Rūpnieciskās tvertnes ir paredzētas vienam mērķim beztaras materiālu uzglabāšanai un uzticamai izkraušanai pēc pieprasījuma. Tomēr cementa rūpnīcās, spēkstacijās, pārtikas pārstrādes iekārtās un ķīmisko vielu ražošanas uzņēmumos izlādes kļūme joprojām ir pastāvīga darbības problēma. Materiāls pārstāj plūst. Ražošana palēninās vai apstājas. Un apkopes komandas tiek aicinātas iejaukties.
Inženiertehniskajā literatūrā par beztaras cieto vielu apstrādi ir aprakstīti izplūdes atteices mehānismi gadu desmitiem ilgi. Izliekšanās, žurku caurduršana, segregācija un konsolidācija ir labi saprotamas parādības. Taču plaisa starp akadēmisko izpratni un praktisko pielietojumu joprojām ir liela. Rūpnīcu operatori turpina paļauties uz reaģējošu iejaukšanos, jo preventīvo ieguldījumu lēmumu ietvari nav saskaņoti ar neplānotas dīkstāves ekonomisko realitāti.
Šis raksts novērš šo plaisu. Tajā saprotamā valodā ir izskaidroti tehniskie mehānismi, kas izraisa tvertnes izlādes kļūmi. Tas kvantitatīvi nosaka katra atteices režīma ekonomisko ietekmi, izmantojot nozares datus un inženierekonomiku. Un tas nodrošina strukturētu lēmumu sistēmu, lai novērtētu profilaktiskas iejaukšanās, pamatojoties uz materiāla īpašībām, tvertnes ģeometriju un ekspluatācijas apstākļiem.
Pirmā nodaļa: Plūsmas fizika — kāpēc lielapjoma cietās vielas uzvedas savādāk nekā šķidrumi
Lai saprastu, kāpēc tvertnēs neizdodas, vispirms jāsaprot, ka beztaras cietās vielas nav šķidrumi. Tvertnē uzglabātais šķidrums iztecēs no apakšējās atveres, kamēr atvere atrodas zem šķidruma virsmas. Plūsmas ātrumu nosaka hidrostatiskais spiediens, kas palielinās līdz ar dziļumu. Šķidrums nevar izveidot stabilu tiltu pāri atverei, jo tā molekulām trūkst iekšējās berzes, lai tās izturētu bīdes.
Beztaras cietās vielas ir atšķirīgas. Granulētie materiāli savu spēku iegūst no daļiņu berzes un dažos gadījumos no kohēzijas. Kad daļiņas atrodas tvertnē, tās spiežas viena pret otru un pret tvertnes sienām. Spriegumi materiālā nav izotropiski kā hidrostatiskais spiediens. Tie atšķiras atkarībā no virziena un ir atkarīgi no tvertnes piepildīšanas un izkraušanas vēstures.
Šis sprieguma sadalījums ir galvenais, lai izprastu izlādes kļūmi. Pareizi projektētā tvertnē spriegumi pie izejas ir pietiekami, lai pārvarētu materiāla iekšējo izturību, un notiek plūsma. Slikti izstrādātā tvertnē vai vienā pārkraušanas materiālā ārpus tā projektēšanas diapazona spriegumi pie izejas var būt mazāki par materiāla izturību, un plūsma apstājas.
Divi bezdimensiju parametri regulē plūsmas uzvedību. Pirmais ir izejas izmēra attiecība pret daļiņu izmēru. Parasti mazākajam izejas izmēram ir jābūt vismaz sešas līdz desmit reizes lielākam par maksimālo daļiņu izmēru. Zem šīs attiecības daļiņas savienojas un veido stabilu arku neatkarīgi no materiāla īpašībām.
Otrs parametrs ir materiāla plūsmas funkcija, kas saista tā neierobežoto tecēšanas robežu ar konsolidācijas spriegumu, kas rodas tvertnē. Materiāli ar lielām plūsmas funkciju vērtībām, kas nozīmē, ka tie ātri iegūst izturību zem spiediena, ir pakļauti izliekumam. Materiāli ar zemām plūsmas funkciju vērtībām plūst vieglāk, taču tie var būt pakļauti citām problēmām, piemēram, applūšanai vai segregācijai.
