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龙门吊整机大修及加高改造可行性论证

宁波北仑国际集装箱码头有限公司 胡松虎 张斌 王伟 袁林江 忻建宁 周坚勇

摘 要：针对公司龙门吊高低参差不平、控制系统品牌及版本较为混杂以及机况较差的基本状况，结合公司发展远景规划需求，就早期4+1龙门吊统一进行大修和加高改造，升级老旧的控制单元和驱动器等方案，进行可行性论证。
关键词：龙门吊、加高改造、控制系统、驱动器、升级

一、龙门吊基本状况与公司发展远景规划需求
我公司现有龙门吊36台，承担着公司后方40.6万平方米集装箱堆场的作业生产任务。其中前14台（201～214）龙门吊分别于91～96年间购置，是4+1堆箱模式（201-203龙门吊在98年已由3+1模式加高改造而成），电控采用日本安川早期的控制产品，设备运行至今均已超过10年，设备运行逐渐暴露出了因其结构陈旧和部件老化所导致的故障和安全隐患。
几年来，在我们工程部的努力下，龙门吊故障率得到了有效的控制和下降，但是，龙门吊维修成本却呈逐年增长的态势，设备管理的压力越来越大。
2000年后，公司先后购置了6台4+1模式、16台5+1模式的龙门吊。
公司36台龙门吊的基本情况，见表一。
表一 龙门吊基本状况表
基本
项目
龙门吊
编号
台数
购置
日期
设计
寿命
堆箱
模式
发电
机组
发电机
功率
起升速度
米/分
电控系统
预计大修时间
调速系统
PLC
厂家
201
1
1991年
15年
4+1
NTA855-G3
270KVA
13.5/27
6RA70
CP315-2DP
西门子

202
1
1991年
15年
4+1
NTA855-G3
270KVA
13.5/27
VS505
CP313
安川

203
1
1992年
15年
4+1
NTA855-G3
270KVA
13.5/27
VS585
GL60
安川

204～206
3
1994年
20年
4+1
NTA855-G4
400KVA
20/45
VS585
GL60
安川
07-08年
207～214
8
1996年
20年
4+1
NTA855-G4
456KVA
18/45
676VH3
CP316
安川
08-10年
215～220
6
2000年
20年
4+1
CAT 3406C
480KVA
25/55
6SE70
CP315-2DP
西门子
10-11年
221～232
12
2003年
20年
5+1
KTA19-G3
500KVA
22/55
G7
CP316H
安川
2014年以后
233～236
4
2006年
20年
5+1
KTA19-G3
670KVA
22/55
6SE70
CP315-2DP
西门子
2017年以后
从公司堆场堆存能力、有效利用率和龙门吊在堆场中运行分布状况、龙门吊有效利用率等几个因素来看，公司现有40.6万平方米堆场的堆存能力仅为3.2万TEU。36台中的20台4+1模式龙门吊，成为堆场提升堆存能力的最大制约因素。龙门吊运行局限性大，堆场整体规划性不强。就公司现有的200万TEU年吞吐量而言，堆场的堆存压力和矛盾已日益加剧。同时，这也从另一个方面，阻碍了其余新购置的16台5+1模式龙门吊有效作业能力的发挥，造成了这批设备在技术性能和作业指标上的极大浪费。堆场和设备的资源浪费现象已十分严峻。
随着码头业务的日益拓展，公司提出了力争250万TEU年吞吐量的远景规划。作为配套工程，这就意味着堆场必须具备相应的堆存实力。从中长远规划上来看，西边414米码头及其后方堆场的改造工程，迟迟没有得到可靠的落实。现阶段，我们所能挖掘的最大潜力，就是通过对4+1模式龙门吊进行加高改造，以最短的时间、最快的速度、最省的成本投入来换取最大程度上的堆场堆存能力。
根据操作部箱管部门的测算，如果龙门吊能统一改造成5+1模式，在现有堆场面积不变的状态下，将有效提升0.75万TEU的堆存箱量（堆场堆存能力提升近20％），可以极大地缓解堆场的堆存压力，由此给公司带来的经济效益也是巨大而显见的。

一、 龙门吊中长远维修计划
设备维修在设备管理中大致可分为日常维修、项目修理和设备大修三种方式。
日常维修解决的是设备某个部位功能失效和故障状况；项目修理是针对某一机构、系统性能下降、其功能难以满足设备运行要求，消除这个机构、系统所存在的故障隐患而采取的一种设备修理方式。这两种维修方式，通常适用于设备早期维护，是行之有效的。
在设备故障产生的机理中，有很多故障并不是某一部位、机构和系统的性能不足，功能失效单独产生，而是设备各大机构、系统由于磨损、变形、性能下降，相互影响引起的综合性故障，这些故障如采取上述两种维修方式往往难以根本性解决，故障隐患难以消除。要彻底消除设备故障隐患，解决设备功能性故障，提高设备系统性能需通过设备整机大修进行。
根据国际上通用的设备维修理论中的浴缸变化曲线图（见图一），设备在一定年限后都必须考虑大修，才能保持在合理的维修费用下达到合理的工作表现。在过去的实际经验中，这个理论在集装箱码头设备维修中得以广泛运用，并得到证实认为这个理念是科学的、合理的。

