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

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.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

Учитывая требования к решению задачи, как к поиску нового продукта, она была отнесена к классу решения инжиниринговых задач, для которых применима методика 1 (методика определения направлений совершенствования инжиниринговых продуктов в новых областях) с элементами методики 2 (методика повышения добавленной ценности инжиниринговых продуктов). Одновременно, учитывая, что завод специализируется на производстве в основном заготовок, применялась методика 3 (методика выполнения проектов по совершенствованию технологических процессов).

Из методики 1 были отобраны следующие инструменты:

– выбор продукта,

– анализ его по S-кривой,

– выбор направления развития продукта в зависимости от этапа, на котором находится продукт, техническая и бизнес-система потребителя и определяются уровни развития рынка (этапы жизненного цикла рынка), на который предлагается вывести инжиниринговый продукт.

Из методики 2 были отобраны следующие инструменты:

– анализ жизненного цикла продукта,

– определение этапа развития технической системы.

Из методики 3 были отобраны следующие инструменты:

– определение проблем технологии,

– определение ключевых недостатков и распределение их по технологическим операциям,

– проведение свертывания элементов, порождающих ключевые недостатки.

Используемыми видами анализа стали:

– анализ по законам развития технических систем (ЗРТС)

– ресурсный анализ.

Было предложено включать и другие виды анализа, предлагаемые в методиках, в случае необходимости.

Для решения задачи был применен АРИнЗ. Ниже пошагово рассматривается ход решения задачи.

ШАГ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПОСОБНОСТЕЙ КОМПАНИИ И ПОТРЕБНОСТЕЙ ПОТРЕБИТЕЛЯ (РЫНКА)

1.1. СПОСОБНОСТИ КОМПАНИИ

На этом этапе уточнялась задача, чтобы оценить пространство решений. Для этих целей были уточнены производственно-технические, финансовые возможности предприятия, а также возможности внедрения и способность руководства и персонала внедрять новые технические решения. Были проанализированы:

– история компании

– партнеры компании

– парк оборудования

– опыт в налаживании новых производств и способности к внедрению инновационных технологий

– отчетность

Также были проведены интервью с руководителями коммерческого, конструкторского, технологического, финансового отдела и директоратом предприятия. По материалам анализа в общих чертах прояснилась общая инновационная стратегия предприятия.

Было выбрано направление центробежного литья, в котором у завода были опыт производства и возможности продвижения на рынок.

Рис. 1. Цех центробежного литья ЛМЗ

На основе анализа были выявлены основные разрывы, которые ограничивают предприятие в разработке и внедрении инновационных продуктов для арматуростроения.

Основными ограничениями стали:

– недостаточные возможности оборудования,

– отсутствие технологий,

– потребность в выпуске серийного продукта, без значительных колебаний по типу применяемой технологии и номенклатуре,

– проблемы с использованием в основном только дорогих материалов и невыгодностью использования дешевых материалов, не дающих желаемой прибыли,

– потребность в использовании имеющегося оборудования в связи с большой длительностью изготовления и стоимостью кокилей,

– необходимость работы на уже имеющемся рынке изделий из нержавеющих и специальных сталей и необходимость учета трудностей по выходу на слишком дальние от возможностей компании рынки.

В качестве основного продукта для дальнейшего развития были проанализированы основные конструкции шаровых кранов, как наиболее соответствующие осесимметричным центробежнолитым заготовкам для арматуры, рис.2.

Рис. 2. Общий вид шарового крана

Основной упор предложено было сделать на шаровые краны большого диаметра, где центробежное литье может иметь преимущество по основным комплектующим, рис. 6.3.

Рис. 3. Основные конструктивные элементы шарового крана с высокой степенью осесимметричности

Общая спецификация комплектующих узлов приведена ниже, табл. 1.

Табл. 1. Спецификация деталей шарового крана

Из общей спецификации изделий наибольший интерес экспертов, оценивающих возможности применения центробежного литья, вызвали:

– корпус

– крышка корпуса

– шар

– ось

– вал

– седло

– упорное кольцо

1.2. ПОТРЕБНОСТИ И ПРОБЛЕМЫ КЛИЕНТА

Учитывая способности предприятия по выполнению центробежных трубных отливок, было принято решение найти достаточную нишу рынка в области развеса литья до 3000 кг, что обеспечило бы максимально комфортные условия для работы литейного участка центробежного литья его термообработки, мехобработки, а также сочеталось бы с традиционными и доступными ресурсами по металлолому, поставке легирующих и пр.

