刘晓君，丁东华，崔宗伟，时均莲，王鼎，田立彬，侯俊民

（1.海洋石油工程股份有限公司安装事业部；2.海洋石油工程股份有限公司规划计划部；3.中海油能源发展装备技术有限公司，天津300450）

起重船是海洋工程开发建设过程中的重大工程装备，其船舶起重机是海上模块、导管架等大型结构物的吊装作业的核心设备。在海洋潮湿的环境下，频繁的使用起重机并随着服役时间的增加，船舶起重机的机械零部件、电气控制元件、钢结构等均会出现不同程度的损坏，表现为松动、发热、腐蚀、磨损、断裂、变形等不同形式的失效模式并引发故障，其安全性能逐渐下降，影响其安全使用和寿命。采用可靠性为中心的维修（Reliability Centered Maintenance简称“RCM”）方法对起重机各种故障和风险进行分析，并采取相应的维护预防措施，有效防止重大故障和风险的发生。

1 RCM方法应用及分析过程

图1 RCM分析技术路线图

1.1 RCM分析前的准备工作

首先确定船舶起重机设备边界，并对起重机设备进行单元划分。设备边界定义后，就应在其边界范围内进行数据收集。可靠性数据和维修数据的置信度以及以后任何分析结果的置信度都取决于采集数据的质量。

1.2 船舶起重机RCM分析过程

1.2.1 建立设备台账并对设备进行筛选

设备设施台账按照系统、子系统和设备的顺序登记，并符合功能位置原则以便于分析。设备筛选按系统、子系统和设备的顺序进行，评估设备的重要程度。评估设备重要度通常采用风险等级法和综合打分法。

1.2.2 开展船舶起重机FMECA分析

确定船舶起重机设备边界和划分单元后，开始失效模式、影响及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)。对于每一种故障模式进行风险分析，确定其风险的大小。

1.2.3 制定维修策略和维修任务

设备的失效模式和失效原因确定之后，针对具体的失效原因选择相应的维修策略和维修工作内容。维修策略的选择依据RCM逻辑决断图进行。通过对船舶起重机设备功能的每一个失效原因进行逻辑决断分析，寻找出相应有效的维修策略、维修工作内容、所需要的工种和维修间隔期等。

维修策略分为4个方面：预测性维修、预防性维修、故障查找和一次性变更，具体的维修任务包括视情况维修任务、定期恢复任务、定期报废任务、机会恢复任务、机会报废任务、定期测试任务、定期试验任务、纠正性维修任务等。

2 船舶起重机关键部件故障预防措施

在船舶起重机实施RCM方法的过程中，基于风险分析理论以及生产经验确定起重机的滑轮组、钢丝绳、回转机构、以及钩头、扒杆杆件为起重机的关键机械部件，是设备管理者重点管控的机械部件。

2.1 滑轮组故障模式分析及预防措施

2.1.1 故障模式

滑轮作为起重机重要的部件，由辐板、轮毂、筋板、铆钉、无缝钢管等组成，由于钢丝绳与滑轮绳槽复杂的接触情况，滑轮绳槽底部出现压痕磨损、轮缘大变形等问题，为生产带来巨大的安全隐患。

滑轮组主要故障模式包括滑轮组轴承损坏、滑轮油道堵塞、滑轮外缘磨损、滑轮本体损坏。

2.1.2 故障原因分析

滑轮系统损伤：由于起重机滑轮系统的损伤是随时间变化的渐变过程，因为滚动体或者保持架的损坏是起重机多次应用后载荷累计作用导致的现象。累积损伤可以通过传感器实时监测设备局部的特征信号（如振动、温度等）加以识别。即，可以通过信号采集的方式实时监测滑轮系统的状态，记录易损部件的性能演变过程，指导设备维护人员在相关部件损坏前进行保养或者更换。

设计问题：如果不是累积损伤，那么归属于设计问题，滑轮存在设计缺陷，若轴承配合间隙配合，拆开滑轮后轴承将掉出，正常应为过度配合，从而导致滑轮故障。

润滑问题：滑轮润滑不良油口堵塞会导致滑轮轴磨损，从而更换滑轮轴，变幅小轮滑轮内外缘磨损，由于磨损而更换，滑轮本体修复补焊。

2.1.3 预防措施

对滑轮系统进行失效模式及影响分析，根据以往发生过的故障，确定其失效周期，结合滑轮组的润滑、保养以及使用情况，分析损坏潜在原因，有针对性地制定有效的维护保养方式，根据设备现场安装情况，看是否具备安装监测装置的条件等，找到滑轮组的最薄弱环节，制定预防监测方案。如增加摄像头，对滑轮润滑油路定期保养，对新购置的滑轮进行表面硬度测试等，以降低故障及风险的发生，从而增加滑轮运行的可靠性。

