抗生素发酵工业设备故障特征及维修经济性分析
2010-06-19 08:18:50   来源：本站原创   评论：0 点击：

董信宏
（西安利君制药有限责任公司，陕西 西安 710077）
摘 要：基于发酵工业对生产设备的要求，分析了发酵工业设备故障特征，提出了发酵工业设备故障率曲线。并且根据发酵工业对设备的可靠性要求，对发酵工业设备维修进行了经济性的分析，提出了确定发酵工业设备维修费用的以可靠性为标准的依据。
关键词：发酵工业设备；故障特征；故障曲线；维修费用；可靠性
 
设备是生产的物质技术基础。加强和改进发酵工业设备管理，是提高产品质量、降低物耗、安全生产、增加企业经济效益和实现发酵生产现代化的重要条件。要搞好发酵工业设备管理工作，保证发酵工业设备的可靠性运行，就必须研究发酵工业设备的特点和设备故障发生的规律。本文以发酵工业设备为研究对象，分析发酵工业对设备的要求及发酵工业设备的故障规律。并基于以可靠性为中心的设备维修管理思想对发酵工业设备维修经济性进行分析。
 
1         发酵设备故障特征分析
 
发酵工业生产均为流程型生产，其生产设备一般由各种反应罐、储罐、计量罐和输送物料用的泵、阀和管道以及各种各样的分离设备和换热设备组成，所有这些设备按照生产工艺线路组合在一起构成某种类型的发酵生产设备。
1.1  发酵过程对设备运行的要求
1.1.1  密封性要求
发酵生产实质上是通过生物技术获得一种菌体的代谢物。例如抗生素的生成过程实际上就是某种菌体的繁衍和生长过程。所以，在发酵工业生产过程中要避免其他杂菌的污染。由于发酵生产的无菌要求，用于发酵生产的设备都必须具有一定程度的密封性。又由于用于生成品提取的各种溶媒一般都具有易燃易爆性和有毒有害性，同样对盛装溶媒的设备有密封性的要求。保证设备所有密封点的可靠性和防止出现各种漏点是设备维修的一项重要任务。
1.1.2  连续性要求
发酵生产是流程型生产，整个生产是连续型的，主要设备是一天24 h连续运行。以红霉素发酵罐为例，7天为一个生产周期，要求保证发酵罐在160 h左右的时间内稳定运行，不能发生诸如搅拌不能运转或冷却管泄漏等严重功能故障。否则，整罐料液或被污染或菌体停止生长而被迫放掉，将造成上万元的经济损失，同时也严重污染厂区周围环境。为此，红霉素生产车间一般对每台发酵罐都是每7天检查修理1次。同时在发酵罐运行时，维修人员通过耳听、眼看、手摸等，检查发酵罐的振动、密封和转动部件温升情况，据此发现发酵罐的潜在故障，再有计划性地安排检查和修理。
1.1.3  抗腐蚀性要求
发酵生产所用原料大部分具有酸碱性，对生产设备具有较强的腐蚀性。一方面设备在设计制造的时候尽量采用耐腐蚀性的材料或采用耐腐蚀性的结构设计，另一方面在设备使用阶段对易腐蚀部位或部件进行定期检查，及时发现设备的潜在故障，有计划性地采用修补技术或进行更换，避免潜在故障发展到功能故障。
1.1.4  压力容器规范进行维护的要求
发酵工业生产中用到的设备常用具有较高压力的过热蒸汽进行灭菌,在蒸汽灭菌时容器处于承受较高温度和较高压力的负荷状态。从安全性方面考虑，发酵生产设备一般要求以压力容器的规范进行设计、制造和维保，要求做到定期对生产设备进行检验及进行可靠性评价。
1.2  发酵设备故障模式分析
1.2.1  泄漏
在发酵工业生产中，各种容器出现泄漏是经常性的。一条月产30 t四环素原料的生产线，其静密封点数在30 000个左右，各密封点都有可能出现泄漏，因此在这样一个生产线上的某段时间内很可能随机地出现数个泄漏点。在一个设备管理工作做得较好的生产线上，每30 000个静密封点的月均泄漏点数可以控制在10个以下。
1.2.2  磨损
磨损也是发酵工业设备的一种常见故障，主要出现在设备转动轴的约束部位，比如轴承、套、轴封等处。磨损开始以潜在故障出现，但如果不能及时发现和处理，将会导致功能故障，如发酵罐搅拌转不起来，物料输送泵打不上压，或各种轴封泄漏等。对于单台设备转动轴的某一个约束部位来说，其磨损具有周期性，但对整条生产线来说，磨损这种功能故障的出现是随机的。