Среди множества запросов, которые приходили в компанию, и на который мог бы быть достаточный спрос со стороны арматурных предприятий, были запросы на изготовление шаровых пробок крупных шаровых кранов, рис. 4.

Рис. 4. Шаровая пробка

Из других изделий вызывала интерес деталь типа "седло" с наплавкой стеллита, как правило, шабрирующее, в наибольшей степени отвечающее возможностям завода, рис. 5.

Рис. 5. Общий вид шабрирующего седла

Из других осесимметричных деталей были также рассмотрены штоки и собственно корпус крана. Формирование концепции полого штока с учетом возможностей завода было рассмотрено ранее (см. статья Горобченко С.Л, Прогноз развития конструктивных решений в арматуре: полый шток, www.armavest.ru). Корпус крана представлял интерес с точки зрения использования центробежного трубного литья для применения в условиях абразивных пульп.

В настоящее время в приведенных изделиях, несмотря на массовость производства, используются технологии, свойственные единичной обработке изделий, в частности, это наиболее характерно для наплавки корпусов, шаров и, особенно, для седел, рис. 6.

Рис. 6. Стенд наплавки седел шаровых кранов

Проблемой было то, что все эти детали значительно меньше по цене, чем цена, которую предлагал бы за них завод. Несмотря на перспективность продукции по возможностям производства, завод от него отказывался.

ШАГ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСОВ КОМПАНИИ И СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕЙ ПРОБЛЕМЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ

2.1. РЕСУРСЫ КОМПАНИИ

Ресурсами, которые были доступны компании ЛМЗ, могли бы стать достаточно разнообразные бизнес и технические ресурсы, а также ресурсы и тренды внешней среды и делового окружения.

В частности, были выбраны:

На уровне продукта:

– Возможность использования разнообразных сплавов в литейном производстве. При этом было возможно формировать разнообразные свойства отливок.

– Наличие легко реализуемых патентов и доступных разработок в области новых сплавов, прошедших как минимум опытно-промышленную апробацию.

– Возможность литья биметаллических трубных заготовок.

На уровне потребителя:

– Тренды к уменьшению массы и материалоемкости арматуры, повышению длительности срока службы и повышении уровня выполнения ими их главной полезной функции.

На уровне отрасли и рынка были выделены следующие ключевые факторы успеха:

• низкобюджетные цены на приведенные изделия

• растущие требования к надежности эксплуатации

• рост мероприятий по повышению безопасности

• внимание потребителей к уменьшению не только цены, но и стоимости за весь срок службы арматуры

• учет специфических требований потребителей.

2.2. СИСТЕМООБРАЗУЮЩАЯ ПРОБЛЕМА КЛИЕНТА

Было выделено многообразие решений по совершенствованию корпусов арматуры, шаровых пробок, штоков и седел шаровых кранов. Некоторые, наиболее часто применяемые решения, приведены ниже:

Шаровые пробки

– шаровая пробка выполняется из упрочненного материала

– шаровая пробка выполняется с хромовым покрытием для придания поверхностной твердости и коррозионностойкости

– шаровая пробка выполняется с плазменным (газоплазменным) напылением карбидов вольфрама, металлокерамическим покрытием или азотированием

– шаровая пробка выполняется с внутренней или внешней наплавкой

– шаровая пробка выполняется кованой для повышения прочности по сравнению с литой пробкой или пробкой, выточенной из проката

– пробка выполняется из трубной заготовки с гидравлической раздачей в сферу.

Корпуса шаровых кранов

– корпус выполняется раздельным

– корпус выполняется из трубной цилиндрической заготовки с дальнейшей раздачей

– корпус выполняется с наплавкой внутри

Седла

седла выполняются из отдельных заготовок с наплавкой на стенде

Анализ и обобщение выделенных решений показали основной тренд на совершенствование уже применяемых технологий. К ним можно было бы отнести повышение качества металла самой детали или переход к использованию биметаллической конструкции с наплавкой на базовый элемент детали более прочного материала с его дальнейшей термообработкой и шлифовкой.