Otrā nodaļa: Pirmais atteices režīms – izliekšana
Izliekums, ko sauc arī par tiltu, notiek, kad virs tvertnes izejas veidojas stabils materiāla kupols. Arka pārnes slodzi uz tvertnes sienām, nevis nodod to lejup uz izvadu. Materiāls virs arkas nevar izkrist cauri, un izlāde apstājas.
Rodas divu veidu arkas. Mehāniskās arkas veidojas, kad savienojas lielas daļiņas vai neregulāras formas materiāli. Daļiņas fiziski bloķē viena otru, veidojot stabilu struktūru. Mehāniskās arkas biežāk sastopamas rupjos materiālos, piemēram, pildmateriālos, koka skaidās vai noteiktos graudos. Risinājums parasti ir palielināt izplūdes atveres izmēru vai uzstādīt ierīces, kas salauž bloķēšanas konstrukciju.
Saliedētas arkas veidojas, kad smalkas daļiņas salīp kopā mitruma, elektrostatisko spēku vai van der Vāla mijiedarbības dēļ. Cements, vieglie pelni, kaļķakmens pulveris un daudzi ķīmiskie starpprodukti uzrāda kohēziju. Vienotas arkas stiprums ar laiku palielinās. Materiāls, kas viegli plūst pēc pirmās iekraušanas, pēc nedēļas uzglabāšanas var kļūt nekustīgs. Šis no laika atkarīgais spēka pieaugums izskaidro, kāpēc tvertni, kas ilgstoši ir bijuši dīkstāvē, ir īpaši grūti restartēt.
Izliekuma kritiskais izmērs ir izejas izmērs. Konkrētam materiālam pastāv minimālais izplūdes izmērs, zem kura ir noteikta izliekšana un virs kuras ir iespējama plūsma. Šo minimālo izmēru var noteikt, izmantojot laboratorijas testus, piemēram, Jenike bīdes šūnu metodi, lai gan daži augi šādus testus veic regulāri.
Kad notiek izliekšana, tradicionālās iejaukšanās ietver tvertņu sienas kalšanu, lai vibrētu arku, stieņu ievietošanu caur piekļuves portiem, lai manuāli izjauktu arku, vai gaisa vai mehānisko vibratoru pielietošanu izvadei. Katra no šīm metodēm rada riskus, tostarp sienas bojājumus, personāla pakļaušanu krītošam materiālam un nepilnīgu arkas sabrukumu, kas pēc brīža tiek atjaunots.
Trešā nodaļa: Otrais atteices režīms – žurku izlikšana
Žurku caurums notiek, kad plūsma rada šauru kanālu caur materiālu, kamēr apkārtējais tilpums paliek nekustīgs. Kanāls jeb žurkas caurums stiepjas no izejas uz augšu materiālā. Pēc izveidošanās plūsma turpinās caur kanālu, bet materiāls ārpus kanāla nekad nepārvietojas.
Žurku caurumi ir visizplatītākie materiālos, kas nostiprinās nostiprināšanās laikā, bet neveido spēcīgu kohēziju. Materiāls pie tvertnes sienām un stūros kļūst pašnesošs, veidojot stabilus pāļus, kurus plūstošais kanāls nevar noārdīt. Laika gaitā žurkas caurums var izstiepties uz augšu, jo materiāls virs kanāla iekrīt iekšā, bet kopējais modelis joprojām ir šaura caurule caur citādi nekustīgām cietām vielām.
Žurku caururbšanas sekas ir samazināta darbspēja. Tvertne var būt pilna pēc tilpuma astoņdesmit procentiem, bet izvadīšanai ir pieejams tikai materiāls, kas atrodas žurkas caurumā. Apkārtējais materiāls darbojas kā nedzīva krātuve, aizņemot vietu, bet nesniedzot nekādu ieguldījumu ražošanā. No pakārtoto procesu perspektīvas tvertne šķiet tukša, lai gan tajā paliek ievērojams materiāls.
Žurku dobēšana ir īpaši mānīga, jo tā sākas pakāpeniski. Operators vispirms pamana, ka tvertne iztukšojas ātrāk, nekā paredzēts, pamatojoties uz līmeņa mērījumiem. Tad līmeņa indikators parāda esošo materiālu, bet izplūdes līmenis samazinās. Visbeidzot, žurkas caurums var pēkšņi sabrukt, izdalot lielu daudzumu materiāla, kas nomāc pakārtotās iekārtas.
