Tööstuslikud silohoidlad on mõeldud puistematerjalide ladustamiseks ja vajaduse korral nende usaldusväärseks tühjendamiseks. Kuid tsemenditehastes, elektrijaamades, toiduainete töötlemisrajatistes ja keemiatööstuses on tühjendustõrge endiselt pidev tööprobleem. Materjal lakkab voolamast. Tootmine aeglustub või peatub. Ja hooldusmeeskonnad kutsutakse sekkuma.
Puisteainete käitlemise insenerikirjandus on kirjeldanud tühjendamise ebaõnnestumise mehhanisme aastakümneid. Kaarekujundamine, roti aukumine, segregatsioon ja konsolideerumine on hästi mõistetavad nähtused. Kuid lõhe akadeemilise arusaamise ja praktilise rakendamise vahel on endiselt suur. Tehaseoperaatorid toetuvad jätkuvalt reaktiivsetele sekkumistele, sest ennetavate investeeringute otsustusraamistikud ei ole kooskõlas planeerimata seisakute majandusliku tegelikkusega.
See artikkel ületab selle lõhe. See selgitab juurdepääsetavas keeles tehnilisi mehhanisme, mis põhjustavad silo tühjendamise tõrkeid. See kvantifitseerib iga rikkerežiimi majanduslikku mõju, kasutades tööstuse andmeid ja inseneriökonoomikat. Ja see annab struktureeritud otsustusraamistiku ennetavate sekkumiste hindamiseks, mis põhinevad materjali omadustel, silo geomeetrial ja töötingimustel.
Esimene peatükk: Voolu füüsika – miks tahked tahked ained käituvad teisiti kui vedelikud
Et mõista, miks silohoidlad ebaõnnestuvad, tuleb kõigepealt mõista, et tahked ained ei ole vedelikud. Paagis hoitav vedelik voolab põhjaavast välja seni, kuni ava on vedeliku pinna all. Voolukiiruse määrab hüdrostaatiline rõhk, mis suureneb sügavusega. Vedelik ei saa moodustada stabiilset silda üle ava, kuna selle molekulidel puudub nihkele vastupanuvõimeline sisehõõrdumine.
Lahtised tahked ained on erinevad. Granuleeritud materjalid saavad oma tugevuse osakestevahelisest hõõrdumisest ja mõnel juhul ka kohesioonist. Kui see on suletud silohoidlasse, suruvad osakesed üksteise vastu ja vastu silo seinu. Materjalis olevad pinged ei ole isotroopsed nagu hüdrostaatiline rõhk. Need varieeruvad sõltuvalt suunast ja sõltuvad silohoidla täitmise ja tühjendamise ajaloost.
See pingejaotus on tühjenemise ebaõnnestumise mõistmise võti. Õigesti projekteeritud silos on väljalaskeava pinged piisavad, et ületada materjali sisemine tugevus ja tekib voolavus. Halvasti projekteeritud silohoidlas või ühes käsitletavas materjalis, mis jääb väljapoole selle projekteerimisvahemikku, võivad pinged väljalaskeava juures olla materjali tugevusest madalamad ja vool peatub.
Voolu käitumist reguleerivad kaks mõõtmeteta parameetrit. Esimene on väljalaskeava mõõtmete ja osakeste suuruse suhe. Rusikareeglina peaks väikseim väljalaskeava mõõt olema vähemalt kuus kuni kümme korda suurem osakeste maksimaalsest suurusest. Sellest suhtarvust madalamal osakesed haakuvad ja moodustavad stabiilse kaare olenemata materjali omadustest.
Teine parameeter on materjali voolavusfunktsioon, mis seob selle piiramatu voolavuspiiri silos kogetava konsolideeriva pingega. Materjalid, millel on kõrge voolufunktsiooni väärtus, mis tähendab, et need muutuvad surve all kiiresti tugevuseks, on altid kaardumisele. Madala voolufunktsiooni väärtustega materjalid voolavad kergemini, kuid võivad olla altid muudele probleemidele, nagu üleujutus või eraldumine.
