IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Анализ работы технологического оборудования участка цементации ГМО цеха КЭЦ ориентированный на надежность
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Публичное акционерное общество «Челябинский цинковый завод» (ПАО «ЧЦЗ») – вертикально-интегрированная компания, в которой представлен полный технологический цикл производства металлического цинка: от добычи и обогащения руды до выпуска готовой продукции в виде рафинированного цинка и сплавов на его основе. На долю компании приходится около 2% мирового объема производства цинка.
Продукция с маркой ПАО «ЧЦЗ» используется в различных отраслях промышленности: при оцинковании стального листа для металлоконструкций и автомобилестроения, в химической промышленности, машиностроении.
Проблематика данного проекта состояла в следующем:
Как и на любом крупном предприятии на ПАО «ЧЦЗ» огромное количество оборудования, которое требует своевременного технического обслуживания.
Анализ технического обслуживания оборудования, ориентированного на надежность, позволит дать рекомендации для оптимальной программы технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Высокая доля аварийных и внеплановых работ, увеличение затрат на ремонт и обслуживание, падение надежности работы оборудования послужили толчком для проведения анализа.
Актуальность:
Наша задача является актуальной на данный момент, так как проблема технического обслуживания и ремонта есть на многих металлургических производствах. Данную работу можно будет использовать не только на ПАО «ЧЦЗ», но и на других предприятиях.
Целью проекта является: анализ работы оборудования участка цементации гидрометаллургического отделения (ГМО) цеха комплекса электролиза цинка (КЭЦ).
Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать текущую ситуацию работы оборудования, его обслуживания и ремонта.
2. Описать структуру участка цементации, проанализировать функциональные отказы, классифицировать их, провести анализ ТОиР.
3. Выявить расхождения мер рекомендованных методикой и действий, проводимых по факту.
4. Дать рекомендации по обслуживанию оборудования, сформировать рекомендации по проведению технического перевооружения и реконструкции оборудования.
Для реализации проекта он был разбит на этапы:
Этап первый. Исследования
Мы съездили на экскурсию на Цинковый завод, посетили участок цементации гидрометаллургического отделения (ГМО) цеха комплекса электролиза цинка (КЭЦ). Там мы увидели текущую ситуацию работы оборудования, его обслуживания и ремонта, и то с чем нам придётся работать. Наставник рассказал нам про уже использующиеся на производстве ТОиР, и о части плюсов и минусов каждого из них. Кроме того нам рассказали о высокой доли аварийных и внеплановых работ, увеличение затрат на ремонт и обслуживание, падение надежности работы оборудования.
Следующим шагом было изучение определение условий функционирования Системы, ее элементов, функциональных отказов Системы и причин их возникновения, определение причин, видов и последствий функциональных отказов, предоставленных нам нашим наставником. В ходе первоначального анализа нам удалось выяснить и предложить несколько вариантов решения данной задачи, но у каждого из них были свои недостатки.
Мы разработали этапы проведения анализа, составили перечень оборудования ТОиР. Провели определение функции оборудования и определили последствие отказов.
Анализ, ориентированный на надежность
Техническое обслуживание, ориентированное на надежность методология, позволяющая определить необходимые меры для того чтобы каждая производственная система и ее элементы исполняли возложенную на них функцию в рамках производственного процесса (Приложение 1, Рисунок 7).
Этапы проведения анализа:
1. Определение условий функционирования Системы;
2. Определение функций Системы и ее элементов;
3.Определение функциональных отказов Системы и причин их возникновения;
4. Определение причин, видов и последствий функциональных отказов;
5. Принятие решений о воздействиях.
Определение условий функционирования системы
На данном этапе проведения анализа осуществляется составление перечня оборудования Системы с детальным описанием его характеристик и условий эксплуатации (Приложение 1, Рисунок 1). Необходимость описания условий функционирования Системы связана с тем, что при различных условиях функционирования даже для объектов, идентичных с технической точки зрения, могут существенно различаться: функции и требования к производительности, виды отказов и результаты последствий отказов, а также оперативные мероприятия в случае отказа.
При описании условий функционирования Системы должны быть учтены следующие факторы:
– Режим работы оборудования;
– Наличие схем резервирования оборудования;
– Требования экологических стандартов, стандартов качества и безопасности;
– Требования к эксплуатационным характеристикам оборудования;
– Возможность проведения ремонта и технического обслуживания, исходя из наличия поставщиков запчастей и инструментов к эксплуатируемому оборудованию;
Сценарные условия функционирования объекта (план по выработке, прогноз экономических показателей предприятия и пр.).
