Как рассчитать производительность автоматизированной системы сварки труб

Наиболее распространенная ошибка в расчетах

Менеджер по производству, сравнивающий автоматическую систему сварки труб с ручной сваркой, обычно начинает с скорости сварки. Это неправильная отправная точка.

Скорость перемещения показывает, как быстро движется горелка. Она не показывает, сколько соединений вы готовите за смену. Разница между этими двумя показателями является причиной ошибок в расчетах производительности и принятия решений о покупке оборудования на основе неполной информации.

Правильная отправная точка — время цикла на одно соединение: все, что происходит между готовностью трубы к сварке и готовностью соединения к следующей операции. Это включает в себя проверку подгонки, монтаж системы, сварочные проходы, межпроходный контроль и — что крайне важно — доработку. Автоматическая система сварки труб, которая сваривает в два раза быстрее, но требует 30 минут на подготовку на одно соединение, может уступить ручной сварке при небольших объемах работы. Расчет должен учитывать весь цикл, а не только дугу.

Это руководство предоставляет многоразовую структуру для расчетов. Формулы являются стандартными. Примеры чисел — это иллюстративные оценки, а не измеренные данные какого-либо конкретного клиента. Введите продолжительность смены, ставки оплаты труда и ставки ремонта, и результат станет вашим инструментом принятия решений.

Формула времени цикла, в разложенном виде
Основные элементы

Расчет производительности начинается с четырех временных компонентов для каждого соединения:

Время настройки (t_set). Время, необходимое для позиционирования сварочного аппарата для рельсовых путей или магнитной каретки, установки горелки и проверки соосности. В рельсовой системе это включает установку рельсов и проверку соосности. В магнитной каретке для круговой сварки это ограничивается установкой и проверкой адгезии.

Время сварки (t_weld). Время, в течение которого дуга фактически горит, суммированное по всем проходам. Это не то же самое, что время перемещения по окружности — оно включает корневой, заполняющий и завершающий проходы, каждый со своей скоростью перемещения и настройками колебаний.

Время перепозиционирования (t_repos). Между проходами может потребоваться регулировка высоты и угла горелки, особенно при многопроходной круговой сварке. В программируемом автоматическом сварочном аппарате с кареткой это может быть частично автоматизировано; В ручном или полуавтоматическом режиме это время оператора.

Время ремонта (t_repair). Ожидаемое время доработки, взвешенное по коэффициенту ремонта. Этот компонент чаще всего опускается в расчетах производительности, и зачастую именно он является самым большим отличием между ручными и механизированными системами.

Время цикла на одно соединение:

T_cycle = t_set + t_weld + t_repos + (t_repair × коэффициент ремонта)

Эта формула намеренно упрощена. Она заставляет учитывать в расчете каждый компонент, который потребляет время смены. Сварочный аппарат для рельсовых путей, который сваривает быстро, но часто ремонтирует, может уступать более медленной системе с более низким коэффициентом ремонта — и формула это наглядно демонстрирует.

Только время сварки: подход, основанный на наплавке

Вторая формула полезна, когда необходимо оценить время сварки, исходя из основных принципов, а не из наблюдаемого времени цикла. Время сварки можно оценить, разделив массу сварного шва на скорость наплавки и рабочий цикл, а затем добавив время на подготовку и снятие материала:

t_w = m_w / (D_r × D_c) + t_set

где m_w — масса сварного шва, D_r — скорость наплавки, D_c — рабочий цикл, а t_set — время на подготовку.

Эта формула более чувствительна к параметрам процесса. Скорость наплавки для ручной MMA составляет примерно 3 кг/ч; для механизированной MAG или SAW — 5 кг/ч или более. Рабочий цикл для ручной MMA обычно составляет 15–30%; для механизированной SAW он может достигать 80–90%. Формула полезна для оценки времени сварки до получения данных о времени цикла, но она предполагает, что известны объем сварного шва и скорость наплавки. Для сравнения производительности автоматической и ручной сварки труб более практичной является формула времени цикла, поскольку она учитывает время, не связанное со сваркой, которое преобладает при сварке соединений большого диаметра.