Teine peatükk: tõrkerežiim üks – kaared
Kaardumine, mida nimetatakse ka sildamiseks, tekib siis, kui silo väljalaskeava kohale moodustub stabiilne materjalikuppel. Kaar kannab koormuse silohoidla seintele, mitte ei suuna seda allapoole väljalaskeava. Kaare kohal olev materjal ei saa läbi kukkuda ja tühjendamine peatub.
Esineb kahte tüüpi kaare. Mehaanilised kaared tekivad suurte osakeste või ebakorrapärase kujuga materjalide põimumisel. Osakesed blokeerivad üksteist füüsiliselt, luues stabiilse struktuuri. Mehaanilised kaared on tavalisemad jämedates materjalides, nagu täitematerjalid, puitlaastud või teatud terad. Lahenduseks on tavaliselt väljalaskeava suuruse suurendamine või seadmete paigaldamine, mis lõhuvad blokeerimiskonstruktsiooni.
Ühtsed kaared tekivad siis, kui peenosakesed kleepuvad kokku niiskuse, elektrostaatiliste jõudude või van der Waalsi vastasmõju tõttu. Tsemendil, lendtuhal, lubjakivipulbril ja paljudel keemilistel vaheühenditel on ühtne käitumine. Ühtse kaare tugevus suureneb aja jooksul. Esmakordsel laadimisel kergesti voolav materjal võib pärast nädalast ladustamist muutuda liikumatuks. See ajast sõltuv tugevuse suurenemine selgitab, miks pikemat aega jõude seisnud silohoidlaid on eriti raske taaskäivitada.
Kaarekujundamise kriitiline mõõde on väljalaskeava suurus. Antud materjali puhul on olemas minimaalne väljalaskemõõt, millest allpool on kaardumine kindel ja millest kõrgemal on vool võimalik. Seda minimaalset mõõdet saab hinnata laborikatsete, näiteks Jenike nihkerakkude meetodi põhjal, kuigi vähesed taimed teevad selliseid katseid rutiinselt.
Kaare kaardumise korral hõlmavad traditsioonilised sekkumised silohoidla seina löömist, et kaare lahti vibreerida, varraste sisestamist läbi juurdepääsuportide kaare käsitsi purustamiseks või õhu või mehaaniliste vibraatorite rakendamist väljalaskeavasse. Kõik need meetodid hõlmavad riske, sealhulgas seinakahjustusi, personali kokkupuudet langeva materjaliga ja mittetäielikku kaare kokkuvarisemist, mis tekib hetke pärast uuesti.
Kolmas peatükk: tõrkerežiim teine – roti auk
Roti aukumine toimub siis, kui vool loob kitsa kanali läbi materjali, samas kui ümbritsev maht jääb paigale. Kanal ehk roti auk ulatub väljalaskeavast ülespoole materjali sisse. Pärast moodustumist jätkub vool läbi kanali, kuid kanalist väljaspool olev materjal ei liigu kunagi.
Rotiaugud on kõige levinumad materjalides, mis tugevdavad tihendamisel, kuid ei tekita tugevat sidusust. Materjal silohoidlate seintel ja nurkades muutub isekandvaks, moodustades stabiilsed vaiad, mida voolav kanal ei saa erodeerida. Aja jooksul võib roti auk ulatuda ülespoole, kui kanali kohal olev materjal sisse kukub, kuid üldine muster jääb kitsaks toruks läbi muidu paigalseisvate tahkete ainete.
Roti augustamise tagajärjeks on vähenenud elujõulisus. Silohoidla mahust võib olla kaheksakümmend protsenti täis, kuid tühjendamiseks on saadaval ainult roti augus olev materjal. Ümbritsev materjal toimib surnud hoiukohana, hõivates ruumi, kuid ei panusta tootmisse. Järelvoolu protsesside vaatenurgast näib silohoidla tühi, kuigi sellesse jääb palju materjali.
