سیلوهای صنعتی برای یک منظور طراحی شده اند تا مواد حجیم را ذخیره کنند و آنها را به طور قابل اعتماد تخلیه کنند. با این حال در کارخانه‌های سیمان، نیروگاه‌ها، تأسیسات فرآوری مواد غذایی و سایت‌های تولید مواد شیمیایی، خرابی تخلیه همچنان یک مشکل عملیاتی پایدار است. جریان مواد متوقف می شود. تولید کند می شود یا متوقف می شود. و تیم های تعمیر و نگهداری برای مداخله فراخوانده می شوند.
ادبیات مهندسی در مورد جابجایی جامدات حجیم مکانیسم‌های شکست تخلیه را برای دهه‌ها توصیف کرده است. قوس کردن، سوراخ کردن موش، جداسازی، و تثبیت پدیده هایی هستند که به خوبی درک شده اند. اما شکاف بین درک آکادمیک و کاربرد عملی همچنان گسترده است. اپراتورهای نیروگاه همچنان به مداخلات واکنشی تکیه می کنند زیرا چارچوب های تصمیم گیری برای سرمایه گذاری پیشگیرانه با واقعیت اقتصادی زمان توقف برنامه ریزی نشده همسو نیست.
این مقاله این شکاف را پر می کند. مکانیسم های فنی که باعث خرابی تخلیه سیلو می شود را به زبان قابل دسترس توضیح می دهد. این اثر اقتصادی هر حالت شکست را با استفاده از داده های صنعت و اقتصاد مهندسی تعیین می کند. و یک چارچوب تصمیم گیری ساختاریافته برای ارزیابی مداخلات پیشگیرانه بر اساس خواص مواد، هندسه سیلو و شرایط عملیاتی فراهم می کند.
فصل اول: فیزیک جریان - چرا جامدات حجیم متفاوت از مایعات رفتار می کنند
برای درک علت خرابی سیلوها، ابتدا باید درک کرد که جامدات حجیم مایع نیستند. مایع ذخیره شده در یک مخزن تا زمانی که دهانه زیر سطح مایع باشد از دهانه پایینی خارج می شود. میزان جریان توسط فشار هیدرواستاتیک تعیین می شود که با عمق افزایش می یابد. این مایع نمی تواند یک پل پایدار در سراسر دهانه ایجاد کند زیرا مولکول های آن فاقد اصطکاک داخلی برای مقاومت در برابر برش هستند.
جامدات حجیم متفاوت هستند. مواد دانه ای استحکام خود را از اصطکاک بین ذرات و در برخی موارد انسجام به دست می آورند. هنگامی که در یک سیلو محصور می شوند، ذرات به یکدیگر و به دیواره های سیلو فشار می آورند. تنش های درون ماده مانند فشار هیدرواستاتیکی همسانگرد نیستند. آنها بسته به جهت متفاوت هستند و به تاریخچه نحوه پر شدن و تخلیه سیلو بستگی دارند.
این توزیع تنش کلید درک شکست تخلیه است. در یک سیلو که به درستی طراحی شده است، تنش های موجود در خروجی برای غلبه بر مقاومت داخلی مواد کافی است و جریان رخ می دهد. در یک سیلو با طراحی ضعیف یا یک ماده جابجایی خارج از محدوده طراحی آن، تنش ها در خروجی ممکن است کمتر از مقاومت ماده باشد و جریان متوقف شود.
دو پارامتر بدون بعد بر رفتار جریان حاکم است. اولی نسبت ابعاد خروجی به اندازه ذرات است. به عنوان یک قاعده کلی، کوچکترین بعد خروجی باید حداقل شش تا ده برابر حداکثر اندازه ذرات باشد. در زیر این نسبت، ذرات بدون توجه به خواص مواد به هم متصل می شوند و یک قوس پایدار را تشکیل می دهند.
پارامتر دوم تابع جریان ماده است که استحکام تسلیم نامحدود آن را به تنش تحکیمی که در سیلو تجربه می کند مرتبط می کند. مواد با مقادیر عملکرد جریان بالا، به این معنی که به سرعت تحت فشار استحکام پیدا می کنند، مستعد قوس شدن هستند. مواد با مقادیر تابع جریان پایین راحت تر جریان می یابند اما ممکن است مستعد مشکلات دیگری مانند سیل یا جداسازی باشند.
