以本事故樹頂上事件發生的可能性共有174種.而且，最小割集的階數越低，就越容易導致頂上事件發生.因此，事故樹中的72個一階割集為本事故樹的薄弱環節，應當引起管理人員的重視.

2.2 一階割集中底事件的結構重要度

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生的重大危險源(即一階割集)，計算它們的結構重要度，并對一階割集進行結構重要度排序，能夠看出這些重大危險源里面對系統可靠性影響的大小，以便維修保養人員更加注意這些環節.結構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構重要度.本事故樹一階割集的結構重要度如表2所示.

表2 一階割集結構重要度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構重要度的數值如表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生的基本事件，為重大危險源，而在這些重大危險源中，結構重要度值越高的，對頂上事件的影響就越大.所以，在預防類似事故發生時，就應該把這些事件作為重點防范對象.

2.3 事故樹定性分析結論與對策

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計、制造、安裝、維護保養及操作等環節.其中，設計、安裝及維護保養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個基本事件的結構重要度值較大，為本事故樹的主要重大危險源，應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)在有設計制造資質的前提下，嚴格按照門座式起重機的國家設計標準設計制造.保證各種受力部件的結構合理.

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)安裝的各個環節一定要符合安裝要求，確保在誤差范圍內精確安裝.

4)聘請有操作資歷且經驗豐富的操作人員操作.合理調運，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，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，以免交變應力導致裂紋擴展.

3 結 語

通過對門座式起重機可能發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生的一階割集72個，計算出其結構重要度并排序，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的預防及改進措施，為預防和避免門座式起重機此類事故發生提供了有力依據.從而保證其安全正常運行.

致謝

感謝中國特種設備檢測研究院提供的項目支持.

參考文獻：

[1] 中研普華報道.2012年1-8月我國進出口貿易額累計分析[EB/OL]. http://www.chinairn.com/news/20120912/948391.html.2012-09-12.

Import and export trade in China in August 1-2012 cumulative analysis[EB/OL].Zhongyan PWC http://www.chinairn.com/news/20120912/948391.html, report.2012-09-12.

[2] 景國勛,施式亮.系統安全評價與預測[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.

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[3] 龐旭東.門座式起重機的事故分析和安全管理[J].中國科技博覽,2010(34):521-522.

PANG Xu-dong. The portal crane accident analysis and security management[J]. China Science and Technology Review, 2010(34):521-522.(in Chinese)

[4] 王福錦.起重機械事故預防與故障分析[M].北京:北京理工大學出版社,2008.

WANG Fu-jing. Accident prevention and fault analysis of hoisting machinery[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2008.(in Chinese)

[5] 中國國家標準化管理委員會.GB7829. 故障樹分析程序[S].北京:中國國家標準出版社，1987.

China national standardization management committee.GB7829. Procedure for fault tree analysis[S].Beijing: China national standardization management Press，1987.(in Chinese)

[6] 樊運曉,羅云.系統安全工程[M].北京:化學工業出版社,2009.

FAN Yun-xiao, Luo Yun. System safety engineering[M].Beijing: Chemical Industry Press，2009.(in Chinese)

[7] 舒安慶,張鵬.門座式起重機臂架折斷故障樹分析與對策[J].武漢工程大學學報,2012,34(6):69-73.

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)