岸边集装箱起重机结构系统故障模式及其影响分析

2022-11-18秦仙蓉赵俊陆孙远韬

起重运输机械 2022年20期

秦仙蓉赵俊陆丁旭张氢孙远韬

同济大学机械与能源工程学院上海 201804

0 引言

岸边集装箱桥式起重机（以下简称岸桥）是码头前沿用于集装箱装卸的起重机，是港口的核心设备。岸桥发生故障不但会造成大量的经济损失，也会带来巨大安全隐患。疲劳断裂是岸桥金属结构断裂的主要形式，结构腐蚀、不正当的操作等也是故障发生的诱因。目前，有关于桥式起重机的故障分析研究大部分集中在起重机的局部结构上[1-4]，如钢丝绳、吊轨小车、吊钩、螺栓等，对于故障整体之间的关联分析较少。为此，本文以岸桥的结构系统作为出发点，对结构系统的组成以及故障模式进行分类，根据故障判定的相关准则，进行了故障原因及影响分析，最终构成结构系统的FMEA分析表。

1 岸桥结构构成及结构故障

岸桥结构系统构成了整个起重机的承载骨架，其健康状态直接影响着这个港口的安全运营。如图1所示，岸桥结构是典型的空间结构，主要由大梁系统、门框系统、拉杆系统、梯形架等组成。岸桥结构的承载性能主要用强度和刚度2个指标衡量，强度用于表征结构抵抗破坏的能力，刚度描述的是结构抵抗变形的能力，包括结构变形及因不同部件的变形而造成的不协调状态等。

在岸桥重大事故案例中，大部分事故由外部环境因素引发，如集装箱船舶的冲撞及突发阵风引起的大车防风装置失效等，而岸桥结构失效所致的事故同样存在，故岸桥的结构健康监测及其健康状态评估一直是岸桥设备方和港口管理方的重点关注对象。岸桥结构系统的故障主要有开裂、表面磨损、焊缝的脱焊与开焊、金属材料因工作环境影响引起的腐蚀与锈蚀、表层涂膜的剥离和部分连接件的脱落与松动等，具体情况如图1所示。

2 故障判定及故障原因分析

2.1 故障判定准则

岸桥金属结构部分的故障表现比较明显，可直接通过目测的方法进行[5]，如钢材发生较大的塑性变形、材料开裂、各部件连接处产生松动或位移等。部分故障因结构部件的尺寸发生变化而产生（如大变形、钢材的腐蚀、连接件的磨损等），这类故障会严重影响岸桥的安全以及正常运行，可根据其设计规范[6，7]的要求，通过停机监测来确定岸桥是否依然可安全运行，如连接处螺栓与销轴的松动与磨损、构件腐蚀、油漆剥离等会降低结构的强度，在受载时可能会因强度不足导致岸桥整体垮塌。此外，在实际运行中还有运营方根据实际经验给定的附加要求，如前后大梁截面腐蚀程度需要小于设计板厚的10%、油漆剥离面积需要小于整体面积的10%、前后大梁的最大挠度不超过L/350（L为梁的有效悬臂长度）、对称位置上拉杆间的强度差小于15%等。

焊缝、构件出现的裂纹会严重威胁到岸桥的安全，必要时需停机检测，进行结构表面探伤。为了不伤及结构，表面探伤采用无损探伤，常见的方法有磁粉、渗透探伤和超声波探伤等。磁粉检测操作简单、成本低，但对技术人员的经验要求较高；渗透检测可检测出裂纹在表面的分布情况，但对于裂纹的扩展情况较难确定；超声波探伤应用范围相对较广，线性超声波用于探测宏观的裂纹，而因材料疲劳产生的微裂纹采用非线性的超声波进行检测具有更高的灵敏度[8]。

当起重机工作时，为避免因负载振动引起共振，有些工况下需对结构部件的动刚度进行检验[9]。

2.2 故障原因分析

故障原因分析指的是分析人、环境、物理或化学因素等对故障各个约定层次的直接诱因与间接诱因，通过故障原因分析可在源头上开展有针对性地预防工作。故障原因基于不同的故障模式分类而不同，岸桥基本层面的故障原因主要有材料的裂纹、开裂；钢结构变形；焊缝；材料的锈蚀、涂层剥离；轮压；连接件等。

1）材料的裂纹、开裂应追溯其受冲击载荷、碰撞以及疲劳载荷的原因，此时应结合执行机构以及实际工况运转情况进行分析；

2）钢结构变形主要考虑承载是否超标、是否偏载严重等原因，也应注意实际工况中碰撞所致的变形；

3）焊缝探究焊接质量的监控以及焊缝处所受疲劳应力的原因，同时还应注意焊缝所体现的问题可能是多重故障模式传递而至，需判别其最初始的直接原因；

4）材料的锈蚀、涂层剥离这类故障模式多与其所处环境有关，主要原因有环境侵蚀、频繁摩擦或未做事先维护等；

5）轮压应考虑是否超载运行，同时监测是否受较强风侵袭；

6）连接件此为多重故障模式，其本身产生的原因可能是防松措施不到位、疲劳应力反复或材料自身磨损等。

故障模式的体现及原因的分析，往往是多重传递所致，故在分析故障影响时需要注意不同约定层次故障之间的关联影响问题。

影响岸桥正常运转的结构事故往往是多种故障相伴而生的，经过不同层次故障的传递和叠加会促进新故障的生成，如腐蚀和磨损会消减零部件的尺寸，从而降低材料的刚度，在施加相同载荷的情况下，经过腐蚀和磨损的结构会产生更大挠度的变形，由此可能会阻碍小车的正常运行。腐蚀和磨损还会降低整体的动刚度，吊装过程中不可避免地会产生振动，降低动刚度就意味着更容易发生共振造成整体结构垮塌。当结构各部件的连接部位发生磨损后，连接件强度降低更容易被破坏，较大的空隙更容易受到冲击载荷的影响致使连接材料断裂。当零部件的材料强度不均衡时，会因受力不均衡造成侧偏，还可能会在交变载荷作用下加速材料的疲劳，产生裂纹并不断扩展等。

3 构建故障模式效应分析表

故障模式效应分析（Failure Mode Effect Analysis，FMEA）是根据现有的资料和客户需求，系统分析故障结构，鉴别系统中每一个潜在的故障模式，分析引起故障的原因，建立一份完整的故障模式效应分析表格，然后利用统计方法进行相关分析[10]。在FMEA分析中，通常是根据风险优先数（Risk Priority Number，RPN）的大小来判断故障模式的影响严重程度[11]，一般RPN表示为故障危害度S、故障发生频度O和故障检测度D的乘积，即

RPN值越大，影响程度就越大。故障危害度S可以二次拆分为经济度、安全度与操作度，一般表示为三者的算术平均值。结合岸桥结构健康监测的实际经验与国家标准[12]，组成风险优先数RPN的因素按照程度不同分为10个等级，故障危害度S数值越大，代表评判岸桥结构实际故障模式的危害及其影响程度越大；故障检测度D越大表示发生此故障探测难度越高，故障发生频度O数值越大说明此类型故障发生越频繁。

基于岸桥的实际工程实践以及相关专家评判，形成的岸桥结构初始FMEA分析表如表1所示。FMEA表的评分应是动态变化的，在每个结构健康监测的时间节点，都应重新结合监测实际结果进行重新评分，推动FMEA分析的结果动态变化，从而动态反映岸桥结构健康状态的逐步演化。