فصل دوم: حالت شکست یک - قوس کردن
قوس‌بندی که پل زدن نیز نامیده می‌شود، زمانی اتفاق می‌افتد که یک گنبد پایدار از مواد در بالای خروجی سیلو تشکیل شود. قوس بار را به دیواره های سیلو منتقل می کند تا اینکه آن را به سمت پایین به خروجی منتقل کند. مواد بالای قوس نمی توانند از بین بروند و تخلیه متوقف می شود.
دو نوع قوس رخ می دهد. قوس های مکانیکی زمانی تشکیل می شوند که ذرات بزرگ یا مواد با شکل نامنظم به هم متصل شوند. ذرات به طور فیزیکی یکدیگر را مسدود می کنند و ساختاری پایدار ایجاد می کنند. قوس های مکانیکی بیشتر در مواد درشت مانند سنگدانه ها، تراشه های چوب یا دانه های خاص رایج است. راه حل معمولاً افزایش اندازه خروجی یا نصب دستگاه هایی است که ساختار در هم قفل شده را می شکند.
قوس های منسجم زمانی تشکیل می شوند که ذرات ریز به دلیل رطوبت، نیروهای الکترواستاتیک یا فعل و انفعالات واندروالس به هم بچسبند. سیمان، خاکستر بادی، پودر سنگ آهک و بسیاری از واسطه های شیمیایی رفتار منسجمی از خود نشان می دهند. استحکام یک قوس منسجم با گذشت زمان افزایش می یابد. موادی که در اولین بارگذاری به آسانی جریان می‌یابند، ممکن است پس از یک هفته ذخیره‌سازی بی‌حرکت شوند. این افزایش قدرت وابسته به زمان توضیح می‌دهد که چرا سیلوهایی که برای مدت طولانی بیکار بوده‌اند، به ویژه راه‌اندازی مجدد دشوار است.
بعد حیاتی برای قوس بندی اندازه خروجی است. برای یک ماده معین، حداقل بعد خروجی وجود دارد که زیر آن قوس‌بندی قطعی است و بالای آن جریان امکان‌پذیر است. این حداقل بعد را می توان از آزمایشات آزمایشگاهی مانند روش سلول برشی جنیک تخمین زد، اگرچه تعداد کمی از گیاهان چنین آزمایشاتی را به طور معمول انجام می دهند.
هنگامی که قوس‌بندی اتفاق می‌افتد، مداخلات سنتی شامل چکش زدن دیوار سیلو برای ارتعاش قوس، قرار دادن میله‌ها از طریق درگاه‌های دسترسی برای شکستن قوس به صورت دستی، یا اعمال لرزاننده هوا یا مکانیکی در خروجی است. هر یک از این روش ها خطراتی از جمله آسیب به دیوار، قرار گرفتن پرسنل در معرض سقوط مواد و فروریختن ناقص قوس را به همراه دارد که لحظاتی بعد دوباره ایجاد می شود.
فصل سوم: حالت شکست دوم - حفره موش
سوراخ کردن موش زمانی اتفاق می‌افتد که جریان یک کانال باریک از مواد ایجاد می‌کند در حالی که حجم اطراف ثابت می‌ماند. کانال یا سوراخ موش، از خروجی به سمت بالا به داخل ماده امتداد می یابد. پس از تشکیل، جریان از طریق کانال ادامه می یابد، اما مواد خارج از کانال هرگز حرکت نمی کنند.
سوراخ کردن موش در موادی که در اثر ادغام استحکام پیدا می‌کنند، اما انسجام قوی ایجاد نمی‌کنند، رایج‌تر است. مواد در دیواره‌های سیلو و گوشه‌ها به خودی خود متکی می‌شوند و شمع‌های پایداری را تشکیل می‌دهند که کانال جاری نمی‌تواند فرسایش یابد. با گذشت زمان، سوراخ موش ممکن است با سقوط مواد بالای کانال به سمت بالا گسترش یابد، اما الگوی کلی یک لوله باریک از طریق مواد جامد توده ای ساکن باقی می ماند.
نتیجه سوراخ کردن موش کاهش ظرفیت زنده است. سیلو ممکن است هشتاد درصد حجمی پر باشد، اما فقط مواد داخل سوراخ موش برای تخلیه در دسترس است. مواد اطراف به عنوان ذخیره مرده عمل می کند، فضا را اشغال می کند اما هیچ کمکی به تولید نمی کند. از منظر فرآیندهای پایین دست، سیلو خالی به نظر می رسد حتی اگر مواد قابل توجهی در داخل آن باقی بماند.
