大型游乐设施使用寿命延期评价现状及展望_何荣烜.pdf

基金项目：广东省特种设备检验研究院科技项目（编号：2021JD-2-02）收稿日期：20220713大型游乐设施使用寿命延期评价现状及展望*何荣烜1，陈雁新1，陈少鹏1，张静楷2（1.广东省特种设备检测研究院，广东佛山528000；2.广东省特种设备检测研究院 中山检测院，广东中山528400）摘要：大型游乐设施的高空、高速、高刺激特性使其天生具有高风险性，必须密切关注其安全问题。近年来，国内众多大型游乐设施正逐渐面临使用寿命到期的问题，有必要开展大型游乐设施延期评价工作，实现保障设备经济价值及设备运行安全之间的平衡。针对国内大型游乐设施延期使用的各项评价要求，梳理了与游乐设施延期相关的法律法规及其更新历程，综述了现有大型游乐设施风险评估及延期评价研究工作，并结合行业现状对未来大型游乐设施延期评价相关研究方向进行了展望，以期推动大型游乐设施行业更好更快发展。关键词：大型游乐设施；延期评价；展望中图分类号：TS952.81文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03005705Current Situation and Prospect of Life-extending Evaluation of Large-scaleAmusement RideHe Rongxuan1，ChenYanxin1，Chen Shaopeng1，Zhang Jingkai2（1.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research,Foshan,Guangdong 528000,China;2.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research,Zhongshan,Guangdong 528400,China）Abstract:Large scale amusement ride has the characteristics of high altitude,high speed and high stimulation,which make them inherentlyhigh-risk,and close attention must be paid to their safety issues.In recent years,many large scaleamusement ride in China are gradually facingthe problem of expiration of their service life,and it is necessary to carry out the extension evaluation of large amusement ride.In view of thevarious evaluation requirements for the life-extending of large scale amusement ride in China,the laws and regulations and their updateprocess related to the life-extending of large scale amusement ride were combed,the existing research work on the risk assessment and life-extending evaluation of large scale amusement ride was summarized,in combination with the current situation of the industry,the researchdirections related to the extension evaluation of large recreation facilities in the future were prospected,so as to promote the better and fasterdevelopment of the large recreation facilities industry.Key words:large-scale amusement ride;life-extending evaluation;prospect2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.010何荣烜，陈雁新，陈少鹏，等.