Пример: Ручная и механизированная сварка труб диаметром 24 дюйма
Предположения (только для иллюстрации)

Приведенные ниже цифры являются приблизительными оценками для иллюстрации. Это не данные измерений каких-либо клиентов. Замените их своими собственными наблюдаемыми значениями времени и производительности.

Ручной магнитный сварочный аппарат для рельсовых путей с регулируемой толщиной стенки (SMAW)
Размер трубы: 24 дюйма, толщина стенки 19 мм 24 дюйма, толщина стенки 19 мм 24 дюйма, толщина стенки 19 мм
Время настройки на один шов: 5 мин 25 мин 5 мин
Время сварки (все проходы): 95 мин 55 мин 60 мин
Перестановка между проходами: 10 мин 5 мин 8 мин
Процент ремонтов: 4% 1% 2%
Время ремонта на один дефект: 40 мин 40 мин 40 мин
Эффективное время смены: 480 480 480

Разница во времени настройки — первый пункт сравнения. Для рельсового сварочного аппарата требуется установка и выравнивание рельсов; магнитная каретка для круговой сварки крепится напрямую и пропускает этот этап. При сварке одного шва затраты на настройку рельсовой системы являются недостатком. При производстве 50 одинаковых соединений затраты на переналадку окупаются, и в дело вступают более короткое время сварки и меньший процент ремонта, характерные для гусеничной системы.

 

Время цикла и количество соединений за смену

Используя формулу:

Ручной режим: 5 + 95 + 10 + (40 × 0,04) = 111,6 мин на соединение → 480 ÷ 111,6 ≈ 4,3 соединения за смену

Сварочный аппарат для рельсовых путей: 25 + 55 + 5 + (40 × 0,01) = 85,4 мин на соединение → 480 ÷ 85,4 ≈ 5,6 соединения за смену

Магнитный рельсовый сварочный аппарат: 5 + 60 + 8 + (40 × 0,02) = 73,8 мин на соединение → 480 ÷ 73,8 ≈ 6,5 соединения за смену

Преимущество автоматической сварки труб в производительности реально, но это не 7-кратное увеличение, часто упоминаемое в исследованиях трубопроводов. Эта цифра получена на основе данных по крупносерийным магистральным линиям с оптимизированной логистикой. В цехе со смешанным объемом работ преимущество меньше и больше зависит от того, насколько хорошо контролируются время настройки и скорость ремонта.

Что это значит для решения о покупке

В этом примере магнитосварочный аппарат на направляющих выигрывает, потому что сочетает быструю настройку с умеренной скоростью ремонта. Аппарат для сварки на направляющих выигрывает, когда количество сварных швов достаточно велико, чтобы окупить 25-минутную настройку — например, 50 или более одинаковых швов. Ручной процесс остается конкурентоспособным при малообъемных работах с большим разнообразием, где ни одна из автоматизированных систем не может оправдать время настройки.

Расчет не является вердиктом о том, какой аппарат «лучше». Это вердикт о том, какой аппарат подходит для конкретной производственной схемы. Цех, работающий с 4 швами разных размеров за смену, не должен покупать систему на направляющих, основываясь только на скорости сварки. Цех, работающий со 100 одинаковыми швами в неделю, не должен отказываться от системы на направляющих из-за времени настройки.

Коэффициент умножения времени ремонта
Почему время ремонта должно быть включено в формулу

1% уровня ремонта кажется незначительным. Для соединения со временем ремонта 40 минут это добавляет 0,4 минуты к среднему циклу. Это кажется пренебрежимо малым — до тех пор, пока ремонт не происходит в смену без резерва времени.

На линии диаметром 36 дюймов один ремонт может остановить распространение дефекта на целую смену. Формула времени цикла усредняет время ремонта по всем соединениям, но в производственной реальности ремонты группируются. Окружной дефект сварного шва, требующий доработки, потребляет не только время ремонта, но и время проверки, время шлифовки и время восстановления графика.

