淺析起重機(jī)械安全保護(hù)裝置的功能安全

段治斌，牛宇峰

（山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院），山西 太原 030012）

起重機(jī)械被稱為工業(yè)的脊梁，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要裝備，廣泛應(yīng)用于冶金、造船、機(jī)械等行業(yè)。“十四五”規(guī)劃我國(guó)將發(fā)展重心轉(zhuǎn)向質(zhì)量，把人的生命財(cái)產(chǎn)安全作為第一位，但起重機(jī)械對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著非常大的危險(xiǎn)性。2020年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況通告中，起重機(jī)械事故死亡人數(shù)占所有特種設(shè)備事故死亡人數(shù)的29.25%，為各類設(shè)備死亡人數(shù)占比最大。起重機(jī)械被列入特種設(shè)備目錄，我國(guó)制定了一系列法律、法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其安全做出要求預(yù)防事故發(fā)生。

起重機(jī)械事故的發(fā)生一般是人的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)導(dǎo)致的。因此，國(guó)家對(duì)起重機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修、使用、報(bào)廢、檢查等各個(gè)方面都作出了安全規(guī)定。對(duì)于起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣都做出了安全要求。為了防止起重機(jī)械事故，還要求起重機(jī)械必須設(shè)置必要措施、安全防護(hù)裝置，用于限制起重機(jī)械的運(yùn)動(dòng)行程和工作位置、防止起重機(jī)械超載、防止起重機(jī)械傾翻和滑移、聯(lián)鎖保護(hù)等。TSG7015-2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》、GB6067《起重機(jī)安全規(guī)程》、GB17907《機(jī)械式停車設(shè)備通用安全要求》對(duì)各種起重機(jī)械需要設(shè)置的安全防護(hù)裝置和安全保護(hù)裝置的功能要求做出了規(guī)定。這種設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的安全保護(hù)功能的起重機(jī)安全相關(guān)系統(tǒng)，通常認(rèn)為就達(dá)到了安全。然而，由于起重機(jī)械本身結(jié)構(gòu)、硬件、軟件及其周圍環(huán)境等原因，不可避免地存在安全性問題，而且相關(guān)安全保護(hù)系統(tǒng)大多長(zhǎng)期處于被動(dòng)休眠狀態(tài)，往往不易發(fā)現(xiàn)它的缺陷，因此，安全保護(hù)裝置是否安裝，是否具有正確的功能非常重要，而且其執(zhí)行安全功能的可靠程度——安全性能或者說(shuō)是安全完整性等級(jí)（Safety Interity Level,SIL)也必須重視。而這些是現(xiàn)行的制造或管理所忽視的。

功能安全技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、鐵路、核電、機(jī)械、冶金、電梯、汽車等領(lǐng)域。在起重機(jī)械領(lǐng)域功能安全正成為熱點(diǎn)技術(shù)，孫遠(yuǎn)韜等研究了一種基于功能安全的起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。基于功能安全的起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)SIL劃分方法。

近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于建立風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制以保障特種設(shè)備安全的體系的建立正在進(jìn)行，急需功能安全標(biāo)準(zhǔn)體系中的先進(jìn)方法，完善我國(guó)起重機(jī)械的相關(guān)功能安全標(biāo)準(zhǔn)體系，為雙預(yù)防提供科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系支撐。

1 功能安全的概念

功能安全是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61508首先提出的一種全新的保障安全的原理與方法。在流程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、交通等安全相關(guān)控制領(lǐng)域，逐漸稱為普遍遵循的法則。下面介紹功能安全相關(guān)的基本概念。

（1）功能安全。整體安全中與EUC(Equipment Under Control,受控設(shè)備）和EUC控制系統(tǒng)相關(guān)部分，它取決于E/E/PE(Electrical/Electroin/Programmable Electronic，電氣/電子/可編程電子）安全相關(guān)系統(tǒng)和其它風(fēng)險(xiǎn)降低措施功能的正確行使。

（2）安全功能。針對(duì)特地的危險(xiǎn)事件，為實(shí)現(xiàn)或保持EUC的安全狀態(tài)，由E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)或其他分線降低措施實(shí)現(xiàn)的功能。安全功能的例子包括：在要求時(shí)執(zhí)行的功能，作為主動(dòng)行動(dòng)以避免危險(xiǎn)狀況（如關(guān)閉電機(jī)）；采取預(yù)防行為的功能（如防止馬達(dá)啟動(dòng)）。

