王文龍，胡敬銓，倪波濤，張曉曦，倪文進(jìn)

（1.福建誠(chéng)恒意建設(shè)有限公司，福建廈門，361026；2.永富建工集團(tuán)有限公司，福建福州，350108；3.福建省閩盛工程建設(shè)有限公司，福建福州，350108）

0 引言

塔式起重機(jī)作為建筑施工的重要象征與主要運(yùn)輸機(jī)械，在建筑業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。塔式起重機(jī)在的主要工作是：對(duì)指定的貨物在范圍很廣的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)送等，因此作業(yè)過程存在風(fēng)險(xiǎn)，所以，一旦在各個(gè)步驟流程上出現(xiàn)一點(diǎn)小差錯(cuò)，就容易引起事故。在實(shí)際工作中，如何提高塔式起重機(jī)的本質(zhì)安全，如何合理地使用和管理好塔式起重機(jī)，讓塔式起重機(jī)更好地發(fā)揮作用，是建筑業(yè)亟待解決的難題之一[1-2]。

安全裝置在塔機(jī)安全與可靠運(yùn)行中起著極為重要的作用，其中包括了起升限位器、載重力矩限制器、變幅限位器、錨定裝置、夾軌器、行程限位裝置、緩沖裝置、極限力矩聯(lián)軸器、防風(fēng)抗滑裝置、接地及避雷、警報(bào)信號(hào)、風(fēng)速儀、鐵鞋、頂軌器等[3]。以上有一部分裝置的主要作用是預(yù)防設(shè)備發(fā)生損壞，有一部分是為了保護(hù)工作人員。安全裝置能使事故發(fā)生時(shí)帶來的損失降低很多。通常工作人員無法察覺裝置發(fā)生了故障，如果設(shè)備在工作時(shí)對(duì)應(yīng)的安全裝置存在故障，這時(shí)設(shè)備發(fā)生了故障，則這個(gè)情況屬于多重故障。所以要是沒有一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)反映裝置當(dāng)前是否在正常工作，就只能通過人工檢查安全裝置是否起作用。如果檢查的次數(shù)太過頻繁，則會(huì)耗費(fèi)過多的物力和人力，而檢查次數(shù)太低又無法使安全裝置的可用度達(dá)到指標(biāo)。為此，考慮到安全裝置的重要性和安全性，并與具體企業(yè)對(duì)裝置可用度的規(guī)定相結(jié)合，確定安全裝置平均故障間隔時(shí)間（MTBF），然后經(jīng)過安全完整性等級(jí)（SIL－Safety Integrity Level）決定檢查裝置的頻率，對(duì)檢查周期開展理論分析和優(yōu)化使可用度達(dá)到要求。有效的防止發(fā)生事故。

1 SIL 技術(shù)

1.1 SIL 理論基礎(chǔ)

關(guān)于測(cè)試SIF（安全儀表功能）以及其他保護(hù)層的安全功能的一個(gè)指標(biāo)是安全完整性等級(jí)（SIL－Safety Integrity Level），只要設(shè)備設(shè)置可以接受的后果并預(yù)測(cè)必要的風(fēng)險(xiǎn)降低，就可以分配SIS（安全儀表系統(tǒng)）的安全完整性要求。

經(jīng)安全儀表功能的選擇，能有效地減少設(shè)備發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)了解設(shè)備運(yùn)行時(shí)的危險(xiǎn)程度有更深層的認(rèn)知，使設(shè)備的產(chǎn)出和投入達(dá)到最大化，同時(shí)在符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下對(duì)各安全裝置做出正確的選擇。安全功能能正常發(fā)揮作用的能力被稱為安全完整性，通過測(cè)試安全完整性可以評(píng)定對(duì)應(yīng)的級(jí)別。它基于PFD（Probability of Failure on Demand-反應(yīng)失效概率），用來測(cè)量一個(gè)特定的安全儀表功能。

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)的實(shí)用性、風(fēng)險(xiǎn)降低因子與安全度等級(jí)及相對(duì)應(yīng)的德國(guó)T?V 認(rèn)證等級(jí)如表1 所示。