Roti aukumine on eriti salakaval, kuna see algab järk-järgult. Operaator märkab esmalt, et silohoidla tühjeneb tasememõõtmiste põhjal oodatust kiiremini. Seejärel näitab tasemeindikaator olemasolevat materjali, samal ajal kui tühjendusmäär väheneb. Lõpuks võib roti auk ootamatult kokku kukkuda, vabastades suure hulga materjali, mis koormab allavoolu seadmeid.
Traditsioonilised sekkumised rottide aukudeks hõlmavad katseid tekitada massivoogu, lisades sisemisi koonuseid, asendades silohoidla põhja järsema konstruktsiooniga või paigaldades voolu soodustavaid seadmeid, nagu õhuliugurid või mehaanilised segajad. Kõik need sekkumised nõuavad silohoidla täielikku tühjendamist, mis on just siis, kui roti aukumine muudab tühjendamise keeruliseks.
Neljas peatükk: Kolmas tõrkerežiim – konsolideerimine ja ajatugevuse suurendamine
Silohoidlates hoitavad materjalid on harva staatilised. Nad rahunevad oma raskuse all. Nad vibreerivad läheduses asuvate seadmete tõttu. Nad kogevad temperatuuri tsükleid. Ja nad imavad või eraldavad niiskust sõltuvalt atmosfääritingimustest. Kõik need tegurid suurendavad aja jooksul materjali tugevust.
Ajatugevuse suurenemise nähtus on puisteainete inseneritöös hästi dokumenteeritud. Esmakordsel laadimisel kergesti voolav pulber võib pärast nädalast ladustamist vajada voolu käivitamiseks oluliselt suuremat pinget. Kuu aja pärast võib vajalik stress kahe- või kolmekordistuda. Aasta pärast võib materjal käituda pigem nõrga kivimi kui teralise tahke ainena.
Aja tugevuse suurenemine toimub mitme mehhanismi kaudu. Niiskusesisaldusega materjalide puhul võib vee migratsioon tekitada osakeste vahele vedelaid sildu, mis aja jooksul tahkuvad. Lahustuvate komponentidega materjalide puhul võib ümberkristallimine osakeste kokkupuutepunktides osakesi omavahel siduda. Peenmaterjalide puhul muutuvad van der Waalsi jõud ja elektrostaatilised atraktsioonid tõhusamaks, kuna osakesed satuvad tihedamasse kontakti.
Aja tugevuse suurenemise praktiline mõju seisneb selles, et ladustamise kestus muutub tühjenemise usaldusväärsuse kriitiliseks muutujaks. Silohoidla, mis tühjeneb usaldusväärselt, kui seda iga kolme päeva tagant ümber pöörata, võib pärast kahenädalast ladustamist täielikult ebaõnnestuda. Kuid paljud rajatised töötavad ilma materjali viibimisaja süstemaatilise jälgimiseta. Silohoidlaid täidetakse ja tühjendatakse tootmisgraafikute, mitte neis sisalduvate materjalide ajast sõltuvate omaduste järgi.
Ajatugevuse suurendamise ennetavad strateegiad keskenduvad kas ladustamise kestuse piiramisele või materjali muutmisele, et vähendada selle tundlikkust tihendamise suhtes. Varude haldamine esmajärjekorras, kuigi laonduses tavaline, rakendatakse silohoidlates harva, kuna ilma pingelise põhjaga seadmeteta on raske hunniku põhjast materjali eemaldada. Mehaanilised või pneumaatilised vooluabivahendid võivad säilitada materjali segamist ladustamise ajal, vältides osakeste tihedat kontakti, mis põhjustab tugevuse suurenemist.
Viies peatükk: iga rikkerežiimi majanduslikud tagajärjed
Kuigi tühjendamise ebaõnnestumise mehhanismid on erinevad, järgivad nende majanduslikud tagajärjed ühtset mustrit. Maksumus sõltub rikete sagedusest, avastamise viivitusest ja sekkumise raskusest.
Kaardumise sündmused on tavaliselt järsud. Silohoidla lõpetab tühjenemise ilma hoiatuseta. Operaator märkab seda kohe, sest voolunäidik langeb nulli. Tuvastamise viivitus on lühike. Kuid sekkumine kaarekujundamiseks nõuab sageli silohoidlasse sisenemist, kuna kaar võib asuda väljalaskeavast tunduvalt kõrgemal. Sündmuse maksumus võib olla kõrge turvalisuse ettevalmistuse ja sisemise juurdepääsu vajaduse tõttu.