سوراخ کردن موش به خصوص موذیانه است زیرا شروع آن تدریجی است. اپراتور ابتدا متوجه می شود که بر اساس اندازه گیری های سطح، سیلو سریعتر از حد انتظار تخلیه می شود. سپس نشانگر سطح مواد موجود را نشان می دهد در حالی که نرخ تخلیه کاهش می یابد. در نهایت، سوراخ موش ممکن است به طور ناگهانی فرو بریزد و حجم زیادی از مواد آزاد شود که تجهیزات پایین دست را تحت الشعاع قرار دهد.
مداخلات سنتی برای سوراخ کردن موش شامل تلاش‌هایی برای القای جریان انبوه با افزودن مخروط‌های داخلی، جایگزینی کف سیلو با طراحی شیب‌دارتر، یا نصب دستگاه‌های تقویت جریان مانند اسلایدهای هوا یا همزن‌های مکانیکی است. هر یک از این مداخلات مستلزم تخلیه کامل سیلو است، دقیقا زمانی که سوراخ کردن موش تخلیه را دشوار می کند.
فصل چهارم: حالت شکست سوم - تثبیت و افزایش قدرت زمانی
مواد ذخیره شده در سیلوها به ندرت ساکن هستند. آنها زیر وزن خود مستقر می شوند. آنها به دلیل تجهیزات نزدیک می لرزند. آنها چرخه های دما را تجربه می کنند. و بسته به شرایط جوی رطوبت را جذب یا آزاد می کنند. هر یک از این عوامل استحکام مواد را در طول زمان افزایش می دهد.
پدیده افزایش قدرت زمانی به خوبی در مهندسی جامدات حجیم ثبت شده است. پودری که در اولین بارگذاری به راحتی جریان می یابد ممکن است به تنش بسیار بالاتری برای شروع جریان پس از یک هفته ذخیره سازی نیاز داشته باشد. پس از یک ماه، استرس مورد نیاز ممکن است دو یا سه برابر شود. پس از یک سال، این ماده ممکن است مانند یک سنگ ضعیف عمل کند تا یک جامد دانه ای.
افزایش قدرت زمانی از طریق مکانیسم های مختلفی اتفاق می افتد. برای موادی که محتوای رطوبت دارند، مهاجرت آب می تواند پل های مایع بین ذرات ایجاد کند که در طول زمان جامد می شوند. برای مواد با اجزای محلول، تبلور مجدد در نقاط تماس ذرات می تواند ذرات را به یکدیگر پیوند دهد. برای مواد ریز، نیروهای واندروالس و جاذبه های الکترواستاتیکی با ته نشین شدن ذرات در تماس نزدیک تر مؤثرتر می شوند.
مفهوم عملی افزایش قدرت زمانی این است که مدت زمان ذخیره سازی به یک متغیر مهم در قابلیت اطمینان تخلیه تبدیل می شود. سیلویی که با چرخاندن هر سه روز یکبار به طور قابل اعتماد تخلیه می شود ممکن است پس از دو هفته ذخیره سازی به طور کامل خراب شود. با این حال بسیاری از امکانات بدون هیچ گونه ردیابی سیستماتیک زمان اقامت مواد کار می کنند. سیلوها بر اساس برنامه های تولید پر و خالی می شوند، نه بر اساس خواص وابسته به زمان مواد موجود در آنها.
استراتژی های پیشگیرانه برای افزایش استحکام زمانی بر محدود کردن مدت زمان ذخیره سازی یا اصلاح مواد برای کاهش حساسیت آن به یکپارچگی تمرکز دارد. مدیریت موجودی اولین بار، در حالی که در انبارداری رایج است، به ندرت برای سیلوها اجرا می شود، زیرا برداشتن مواد از ته یک شمع بدون تجهیزات ته برقی مشکل است. کمک‌های جریان مکانیکی یا پنوماتیکی می‌توانند هم زدن مواد را در طول ذخیره‌سازی حفظ کنند و از تماس نزدیک ذرات که منجر به افزایش استحکام می‌شود، جلوگیری کنند.
فصل پنجم: پیامدهای اقتصادی هر حالت شکست
در حالی که مکانیسم های شکست تخلیه متفاوت است، پیامدهای اقتصادی آنها از یک الگوی ثابت پیروی می کند. هزینه تابعی از فرکانس شکست، تاخیر تشخیص و دشواری مداخله است.
رویدادهای قوس‌بندی معمولاً ناگهانی هستند. سیلو بدون اخطار تخلیه را متوقف می کند. اپراتور بلافاصله متوجه می شود زیرا نشانگر جریان به صفر می رسد. تاخیر تشخیص کوتاه است. با این حال، مداخله برای قوس‌بندی اغلب نیاز به ورود به سیلو دارد، زیرا ممکن است قوس در بالای خروجی قرار گیرد. هزینه هر رویداد به دلیل آماده سازی ایمنی و نیاز به دسترسی داخلی می تواند بالا باشد.