设备维修成本费用

未大修设备费用曲线
寿命中期投资，进行设备大修
设备未大修报废年限 大修后设备费用曲线

设备经大修后报废年限

10年 14年 20年 30年 设备使用寿命
图一 设备使用寿命与成本费用关系的浴缸变化曲线图
通常，龙门吊的设计寿命是20年或200万TLC。根据我们的使用结果以及从同行那里了解到的经验，龙门吊在使用10年后或达到100万TLC时，就需要考虑设备的大修需求。通过整机大修，可以把龙门吊恢复到几乎接近原设计状态，可以达成其再理想使用10年、甚至是延续更长寿命期限的目的。
从上图所描述的设备使用寿命和维修成本费用发展规律分析，设备使用到其寿命的一半年限时考虑大修非但是合理的，而且能更有效地降低设备后期的维修成本。
在集装箱码头行业中，最困难的又可能是最昂贵的就是停机修理时间。因此，我们在作任何大修计划时，都应该考虑有哪些工作可以同时进行，以达到节省停机时间的目的。
从财务安排上考虑，如果把大修工作零散进行，在财务处理上是不能作为资本性支出来计算的，只能算在成本上，这对日常维修成本控制造成很大的压力。反之，把需要大修的零散工作结合起来安排，费用归入资本性开支，既可以减轻维修成本控制上的压力，还能够带来较大的资本性效能。20台4+1模式龙门吊整机大修计划若能得以有效的实施，将给公司带来的正面效应是十分显然的。
从未来二年工作计划的统筹安排上考虑，我们首先着手204～206龙门吊整机大修计划的安排。
204～206龙门吊购置于94年，已运行13年多，从设备整机寿命费用分析，204～206龙门吊设计使用寿命为20年，目前其寿命价值剩下约25%，现再投资25%的资本费用，通过整机大修，可望达成有效延伸设备15年理想状态的使用寿命，这种做法较为经济合理。
至于最早购置的三台（201~203）龙门吊，至今已使用16年。早在98年，已经由3+1模式加高到4+1模式。如果这次再进行整机大修并且加高的话，有些方面已经超过设备本身的设计能力，存在较大的安全风险，并且投资的资本会很大，从设备成本费用及安全性能方面考虑都不太合理。如果将这三台老机子用于公司的延伸堆场，或者公司今后新拓展的铁路集装箱装卸作业，这将是又一个可取的方案。
二、 204～206龙门吊现状和改造设想
1、 机械方面的现状及整修
204～206龙门吊各机构和钢结构目前存在老化、锈蚀、磨损和变形，严重影响整机的运行性能。钢结构磨损变形，造成整机运行工况下降，零部件磨损损坏加剧，龙门吊整机功能性故障增多。龙门吊各机构的传动副磨损大，传动效率降低，传动间隙增大，声响、发热严重，造成龙门吊整机性能下降。因此考虑借本次加高改造的机会，对龙门吊整机各大机构进行一次综合性整治和大修。
2、 电气方面的现状及综合改造设想
A、204～206龙门吊的电气控制系统现状
204～206龙门吊的电气控制系统中的直流调速系统为VS585，PLC为CP3300界面的GL60。此两大系统目前性能落后，故障率高，多数暴露出主线路板内部故障，我们自己无法进行维修：
1） VS585调速器是90年代初的产品，集成度较低结构较复杂，采用了很多排线，故障率较高。特别是主控板的故障，今年1－7月份出现了20多次，严重影响了生产。
2） GL60采用的是基于早期DOS系统下开发的编程软件CP3300，离线时不能交叉索引，故障维修时间特别长，检修效率很低。
3） PLC的内部空耗比较高，在龙门吊停机时，经常发生因PLC的备用电池耗光而导致程序丢失现象。
4） 电控系统中的电子元器件的有效设计使用寿命一般为8年，我公司204～206龙门吊已运行13年多，元器件均存在超负荷运行，电控系统如不进行更新升级改造，其使用寿命很难坚持到20年，届时龙门吊将可能面临因电控系统故障而使整机瘫痪，无法正常运行。近几年来，已经多次出现过204～206龙门吊因电控系统故障而停机修理达20天以上的事情。在这次整机大修、加高改造的同时实施电气控制系统的更新将是最佳时机。
5） 在国际上，此两大系统已属于淘汰产品，备件已买不到。特别是我们已无法获得厂家有关该系统的任何技术支持和服务，厂家能提供服务的也是后期推出的交流调速系统：676VH3、G7，PLC：CP316、CP316H和现行通用的直流调速系统：VS590，PLC：CP316H。早期的VS585和GL60系统，已无法实现现行电控系统的通用性、标准化和互换性的需要。
B、电气控制系统综合改造设想及资源共享
1） 将204～206龙门吊的VS585升级为VS590，换下的VS585有6套，作为203龙门吊的备件，从而保证充足的备件供203龙门吊使用。（见表二）
2） 将204～206龙门吊GL60升级为CP317，换下的GL60有3套，作为203龙门吊的备件，从而保证充足的备件供203龙门吊使用。升级后的CP316H，又可以实现与其它住友龙门吊、桥吊安川电控系统的技术资源和人力资源上的共享。
3） 从长远计划来看，103、111三井桥吊的控制系统采用的是安川的VS505和VS520，也面临着更新换代到VS590。更换下来的VS505可以作为202龙门吊的备件。桥吊的升级改造后，可以达到统一备件、缩减库存的目的。这在物资和财务管理上，也是一种有益的提升。
4） 通过对204～206升级改造，员工全程参与，促使技术人员对VS590调速器有更深层次的了解和熟悉，使得技术人员得到培训和锻炼的机会，技术上得以提升，同时，也为桥吊的升级改造做充分的准备。
表二 龙门吊、桥吊电控系统综合改造设想及资源共享分析表
设备
原电控系统
计划改造后系统
综合改造设想及资源共享
起升控制系统
大车控制系统
小车控制系统
起升控制系统
大车控制系统
小车控制系统
202龙门吊
VS505
VS505
VS505
(不作改造)
1、 换下的9套VS585、3套GL60作为203龙门吊的备件，足够后期使用
2、 实现与其它住友龙门吊、桥吊安川电控系统的技术资源和人力资源上的共享
3、 远期三井桥吊改造势在必行，换下的VS520、505各2套，可以作为202龙门吊的备件
4、 可以统一备件、缩减库存
5、 人员得到培训和锻炼，技术提升
CP313
203龙门吊
VS585
VS585
VS585
(不作改造)
GL60
204～206龙门吊
VS585
VS585
VS585
VS590
VS590
VS590
GL60
CP316H
207～214龙门吊
676VH3
676VH3
676VH3
(技术能支持，不作改造)
CP316
221～232龙门吊
G7
G7
G7
(新机，还不需改造)
CP316H
103、111三井桥吊
VS520
VS505
VS590
VS590
CP317
CP317