Разница в уровне ремонта между ручной и механизированной сваркой хорошо задокументирована. Ручная сварка SMAW на трубах большого диаметра обычно обеспечивает 80–90% приемки с первого раза, в то время как механизированные системы достигают 95–99% в сопоставимых условиях. На проекте по сварке медно-никелевых труб с помощью орбитального сварочного аппарата процент брака снизился с 15% при ручной сварке до 5% при орбитальной — снижение на 67%. Прирост производительности автоматической сварки труб за счет снижения количества ремонтов часто больше, чем прирост за счет увеличения скорости перемещения.

Использование формулы с вашими собственными данными о ремонтах

Процент ремонтов — это переменная, которую вы можете измерить наиболее надежно. Возьмите последние 100 отчетов об инспекции из вашего цеха. Подсчитайте количество ремонтов. Это число — ваш базовый уровень. Затем оцените, какой производительности добился бы сварочный аппарат на рельсах или автоматический сварочный аппарат на основе справочных данных производителя или пробного запуска. Разница в проценте ремонтов, умноженная на время ремонта, — это прирост производительности, который редко упоминается в брошюрах по оборудованию.

Инвестиции и окупаемость: за пределами времени цикла
Простая формула окупаемости

Производительность — это входной параметр для решения об инвестициях, а не само решение. Простая формула окупаемости:

Окупаемость (смен) = Стоимость оборудования / (Прирост производительности за смену × Стоимость одного соединения)

«Стоимость одного соединения» — это маржа прибыли — сэкономленные трудозатраты, предотвращенные переделки и сэкономленное время. Для цеха это разница между стоимостью сварки соединения вручную и стоимостью с использованием автоматизированной системы, умноженная на количество соединений.

Механизированные трубопроводные системы стоят примерно от 150 000 до 500 000 долларов за сетку, но меньшие трудозатраты на одно соединение и меньшее количество переделок компенсируют разницу примерно после 15–30 километров магистральных труб. При больших объемах работ по трубопроводам окупаемость обычно составляет 1–3 года, с точкой безубыточности примерно после 300–500 кольцевых сварных швов на трубах диаметром 16 дюймов и более. Исследования по изготовлению напорных трубопроводов показали двухлетнюю окупаемость при оптимальных условиях рабочей нагрузки, с сокращением времени изготовления до 73,7% для труб большего диаметра и процентом брака ниже 1%.

Эти показатели варьируются в зависимости от рабочей нагрузки и ставки оплаты труда. В цехе, работающем в одну смену со смешанными видами работ, окупаемость будет иной, чем в цехе, работающем в три смены по изготовлению катушек. Формула та же, но исходные данные — нет.

Что формула не может учесть

Формулы расчета времени цикла и окупаемости не учитывают три фактора, которые часто определяют успех гусеничной сварочной машины или магнитной гусеничной сварочной машины в цехе:

Кривая обучения оператора. Орбитальные и механизированные системы сокращают время обучения, но не устраняют его полностью. Шести дней обучения работе с орбитальной системой было достаточно, чтобы квалифицированные сварщики-манипуляторы смогли сваривать 40–50 дюймов диаметром за смену, по сравнению с 22 дюймами для операторов-манипуляторов. Прирост производительности проявляется после обучения, а не в первый день.

 

Соответствие рабочему процессу. Автоматизированный сварочный аппарат, который прибывает к месту сварки быстрее, чем бригада может подготовить следующее соединение, не увеличивает производительность. Узкое место перемещается. Расчеты производительности предполагают, что остальная часть рабочего процесса может справиться со скоростью сварки.

Ценность гибкости. Магнитный сварочный аппарат, который обрабатывает 10 различных диаметров без замены рельсов, имеет операционную ценность, которую формула времени цикла не позволяет количественно оценить. Эта гибкость может оправдать более низкую расчетную производительность на одном соединении, если она исключает необходимость во втором аппарате или простои, связанные с заменой рельсов.