表1 安全儀表系統(tǒng)的SIL 劃分（要求低的操作模式）

其中：

IEC：International Electrotechnical Commission-國(guó)際電工委員會(huì)；

ANSI/ISA：American National Standards Institute/The Instrumentation,Systems,and Automation Society-美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織/美國(guó)儀表系統(tǒng)與自動(dòng)化學(xué)會(huì)；

TüV：德國(guó)技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)；

DIN：德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 SIL 等級(jí)選擇

標(biāo)準(zhǔn)IEC61508 中對(duì)安全功能發(fā)生作用的次數(shù)進(jìn)行了規(guī)定：頻率為每年1 次或更少為低要求故障操作模式，該模式也是在工業(yè)中最廣泛的操作模式；頻率為每年兩次或更多為高要求操作模式，該模式在航空業(yè)等使用較多。安全等級(jí)在ISA 84.01 中的定義分為3 種，且其中只有關(guān)于低要求。IEC61508 中定義的SIL4 主要對(duì)于核工業(yè)。

考慮到具體的狀況，應(yīng)選用最符合的安全完整性等級(jí)：

（1）選用安全等級(jí)SIL1。裝置發(fā)生故障的概率很低，即使產(chǎn)生了故障，裝置和產(chǎn)品也之會(huì)有很小的損壞，短時(shí)間內(nèi)無法破壞環(huán)境也無法傷到工作人員，虧損的經(jīng)濟(jì)較??；

（2）選用安全等級(jí)SIL2。裝置有時(shí)會(huì)發(fā)生故障，發(fā)生了故障后，裝置和產(chǎn)品會(huì)有較大的損壞，同時(shí)有可能破壞環(huán)境和傷及工作人員，虧損的經(jīng)濟(jì)較大；

（3）選用安全等級(jí)SIL3。裝置發(fā)生故障的可能性比較大，而且一旦產(chǎn)生故障，裝置和產(chǎn)品等會(huì)有很大的損壞，同時(shí)容易破壞環(huán)境并對(duì)工作人員造成傷害，帶來的經(jīng)濟(jì)損失很大。

生產(chǎn)裝置間存在差異，且對(duì)應(yīng)的介質(zhì)等也有較多的差異，因此在安全標(biāo)準(zhǔn)中，不存在關(guān)于對(duì)選擇安全完整性等級(jí)精確的規(guī)定，很多情況下，由于缺少充足的條件使得安全完整性等級(jí)的選擇不合適，這樣降低的風(fēng)險(xiǎn)就不足或者會(huì)消耗過多費(fèi)用。通常可以根據(jù)事故發(fā)生帶來的風(fēng)險(xiǎn)和事故發(fā)生的概率來做一個(gè)定量的分析，最后確定安全完整性等級(jí)。

后果分析方法：使用時(shí)應(yīng)結(jié)合各個(gè)參數(shù)，例如：相關(guān)工程師對(duì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)造成的損失進(jìn)行估算的實(shí)力、工程師在以往發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)造成后果得到的數(shù)據(jù)、相關(guān)的機(jī)構(gòu)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)等，是屬于較保守的方法，沒有結(jié)合產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性，使用時(shí)容易。該方法在實(shí)際工業(yè)中也有很多不一樣的用法。

可能性分析法：這個(gè)方法主要是把流程中的事件拆成一個(gè)個(gè)基本事件，使得各事件充分短，因此根據(jù)以往的數(shù)據(jù)能較準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)生的可能性進(jìn)行估算。詳細(xì)的方法如下：統(tǒng)計(jì)分析法和故障延伸模型。其中故障延伸模型又可分解為：事件樹法、簡(jiǎn)化公式法，可靠性框圖，故障樹分析法、Markov 分析法。

2 理論分析

設(shè)備的安全裝置如果處在正常的壽命期時(shí)間之內(nèi)，失效速率函數(shù)是一個(gè)不會(huì)跟著時(shí)間改變的常數(shù)，它的失效率為λ(t)=λ，失效概率密度函數(shù)為f(t) =λeλt，失效累積概率密度為：

保護(hù)系統(tǒng)失效屬于隱藏狀態(tài)，因此當(dāng)設(shè)備失效時(shí)不會(huì)及時(shí)被察覺，無法及時(shí)調(diào)整。在一段時(shí)間內(nèi)一直不檢測(cè)的話，其發(fā)生失效的概率會(huì)逐漸趨向于1，如圖1 所顯示：