رویدادهای سوراخ کردن موش به تدریج توسعه می یابد. اپراتور ممکن است مشکل را تشخیص ندهد تا زمانی که سیلو به طور موثر ظرفیت زنده خود را تخلیه نکند، در این مرحله تولید از قبل تحت تأثیر قرار گرفته است. تاخیر تشخیص می تواند روزها یا هفته ها باشد. پس از شناسایی، سوراخ کردن موش ممکن است نیاز به تخلیه کامل سیلو برای از بین بردن مواد ساکن اطراف سوراخ موش داشته باشد. هزینه هر رویداد نه تنها شامل مداخله بلکه ارزش موادی است که باید حذف شوند و یا استفاده شوند یا دور ریخته شوند.
شکست های افزایش قدرت زمان ویژگی های هر دو را ترکیب می کند. شروع غیرقابل پیش بینی است زیرا به مدت زمان نگهداری بستگی دارد. خرابی ممکن است به صورت قوس شدن یا به صورت نرخ جریان بسیار کم برای پاسخگویی به تقاضای تولید ظاهر شود. دشواری مداخله با زمان ذخیره سازی افزایش می یابد زیرا مواد قوی تر و سخت تر می شوند.
برای یک تأسیسات معمولی با سیلوهای متعدد، هزینه سالانه خرابی های تخلیه را می توان با ضرب میانگین هزینه رویداد در رویدادهای سالانه مورد انتظار تخمین زد. داده های صنعت نشان می دهد که تاسیسات بدون برنامه های پیشگیرانه بین دو تا شش خرابی تخلیه قابل توجه در هر سیلو در سال را تجربه می کنند. با مجموع هزینه‌های مواد، تلفات تولید و نیروی کار، مجموع هزینه‌های سالانه اغلب به شش یا هفت رقم برای یک تأسیسات با اندازه متوسط می‌رسد.
فصل ششم: طراحی و راهبردهای عملیاتی برای پیشگیری
جلوگیری از خرابی تخلیه با طراحی شروع می شود. خروجی سیلو باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا از ایجاد قوس برای ذخیره ضعیف ترین مواد جلوگیری کند. شیب قیف باید به اندازه کافی تند باشد تا جریان انبوه را به جای جریان قیف القا کند. سطح دیوار باید صاف باشد و برای مواد منسجم، ممکن است به آسترهای ساخته شده از فولاد ضد زنگ یا پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا نیاز داشته باشد.
برای سیلوهای موجود که قابل طراحی مجدد نیستند، استراتژی های عملیاتی می توانند خطر شکست را کاهش دهند. موثرترین استراتژی عملیاتی مدیریت گردش مواد است. با ردیابی زمان اقامت و برنامه ریزی تخلیه قبل از رسیدن قدرت وابسته به زمان به سطوح بحرانی، اپراتورها می توانند از سخت ترین سناریوهای شکست جلوگیری کنند.
دومین استراتژی عملیاتی نصب کمک جریان است. توپ های هوایی، ویبراتورها و سیال کننده های پنوماتیکی می توانند تحرک مواد را در طول ذخیره سازی حفظ کنند. این دستگاه ها برای موثر ماندن نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارند، اما هزینه آنها در مقایسه با هزینه یک مداخله اضطراری به طور معمول پایین است.
سومین استراتژی عملیاتی بازرسی است. بازرسی منظم با استفاده از روش‌های رباتیک یا راه دور، هشدار اولیه در مورد الگوهای انباشتگی قبل از شکست را فراهم می‌کند. با شناسایی مناطق مشکل دار قبل از توقف تخلیه، اپراتورها می توانند مداخلات هدفمند را در طول قطعی های برنامه ریزی شده به جای واکنش به شرایط اضطراری برنامه ریزی کنند.
برای تاسیساتی که به دنبال حرکت فراتر از مدیریت واکنشی هستند، توالی توصیه شده ابتدا برای ابزار دقیق سیلوهای حیاتی با نظارت بر سطح و جریان است که تشخیص زودهنگام مشکلات در حال توسعه را فراهم می کند. دوم، داده های پایه را در مورد فرکانس خرابی و هزینه ایجاد کنید. سوم، اجرای بازرسی و مداخله هدفمند برای سیلوهای با بالاترین خطر. چهارم، گسترش اقدامات پیشگیرانه به ناوگان ذخیره سازی کامل. پنجم، ارزیابی اصلاحات طراحی برای سیلوهایی که پس از بهبودهای عملیاتی مشکل ساز هستند.