三、 龙门吊整机大修计划财务分析
1、 龙门吊分项修理和整机大修比较以及财务分析
根据以往维修经验，我们对分项修理和整机大修进行了详细的测算，具体见表三。
表三 龙门吊分项修理和整机大修比较及财务分析表

分项修理
整机大修
部位
费用(万)
时间
效果
部位
费用(万)
时间
效果
机械
部分
起升机构
35
1个月
提高各机构的性能及安全
整机
144
3个月
提高龙门吊整机的性能
大车行走机构
35
1个月
小车运行机构
25
3周
吊具、吊架
20
3周
钢结构
25
1个月
整机加高
40
1个月
电气
部分
调速系统
25
(厂内准备2月)
系统稳定
维护简便
快速高效
调速系统
40
除去厂内准备时间，其它时间可以在机械改造中后期介入
系统稳定
维护简便
快速高效
PLC
10
PLC
软件
1
软件
安装、调试费
4
2周
安装、调试费
电机修理
10
1个月
电机修理
10
电缆等附件
6
1个月
电缆等附件
6
合 计
236
6个月

200
3.5个月

改造后，龙门吊、桥吊拆机配件可以作为备件回收，既保证202、203龙门吊有充足的备件，有提供有效的资源共享，2年可节约205万元左右的成本支出，物资管理绩效得到有效的提升，见表四。
表四 龙门吊、桥吊拆机配件回收利用价值分析表
备件
回收
设 备
型号
单机数量
单机
价格
设备台数
小计
效 果
204～206
龙门吊
VS585
3套
30
3台
90
保证充足的备件
资源共享
节约成本
提升物资管理绩效
GL60
1套
5
3台
15
103～111
桥吊
VS520
1套
10
2台
20
VS505
1套
10
2台
20
桥吊、龙门吊备件共享
节省物资费用

30
2年
60
可节约成本总计

205
2、 预计改造后效果
根据我们工程部历年来设备管理数据统计，改造后预计可达成的效果，见表五。
表五 龙门吊改造前后绩效比较

2007年1-6月
故障次数
总故障时间
改造前
138次
能节约50%以上
改造后预计
至少减少一半

四、 龙门吊大修实施远期总体规划
综上所述，龙门吊整机大修势在必行。目前，进行龙门吊整机大修、整机加高、电控系统升级改造是最佳时机，也是最经济合理的，是符合我公司的长期发展规划的。
结合公司总体发展规划，我们工程部提出了公司在今年及未来5年内龙门吊大修、改造的远期计划（见表六），以期达到全面提升设备良好运行状态和设备管理水平的目的。
表六 龙门吊大修、改造的远期计划表
龙门吊
大修
时间
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
2008年

2009年

2010年

2011年

2012年

2013年

点评：文章展示了一个公司的龙门吊大修、改造计划，通过极有说服力的论证，说明对4+1模式龙门吊进行加高改造成5+1模式，在现有堆场面积不变的状态下，将有效提升0.75万TEU的堆存箱量（堆场堆存能力提升近20％），可以极大地缓解堆场的堆存压力，也会给企业带来巨大的经济效益。这对其他码头企业有所启示。（本文获中国港口集装箱码头2009年高峰论坛＂湛江港杯＂论文竞赛优胜奖）