Курс «Современный ТРИЗ». Модуль «Алгоритм решения инжиниринговых задач АРИнЗ»

Функциональный поэлементный анализ

Разбиение элементов на основные и вспомогательные позволяет провести их функционально-стоимостной анализ поэлементно. Основными элементами клапана являются рабочий орган и седло, как функциональный центр клапана, относительно которого и происходит все регулирование. Шток, сальники и подшипник, обеспечивают «силовую» и «трансмиссионную» часть клапана и работу рабочего органа. Наконец, вспомогательную функцию объединения всех деталей и направления потока в рабочую зону рабочего органа и седла обеспечивает корпус. Роль фланца состоит в обеспечении крепления клапана к трубопроводу. Разберемся в их роли подробнее и поищем, где есть разрывы между стоимостью узла (элемента) и его вкладом в выполнение полезной функции.

Первым из таких элементов выступал собственно тип клапана. Седловой клапан, как показанный на рис.18, не имеет возможности регулировать при сложном переменном составе среды. На нем происходит залипание и кристаллизация среды, со значительным уменьшением условного прохода. Значительные гидравлические сопротивления не дают возможности использовать все сечение трубопровода для перекачки дисперсных кристаллизующихся сред. Тем более невозможно сэкономить на уменьшении энергопотребления насосами.

Чтобы обеспечить работоспособность клапана в условиях абразивного износа, проектанты часто приравнивают эти условия к максимально жестким и, соответственно закладывают максимально жесткие конструкции клапанов. Например, ими могут быть пробковые клапаны. Однако среда забивается под конус, а высокая поверхность соприкосновения в этом случае создает «лучшие» условия для забивания трущихся поверхностей седла и конусной пробки и последующего непременного заклинивания.

Таким образом, жесткие конструкции клапанов не подходят. К тому же любое сужение, перегибы проточной части, как показано в вентиле, помогают абразивному износу. Оптимальным решением была бы полностью проходная проточная часть.

Вторым из таких элементов с непропорционально высоким вкладом в стоимость клапана и выполняемой функцией оказался фланец клапана. Основная функция фланца – обеспечивать присоединение арматуры к трубопроводу и гарантировать его безопасную эксплуатацию. Но при рабочих давлениях не выше 1–3 Бар, можно обойтись и без фланца на клапане, что существенно снизит его стоимость. Различные вибрации, возникающие в трубопроводе, хорошо гасятся все больше внедряемыми спирально-навивными прокладками. А ведь стоимость фланца в клапане весьма высока и часто поднимает его стоимость более чем на 30%. Явный разрыв. Нет фланца – есть экономия. А бесфланцевый клапан при таких давлениях вполне применим.

Третьим элементом был собственно шток и трудности его уплотнения в таких кристаллизующихся средах. Движение такого штока вверх-вниз с налипшей на него средой всегда приведут к повышенному износу сальникового уплотнения, а за ним и к утечкам и заклиниванию. Собственно цепочка – «седловой клапан (типа вентиля)» – «проблемы утечки и заклинивания» – «проблемы износа штока и уплотнения» взаимосвязаны. Корнем проблемы является возвратно-поступательный тип клапана.

Четвертым элементом с непропорционально большим вкладом в стоимость арматуры оказался корпус и, особенно, материал корпуса. Была применена нержавеющая сталь. Поиск данных по коррозионной стойкости различных материалов в используемых щелочных средах показал, что в своем большинстве может быть применена углеродистая сталь. Она имеет большую прочность и твердость по сравнению с обычно применяемой нержавеющей сталью, и способна значительно больше сопротивляться коррозионно-эрозионному износу. Здесь удалось найти значительно большую почву для экономии по сравнению с другими элементами.

Несмотря на очевидность необходимости корпуса для формирования потока, корпус – это вспомогательная деталь. При этом корпус – самая дорогая, самая сложная в изготовлении и материалоемкая деталь, достигающая до 70% стоимости изготовления всего клапана. Чем меньше корпуса, тем лучше. Чтобы реализовать это на практике – нужно упростить форму, лучше до формы, близкой к трубопроводной, обеспечить полнопроходность, уменьшить размеры, например, за счет устранения фланцев и передачи их в трубопровод (т.н. прифланцовываемое исполнение).

Как видно, рабочий орган и седло оказывают не только положительное (регулирующее воздействие), но и из-за дросселирующего эффекта они могут оказывать отрицательное воздействие на среду после себя, например, при неправильном расчете вызывая значительную нелинейность, автоколебания, в критичном случае – кавитацию, вскипание, слишком значительное падение давления и пр. В связи с этим и, учитывая характер среды, лучше работать в верхней части диапазона регулирования.

Как видно, многие проблемы тянутся одна за другой и представляют собой одну цепочку, упирающуюся в неправильно когда-то подобранный тип клапана. Лучшим решением может быть такая конструкция клапана, которая сама обеспечивает защиту, и от налипания, и от заклинивания. Ею оказывается конструкция сегментного клапана. Набегающий поток входит в чашу сегмента и препятствует прямому контакту металла сегмента и истиранию при трении последующих входящих струй зарастающего трубопровода. Бесфланцевое исполнение, полнопроходность, широкий диапазон регулирования для работы в условиях зарастающего трубопровода также выполнимы для сегментного клапана.