大型游乐设施使用寿命延期评价现状及展望 J.机电工程技术，2023，52（03）：57-61.0引言随着社会经济的快速发展，人们对生活品质的追求愈来愈高，大型游乐设施作为满足人们追求感官刺激及实现冒险活动的载体之一，愈发频繁地出现在现代人生活中。大型游乐设施产品特性是追求高空、高速、高刺激度，其天生带有较高的风险性；并且大型游乐设施还具有人机互动频繁、社会关注度高的特点，一旦发生设备失控、安全防护不当等问题，极有可能造成严重人员伤亡及财产损失，并形成较大社会舆论影响1-2。因此，政府监管部门和社会各界一直十分重视大型游乐设施安全问题，国家也于2002年将大型游乐设施纳入特种设备范畴，进行安全监督管理。大型游乐设施属于机电设备，其设备本体由众多机械机构、电气控制系统、液（气）压系统等功能部件组合而成，为满足不同的运动形式需要，其设备结构和运行特点也各不相同，常见典型大型游乐设施如图1所示。我国最早于20世纪80年代开始引进大型游乐设施，在数十年间迅速发展，目前已成为游乐设施设备大国。自图1典型大型游乐设施 572000年至 2020年末，全国游乐设施主要制造厂家已达200 家以上，2021 年在用设备达 2.52 万台（套）3。然而，随着时间的推移，大批设备面临设计使用寿命到期的问题，据不完全统计，国内每年设计使用寿命到期的设备数量达500台以上。有些设备由于实际使用频率低于设计使用寿命等种种原因，具有继续使用的价值。从安全角度出发，这些设备继续使用的安全性能、继续使用的时间等需要进行必要的评价。延期评价是指对设计寿命已到期但仍具备继续使用条件和价值的大型游乐设施进行风险评估，基于风险可控条件下允许合理延长设备使用年限。大型游乐设施设计采用机械设备通用设计方法，按照均匀满载、连续运行方式设计，并出于安全保障考虑采用较大安全系数，并且重要零部件一般采用无限寿命设计，计算出各零部件使用寿命后，再按每日固定运行时间换算为自然年以方便监管4。从保障安全的角度看，严格控制设备使用寿命，避免因零部件老化失效而产生安全事故，对确保设备运行安全是十分必要的。然而，游乐设施的实际运行情况往往是非满载、非连续的，特别是疫情期间不少游乐设施运行次数少甚至处于停用状态，若仍以自然年限计算使用寿命，显然是不合理的。并且，随着行业设计制造水平的提高，游乐设施设备质量及价值已有较大提升，一些质量尚可的设备如果允许继续使用，可以节约社会资源，减少环境污染。如何客观评价大型游乐设施延期的可行性与效益性，实现经济与安全矛盾问题的平衡，已成为业内急需解决的重要问题。针对当前行业内大型游乐设施使用寿命延期相关法律法规不完善、没有统一的具体要求、工作实例数量少且体系杂乱等问题，本文梳理了与游乐设施延期相关的法律法规及其更新历程，综述了现有大型游乐设施风险评估及延期评价研究工作，结合行业现状对使用寿命延期评价后续工作方向及具体研究内容进行了展望。1法律法规标准要求在我国，大型游乐设施是指用于经营目的、设计最大线速度大于或等于2 m/s，或者运行高度距地面高于或等于2 m的载人游乐设施。我国大型游乐设施行业起步较晚，在早期行业缺乏有效监管的情况下，除部份进口设备随机资料附有使用年限信息外，绝大部份游乐设施均未提供使用年限相关数据，使得设备无限期使用，过度运行导致设备性能下降，给行业带来较大安全隐患。为了规范大型游乐设施的运营使用周期，2003年实施的游乐设施安全技术监察规程（试行）规定了设计单位应在设计文件中明确主要受力部件，并规定整机及关键零部件设计使用寿命，首次明确地提出“设计使用寿命”的概念。随后，于2009年修改实施的特种设备安全监察条例中规定，特种设备存在严重隐患，无改造、维修价值，或者超过安全技术规范规定使用年限，特种设备使用单位应当及时予以报废。由此，对大型游乐设施的使用寿命及到期处理方式进行了明确。然而，随着国内游乐设施行业制造安装技术及运营维护水平的发展提高，不少到期设备经客观评估后认定仍有一定修理使用价值。出于节约社会资源，提高设备利用率及保障设备运营安全考虑，原国家质检总局于2011年首次提出了达到设计使用寿命的游乐设施可申请延期使用。