Хотя последнее решение лучше решает вопрос повышения износостойкости, однако, в тоже время приводит ко многим другим недостаткам, ключевым из которых является увеличение трудоемкости и времени изготовления отдельных деталей. Вопрос качества износостойкости тоже может быть отнесен к спорным.

Экспертная группа выбрала для дальнейшего анализа шаровые пробки, как имеющие наибольший потенциал на рынке и максимально использующем ресурсы и производственные возможности предприятия.

ШАГ 3. УТОЧНЕНИЕ ЗАДАЧИ С УЧЕТОМ ЭТАПА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКТА, КОМПАНИИ И ПОТРЕБИТЕЛЯ (РЫНКА)

3.1. УТОЧНЕНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКТА И КОМПАНИИ

Жизненный цикл продукта

Шаровые пробки

Анализ развития шаровых пробок показал, что, несмотря на то, что этот элемент, по сути, является основным рабочим органом (в зависимости от выбора главной полезной функции – регулирования или отсечки), однако, ему уделяется недостаточное внимание. Противоречие между необходимостью иметь цилиндрическую проточную часть и сферическую внешнюю часть пробки надолго определили основную направленность конструкции крана и достаточно большую материалоемкость кранов. Отметим, что способы решения этой проблемы при помощи простой раздачи трубной заготовки не прижились, поскольку уход от цилиндрической проточной части резко ухудшает состояние потока внутри ее.

Использование шаровых пробок с цилиндрической проточной частью сложилось достаточно давно и, несмотря на попытки использовать технологию с гидравлической раздачей пробки, по-прежнему является ведущей технологией. Такие пробки получили наибольшее распространение. Их цена достаточно низка из всех возможных вариантов. Основной тенденцией является поиск путей к большей унификации и совершенствованию некоторых элементов технологии – литья или ковки, покрытия или наплавки и пр.

Продукт в сегодняшнем состоянии можно отнести, по всей видимости, к середине 3-го этапа жизненного цикла, хотя сам шаровой кран в настоящее время имеет значительную тенденцию к росту и может быть отнесен к 3-му этапу.

Жизненный цикл компании (ЛМЗ)

Чугунные отливки, на которых ранее специализировался завод, чуть не привели его к банкротству в связи с чрезвычайно низкой ценой отливки. После прихода инвесторов на заводе заработала машина для центробежного литья трубных заготовок и после резкого разворота завода в сторону нержавеющих сталей его дела пошли на поправку.

Обобщая выделенные факторы, можно сказать, что линия этого продукта на заводе находится примерно на 2-м – начале 3-го этапа своего развития (т.е. ТС "продолжает развиваться и захватывать новые области").

3.2. УТОЧНЕНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОТРЕБИТЕЛЯ

Жизненный цикл потребителя

Арматурные компании, использующие шаровые пробки – это компании по производству и ремонту шаровых кранов. Их количество растет, они организуются в ассоциации (например, Ассоциация производителей шаровых кранов). Их рост зависит от возможности и степени вытеснения арматуры других типов, на которые ранее шаровые краны не претендовали, в частности, клиновых задвижек большого диаметра, а сами они (производители шаровых кранов) зависят от степени давления на них производителей дисковых затворов. Все вместе они зависят от инвестиционной активности и планов по модернизации крупных потребителей, где в наибольшей степени востребованы шаровые краны.

По параметрам оценки жизненного цикла предприятия-потребители арматуры можно охарактеризовать как находящиеся на 3-м этапе. Они, как правило, большие, стремятся к давлению на своих поставщиков, закупают по низким ценам, стремятся создавать значительные барьеры для входа, что характерно для 3-го этапа рынка. Эта основная линия продолжается и до возможных производителей шаровых пробок, хотя и не так активно.

Этап развития рынка потребителя

Наличие большого числа западных и китайских компаний, производящих и поставляющих шаровые краны, привело к размыванию рынка в целом и появлению большого числа разнообразных решений в т.ч. и по шаровым пробкам.