Все выявленные проблемы и недостатки были сведены в диагностическую таблицу 4, см. ниже.

Табл. 4. Экспертно-диагностическая таблица клапана

*Оценка часто проводилась по прайс-листам на отдельные детали и стоимость запчастей.

** материал учтен в стоимости каждого из элементов

Таблица показала озабоченность всех корпусом, как основным узлом, объединяющим все элементы в единое целое. Значительную озабоченность вызвал фланец, однако, в основном за счет его высокой материалоемкости. Рабочий орган и связанное с ним седло вызывают наибольшее внимание в функциональной значимости, а также в отделах, связанных с реальными процессами регулирования (эксплуатация, технологи, механики, КИП). Такие элементы как шток, сальник, подшипник связаны в основном с проблемами ремонта и передачи усилия и относятся в целом к проблемам отдела главного механика.

На основании диагностической таблицы были выработаны основные технические положения и рекомендации по расчету клапана.

1. Фланец. Как элемент, повышающий материалоемкость, рекомендуется к исключению. Применить бесфланцевое исполнение арматуры в позициях, допускающих применение такой арматуры по условиям давления, температуры и протекающей среды.

2. Корпус. Это элемент, имеющий высокую материалоемкость и трудоемкость. Рекомендуется применить по условиям коррозионностойкости более дешевые и прочные материалы (углеродистую сталь) с общим уменьшением веса изделия до 10%. Выполнение корпуса – полнопроходное, бесфланцевое.

3. Рабочий орган. Рекомендуется использовать чашевые сегменты, как эффективно использующие возможности самого потока по снижению абразивного износа.

4. Седло. Рекомендуется обеспечить значительно большую неистираемость седла, а также учитывая вероятность образования кристаллизации и налипаний на сегменте – рассмотреть возможность использования шабрирующих седел, с посадкой с натягом (без подпружинивания) чтобы избежать кристаллообразования под седлом с последующим заклиниванием клапана.

5. Шток, сальник, подшипник. В зависимости от конструкции клапана и, учитывая обеспокоенность их состоянием в основном отдела главного механика, изучить возможности диагностирования и настройки позиционеров на диагностирование их состояния в режиме он-лайн.

На основании представленных материалов была выбрана наиболее эффективная конструкция клапана для регулирования на основании прифланцовываемого сегментного клапана, рис. 18.

Рис. 18. Выбранный регулирующий сегментный клапан серии RA

Сборочный чертеж клапана представлен ниже

Рис. 19. Сборочный чертеж клапана серии RA

Результаты анализа

Среднее снижение размеров по строительной длине составило при условном проходе 100мм 400мм (115мм против 530мм) и по высоте до 400мм (306 мм против 703мм). Особенно впечатлило изменение в весе клапана – снижение веса достигало до 130кг (15кг против 159кг). Столь сильное изменение веса было связано не только с устранением фланца на клапане, но также и с тем, что на два размера изменялся расчетный проход для обеспечения требуемой пропускной способности. Возможности регулирования при наличии V-образного прохода расширялись и создавали возможности увеличения диапазона регулирования с 15–25% максимально для представленных клапанов до регулирования в диапазоне 5–95% по предлагаемому клапану, что важно для условий зарастания.

Большую роль в понимании того, какая конструкция могла бы в большей степени соответствовать долговременным тенденциям развития клапанов для этого сегмента, оказали законы развития технических систем (подробнее см. Горобченко С. Л. Трубопроводная арматура и клапаны: законы развития технических систем и «технологическое проталкивание» в маркетинге, журнал ТПА, №5 2011, стр.58–62.).

Так, закон повышения идеальности предписывает повышение компактности – уменьшение сил, размеров и времени выполнения операций. В нашем случае он достигается при помощи перехода к другой конструкции клапана, по возможности, устранением фланцев, перехода к четвертьповоротному, более быстрому выполнению действия. Попутно решается и задача уменьшения вибрации, столь актуальная для производства с частыми сменами режимов, многочисленными пусками и остановами карбонизационных колонн.

Часть закона, касающаяся повышения идеальности выполнения функций (в нашем случае – регулирования), также явно выражена в конструкции сегментного клапана. Он имеет ту же пропускную способность, что и устанавливаемый ранее вентиль, только имеет на 2 размера меньше по сравнению с ним. К тому же он способен давать равнопроцентную характеристику с 5 до 95% открытия, что несравнимо лучше по сравнению с клапаном типа применяемого вентиля. Сила этого закона также проявилась и в том, что равнопроцентная характеристика значительно лучше отвечает требованиям надсистемы регулирующей арматуры – контура регулирования и системы автоматизации.

