劉曉君，丁東華，崔宗偉，時均蓮，王鼎，田立彬，侯俊民

（1.海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部；2.海洋石油工程股份有限公司規(guī)劃計劃部；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津300450）

起重船是海洋工程開發(fā)建設(shè)過程中的重大工程裝備，其船舶起重機是海上模塊、導(dǎo)管架等大型結(jié)構(gòu)物的吊裝作業(yè)的核心設(shè)備。在海洋潮濕的環(huán)境下，頻繁的使用起重機并隨著服役時間的增加，船舶起重機的機械零部件、電氣控制元件、鋼結(jié)構(gòu)等均會出現(xiàn)不同程度的損壞，表現(xiàn)為松動、發(fā)熱、腐蝕、磨損、斷裂、變形等不同形式的失效模式并引發(fā)故障，其安全性能逐漸下降，影響其安全使用和壽命。采用可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance簡稱“RCM”）方法對起重機各種故障和風險進行分析，并采取相應(yīng)的維護預(yù)防措施，有效防止重大故障和風險的發(fā)生。

1 RCM方法應(yīng)用及分析過程

圖1 RCM分析技術(shù)路線圖

1.1 RCM分析前的準備工作

首先確定船舶起重機設(shè)備邊界，并對起重機設(shè)備進行單元劃分。設(shè)備邊界定義后，就應(yīng)在其邊界范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)收集。可靠性數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)的置信度以及以后任何分析結(jié)果的置信度都取決于采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.2 船舶起重機RCM分析過程

1.2.1 建立設(shè)備臺賬并對設(shè)備進行篩選

設(shè)備設(shè)施臺賬按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的順序登記，并符合功能位置原則以便于分析。設(shè)備篩選按系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備的順序進行，評估設(shè)備的重要程度。評估設(shè)備重要度通常采用風險等級法和綜合打分法。

1.2.2 開展船舶起重機FMECA分析

確定船舶起重機設(shè)備邊界和劃分單元后，開始失效模式、影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)。對于每一種故障模式進行風險分析，確定其風險的大小。

1.2.3 制定維修策略和維修任務(wù)

設(shè)備的失效模式和失效原因確定之后，針對具體的失效原因選擇相應(yīng)的維修策略和維修工作內(nèi)容。維修策略的選擇依據(jù)RCM邏輯決斷圖進行。通過對船舶起重機設(shè)備功能的每一個失效原因進行邏輯決斷分析，尋找出相應(yīng)有效的維修策略、維修工作內(nèi)容、所需要的工種和維修間隔期等。

維修策略分為4個方面：預(yù)測性維修、預(yù)防性維修、故障查找和一次性變更，具體的維修任務(wù)包括視情況維修任務(wù)、定期恢復(fù)任務(wù)、定期報廢任務(wù)、機會恢復(fù)任務(wù)、機會報廢任務(wù)、定期測試任務(wù)、定期試驗任務(wù)、糾正性維修任務(wù)等。

2 船舶起重機關(guān)鍵部件故障預(yù)防措施

在船舶起重機實施RCM方法的過程中，基于風險分析理論以及生產(chǎn)經(jīng)驗確定起重機的滑輪組、鋼絲繩、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、以及鉤頭、扒桿桿件為起重機的關(guān)鍵機械部件，是設(shè)備管理者重點管控的機械部件。

2.1 滑輪組故障模式分析及預(yù)防措施

2.1.1 故障模式

滑輪作為起重機重要的部件，由輻板、輪轂、筋板、鉚釘、無縫鋼管等組成，由于鋼絲繩與滑輪繩槽復(fù)雜的接觸情況，滑輪繩槽底部出現(xiàn)壓痕磨損、輪緣大變形等問題，為生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。

滑輪組主要故障模式包括滑輪組軸承損壞、滑輪油道堵塞、滑輪外緣磨損、滑輪本體損壞。

2.1.2 故障原因分析

滑輪系統(tǒng)損傷：由于起重機滑輪系統(tǒng)的損傷是隨時間變化的漸變過程，因為滾動體或者保持架的損壞是起重機多次應(yīng)用后載荷累計作用導(dǎo)致的現(xiàn)象。累積損傷可以通過傳感器實時監(jiān)測設(shè)備局部的特征信號（如振動、溫度等）加以識別。即，可以通過信號采集的方式實時監(jiān)測滑輪系統(tǒng)的狀態(tài)，記錄易損部件的性能演變過程，指導(dǎo)設(shè)備維護人員在相關(guān)部件損壞前進行保養(yǎng)或者更換。

設(shè)計問題：如果不是累積損傷，那么歸屬于設(shè)計問題，滑輪存在設(shè)計缺陷，若軸承配合間隙配合，拆開滑輪后軸承將掉出，正常應(yīng)為過度配合，從而導(dǎo)致滑輪故障。

潤滑問題：滑輪潤滑不良油口堵塞會導(dǎo)致滑輪軸磨損，從而更換滑輪軸，變幅小輪滑輪內(nèi)外緣磨損，由于磨損而更換，滑輪本體修復(fù)補焊。

2.1.3 預(yù)防措施

對滑輪系統(tǒng)進行失效模式及影響分析，根據(jù)以往發(fā)生過的故障，確定其失效周期，結(jié)合滑輪組的潤滑、保養(yǎng)以及使用情況，分析損壞潛在原因，有針對性地制定有效的維護保養(yǎng)方式，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場安裝情況，看是否具備安裝監(jiān)測裝置的條件等，找到滑輪組的最薄弱環(huán)節(jié)，制定預(yù)防監(jiān)測方案。如增加攝像頭，對滑輪潤滑油路定期保養(yǎng)，對新購置的滑輪進行表面硬度測試等，以降低故障及風險的發(fā)生，從而增加滑輪運行的可靠性。