2014年施行的中华人民共和国特种设备安全法以法律的形式规定，达到设计使用年限可以继续使用的特种设备，应当按照安全技术规范的要求通过检验或者安全评估；同年实行的大型游乐设施安全监察规定则具体明确了大型游乐设施主要受力部件超过设计使用期限要求的应当进行更换。2018年发布实施的GB 8408-2018大型游乐设施安全规范规定，对超过整机设计使用期限仍有修理、改造价值的游乐设施，使用单位应依法委托相关单位按照本标准要求进行安全评估，确认设备延寿所开展的工作（包括：维护保养、修理、改造），并付诸实施，确定游乐设施继续使用的期限和条件。而在2021年修改发布的大型游乐设施安全监察规定对延寿设备主要受力部件增加了相应内容，即大型游乐设施主要受力部件超过设计使用期限要求，且检验或者安全评估后不符合安全使用条件的，应当及时进行更换。换言之，经检验或者安全评估后认定符合安全使用条件的主要受力部件，可不作更换并继续使用。国内延期相关政策时间节点如图2所示，从相关政策变化可以看出，我国对大型游乐设施的使用寿命相关监管经历了多个阶段。从由基于人民社会财产安全性考虑，明确收紧限制大型游乐设施使用年限，到为适应国内行业发展需求，提出“延期使用”概念，进一步地在保障安全的前提条件下逐步放宽延期条件。但目前，业内仍缺乏指导延期工作的细则和规范，难以保证相关工作顺利和有效开展5。2风险评估研究风险评估（亦称风险评价）本质是基于系统评估理论，从风险发生概率及后果严重程度两方面对系统进行综合分析与评估，根据评估结果提出相应措施，从而实图2延期相关政策时间节点图2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期 58何荣烜，陈雁新，陈少鹏，等：大型游乐设施使用寿命延期评价现状及展望现风险控制及消除、提高系统整体安全性。风险评估工作相关研究在国内外大型设备领域开展已较为普遍，通过开展合理有效的风险评估工作，能优化社会资源使用效率、提高设备安全可靠性、降低设备风险、减少事故发生。特别是近年来RBI风险评估在承压类特种设备领域的推广应用，大大降低企业运维成本、提高生产效率同时保证安全可靠性6-8。国内学者也开展了一些大型游乐设施风险评估相关工作。庄春吉等9提出大型游乐设施风险评估指标体系应遵循全面性、层次性、科学性、代表性、动态性5个原则，同时具体评价指标应涵盖人、设备、环境、管理等方面因素。沈功田等10通过分析在役大型游乐设施的损伤发展规律及设备维护使用实际情况，提出大型游乐设施健康状态分级概念及相应定量健康评价方法；该方法在综合设备法定检验、日常维护及设备实时状态监测信息的基础上，通过层次分析法确定评价指标权重、结合模糊数学和专家评价方法实现设备的定量健康评价。林伟明等11面向大型游乐设施的设计、制造、安装、运行、检测及维护环节，构建了综合性的安全评价层次及指标体系，通过模糊数学理论实现安全评价，并基于该方法体系开发了一套安全模糊综合评价系统。王雪颖等12针对国内游乐设施安全现状，采用专家评判法及定量安全检查表法分别对某一过山车设备进行安全评价；前者通过建立设备、人员、管理三方面的二级安全评价指标体系，使用Delphi法确定评价指标权重后，由专家进行打分；后者则将安全检查表法与模糊数学理论相结合，建立大型游乐设施安全评价体系及计算模型，由专家对设备进行打分评价。应用结果表明，两种方法的评价结果基本一致，能反映出设备的基本安全状况。庄春吉等13则以人-机-环境-管理四要素为依据建立了大型游乐设施三级评价指标体系，其中包含4个一级指标、13个二级指标、66个三级指标，通过AHP层次分析法确定各指标权重后，采用灰色模糊理论模型实现某过山车设备的安全评价。张新东等14针对专家评判法、层次分析法、模糊数学综合评价等传统评价方法的弊端，提出采用BP神经网络构建安全评价模型，以提高评价结果的客观性与可重复性。余珂等15针对层次分析法中指标权值调整繁琐的弊端，将权值调整过程转化为多目标优化模型问题，结合编程迭代实现权值自动调整，保证了权值评估的一致性。此外，部分学者从应急救援、乘员生理影响、加速度等不同角度开展了相关研究。如庄木管等16通过构建大型游乐设施应急措施评价指标体系，针对性地对高空飞翔游乐设施应急措施进行综合评估，得出应急措施评价向量风险趋向，为应急救援相关工作的评估与改进提供了理论依据及思路。