Проверка по закону повышения динамичности конструкции в нашем случае также показала верность выбранного пути. В частности, если следовать традиционной логике, то в этом случае необходимо было и дальше продолжать ужесточать конструкцию, например, вводя керамические элементы или полностью перейдя на керамический клапан. Однако цена такого клапана для недорогих сред является экономически нецелесообразной. Выбор же в сторону более динамичного сегментного клапана, где его защита в большей степени осуществляется в динамике самим потоком, лучше соответствует закону и одновременно идеальному конечному результату – клапан сам себя защищает от вредных воздействий.

Резкое снижение веса – это не только повышение степени идеальности, но и вытеснение человека из системы, создающее предпосылки для развития автоматических систем диагностики. В нашем случае сегментный клапан вписывался и в эту долгосрочную тенденцию, в которой и проявляется действие этой закономерности. В дальнейшем можно было наметить пути дальнейшего вытеснения человека из уровня управления, за счет повышения диагностируемости клапана, роста использования нематериальных частей и программирования с ростом применения цифровых позиционеров.

Представление результатов

Разработанное решение было представлено специалистам компании–клиента и закреплено в протоколе совещания у главного инженера, по рассмотрению реализации мероприятий поставки регулирующей и запорной арматуры фирмы «Метсо». Важность совещания заключалась в том, что решение принимается всеми отделами. В нашем случае это были начальник ПО, главный метролог, начальники производств ХК, БС, кальцинированной соды, и др. (их много), руководитель СИ и ТР, начальник ТО, зам. главного энергетика, начальник УС. Выдержку из протокола см. ниже:

Как видно из протокола, специалисты предприятия не были уверены в силе решения, справедливо считая, что оно является слишком новым и должно быть подтверждено референцами, см. п. 1;3;8;9. В противном случае предполагалась сначала установка клапанов на опытную эксплуатацию и только после этого переход к закупке всей спецификации. Этот вариант был неприемлем из-за сроков и дополнительных финансовых затрат.

Дорабатываем предложение

Для решения вопроса был изучен опыт компании Метсо в других странах, чтобы найти возможные референцы установки сегментных клапанов. В результате была подтверждена правильность выбора клапанов, и из одного из зарубежных офисов был получен подробный отчет о применении сегментных клапанов для содовых производств.

Чтобы быть ближе к реальности мы поискали, где в России и СНГ хорошо стоят клапаны серии RE, поскольку это весьма новое решение по сравнению с традиционным. Оказалось, много где…

Рис. 19. Применение сегментных клапанов RA на содовом участке металлургического предприятия

Грамотное техническое описание и доказательная референтная база окончательно склонили специалистов предприятия в пользу сегментных клапанов.

Работа над коммерческими условиями поставки

Работа команды специалиста по инжинирингу и менеджера не заканчивается на выборе клапана. Необходимо изучить и финансовые возможности компании–потребителя и предложить наиболее выгодные условия поставки и финансирования. В нашем случае клиент не мог позволить себе приобретение всего пакета клапанов для реконструкции, который составлял свыше 500 клапанов и просил перенести часть поставки на следующий год.

Разработка условий финансирования и поставки для получения наиболее низкой цены и снижения сопутствующих затрат являлась следующей частью работы. Для снижения финансовой нагрузки необходимо было привлечь контрактора. Контракторы – это компании, специализирующиеся на проведении контрактов, способные снижать финансовую нагрузку на предприятия и часто на производителей арматуры за счет оптимизации налоговых вычетов, например, по выплатам НДС или их взаимозачетам при расчетах по экспортно-импортным операциям, таможенным и логистическим платежам. Но более важно было создать условия для клиента в снижении общей финансовой нагрузки по единовременным платежам. Для этих целей было предложено использовать схему лизинга арматуры и была проработана лизинговая поставка. Подготовленное письмо совместно с лизинговой компанией под эту поставку показано ниже:

Таким образом, задача выбора основного регулирующего клапана для содового производства на основании инженерно-экономического анализа была решена и решение обосновано для каждого из отделов с учетом долгосрочных тенденций развития арматуры.

Со стороны такой объем работы для одного предложения кажется слишком большим. Но представьте, что у Вас есть поток таких предложений, и Вы уже создали требуемые альянсы с партнерами, а в запасе у Вас множество вариантов под различные и индивидуальные требования потребителя. И самое главное, вы владеете методикой анализа и подготовки предложения, опытом формирования предложений с учетом интересов всех заинтересованных сторон.

Степень близости к финишной ленте заказа арматуры именно вашей компании, а не конкурента, будет несравнимо выше.

6.1.3. Кейс. Разработка нового типа шаровой пробки для шаровых кранов трубопроводов

ЛМЗ – Литейно-Механический Завод – предприятие, специализирующееся на выпуске отливок и выполнении механических и сварочных работ. Основными цехами завода являются цех центробежного литья, цех фасонного литья, механообрабатывающий цех и сборочно-сварочный цех, а также цех ковки.

Задачей, которую необходимо было решить, заключалась в необходимости найти такие продукты, которые бы были под силу заводу, востребованы рынком и эффективны для потенциальных потребителей продукции завода в арматуростроении.