（3）安全完整性。在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，在規(guī)定的條件下安全相關(guān)系統(tǒng)成功執(zhí)行規(guī)定的安全功能的概率。安全完整性越高，安全相關(guān)系統(tǒng)在要求時(shí)未能執(zhí)行規(guī)定的安全功能或未能達(dá)到規(guī)定的狀態(tài)的概率就越低。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種安全完整性水平。安全完整性由硬件安全完整性和系統(tǒng)安全完整性構(gòu)成（表1和圖1）。

圖1 安全完整性分配——安全相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)

表1 安全完整性等級(jí)

PFD安全防護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)安全完整性可通過(guò)式（1）計(jì)算。

式中，PFDavg為安全相關(guān)防護(hù)系統(tǒng)在要求時(shí)的平均危險(xiǎn)失效概率；Ft為一個(gè)可容忍危險(xiǎn)頻率；Fnp為安全相關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的要求率。

2 起重機(jī)械功能安全標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)行對(duì)電氣安全裝置的規(guī)定認(rèn)為，符合技術(shù)安全技術(shù)規(guī)范的要求，則不必考慮電氣安全裝置失效的可能性。雖然規(guī)定在日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)中對(duì)安全保護(hù)裝置功能的確認(rèn)，但不同設(shè)備使用場(chǎng)所環(huán)境惡劣、設(shè)備使用的繁重程度等不同，檢查和維護(hù)周期確定的科學(xué)依據(jù)缺失。在起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)起重機(jī)工作繁重程度不同，劃分出了不同的工作級(jí)別，相同主參數(shù)起重機(jī)械隨工作級(jí)別的提高，起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣的安全要求均需要提高，但安全保護(hù)裝置卻未提出不同要求的規(guī)定。

國(guó)內(nèi)外起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)只有少數(shù)提高功能安全，如GB7950-1999《臂架型起重機(jī)起重力矩限制器通用技術(shù)條件》中提出了力矩限制器可靠性指標(biāo)的要求，要求力矩限制器在產(chǎn)品規(guī)定的技術(shù)條件下使用，首次故障前平均工作時(shí)間為500h，可靠性試驗(yàn)時(shí)間為3000h。可靠度應(yīng)大于90%。力矩限制器的使用壽命應(yīng)為7500h。GB 5226.2-2002《機(jī)械安全 機(jī)械電氣設(shè)備第32部分：起重機(jī)械技術(shù)條件》中，對(duì)電子設(shè)備的要求指出，可編程序電子設(shè)備不應(yīng)用于緊急停車和/或緊急斷開功能。由于控制系統(tǒng)誤動(dòng)作而引發(fā)嚴(yán)重危險(xiǎn)的情況下，當(dāng)前人們還很難有把握地認(rèn)為，僅僅依靠可編程序電子設(shè)備的單通道的正確工作便是保險(xiǎn)的。在這一問題沒有得到解決之前，單純依賴這種單通道期間的正確工作是不明智的。EN 13135-1-2003Cranes -Safety; Design; Requirements for equipment - Part 1: Electrotechnical equipment中5.9軟件的功能安全 應(yīng)遵循EN60204-32:1998中9.5的規(guī)定。另外，要參照IEC61508的有關(guān)內(nèi)容。GB28526-2012/IEC62061：2005機(jī)械電氣安全安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全給出了直接接近或使用機(jī)器而造成人身危害風(fēng)險(xiǎn)的功能安全要求。起重機(jī)械領(lǐng)域功能安全的研究基于的都是功能安全領(lǐng)域的通用標(biāo)準(zhǔn)中的方法，起重機(jī)械有著自身的特點(diǎn)，我國(guó)目前又是起重機(jī)械的生產(chǎn)和使用最多的國(guó)家，起重機(jī)械領(lǐng)域的功能安全標(biāo)準(zhǔn)卻尚未形成具有自身特色的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，因此，將功能安全通用性的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為更好的適用于起重機(jī)械的功能安全標(biāo)準(zhǔn)十分重要。

3 結(jié)語(yǔ)

起重機(jī)械日益趨向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，其控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，使用場(chǎng)所通常環(huán)境惡劣、復(fù)雜多變，更加安全可靠的安全防護(hù)系統(tǒng)越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)外功能安全的通用標(biāo)準(zhǔn)和各領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)已有許多，但起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)涉及功能安全概念的只有個(gè)別，并未形成領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系。將功能安全的概念和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)引入，建立我國(guó)起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)功能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)保障特種設(shè)備安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要作用。