Tradicionālās iejaukšanās žurku caururbšanā ietver mēģinājumus izraisīt masas plūsmu, pievienojot iekšējos konusus, nomainot tvertnes dibenu ar stāvāku dizainu vai uzstādot plūsmas veicināšanas ierīces, piemēram, gaisa slīdņus vai mehāniskos maisītājus. Katrai no šīm darbībām ir nepieciešams pilnībā iztukšot tvertni, kas ir tieši tad, kad žurku caurumi apgrūtina iztukšošanu.
Ceturtā nodaļa: Trešais atteices režīms – konsolidācija un laika spēka palielināšana
Tvertnēs glabātie materiāli reti ir statiski. Viņi apmetas zem sava svara. Tie vibrē tuvumā esošā aprīkojuma dēļ. Viņi piedzīvo temperatūras ciklus. Un tie absorbē vai izdala mitrumu atkarībā no atmosfēras apstākļiem. Katrs no šiem faktoriem laika gaitā palielina materiāla izturību.
Laika stiprības pieauguma fenomens ir labi dokumentēts beztaras cieto vielu inženierijā. Pulverim, kas viegli plūst pirmajā iekraušanas reizē, var būt nepieciešams ievērojami lielāks stress, lai sāktu plūsmu pēc nedēļas uzglabāšanas. Pēc mēneša nepieciešamais stress var dubultoties vai trīskāršoties. Pēc gada materiāls var izturēties kā vājš iezis, nevis kā granulēta cieta viela.
Laika spēka pieaugums notiek, izmantojot vairākus mehānismus. Materiāliem ar mitruma saturu ūdens migrācija var radīt šķidrus tiltus starp daļiņām, kas laika gaitā sacietē. Materiāliem ar šķīstošām sastāvdaļām pārkristalizācija daļiņu kontaktpunktos var savienot daļiņas kopā. Smalkiem materiāliem van der Vālsa spēki un elektrostatiskā pievilcība kļūst efektīvāki, jo daļiņas nokļūst ciešākā saskarē.
Laika stipruma pieauguma praktiskā ietekme ir tāda, ka uzglabāšanas ilgums kļūst par kritisku izlādes uzticamības mainīgo. Tvertne, kas droši izlādējas, apgriežot ik pēc trim dienām, var pilnībā sabojāties pēc divu nedēļu uzglabāšanas. Tomēr daudzas iekārtas darbojas bez sistemātiskas materiāla uzturēšanās laika uzskaites. Tvertnes tiek piepildītas un iztukšotas, pamatojoties uz ražošanas grafikiem, nevis atkarībā no tajās esošo materiālu īpašībām.
Profilaktiskās stratēģijas laika spēka palielināšanai koncentrējas uz uzglabāšanas ilguma ierobežošanu vai materiāla modificēšanu, lai samazinātu tā jutību pret konsolidāciju. Vispirms krājumu pārvaldība, lai gan tas ir izplatīts noliktavās, reti tiek ieviests tvertnēs, jo ir grūti noņemt materiālu no kaudzes dibena bez dzīvas dibena aprīkojuma. Mehāniskie vai pneimatiskie plūsmas palīglīdzekļi var saglabāt materiāla satraukumu uzglabāšanas laikā, novēršot ciešu daļiņu kontaktu, kas izraisa stiprības palielināšanos.
Piektā nodaļa: Katra kļūmes režīma ekonomiskās sekas
Lai gan izlādes atteices mehānismi atšķiras, to ekonomiskās sekas ir konsekventas. Izmaksas ir atkarīgas no atteices biežuma, noteikšanas aizkaves un iejaukšanās grūtības.
Loka notikumi parasti ir pēkšņi. Tvertne pārtrauc iztukšošanu bez brīdinājuma. Operators to uzreiz pamana, jo plūsmas indikators nokrītas līdz nullei. Atklāšanas aizkave ir īsa. Tomēr, lai veiktu izliekšanu, bieži vien ir nepieciešama ieiešana tvertnē, jo arka var atrasties krietni virs izejas. Maksa par vienu pasākumu var būt augsta drošības sagatavošanas un iekšējās piekļuves nepieciešamības dēļ.