فصل هفتم: گزینه های فناوری برای مداخله
هنگامی که با وجود اقدامات پیشگیرانه شکست تخلیه رخ می دهد، فناوری مداخله هزینه و مدت زمان بهبود را تعیین می کند.
ورود دستی رایج ترین روش مداخله در سراسر جهان است. کارگران با ابزارهای دستی وارد سیلو می شوند تا قوس ها را بشکنند، مواد انباشته شده را حذف کنند و جریان را بازیابی کنند. هزینه شامل آماده سازی ایمنی، تجهیزات حفاظت فردی، آماده باش نجات و خود نیروی کار است. محدودیت اولیه هزینه نیست بلکه در دسترس بودن است. در بسیاری از مناطق، یافتن کارگران واجد شرایط ورود به فضای محدود به طور فزاینده ای دشوار است.
تجهیزات تخریب از راه دور اجازه مداخله بدون ورود را می دهد. این دستگاه ها از بالا به داخل سیلو پایین می آیند یا از طریق پورت های دسترسی وارد می شوند. اپراتورها آنها را از خارج از سیلو با استفاده از بازخورد ویدیویی کنترل می کنند. این تجهیزات با استفاده از شکن های هیدرولیک، جت های آب فشار قوی یا بیل مکانیکی، قوس ها را می شکند و تجمع را از جای خود خارج می کند.
ربات های بازرس داده ها را بدون مداخله ارائه می دهند. دستگاه های کوچک و از راه دور دارای دوربین و سنسور برای ارزیابی شرایط وارد سیلو می شوند. آنها حجم تجمع، سایش دیوار و خواص مواد را اندازه گیری می کنند. داده ها تصمیم گیری در مورد اینکه آیا و چه زمانی مداخله شود را راهنمایی می کند.
انتخاب تکنولوژی مناسب به هندسه سیلو، خواص مواد و فرکانس شکست بستگی دارد. برای تأسیسات با خرابی های مکرر در چندین سیلو، داشتن تجهیزات تخریب از راه دور ممکن است مقرون به صرفه باشد. برای تأسیسات با خرابی های گاه به گاه، قرارداد با ارائه دهندگان خدمات تخصصی ممکن است مقرون به صرفه تر باشد. برای همه امکانات، ربات های بازرس با جلوگیری از مداخلات غیر ضروری و شناسایی زودهنگام مشکلات، هزینه خود را به سرعت پرداخت می کنند.
نتیجه گیری
خرابی تخلیه سیلو یک راز نیست. مکانیسم های فیزیکی به خوبی درک شده است. قوس کردن، سوراخ کردن موش، و افزایش قدرت زمانی، اکثریت قریب به اتفاق توقف های برنامه ریزی نشده را توضیح می دهد. پیامدهای اقتصادی قابل توجه است، به مراتب بیش از هزینه اقدامات پیشگیرانه برای اکثر امکانات.
آنچه مانع از پذیرش گسترده استراتژی های پیشگیرانه می شود، عدم قطعیت فنی نیست، بلکه اینرسی سازمانی است. هزینه خرابی بین بودجه های تولید، نگهداری و ایمنی توزیع می شود. مزیت پیشگیری به عنوان رویدادهای اجتناب شده در نظر گرفته می شود که هرگز در هیچ گزارشی ظاهر نمی شوند. و تصمیم برای سرمایه گذاری در پیشگیری مستلزم ایمان به آینده ای است که متفاوت از گذشته به نظر می رسد.
برای مدیران عملیاتی که مایل به به چالش کشیدن این اینرسی هستند، مسیر رو به جلو روشن است. هزینه جاری خرابی های تخلیه را اندازه گیری کنید. آن را با هزینه تجهیزات بازرسی، کمک جریان یا اصلاحات طراحی مقایسه کنید. مداخله ای را با کوتاه ترین دوره بازپرداخت انتخاب کنید. آن را اجرا کنید. نتیجه را اندازه گیری کنید. و تکرار کن
شکاف بین مدیریت واکنشی و پیشگیرانه فنی نیست. این یک شکاف در دید هزینه و نظم تصمیم است. بستن این شکاف تنها موثرترین اقدامی است که هر تسهیلات می تواند برای کاهش زمان توقف برنامه ریزی نشده سیلو انجام دهد.