1.2.3  腐蚀
由于发酵生产所用物料的酸碱性，其生产设备经过一定时间的使用后，某些部位或某些部件甚至整体将被物料腐蚀。在整个生产线投入运行的前期，腐蚀故障也不会出现，由于每台设备的影响因素不同，设备出现腐蚀的时间有差异，但对被腐蚀设备如果能够及时进行更换，其整个生产线设备的腐蚀故障率是呈递增无限接近于某一个常数的趋势，而常数的大小取决于生产所用物料的酸碱性大小及设备所用材料的抗腐蚀性。
1.2.4  疲劳
疲劳常发生于设备的受力部位，是由于受力部位材料性能发生劣化，其出现具有突然性。表现形式是断裂，后果较严重，或导致生产流程的中断，或导致安全性事故。应将此故障的概率控制在可接受的范围之内，但现有的故障诊断技术水平不能预测疲劳故障发生。因此，对于重要设备的受力部件应进行定期的更换或修补，其时间间隔可根据历史数据或设备制造单位提供的试验数据进行计算。
1.2.5  堵塞
堵塞是由于物料在设备通道中结块，或者混入物料的其他异物而造成，在发酵工业生产中经常发生，其故障后果虽然不是很严重，但也影响生产的正常秩序。堵塞的出现和设备本身没有关系，是在生产中间由于操作不当或清洗不彻底造成的。堵塞的出现与设备的使用时间无关，其往往在一段时间内出现的概率是固定的。概率大小是和该段时间内操作人员责任心大小相关的。
1.2.6  变形
在发酵工业生产中，设备变形虽然很少发生，但其故障后果非常严重，往往造成整台设备报废，甚至发生人身伤亡的安全性事故，因此在生产中应严格防范。设备变形往往是由于超负荷运行引起的，是由于人为因素造成的，其发生与设备本身的可靠性等无关，是一种偶然和随机的现象，对于给定的设备外部环境因素，从长期来看，故障率是一个常数。
1.2.7  修理质量
质量包括两方面，一是由于维修方法错误或者维修工责任心不强引起的维修质量问题；二是由于修理所用材料或备件存在质量问题。在发酵工业生产设备中约有三分之一故障是由于维修质量引起的。
1.3  发酵设备故障率分析
以可靠性为中心的设备维修管理思想对设备故障的研究是从宏观上把握规律性，采用概率统计和随机过程的数学方法进行统计分析，找出故障发生和发展的规律，从而实现对故障的宏观控制。对故障的研究是从故障发生的概率上寻找规律性，是基于设备低层次构件某种故障模式发生具有一定的规律性。这是由于以可靠性为中心的设备维修管理思想，主要是从民航业发展起来的，飞机构件故障模式较为单一，机械转动构件故障模式主要是磨损，承载构件主要是断裂。对于发酵工业设备来说，故障发生具有多样性，其故障发生的规律性就更为多样和不确定。
由于发酵工业生产对设备要求的特殊性及发酵工业生产设备影响因素的多样性，使得发酵生产设备从整体到部件故障发生的规律具有特殊性。将以可靠性为中心的设备维修管理思想应用于发酵生产设备维修管理中，应利用以可靠性为中心的设备维修管理思想，寻找抗生素生产设备发生故障的特殊规律性。一个构件发生故障，其故障模式可能有多种，比如物料管道出现故障，可能是由于疲劳、堵塞、腐蚀、磨损等多种模式引起。而每种故障模式的发生都具有其规律性。所以说，发酵生产设备构件故障率曲线是由多种故障模式曲线叠加起来的。将故障的发生比作冰山，如图1所示。以可靠性为中心的设备维修管理理论要从宏观上把握水面上“故障”的规律性,就要研究水下部分各种故障“模式”发生的规律。
对于发酵生产设备的某一构件来说，其某一次的故障可能由于疲劳、腐蚀、磨损、阻塞、变形、泄漏6种故障模式的1种引起。其长期故障率曲线是由这6种故障模式出现的概率密度函数决定的，这6种故障模式概率密度函数曲线如图2所示。
从发酵工业设备故障模式概率密度函数曲线，可以得到发酵工业设备故障特殊的浴盆曲线，如图3所示。
 