Žurku turēšanas notikumi attīstās pakāpeniski. Operators var neatpazīt problēmu, kamēr tvertne nav faktiski iztukšojusi savu jaudu, un šajā brīdī ražošana jau ir ietekmēta. Atklāšanas aizkave var ilgt vairākas dienas vai nedēļas. Kad žurku caurumi ir atpazīti, var būt nepieciešama pilnīga tvertnes iztukšošana, lai likvidētu nekustīgo materiālu ap žurkas caurumu. Pasākuma izmaksās ietilpst ne tikai iejaukšanās, bet arī materiāla vērtība, kas ir jāizņem un jāizmanto vai jāizmet.
Laika spēka palielināšanas neveiksmes apvieno abu iezīmes. Sākums ir neparedzams, jo tas ir atkarīgs no uzglabāšanas ilguma. Kļūme var izpausties kā izliekums vai pārāk mazs plūsmas ātrums, lai apmierinātu ražošanas pieprasījumu. Iejaukšanās grūtības palielinās līdz ar uzglabāšanas laiku, jo materiāls kļūst stiprāks un grūtāk izkustināms.
Tipiskām iekārtām ar vairākiem tvertnēm ikgadējās izmaksas par izplūdes atteicēm var aprēķināt, reizinot vidējās pasākuma izmaksas ar paredzamajiem gada notikumiem. Nozares dati liecina, ka objektos bez profilaktiskām programmām uz katru tvertni gadā ir no divām līdz sešām ievērojamām izplūdes kļūmēm. Ņemot vērā materiālu izmaksas, ražošanas zudumus un darbaspēku, kopējās gada izmaksas vidēji lielai iekārtai bieži sasniedz sešus vai septiņus ciparus.
Sestā nodaļa: Profilakses izstrāde un darbības stratēģijas
Izlādes atteices novēršana sākas ar projektēšanu. Tvertnes izvadam jābūt pietiekami lielam, lai novērstu izliekšanos vājākajam glabājamam materiālam. Piltuves slīpumam jābūt pietiekami stāvam, lai izraisītu masas plūsmu, nevis piltuves plūsmu. Sienas virsmai jābūt gludai, un kohēzijas materiāliem var būt nepieciešami starplikas, kas izgatavotas no nerūsējošā tērauda vai īpaši augstas molekulmasas polietilēna.
Esošajiem tvertnēm, kuras nevar pārveidot, darbības stratēģijas var samazināt atteices risku. Visefektīvākā darbības stratēģija ir materiālu apgrozījuma vadība. Izsekojot uzturēšanās laiku un plānojot iztukšošanu, pirms laika atkarīgais stiprības pieaugums sasniedz kritisko līmeni, operatori var izvairīties no vissarežģītākajiem atteices scenārijiem.
Otrā darbības stratēģija ir plūsmas atbalsta uzstādīšana. Gaisa lielgabali, vibratori un pneimatiskie šķidrinātāji var saglabāt materiāla mobilitāti uzglabāšanas laikā. Lai šīs ierīces būtu efektīvas, nepieciešama regulāra apkope, taču to izmaksas parasti ir zemas salīdzinājumā ar vienas ārkārtas iejaukšanās izmaksām.
Trešā darbības stratēģija ir pārbaude. Regulāra pārbaude, izmantojot robotizētas vai attālinātas metodes, nodrošina agrīnu brīdinājumu par uzkrāšanās modeļiem, kas ir pirms atteices. Nosakot problemātiskās jomas pirms izplūdes apturēšanas, operatori var ieplānot mērķtiecīgu iejaukšanos plānoto pārtraukumu laikā, nevis reaģēt uz ārkārtas situācijām.
Iekārtām, kas vēlas pāriet uz reaktīvo pārvaldību, ieteicamā secība ir vispirms instrumentēt kritiskās tvertnes ar līmeņa un plūsmas uzraudzību, kas nodrošina agrīnu problēmu atklāšanu. Otrkārt, izveidojiet bāzes datus par atteices biežumu un izmaksām. Treškārt, veiciet pārbaudi un mērķtiecīgu iejaukšanos visaugstākā riska tvertnēs. Ceturtkārt, paplašiniet profilaktisko praksi, iekļaujot visas uzglabāšanas flotes. Piektkārt, novērtējiet tvertņu konstrukcijas modifikācijas, kas joprojām ir problemātiskas pēc ekspluatācijas uzlabojumiem.