Многоразовый шаблон для расчетов

Введите ваши примечания к значениям
Время настройки (мин) ___ Измерьте на вашем фактическом соединении
Время сварки (мин) ___ Суммируйте все проходы
Время перестановки (мин) ___ Между проходами
Процент ремонтов (%) ___ По данным инспекции
Время ремонта на дефект (мин) ___ Шлифовка, повторная сварка, повторная проверка
Эффективное количество минут смены ___ Длительность смены минус перерывы, совещания
Количество соединений за смену (расчетное) ___ 480 ÷ T_цикл
Стоимость оборудования ($) ___ Включая установку и обучение
Стоимость на одно соединение ($) ___ Стоимость труда + переделка + стоимость по графику
Окупаемость (смены) ___ Стоимость ÷ (Прибыль за смену × Стоимость)

Шаблон намеренно упрощен. Он предназначен для заполнения на основе наблюдаемых данных, а не заявлений поставщика. Сравнение производительности сварки по окружности с использованием одного и того же шаблона для ручных и автоматизированных систем позволяет увидеть компромиссы — и обосновать решение о покупке при повторном анализе данных через шесть месяцев.

Для цехов, устанавливающих новую систему, процедура установки и выравнивания, описанная в нашем руководстве по настройке сварочной каретки на гусеничном ходу, определяет время настройки, необходимое для этой формулы. А для цехов, все еще выбирающих между гусеничными и магнитными системами, понимание того, где магнитная адгезия достигает своих пределов — рассмотренное в нашем анализе применения магнитных сварочных тракторов — определяет, какие входные значения являются реалистичными для фактически выполняемых работ по сварке по окружности.

Часто задаваемые вопросы
Как рассчитать, сколько сварных швов по окружности может выполнить сварочный аппарат на гусеничном ходу за смену?

Разделите эффективное время смены в минутах на время цикла на один шов. Время цикла равно времени настройки плюс время сварки плюс время перестановки плюс ожидаемое время ремонта. Измеряйте каждый компонент на своих собственных швах, а не используйте оценки поставщиков. Сварочный аппарат для рельсовых путей с временем подготовки 25 минут и временем сварки 55 минут выполнит примерно 5-6 соединений за 480-минутную смену, в зависимости от частоты ремонтов.

Какой фактор повышения производительности автоматической сварки труб чаще всего упускается из виду в цехах?

Время ремонта. 1% ремонтов при 40-минутном цикле добавляют всего 0,4 минуты к среднему времени цикла, но ремонты накапливаются и нарушают графики. Разница между 4% ручных ремонтов и 1% механизированных часто вносит больший вклад в производительность, чем разница в скорости перемещения. Повышение производительности автоматической сварки труб достигается за счет стабильности, а не только скорости.

Всегда ли магнитосварочный аппарат для рельсовых путей более производительен, чем обычный сварочный аппарат для рельсовых путей?

Нет. Магнитосварочный аппарат выигрывает по времени подготовки и работе с трубами разного диаметра. Сварочный аппарат для рельсовых путей выигрывает на длительных производственных циклах, где время подготовки рельсов амортизируется, а точность перемещения снижает частоту ремонтов. Формула времени цикла показывает, какое преимущество является доминирующим для заданного количества соединений и профиля ремонта.

Сколько времени требуется для окупаемости автоматизированной системы сварки труб?

Типичный срок окупаемости при больших объемах работ на трубопроводах составляет 1–3 года, с точкой безубыточности примерно после 300–500 кольцевых сварных швов на трубах диаметром 16 дюймов и более. Изготовление в цеху с использованием стандартных конфигураций соединений может окупиться быстрее. Окупаемость зависит от прироста производительности за смену и стоимости одного соединения, а не только от цены оборудования.

Можно ли использовать одну и ту же формулу производительности для ручной и механизированной сварки?

Да. Формула времени цикла не зависит от процесса. Входные данные различаются — ручная сварка имеет меньшее время настройки, но более высокий процент ремонтов; автоматизированный сварочный аппарат имеет большее время настройки, но более низкий процент ремонтов и более быстрое время сварки. Использование одной и той же формулы для обоих вариантов делает сравнение прозрачным и предотвращает исключение скрытых затрат.