从浴盆曲线可以看到，发酵工业设备的某一构件的故障率在其寿命周期内是逐渐增加的，超过一定的使用时间时，其故障率急剧加大，此时就必须对其进行更换。
对于发酵生产设备来说，有构件较多的复杂设备，也有简单的几个构件的设备，对于整个发酵生产线设备来说，有更多的构件。每个构件故障率到达的时间不一样，更换的时间也不一样，如果每个构件在时都能得到更换，则整个生产线设备故障率将趋于常数。如图4所示。
设备构件故障率曲线叠加构成设备故障率曲线，设备故障率曲线叠加构成生产线设备故障率曲线，发酵生产线设备一般由数量超过百台的设备组成，其符合德雷尼克定律复杂设备的条件，整个发酵生产线设备在正常的维护下，其故障率曲线趋于常数。常数的大小取决于维修的技术水平和维修管理水平以及投入的维修费用。水平愈高，故障率愈低，同时维修费用也愈低。要达到更低的故障率（维持更高水平的可靠度），就必须通过增加维修费用实现。
 
2 发酵设备维修的经济性分析
 
发酵生产线设备属于复杂设备，在一定的维修水平下，生产线设备故障率趋于常数，其可靠度维持在一定的水平下。维修费用投资偏低，生产线设备可靠度随之偏低，生产损失费用相应的就偏大，维修费用投资增大，生产线设备可靠度随之增大，生产损失费用相应的就降低。但是，生产线设备可靠度增加到一定的水平，如果要继续增加，难度将无限增大，这就意味着维修费用将大幅增大。因此，如何选择一个合理的维修费用水平，是发酵生产线设备保持在一定可靠度水平的关键。生产线设备可靠度、维修费用曲线、生产损失费用曲线和总费用曲线关系如图5所示。

 
图 5 设备可靠度和运行费用关系
 
生产线设备可靠度为时维修费最低，但此时生产损失费用偏高，总费用水平不是最低。生产线设备可靠度为时，维修费用曲线和生产损失费用曲线相交，此时生产损失费和设备维修费相等。但由于生产线设备可靠度超过时，预防性维修费和检测费将导致维修费用大幅上升，此时可靠度为时，总费用也不是最低。总费用最低点应该在和之间，和总费用最低点对应的可靠度就是发酵生产线设备对应的最经济的可靠度。
从图5可以看到：总费用最低点应介于和之间。而随药品和原料市场价格上升等外部环境因素的影响，向接近。因此，随着价格上升因素的影响，应逐年增加生产线设备维修费用水平。
生产线可靠度为时，设备维修应是最优的，与对应的生产线故障率应是最合理的。在给定的技术水平和市场环境等条件下，要生产线故障率低于，就造成过度维修，如果生产线故障率达不到，就可能造成维修不足。设备维修管理的主要任务就是合理地利用资源，使得生产线设备运行的总费用达到最低。在短时期内，是相对固定的，但是从长期来看，是随着技术水平和市场环境等条件的变化而变化。因此发酵生产线设备维修管理从长期来看是一种动态的管理。
 
3 结语
 
   发酵工业生产的流程性，决定了其生产线包含几百个功能和结构不同的单台设备，每台设备之间以各种不同规格的管道相接。要保证发酵生产安全、经济运行，就要确保生产线设备的运行保持在一定的故障率水平上，为此要研究特定发酵生产线设备的故障特点，找出生产线设备故障规律。针对不同的生产线设备故障率水平，在对应的外部环境因素下，投入合理的维修费用，从而使得生产线设备运行在一定的可靠度水平上。
我们将以可靠性为中心的设备维修现代管理思想应用到西安某大型制药公司抗生素发酵设备管理中，取得了非常好的安全性、经济性和环境性效果。实践和理论证明，为了提高发酵工业设备维修管理水平，要不断地研究生产线设备故障特点，找出生产线设备故障发生的规律性，促使企业以可靠性为中心建立动态的维修制度，从而取得利于企业发展和社会进步的经济效益。
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