Septītā nodaļa: Tehnoloģiju iespējas intervencei
Ja izlādes kļūme notiek, neskatoties uz preventīviem pasākumiem, intervences tehnoloģija nosaka atjaunošanas izmaksas un ilgumu.
Manuālā ievade joprojām ir visizplatītākā iejaukšanās metode visā pasaulē. Strādnieki iekļūst tvertnē ar rokas instrumentiem, lai salauztu arkas, noņemtu uzkrāto materiālu un atjaunotu plūsmu. Izmaksas ietver drošības sagatavošanu, individuālos aizsardzības līdzekļus, glābšanas gaidīšanas režīmu un pašu darbu. Galvenais ierobežojums nav izmaksas, bet gan pieejamība. Daudzos reģionos ir arvien grūtāk atrast kvalificētus strādniekus, kas iekļūtu slēgtās telpās.
Attālināti darbināms nojaukšanas aprīkojums ļauj iejaukties bez ieejas. Šīs ierīces tiek nolaistas tvertnē caur augšpusi vai ievietotas caur piekļuves portiem. Operatori tos kontrolē ārpus tvertnes, izmantojot video atsauksmes. Iekārta lauž arkas un atbrīvo no uzkrājumiem, izmantojot hidrauliskos slēdžus, augstspiediena ūdens strūklas vai mehāniskos ekskavatorus.
Pārbaudes roboti sniedz datus bez iejaukšanās. Silosā nonāk nelielas, attālināti vadāmas ierīces ar kamerām un sensoriem, lai novērtētu apstākļus. Tie mēra uzkrāšanās apjomu, sienu nodilumu un materiāla īpašības. Dati palīdz pieņemt lēmumus par to, vai un kad iejaukties.
Atbilstošās tehnoloģijas izvēle ir atkarīga no tvertnes ģeometrijas, materiāla īpašībām un atteices biežuma. Iekārtām ar biežiem bojājumiem vairākos tvertnēs attālinātas nojaukšanas iekārtas var būt ekonomiskas. Iekārtām ar neregulārām kļūmēm līgumslēgšana ar specializētiem pakalpojumu sniedzējiem var būt rentablāka. Visās iekārtās pārbaudes roboti ātri atmaksājas, novēršot nevajadzīgas iejaukšanās un laikus identificējot problēmas.
Secinājums
Tvertnes izlādes kļūme nav noslēpums. Fiziskie mehānismi ir labi saprotami. Izliekšanās, žurku caurduršana un laika palielināšanās izskaidro lielāko daļu neplānotu apstāšanās gadījumu. Ekonomiskās sekas ir būtiskas, daudzkārt pārsniedzot preventīvo pasākumu izmaksas lielākajai daļai objektu.
Tas, kas neļauj plaši pieņemt preventīvās stratēģijas, ir nevis tehniska nenoteiktība, bet gan organizatoriskā inerce. Bojājuma izmaksas tiek sadalītas ražošanas, apkopes un drošības budžetos. Profilakses ieguvums tiek uztverts kā novērsti notikumi, kas nekad neparādās nevienā ziņojumā. Un lēmums ieguldīt profilaksē prasa ticēt nākotnei, kas izskatās savādāka nekā pagātne.
Operāciju vadītājiem, kas vēlas apstrīdēt šo inerci, ceļš uz priekšu ir skaidrs. Izmēriet pašreizējās izmaksas par izlādes kļūmēm. Salīdziniet to ar pārbaudes aprīkojuma, plūsmas palīglīdzekļu vai konstrukcijas modifikāciju izmaksām. Izvēlieties iejaukšanos ar īsāko atmaksāšanās periodu. Īstenojiet to. Izmēriet rezultātu. Un atkārtojiet.
Plaisa starp reaktīvo un profilaktisko vadību nav tehniska. Tā ir izmaksu pārredzamības un lēmumu disciplīnas trūkums. Šīs nepilnības novēršana ir visefektīvākā darbība, ko jebkura iekārta var veikt, lai samazinātu neplānotas tvertnes dīkstāves.