Rottide hoidmise sündmused arenevad järk-järgult. Käitaja ei pruugi probleemist aru saada enne, kui silohoidla on oma pinget tõhusalt tühjendanud, mis hetkel on juba tootmist mõjutanud. Avastamise viivitus võib kesta päevi või nädalaid. Kui roti auku tuvastatakse, võib see vajada silohoidla täielikku tühjendamist, et eemaldada rotiaugu ümbert liikumatu materjal. Sündmuse maksumus ei sisalda mitte ainult sekkumist, vaid ka materjali väärtust, mis tuleb eemaldada ja kas kasutada või ära visata.
Aja tugevuse suurenemise ebaõnnestumised ühendavad mõlema omadused. Algus on ettearvamatu, kuna see sõltub ladustamise kestusest. Rike võib ilmneda kaardumisena või tootmisnõudluse rahuldamiseks liiga madala voolukiirusena. Sekkumise raskus suureneb ladustamisajaga, kuna materjal muutub tugevamaks ja seda on raskem eemaldada.
Tüüpilise mitme silohoidlaga rajatise puhul saab tühjendustõrgete aastakulusid hinnata, korrutades sündmuse keskmise maksumuse eeldatavate aastasündmustega. Tööstusandmed näitavad, et ennetusprogrammideta rajatistes esineb silohoidla kohta aastas kaks kuni kuus olulist tühjendustõrget. Kui arvestada materjalikulusid, tootmiskadusid ja tööjõudu, ulatuvad aastased kogukulud keskmise suurusega rajatise puhul sageli kuue või seitsme numbrini.
Kuues peatükk: Ennetamise kavandamine ja tegevusstrateegiad
Tühjenemise rikke vältimine algab projekteerimisest. Silo väljalaskeava peab olema piisavalt suur, et vältida kaardumist kõige nõrgema ladustatava materjali jaoks. Punkri kalle peab olema piisavalt järsk, et kutsuda esile massivool, mitte lehtrivool. Seina pind peab olema sile ja sidusate materjalide puhul võib vaja minna roostevabast terasest või ülikõrge molekulmassiga polüetüleenist vooderdusi.
Olemasolevate silohoidlate puhul, mida ei saa ümber kujundada, võivad kasutusstrateegiad vähendada rikkeohtu. Kõige tõhusam tegevusstrateegia on materjalikäibe juhtimine. Jälgides viibimisaega ja planeerides tühjendamist enne, kui ajast sõltuv tugevuse suurenemine saavutab kriitilise taseme, saavad operaatorid vältida kõige raskemaid rikkestsenaariume.
Teine tegevusstrateegia on vooluabi paigaldamine. Õhukahurid, vibraatorid ja pneumaatilised fluidisaatorid suudavad säilitada materjali liikuvust ladustamise ajal. Need seadmed vajavad regulaarset hooldust, et püsida tõhusana, kuid nende maksumus on tavaliselt madal, võrreldes ühe hädaabi sekkumise kuludega.
Kolmas tegevusstrateegia on kontroll. Regulaarne kontroll robot- või kaugmeetodite abil annab varakult hoiatuse rikkele eelnevate kogunemismustrite kohta. Tuvastades probleemsed piirkonnad enne tühjendamise peatamist, saavad operaatorid kavandatud seisakute ajal kavandatud sihipäraseid sekkumisi planeerida, mitte hädaolukordadele reageerida.
Rajatiste puhul, mis soovivad liikuda reaktiivsest juhtimisest kaugemale, on soovitatav kõigepealt kriitiliste silohoidlate mõõtmine taseme ja vooluhulga jälgimisega, mis võimaldab varakult avastada tekkivaid probleeme. Teiseks koostage lähteandmed rikete sageduse ja kulude kohta. Kolmandaks rakendage kõrgeima riskiga silohoidlate kontrolli ja sihipärast sekkumist. Neljandaks laiendage ennetavaid tavasid kogu ladustamispargile. Viiendaks hinnake silohoidlate konstruktsioonimuudatusi, mis jäävad pärast töö parandamist problemaatiliseks.