刘书娟17及刘晓芬等18通过开展大型游乐设施乘客生理影响检测分析工作，系统总结典型大型游乐设施对成员生理影响的主要规律；在此基础上，肖原等19-20提出了大型游乐设施乘员冲击加速度耐受范围、加速度耐受阈值曲线以及加速度风险等级评价指数，为游乐设施设计过程中加速度风险控制提供了理论指导。3大型游乐设施延期评价大型游乐设施延期评价是特殊的风险评估，其特殊之处在于目标设备多为老旧设备，其各系统部件普遍存在一定疲劳、老化、磨损等问题，存在隐性安全隐患。因此，如何科学判断部件老化、损伤程度，准确识别安全风险以及在基于风险可接受条件下给出设备继续使用年限，是大型游乐设施延期评价工作的重点。在当前大型游乐设施行业内开展的实际工作中，延期评价可分为部件延期评价与整机延期评价两类，其中前者按材料类别还可细分为金属材料部件延期评价与非金属材料部件延期评价。3.1金属材料部件延期评价金属材料用途广泛，在游乐设施设备中常用作钢结构、销轴、传动轴、车架、轨道等受力部件原材料。在大型游乐设施设备中，不同部件设计使用寿命不一致的情况较为普遍，如过山车轨道使用寿命往往长于车辆使用寿命。对于游乐设施设备，结构部件失效的主要形式是疲劳失效，因此对金属材料部件的延期评价多是针对部件剩余疲劳寿命的分析评价21-22。在简化乘客数量、重量变化的前提条件下，游乐设施的每次完整运行可认为是重复的、周期性的载荷历程，通过计算单个工作周期内的损伤积累并结合材料疲劳寿命曲线，则可计算出部件疲劳寿命。梁朝虎等23基于该思路提出了适用于游乐设施关键零部件疲劳剩余寿命评估方法；陈涛24结合仿真设计、雨流法与Miner线性疲劳损伤积累准则，对海盗船横梁疲劳寿命进行了计算，给出了该横梁的理论最大运行次数。结合设备实际已运行次数数据，则可从理论上计算出设备剩余可运行次数即设备剩余寿命。另外，考虑材料缺陷、加工工艺、环境腐蚀等因素影响，还应结合无损检测及其他手段检验部件状态，以求更合理准确地评估部件延期使用年限。如白星等25通过磁记忆检测技术对45号钢材进行了缺陷表征，完成钢部件内部应力集中程度的初步判断，以实现部件缺陷的早期预报；李小珊等26提出使用磁记忆检测技术检测滑行车类游乐设施重要销轴的微观缺陷，进一步地结合磁记忆信号梯度值与部件疲劳寿命关系对试件进行使用寿命分析。592023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期3.2非金属材料部件延期评价大型游乐设施非金属材料主要有尼龙、橡胶、聚氨酯、有机玻璃板材及玻璃钢等，常用作车轮滑轮等易损件或车体表面装饰物原材料。但对于水上游乐设施而言，滑梯主体结构为玻璃钢材料，该结构价值占设备成本绝大部分，更换成本较高，其延期评价具有较大的现实意义。玻璃钢即玻璃纤维增强塑料，该材料由玻璃纤维增强体和树脂基体构成，具有轻质高强的特点，在游乐设施行业中常用作水滑梯的主体材料。玻璃钢材料的核心重点是老化，现有研究27-31认为，光作用会加速树脂基体自由基产生光氧化效应，导致分子长链断裂；而湿热环境条件也会加速分子键水解破裂，加剧界面间树脂分子结构的疏松与破坏，降低玻璃纤维与树脂基体结合程度。上述变化在微观上表现为材料内部粉化和纤维剥离等老化现象，在宏观整体层面上则表现为材料力学性能的退化。现有技术标准对该材料的性能要求主要是抗压强度、抗弯强度、弹性模量、冲击韧性4个力学指标。目前，行业主流玻璃钢材料延期评估方法是在滑梯主体上通过裁剪取样，制成试样测试力学性能数据，结合断口显微形貌分析，判断材料老化程度。然而，该方式的弊端在于局部取样并不能整体反映主体材料老化状况，测试结果存在较大的随机性；并且，由于缺乏相应工艺玻璃钢的老化性能数据，难以准确判定延期使用年限。特别地，延期设备的裁剪区域需通过后续修补进行处理，但目前尚未见与针对玻璃钢水滑梯修补工艺相关的研究报道，其修补结合紧密程度及力学性能可靠性仍存一定疑问。3.3整机延期评价整机延期评价是建立在部件延期评价基础上的综合性评估，并且其应满足老化失效部件已更换、机械电气系统已保养的前提条件。卢汉斌32提出游乐设施延期安全风险评估应从设备本体和设备维护保养能力两方面进行；而从历年大型游乐设施事故原因分析，维护保养、运营管理等人为因素在事故原因中占有较大比重33-36。特别对老旧设备而言，日常维护保养的缺失将大大加速问题隐患向故障事故演变的过程。