圖1 失效概率與故障檢測(cè)周期的關(guān)系[3]

要使裝置發(fā)生故障的概率在規(guī)定的范圍內(nèi)，可使用按時(shí)檢查的方式，如圖1(b)，檢查的周期為θ，若是檢查的結(jié)果都是正常的，就可使下個(gè)θ 的平均故障率達(dá)到要求，即在P0之下。

因此，一個(gè)有按時(shí)檢查的保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生失效的概率是在0到θ 的時(shí)間間隔內(nèi)P(t)的平均值PFD，見圖2(a)，可表示為：

圖2 PFD 與故障檢測(cè)周期的關(guān)系[4]

正常情況下λθ? 1，因此(1 -e-λθ) ≈λθ，（當(dāng)PFD<0.1時(shí)，誤差<3%，其近似值在可接受范圍內(nèi)。因?yàn)樗邪踩暾缘燃?jí)要求PFD<0.1，所以接近的結(jié)果是可接受的）[4]，見圖2(b)，則PFD 可表示為：

其中λ 表示發(fā)生故障的頻率，即一小時(shí)或者一年內(nèi)失效的次數(shù)，檢查的周期為θ，由公式（3）可以得出可用度與θ與MTBF 之間有很大的聯(lián)系。如果MTBF 為200 天，規(guī)定可用度為99.5%，如果θ 為兩天，即θ 為MTBF 的1%；當(dāng)可用度規(guī)定為99.5%和95%時(shí)，其θ 分別為MTBF 的5%和10%，見表2。

表2 可用度與故障檢測(cè)周期的關(guān)系[6]

3 優(yōu)化過程及運(yùn)算實(shí)例

3.1 優(yōu)化過程

安全裝置發(fā)生失效是無法避免的，在確定的安全裝置平均故障間隔時(shí)間（MTBF-Mean Time Between Failure）下，可以設(shè)置檢查的周期次數(shù)，使可用度達(dá)到要求。利用相關(guān)廠家、單位等的數(shù)據(jù)信息和有技術(shù)的操作人員可以得出平均故障間隔時(shí)間。

確定裝置θ 的步驟有三個(gè)：（1）設(shè)置允許發(fā)生的多重故障率；（2）分析計(jì)算指定的期間內(nèi)發(fā)生失效的概率；（3）確定同一時(shí)期內(nèi)，使多重故障帶來的損失減少到允許的范圍內(nèi)，使可用度達(dá)到要求。根據(jù)表2 安全儀表系統(tǒng)的SIL 劃分（要求低的操作模式），正常的起重屬于一般工業(yè)應(yīng)用，SIL 等級(jí)為1，其PDF 要求范圍為0.01～0.1。

3.2 實(shí)例運(yùn)算

分析塔式起重機(jī)起升上限位這個(gè)安全保護(hù)裝置：

（1）在起升次數(shù)到達(dá)10 萬次過程中，容許1 次超出在規(guī)定的范圍，即確定臂架超出起升上限位的容許的概率為10-5。

（2）當(dāng)沒有安全裝置時(shí)，操作手在5000 次的過程中，也許會(huì)發(fā)生1 次失誤，以致起升超出規(guī)定的范圍。

（3）按照條件保護(hù)裝置在每20 次的操作中，不能超過一次失效；即該保護(hù)功能的反應(yīng)失效概率PFD 必須小時(shí)5%，此時(shí)相應(yīng)的可用度在95%之上。

如果起升上限位裝置的MTBF 為300 天，則根據(jù)公式（3）得出θ 為30 天；即每間隔30 天做一次檢查的工作，就可使可用度在95%之上。如果限位裝置的MTBF 大于300 天，則可增加相應(yīng)的θ。

4 結(jié)語

對(duì)于安全裝置在塔式起重機(jī)中的重要性，并綜合考慮各具體單位對(duì)可用度的規(guī)定，在確定的安全裝置平均故障間隔時(shí)間（MTBF）下，通過SIL 計(jì)算出檢查的頻率，對(duì)檢查的周期進(jìn)行改進(jìn)，使安全裝置的可用度達(dá)到要求。