Seitsmes peatükk: Sekkumise tehnoloogilised võimalused
Kui tühjendustõrge ilmneb hoolimata ennetusmeetmetest, määrab sekkumistehnoloogia taastumise maksumuse ja kestuse.
Käsitsi sisestamine on maailmas kõige levinum sekkumisviis. Töötajad sisenevad silohoidlasse käsitööriistadega, et murda kaarte, eemaldada kogunenud materjal ja taastada vooluhulk. Maksumus sisaldab ohutusalast ettevalmistust, isikukaitsevahendeid, päästevalvet ja tööd ennast. Peamine piirang ei ole hind, vaid kättesaadavus. Paljudes piirkondades on üha raskem leida kvalifitseeritud töötajaid suletud ruumi sisenemiseks.
Kaugjuhitavad lammutusseadmed võimaldavad sekkuda ilma sisenemiseta. Need seadmed lastakse silohoidlasse läbi ülaosa või sisestatakse juurdepääsuportide kaudu. Operaatorid juhivad neid väljastpoolt silohoidlat videotagasiside abil. Seadmed lõhuvad kaarte ja eemaldavad kogunemise hüdrauliliste kaitselülitite, kõrgsurveveejugade või mehaaniliste ekskavaatorite abil.
Kontrollirobotid edastavad andmeid ilma sekkumiseta. Silosse sisenevad väikesed kaugjuhitavad kaamerate ja anduritega seadmed, et hinnata tingimusi. Need mõõdavad akumulatsiooni mahtu, seina kulumist ja materjali omadusi. Andmed juhivad otsuseid selle kohta, kas ja millal sekkuda.
Sobiv tehnoloogia valik sõltub silo geomeetriast, materjali omadustest ja rikete sagedusest. Mitme silohoidla sagedaste riketega rajatiste puhul võib kauglammutusseadmete omamine olla ökonoomne. Aeg-ajalt esinevate riketega rajatiste puhul võib spetsialiseerunud teenusepakkujatega lepingute sõlmimine olla kulutõhusam. Kõikide rajatiste puhul tasuvad kontrollrobotid end kiiresti ära, vältides tarbetuid sekkumisi ja tuvastades probleemid varakult.
Järeldus
Silo tühjendamise rike ei ole mõistatus. Füüsilised mehhanismid on hästi arusaadavad. Kaarekujundamine, rottide auku tõmbamine ja ajaline tugevuse suurenemine selgitavad enamikku planeerimata seisakutest. Majanduslikud tagajärjed on olulised, ületades enamiku rajatiste puhul palju ennetusmeetmete maksumust.
Ennetavate strateegiate laialdast kasutuselevõttu takistab mitte tehniline ebakindlus, vaid organisatsiooniline inerts. Rikkega seotud kulud jagunevad tootmis-, hooldus- ja ohutuseelarvete vahel. Ennetamise eeliseid kajastatakse välditud sündmustena, mida üheski aruandes kunagi ei kuvata. Ja otsus investeerida ennetusse nõuab uskumist tulevikku, mis näeb välja minevikust erinev.
Operatsioonijuhtide jaoks, kes on valmis seda inertsust proovile panema, on edasine tee selge. Mõõtke tühjendustõrgete praegust maksumust. Võrrelge seda kontrolliseadmete, vooluabivahendite või disainimuudatuste maksumusega. Valige lühima tasuvusajaga sekkumine. Rakenda seda. Mõõtke tulemust. Ja korda.
Lõhe reaktiivse ja ennetava juhtimise vahel ei ole tehniline. See on lünk kulude nähtavuses ja otsustusdistsipliinis. Selle tühimiku kaotamine on kõige tõhusam meede, mida ükski rajatis saab ette võtta, et vähendada silohoidla planeerimata seisakuid.