Определение функций системы и ее элементов
На данном этапе проведения анализа осуществляется составление полного перечня функций с указанием требований к производительности, и определение основных и вторичных функций.
Перечень типичных основных функций:
– Генерация электроэнергии;
– Передача электроэнергии.
Перечень типичных вторичныхфункций определяется в разрезе следующих критериев:
– Обеспечение охраны окружающей среды;
– Обеспечение безопасности / целостности конструкций;
– Обеспечение эргономики;
– Защитные функции;
– Экономичность / эффективность;
– Избыточные функции (эстетичность, чистота);
– Обеспечение пожарной безопасности;
– Обеспечение физической защиты от влияния третьих лиц.
– Для каждой функции определяются требования к производительности.
– Исходная производительность оборудования, установленная заводом изготовителем всегда должна быть больше уровня, установленного требованиями к производительности.
Требования к производительности не всегда являются абсолютными значениями, а могут иметь верхний и нижний пределы. Границы в таком случае задаются в соответствии с действующей НД, а также документацией завода-изготовителя оборудования.
В некоторых случаях требования к производительности являются переменными, например, в случаях, когда производительность зависит от нагрузки или внешних факторов.
Наиболее подробно необходимо описать функции защитных устройств, так как они не выполняют никаких функций в обычных условиях производственного процесса. Функциями защитных устройств являются действия по предотвращению отказа, смягчению или устранению последствий отказа. Существует следующие типы защитных устройств:
– Устройства, дающие сигнал тревоги при отклонении параметра от нормы;
– Устройства, отключающие оборудование в случае отказа;
– Устройства, устраняющие опасную ситуацию или смягчающие последствия отказа;
– Устройства, вступающие в действие взамен отказавшего оборудования.
Определение функциональных отказов и причин их возникновения
На данном этапе проведения анализа для каждой функции определяются: все возможные отказы, причины отказов, тип распределения вероятности отказа.
1.Определение функциональных отказов и причин их возникновения
На данном этапе производится определение перечня возможных функциональных отказов, признаков, позволяющих определить факт возникновения отказа, и причин возникновения отказа.
Описывать следует лишь те отказы, которые могут произойти при данных эксплуатационных условиях с достаточно высокой вероятностью. В описание включаются следующие отказы, которые:
Случались ранее с данным оборудованием. Такие отказы определяются из анализа журнала дефектов оборудования, статистики технологических нарушений и т.д.;
Если последствия очень серьезны, стоит включить и те отказы, которые не столь вероятны.
2.Определение типа распределения вероятности отказа
Определение типа распределения вероятности отказа, осуществляется на основании следующих данных:
– Информация по статистике отказов оборудования;
– Информация завода-изготовителя о надежности оборудования;
– Тип оборудования (механическое, электрическое и т.д.);
– Мнение экспертов.
Существуют пять наиболее распространенных типов распределения вероятности отказа:
a.) Высокая вероятность отказа на начальном этапе эксплуатации, затем незначительный уровень случайных отказов, в конце – зона износа.
b.) Случайные отказы, затем зона износа.
c.) Равномерное увеличение вероятности отказа с увеличением времени эксплуатации.
d.) Резкое увеличение вероятности отказа на начальном этапе эксплуатации, затем стабилизация на уровне случайных отказов.
e.) Случайный отказ. Отсутствие зависимости между сроком эксплуатации и вероятностью отказа оборудования.
f.) Значительная вероятность отказа на начальном этапе эксплуатации, затем случайные отказы.
Определение причин, видов и последствий функциональных отказов
На данном этапе проведения анализа определяются и описываются последствия отказов, определяются виды отказов. Результат каждого отказа должен быть описан исходя из предположения, что никакие меры не предпринимались для предотвращения отказа.
При описании последствий отказа должны быть определены:
- Признаки, указывающие на факт возникновения отказа;
- Условия, при которых происходит отказ;
- Влияние отказа на безопасность людей или окружающей среды;
- Влияние отказа на производство (объемы производства, качество продукции, обслуживание клиентов и производственные расходы);
-Оценка ущербов вследствие возникновения отказа;
-Действия необходимые для приведения системы в рабочее состояние и время необходимое для их реализации.
Этап второй. Принятие решений
На втором этапе проанализировав условия функционирования системы, определив функциональные отказы и причины возникновения, были приняты решения о воздействиях.