2.2 钢丝绳故障分析及预防措施

2.2.1 故障模式及原因分析

起重机钢丝绳是重要传动部件，包括提升钢丝绳和变幅钢丝绳，钢丝绳故障模式包括磨损、断丝、断股、拉断、腐蚀等。钢丝绳的选型不当，滚筒绳槽设计，以及钢丝绳本身质量、环境腐蚀，受到外力作用等都是钢丝绳损坏的重要原因。

2.2.2 预防措施

（1）起重机作业时吊载不要超过额定载荷，对钢丝绳进行定期的润滑，尽量避免钢丝绳受到突然的冲击力，选择质量可靠的钢丝绳；

（2）对于长度比较长，比较粗的起升钢丝绳，因其更换成本比较昂贵，除了进行常规保养外，可以对其进行疲劳寿命监测。开发钢丝绳的寿命计算软件，该软件具备钢丝绳强度校核功能、通过记录吊载次数及吨位等参数，实时计算钢丝绳的剩余寿命。

①建立钢丝绳的有限元模型，依据标准规范仿真分析其在轴向拉伸和绕滑轮弯曲状态下的应力分布情况；根据数值模拟结果指导现有钢丝绳的损伤检测，同时根据起重机的服役记录和钢丝绳有限元分析结果，依据 Miner 线性累积损伤理论进行钢丝绳的疲劳寿命仿真分析，预测钢丝绳的剩余寿命，为钢丝绳的检测和更换提供依据，节约成本。

②钢丝绳失效模式进行分析，根据以往发生过的故障，结合吊载次数，分析其失效原因，计算钢丝绳使用寿命，确定其失效周期。制定合理的更换周期，定期进行检测。

2.3 回转机构的故障模式及预防措施

2.3.1 故障模式及原因分析

起重船起重机回转机构由回转轴承、保持架、内外圈、滚道等组成，故障模式包括轴承钢球磨损、滚道磨损、回转间隙超标、回转不平稳、异响等。因缺乏润滑、疲劳或过载等原因可导致回转机构损坏。

2.3.2 预防措施

零部件的故障可以用更换零部件的方式进行解决，回转机构系统的故障可采用力学性能模拟仿真的方法。

基于有限元方法，建立起重机的回转系统的详细结构力学模型，可模拟轴承的滚柱/滚珠与保持架、内圈、外圈的接触关系。依据GB 3811 起重机设计规范等进行回转系统载荷计算和不同工况下的强度计算和校核，同时进行疲劳寿命分析和结构优化设计。

回转系统的受力模拟仿真流程类似起重机整机力学性能分析流程，起重机整机力学性能分析重点研究起重臂、A型架、基座和连接部分的强度和疲劳性能，而回转系统的力学分析重点对结构易损/薄弱部件局部的力学性能进行分析和校核。

2.4 钢结构的故障模式及预防措施

2.4.1 故障模式及原因分析

钩头、扒杆等钢结构件是起重机的关键受力部件，其主要故障模式为疲劳裂纹、弯曲变形、腐蚀。造成疲劳裂纹的主要原因是使用年限及频次的增加，弯曲变形则是由于受到斜拉歪拽等不正当操作或外力的作用而产生的，腐蚀则是海上盐雾雨水的侵蚀而造成，重要结构件一旦出现故障将会使起重设备出现严重的安全隐患。

2.4.2 预防措施

对于主体结构件，应避免超载并定期进行探伤检查；

建立主吊机整机力学性能分析模型，重点分析研究扒杆、A型架、基座和连接部分等处的强度和疲劳性能，从而找到扒杆等处的最大受力部位及薄弱环节，通过确认结构的损伤机理来得出失效可能性大小，并确定损伤所造成的失效后果，进而计算出其风险大小，给出风险划分的标准，有针对性地制定探伤方案；

针对处于高、中风险等级的杆件、焊缝确定其失效的机理和原因，针对失效机理和失效原因应采取哪些应对对策，即如何控制这些风险包括：日常操作使用中注意事项；针对结构部分具体检验位置、检验周期、检验手段、检验技术要求、维修方案等。

3 结语

按照设备完整性管理的思路，通过对船舶起重机应用RCM分析方法的应用，对起重机各种故障和风险进行认真的梳理分析，并采取相应的维护预防措施，结合在线监测分析技术、离线监测技术等手段将设备风险降低，对设备故障进行管理，使其减轻或者可控，最终达到设备健康运行的目的。尤其是对船舶起重机关键部件故障预防，可有效防止重大故障和风险的发生。