水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)及流程

徐羅軍 徐 超 余橋芳 謝學武 余春梅

1湖北特種設備檢驗檢測研究院宜昌分院 宜昌 443000 2武漢先思科技有限公司 武漢 430000

0 引言

大型水工起重機械的安全評估是利用系統(tǒng)工程方法對在用設備在服役期間可能發(fā)生的危險事件的概率和嚴重性，利用數學方法和經驗進行檢測、分析、評價及預測，并根據可能發(fā)生的危險事件風險系數的大小提出相應的安全對策措施，以達到設備安全運行的過程。起重機械安全評估既是生產經營單位搞好安全生產的重要保障，也是政府部門對特種設備安全監(jiān)督管理的需要[1，2]。目前國內對于水工類起重機械安全評估還沒有統(tǒng)一的做法，相關標準也沒有明確的規(guī)定，如何科學合理地對這類起重機械進行安全評估，根據評估結果采取相應預防措施保證安全工作，是一個得到普遍關注但又未得到較好解決的問題。

1 水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)

本文以水工機械中常見的水工門式啟閉機作為研究對象，構建水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)，如圖1所示，安全評估系統(tǒng)由水工門式啟閉機失效模式研究、門機金屬結構載荷譜獲取及有限元分析仿真、應力測試、金屬結構疲勞壽命預測以及門式啟閉機的整機安全評估等方面組成。

圖1 水工門式啟閉機壽命及安全評估系統(tǒng)圖

2 水工門式啟閉機安全評估系統(tǒng)內容

1）查閱相關資料，研究水工用門式啟閉機的主要失效模式及其失效機理；

2）收集水工門式啟閉機整機設計圖紙、制造及焊接工藝、主要受力結構材料的機械性能，在考慮實際工況的前提下，基于現場測試與有限元仿真分析相結合的方法獲取啟閉機載荷譜；

3）通過確定的疲勞載荷模型，根據不同典型周期所對應的載荷譜而獲得的P-S-N曲線和疲勞累積損傷準則對結構的疲勞壽命及可靠性進行評估，估算結構的疲勞壽命；

4）引用風險的評估，利用風險矩陣法對水工門式啟閉機在使用過程中的安全管理、主要零部件、重要構件以及控制系統(tǒng)、安全保護裝置等各評估單元及項目發(fā)生危險的概率和發(fā)生危險后果的嚴重程度進行相應風險等級的劃分，最后通過整機的安全評級給出相應的使用檢測維修建議或計劃。

3 水工門式啟閉機整機安全評估原理

該項目引用基于風險法評估方法，根據設置各評估單元及項目發(fā)生危險的概率和發(fā)生危險后果的嚴重程度，利用風險矩陣對設備的各個評估單元和整機進行危險等級的劃分。對可預見的危險事件和在服役期間發(fā)生的頻次確定其嚴重程度和概率等級（見表1、表2）。將危險隱患的嚴重程度和概率等級進行組合，得到具體危險等級（見表3）。

表1 危險嚴重程度表

表2 危險概率等級表

結合水工門式啟閉機實際狀況，對不同的評估項目根據表3進行評級，然后根據表4對不同的評估項目進行賦值。

表3 矩陣法確定危險等級表

表4 危險等級賦值

對每一個評估項目根據危險等級進行賦值后，每個評估單元的安全狀況得分為

式中：Dj為第j個評估單元最終的安全狀況得分，Vi(i=1，…，n)為對應于該評估單元中的第i個評估項目的危險類別的賦值，n為一個評估單元中所有進行評估項目的個數。

在計算得到每一個評估單位的安全狀況得分后，整個設備進行安全狀況得分為

式中：Z為設備的整體安全情況綜合得分，m為評估單元個數，βj為j個評估單元的權重值。

4 水工門式啟閉機整機安全評估流程

水工門式啟閉機安全評估流程如圖2所示，在確定項目啟動后，對門式啟閉機的連接方式及其失效模式、失效機理進行研究，同時收集評估對象相應資料及信息，在考慮實際工況的前提下，基于現場測試與有限元仿真分析相結合的方法獲取啟閉機載荷譜，并利用相關理論及數學模型計算出主要金屬結構的剩余疲勞壽命，在此基礎上，對門式啟閉機進行評估單元的劃分，分別對水工門式啟閉機整機的設備管理、金屬結構、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全防護裝置等各評估單元及項目的傷害嚴重程度和傷害發(fā)生的概率進行風險等級的估計判定。根據判定結構出具安全評價報告，并給出相應的使用檢測維修建議或計劃，如果風險已減小或達到可接受的程度，則評估結束，如果風險未減小或仍不可接受，需重新進行減小或消除風險。

圖2 水工門式啟閉機壽命及安全評估流程圖

5 安全評估的實施

5.1 起重機械失效分析

在進行起重機械的安全評估前，有必要對起重機械的失效[3]進行分析研究，其失效形式可能是單一因素也可能是由多種因素復合造成的，且其失效形式多種多樣，失效的結構往往由一個宏觀表征現象體現。在起重機械服役期間，腐蝕和疲勞往往被認為是單一的過程，其導致的結果分別為金屬結構的腐蝕失效和結構的機械失效，具體表征為構件中裂紋的產生、擴展以至斷裂[4]。

在實際對起重機械作用過程中，疲勞和腐蝕是一組有協(xié)同效應的作用形式，2個因素相互增強，使得失效作用更普遍、更嚴重。特別是活性的腐蝕作用對周期疲勞有加強的作用，反過來周期的疲勞損失對腐蝕起到加劇的效果，所以在實際分析研究中，把腐蝕疲勞視作一種組合的失效。