Принятие решений о возможных воздействиях
На данном этапе проведения анализа осуществляется определение типа воздействия, которое необходимо применить для предотвращения возникновения отказа, определение признаков, по которым можно определить скорое наступление отказа, определение периодичности проведения воздействий.
Определение необходимого воздействия
Для выбора необходимого воздействия используют «Диаграмму принятия решений» (Приложение 1, Рисунок 5).
Схема работает в логике «Да» и «Нет». По горизонтали схема разделена по группам отказов. Существуют четыре группы отказов:
1. Скрытые отказы;
2. Отказы, влияющие на безопасность людей и окружающую среду;
3. Отказы, влияющие на производственный процесс;
4. Отказы, не влияющие на производство.
Группы отказов в «Схеме принятия решений» расположены по степени важности, слева направо. В анализе самыми важными считаются скрытые отказы, идти по схеме необходимо начинать с них. Сначала, исходя из результатов описания возможных последствий отказов и из указанных в схеме критериев, определяется тип отказа. После определения типа отказа, рассматриваются воздействия, которые возможно применить для снижения вероятности отказа до допустимого уровня. Рассмотрение воздействий проводится в строго определенном порядке. Для принятия решения о применении воздействия оно должно быть: выполнимо, целесообразно.
Выполнимостьобслуживания оборудования по техническому состоянию определяется исходя из:
– Существования признаков, по которым однозначно можно определить скорое наступление отказа;
– Периода развития отказа (Интервала P-F);
– Степени постоянства интервала P-F;
– Возможности выполнения обслуживания с интервалами меньшими интервала P-F.
Выполнимость планового восстановления оборудования определяется исходя из:
– Существования периода работы оборудования, на котором наблюдается резкое повышение вероятности отказа;
– При условии существования такого периода, его определение.
Выполнимостьобнаружения скрытого отказа определяется исходя из:
– Возможности проверки наличия скрытого отказа (например, обнаружение отказа защитных устройств);
– Возможности проверки наличия скрытого отказа с требуемым интервалом;
– Возможности изменения конструкции оборудования для предотвращения возникновения скрытого отказа. При принятии решения об изменении конструкции оборудования, необходимо определить влияние множественных отказов, вызванных рассматриваемым скрытым отказом на безопасность и окружающую среду.
Целесообразностьприменения воздействия определяется исходя из следующих факторов:
1. Применение данного воздействия обеспечивает снижение вероятности отказа (множественных отказов, для случая скрытых отказов) до допустимого уровня.
2. В результате воздействия возможные последствия соответствующего отказа, уменьшаются в достаточной степени, что бы оправдать прямые и непрямые издержки выполнения этого воздействия.
Если рассматриваемое воздействие не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, то переходят к рассмотрению следующего.
Определение периодичности воздействий
1. Определение периодичности обслуживания оборудования по техническому состоянию. Периодичность обслуживания оборудования определяется экспертной группой исходя из оценки последствий отказов и параметров интервала P-F.
2. Определение периодичности планового восстановления или замены оборудования. Определяется время, по прошествии которого наблюдается резкое увеличение условной вероятности отказа оборудования (срок службы). Срок службы определяется из распределения вероятности отказов, статистики прошлых отказов или данных завода изготовителя. Плановое ТО рекомендуется проводить непосредственно перед истечением срока службы.
3. Определение периодичности выполнения работ по поиску скрытого отказа. Периодичность выполнения работ по поиску скрытого отказа определяется исходя из анализа статистики возникновения скрытого отказа, оценки условной вероятности возникновения скрытого и множественного отказа, оценки возможных последствий и издержек.
На данном этапе производится свод и установление взаимной связи полученных при проведении анализа результатов и формирование на их основе оптимизированных графиков ТОиР и предложений по внесению изменений в программу ТОиР.
Этап третий. Применение на участке
На третьем этапе мы проанализировали существующую ситуацию на реакторах 1 и 2 стадии участка цементации ГМО цеха КЭЦ за 2019 год, количество выходов из строя, длительность перехода на резервную схему, экономический ущерб.
В настоящий момент на реакторах 1 и 2 стадии участка цементации ГМО цеха КЭЦ установлены редуктора на перемешивающих механизмах.
По данным анализа ориентированного на надежность выяснилось, что установленные редуктора периодически выходят из строя по причине морального износа, подгорания сальников из-за повышенных температур и выдавливания масла, износа полумуфт, выхода из строя шестерен первой ступени.