因此，整机延期评价指标体系除涵盖主体结构、机械传动系统、电气控制系统、安全防护装置、重要受力零部件等方面外，还应包含设备使用、维护情况及同类设备事故背景等指标，如表1所示；结合具体设备实际情况进行科学合理的风险分析并给出相应风险消除措施，最终在风险可接受的范围内，合理评估设备可继续使用年限。4结束语随着国内游乐设施行业的不断发展以及政策法规的变化调整，大型游乐设施寿命延期需要已逐渐凸显，如何合理评价大型游乐设施延期使用可行性，平衡设备剩余价值与保障设备安全之间的矛盾，是行业将要面临的重要课题。大型游乐设施设备型式多样，运行状况复杂，其安全问题需考虑多方面内容，尽管业内已陆续开展风险评估相关研究，但仍难以实现对大型游乐设施安全隐患的全面覆盖；而在延期评价方面现有研究工作则更为缺乏，并且存在着研究体系不全、工艺材料数据缺失、缺乏成熟理论指导等问题。大型游乐设施延期评价研究工作涉及到制造使用、检测监管等多个方面，依赖于行业的共同努力，结合行业现状对后续研究方向与思路提出展望。（1）开展材料疲劳寿命及老化性能、部件失效机理分析相关研究，建立不同工艺材料的疲劳老化数据库；针对游乐设施设备运行方式及环境特点，建立行业适用的材料疲劳寿命及老化性能检验检测方法体系，为金属及非金属材料部件延期评价提供理论基础。（2）开展游乐设施在线监测应用实践，实现主要受力部件、安全防护装置、电气控制、液压控制等关键部件及系统的在线监测，通过建立系统全面的运行状态监测体系，实现设备全生命周期内异常状态的记录与分析，为游乐设施延期评价积累数据基础。（3）扩展风险评估角度，从运动参数控制、乘客生理反应、应急救援、区域安全形势等不同角度开展风险评估工作，提高评估的全面性；转变延期评价思路，在实现游乐设施实时监测的基础上，从传统的静态评价转变为面向全生命周期的动态评价，进一步提高延期评价工作的可靠性与准确性。（4）推进法律法规标准体系建设，梳理完善行业内设计制造、运营监管、检验检测环节相关要求，制订大型游乐设施具体细则；鼓励游乐设施集中地市与优势技术单位申报团体、地方标准，择优提升为行业、国家标准，以点带面整体提高大型游乐设施行业发展水平。参考文献：1 沈功田,张勇,刘然.游乐园和景区载人设备全生命周期检测目标设备大型游乐设施评估指标设备背景使用情况主体结构重要零部件安全装置机械传动机构电气控制系统具体指标同类设备事故情况，同型号设备故障情况使用环境，维护保养，法定检验，使用频率轨道，塔类（桁架）构件，臂类构件，盘类（桁架）构件重要销轴，轴承，钢丝绳，车轮乘人束缚装置，止逆装置，提升装置，机械制动装置电动机，联轴器，传动齿轮，液（气）压系统电气控制柜，电气保护，控制系统逻辑，限位限速装置表1大型游乐设施整机延期评价指标体系 60何荣烜，陈雁新，陈少鹏，等：大型游乐设施使用寿命延期评价现状及展望监测与完整性评价技术研究J.中国特种设备安全,2016,32(10):5-9.2 宋伟科,马宁.国内大型游乐设施安全水平研究J.中国特种设备安全,2021,37(12):25-28.3 市场监管总局.关于2021年全国特种设备安全状况的通告J.中国特种设备安全,2022,38(4):1-4.4 史皓天,赵九峰,许德义,等.大型游乐设施使用寿命概述J.特种设备安全技术,2019(1):25-27.5 孙建,周旭升,成浪.浅析大型游乐设施延寿安全评估J.中国特种设备安全,2019,35(9):57-60.6 崔凯燕,王晓霖,刘明亮,等.基于定量RBI技术的输气站场设备风险评价J.中国安全科学学报,2016,26(2):152-157.7 林建东,乔光谱.安全阀RBI结果在石化行业的应用与经济性分析J.压力容器,2020,37(9):68-72.8 王力,汪震宇.国内海洋储罐风险现状及开展RBI的必要性J.油气储运,2015,34(1):8-14.9 庄春吉,王志荣,张新东.大型游乐设施风险评估指标体系的构建与应用J.中国特种设备安全,2017,33(4):42-45.10 沈功田,刘渊,张君娇,等.在役大型游乐设施健康评价方法研究J.机械工程学报,2020,56(10):1-11.11 林伟明,肖原,叶建平,等.大型游乐设施的多级综合安全评价方法研究J.微计算机信息,2010,26(3):51-52.12 王雪颖,房新亮,郭徽,等.大型游乐设施的安全评价J.安全与环境工程,2012,19(5):102-106.13 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