5.2 基于Ansys的起重機械有限元分析

起重機械的有效工作年限主要取決于其金屬結構不發(fā)生疲勞破壞[5，6]，疲勞是金屬結構失效的重要影響因素之一[7，8]，疲勞破壞作用于結構上，其表征先是在結構某一部位產生裂紋，往往是出現在淺表面，在內部有缺陷的地方也易出現裂紋，把容易產生裂紋的地方稱為結構的危險區(qū)域[9]。在實際研究中，經常通過有限元分析計算對結構高危部位進行分析，其流程如圖3所示。

圖3 水工門式啟閉機金屬結構有限元分析流程圖

水工門式啟閉機由上部小車機構和下部門架鋼結構組成，為了使靜力學分析得到更好的精度和更快的求解速度，將水工門式啟閉機靜力學分析分解為上部小車結構和下部門架鋼結構的靜力學分析2部分進行。其中上部小車結構靜力學分析的三維模型僅包括上部小車結構的三維實體模型，下部門架鋼結構靜力學分析考慮到載荷施加的方便性和精準性，其三維模型包括了上部小車結構的4對輪組（見圖4）和下部門架鋼結構（見圖5）的三維實體模型，依次建立2個有限元分析項目。

圖4 小車結構有限元分析網絡圖

圖5 門架有限元分析網絡圖

水工門式啟閉機在正常工作下，經常會在不同的工況下工作，根據工作實際結合圖紙，在啟閉機小車項目和門架項目上分別施加不同工況下的載荷，如圖6、圖7所示。

圖6 小車項目的載荷

圖7 門架項目的載荷

靜力學分析的最后一步是在有限元項目中通過求解器進行求解分析，并利用后處理工具對求解結果進行分析，確定在每一種工況下水工門式啟閉機的最危險區(qū)域及最大等效應力值。小車項目和門架項目中Von Mises等效應力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 小車項目中Von Mises等效應力云圖

圖9 門架項目中Von Mises等效應力云圖

5.3 應力測試與載荷譜獲取

水工門式啟閉機的應力測試[9]是對其應力集中部位和受力不利部位選取測試點，在多種工況下對選取的測試點所受應力進行動態(tài)響應采集，并根據采集的數據進行計算分析。

有限元分析的應力應變結果顯示，啟閉機上部小車結構比下部門架鋼結構的最大應力、應變值高出很多，危險點一般出現在上部小車結構中，故測試的測試點均分布在上部小車結構中。根據啟閉機結構及工作特點，實驗的測試點均安排在小車結構對稱軸的一側，具體測點布置如圖10所示。

圖10 應變片布置情況概覽

要對水工門式啟閉機進行安全評估，獲取其危險部位應力譜是不可或缺的重要信息。通過對水工門式啟閉機的實際應力測量，可獲得置信度高的應力譜，其疲勞載荷譜的采集流程如圖11所示。

圖11 載荷譜采集流程

根據水工門式啟閉機實際工況，載荷譜的編輯采用雨流計數法，根據現場實測數據通過編輯后可得到不同受力點處的載荷譜，使得最終獲得的數據結果符合工程實際。

5.4 啟閉機金屬結構疲勞壽命計算

水工門式啟閉機在不同工況下，其主要受力結構件所受的應力各不相同，不論是國外還是國內都有很多學者對起重機金屬結構的剩余疲勞壽命進行研究，本文主要采用名義應力應變法和局部應力應變法對門式啟閉機的壽命進行評估，其主要流程如圖12所示。

圖12 啟閉機金屬結構疲勞壽命預測流程圖

5.5 水工門式啟閉機評估單元的劃分

根據評估系統(tǒng)構建的框架，結合水工門式啟閉機在使用過程中的具體情況，將整個門式啟閉機劃分為設備管理、金屬結構、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全保護裝置5個評估單元，并對每個評估單元進行詳細劃分。

1）設備管理子系統(tǒng)的評估單元 檔案、記錄等資料管理情況、零配件的更換及供應情況、使用頻繁程度、載荷情況、故障及維修情況；

2）金屬結構子系統(tǒng)的評估單元 結構強度、結構裂紋、結構變形、腐蝕、連接、靜剛度等；

3）主要零部件評估單元 專用吊梁、起升機構的卷筒、大小車車輪、滑輪組、減速器、起升鋼絲繩、電動機、聯(lián)軸器、制動器等；

4）電氣控制統(tǒng)的評估單元 工作電壓、控制電路、動力電路、電動機保護裝置等；

5）重要安全防護評估單元 設備的起升高度限位裝置、大車的行程限位開關、整機的超載保護裝置、各機構的聯(lián)鎖保護裝置、行程止擋裝置、緩沖器、電纜卷筒放纜終點開關等。

6 結語

對水工門式啟閉機進行系統(tǒng)安全評估，不僅要對相應的零部件和重要結構進行分析，還要對整機進行宏觀的分析評估。對零部件和重要結構檢測評估是對整機進行評估的基礎，也是整機評估的一部分，通過對零部件和重要結構的危險程度的分析判定，對各部件進行權重分配，最終實現對整機的安全情況的判定。在評估過程中不僅要求評估者具備相關知識和經驗，還要求獲取大量的安全數據。一套完善的評估系統(tǒng)及流程的確定對于評估工作有重要的參考作用。