Количество выходов из строя и ремонтов редукторов за 2019 год составило 11 раз в год. При выходе из строя одного из редукторов происходит переключение схемы очистки растворов на резервную. Длительность перехода на резервную схему продолжается в среднем около 4 часов. Во время перехода, для обеспечения стабильности качества очищенного цинкового раствора, увеличивается расход цинкового порошка в среднем на 200 кг/час от нормативного.
Четвертый этап. Рекомендации
На четвертом этапе было предложено решение по результатам анализа и определен ожидаемый общий экономический эффект по экономической оценке.
С 2015 года в ГМО цеха КЭЦ имеется опыт эксплуатации нового редуктора LIGHTNIN (Приложение 1, Рисунок 4) на головном реакторе 2 стадии. Установленный редуктор LIGHTNIN не имеет функциональных отказов за все время эксплуатации, что обеспечивает качественную работу перемешивающего механизма реактора и не приводит к необходимости переходить на резервную схему.
Предлагается установить аналогичные редуктора LIGHTNIN на реакторы ТК501А и ТК501В первой стадии и реактор ТК502D второй стадии, которые обеспечивают работу участка наибольшее количество времени в году.
Реализация предложения позволит исключить расходы на ремонт редуктора (около 150 тыс. рублей за один раз) и уменьшить потребление цинкового порошка на 8,8 тонн в год. Учитывая, что цинковый порошок изготавливается из чушкового цинка, то не использованный чушковой цинк (8,8 тонн) можно направить на производство товарного цинка (SHG или цинковый сплав). Предлагаемое решение было принято на предприятии ПАО «ЧЦЗ» в качестве рационализаторского предложения.
Также по результатам анализа были составлены рекомендации по обслуживанию основного оборудования участка цементации. (Приложение 1, Рисунок 8)
Ожидаемый экономический эффект
Сокращение количества ремонтов (11 раз в год) и сокращение затрат на ремонт существующих реакторов (на 1 650 тыс. рублей);
Повышение стабильности процесса;
Выпуск дополнительной товарной продукции 8,8 тонн в год (SHG/цинковый сплав на 1373 тыс. рублей) за счёт уменьшения потребления цинкового порошка на участке цементации;
Косвенный эффект:
– Повышение стабильности процесса цементационной очистки ГМО цеха КЭЦ;
– Снижение риска ухудшения качества цинкового раствора, влияющий на электролиз и последующий выпуск товарного цинка.
Общий экономический эффект по экономической оценке (Приложение 1, Рисунок 6) составит 1218 тыс. рублей/год, срок окупаемости при покупке трёх редукторов (10 500 тыс. рублей) составляет 4 года.
Вывод
1. В результате выполнения работы цель и поставленные задачи были достигнуты.
2. Проведено исследование текущей ситуации работы оборудования, обслуживания и ремонта на предприятии – ПАО «ЧЦЗ».
3. Описана структура участка цементации, проанализированы и классифицированы функциональные отказы, проведён анализ ТОиР.
4. Были даны рекомендации по облуживанию и ремонту оборудования, сформированы рекомендации по проведению технического перевооружения и реконструкции оборудования.
5. Выявлены расхождения мер рекомендованных действий и действий, проводимых по факту.
6. При установке редуктора LIGHTNIN на реактор ТК501А и ТК501В первой стадии и реактор ТК502D второй стадии, позволит исключить расходы на ремонт редуктора (около 150 тыс. рублей за один раз) и уменьшить потребление цинкового порошка на 8,8 тонн в год. Общий экономический эффект, по экономической оценке, составит 1218 тыс. рублей/год, срок окупаемости при покупке трёх редукторов (10 500 тыс. рублей) составляет 4 года.
7. Предлагаемое решение было принято на предприятии ПАО «ЧЦЗ» в качестве рационализаторского предложения.
Список литературы
Викторова, В.С Анализ надежности и эффективности многоуровневых технических систем: практич. рук-во/ В.С Викторова, - М.: Ленард, 2020.-164с.
Моубрэй, Д.Техническое обслуживание, ориентированное на надежность: практич. рук-во/ Д. Моубрэй, -М.: Надежная книга, Санкт-Петербург, 2018. – 448 с.
Приложение 1.
Рисунок 1. Перечень оборудования Системы с детальным описанием его характеристик и условий эксплуатации
Рисунок 2. Классификация оборудования по признакам
Рисунок 3. Редуктор МЕ502С
Рисунок 4. Редуктор Lightnin чертеж
Рисунок 5. Диаграмма принятия решений
Рисунок 6. Экономическая оценка
Рисунок 7 .ТО, ориентированное на надежность
Рисунок 8. Лист мероприятий по надежности (из RCM)