2.2 鋼絲繩故障分析及預(yù)防措施

2.2.1 故障模式及原因分析

起重機鋼絲繩是重要傳動部件，包括提升鋼絲繩和變幅鋼絲繩，鋼絲繩故障模式包括磨損、斷絲、斷股、拉斷、腐蝕等。鋼絲繩的選型不當，滾筒繩槽設(shè)計，以及鋼絲繩本身質(zhì)量、環(huán)境腐蝕，受到外力作用等都是鋼絲繩損壞的重要原因。

2.2.2 預(yù)防措施

（1）起重機作業(yè)時吊載不要超過額定載荷，對鋼絲繩進行定期的潤滑，盡量避免鋼絲繩受到突然的沖擊力，選擇質(zhì)量可靠的鋼絲繩；

（2）對于長度比較長，比較粗的起升鋼絲繩，因其更換成本比較昂貴，除了進行常規(guī)保養(yǎng)外，可以對其進行疲勞壽命監(jiān)測。開發(fā)鋼絲繩的壽命計算軟件，該軟件具備鋼絲繩強度校核功能、通過記錄吊載次數(shù)及噸位等參數(shù)，實時計算鋼絲繩的剩余壽命。

①建立鋼絲繩的有限元模型，依據(jù)標準規(guī)范仿真分析其在軸向拉伸和繞滑輪彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)有鋼絲繩的損傷檢測，同時根據(jù)起重機的服役記錄和鋼絲繩有限元分析結(jié)果，依據(jù) Miner 線性累積損傷理論進行鋼絲繩的疲勞壽命仿真分析，預(yù)測鋼絲繩的剩余壽命，為鋼絲繩的檢測和更換提供依據(jù)，節(jié)約成本。

②鋼絲繩失效模式進行分析，根據(jù)以往發(fā)生過的故障，結(jié)合吊載次數(shù)，分析其失效原因，計算鋼絲繩使用壽命，確定其失效周期。制定合理的更換周期，定期進行檢測。

2.3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的故障模式及預(yù)防措施

2.3.1 故障模式及原因分析

起重船起重機回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)軸承、保持架、內(nèi)外圈、滾道等組成，故障模式包括軸承鋼球磨損、滾道磨損、回轉(zhuǎn)間隙超標、回轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、異響等。因缺乏潤滑、疲勞或過載等原因可導(dǎo)致回轉(zhuǎn)機構(gòu)損壞。

2.3.2 預(yù)防措施

零部件的故障可以用更換零部件的方式進行解決，回轉(zhuǎn)機構(gòu)系統(tǒng)的故障可采用力學性能模擬仿真的方法。

基于有限元方法，建立起重機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)力學模型，可模擬軸承的滾柱/滾珠與保持架、內(nèi)圈、外圈的接觸關(guān)系。依據(jù)GB 3811 起重機設(shè)計規(guī)范等進行回轉(zhuǎn)系統(tǒng)載荷計算和不同工況下的強度計算和校核，同時進行疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的受力模擬仿真流程類似起重機整機力學性能分析流程，起重機整機力學性能分析重點研究起重臂、A型架、基座和連接部分的強度和疲勞性能，而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的力學分析重點對結(jié)構(gòu)易損/薄弱部件局部的力學性能進行分析和校核。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)的故障模式及預(yù)防措施

2.4.1 故障模式及原因分析

鉤頭、扒桿等鋼結(jié)構(gòu)件是起重機的關(guān)鍵受力部件，其主要故障模式為疲勞裂紋、彎曲變形、腐蝕。造成疲勞裂紋的主要原因是使用年限及頻次的增加，彎曲變形則是由于受到斜拉歪拽等不正當操作或外力的作用而產(chǎn)生的，腐蝕則是海上鹽霧雨水的侵蝕而造成，重要結(jié)構(gòu)件一旦出現(xiàn)故障將會使起重設(shè)備出現(xiàn)嚴重的安全隱患。

2.4.2 預(yù)防措施

對于主體結(jié)構(gòu)件，應(yīng)避免超載并定期進行探傷檢查；

建立主吊機整機力學性能分析模型，重點分析研究扒桿、A型架、基座和連接部分等處的強度和疲勞性能，從而找到扒桿等處的最大受力部位及薄弱環(huán)節(jié)，通過確認結(jié)構(gòu)的損傷機理來得出失效可能性大小，并確定損傷所造成的失效后果，進而計算出其風險大小，給出風險劃分的標準，有針對性地制定探傷方案；

針對處于高、中風險等級的桿件、焊縫確定其失效的機理和原因，針對失效機理和失效原因應(yīng)采取哪些應(yīng)對對策，即如何控制這些風險包括：日常操作使用中注意事項；針對結(jié)構(gòu)部分具體檢驗位置、檢驗周期、檢驗手段、檢驗技術(shù)要求、維修方案等。

3 結(jié)語

按照設(shè)備完整性管理的思路，通過對船舶起重機應(yīng)用RCM分析方法的應(yīng)用，對起重機各種故障和風險進行認真的梳理分析，并采取相應(yīng)的維護預(yù)防措施，結(jié)合在線監(jiān)測分析技術(shù)、離線監(jiān)測技術(shù)等手段將設(shè)備風險降低，對設(shè)備故障進行管理，使其減輕或者可控，最終達到設(shè)備健康運行的目的。尤其是對船舶起重機關(guān)鍵部件故障預(yù)防，可有效防止重大故障和風險的發(fā)生。