Analýza možností inovace procesu svařování tlakových nádob s využitím automatizace

1

Analýza možností inovace procesu

svařování tlakových nádob s využitím automatizace

Diplomová práce

Studijní program:

Studijní obor:

Autor práce:

Vedoucí práce:

N2301 – Strojní inženýrství

2301T048 – Strojírenská technologie a materiály bc .Tomáš Höhnel

doc. Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.

Liberec 2018

2

Thesis

Study programme:

Study branch:

Author:

Supervisor:

Liberec 2018

bc .Tomáš Höhnel

doc. Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.

N2301 – Strojní inženýrství

2301T048 – Strojírenská technologie a materiály

4

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména

§ 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL;

v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Poděkování

Velmi děkuji panu doc. Ing. Jaromíru Moravcovi, Ph.D. za jeho odbornou pomoc a trpělivost při vedení mé diplomové práce.

Zároveň bych chtěl poděkovat panu Ing. Radku Leibnerovi za jeho odborné konzultace a mnoho postřehů z prostředí firmy Chart Ferox a.s.

Mé poděkování patří i rodině za oporu během studia, přítelkyni za trpělivost, přátelům za jejich morální podporu a kolegům z práce za praktické poznatky z výroby tlakových nádob.

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.

Analýza možností inovace procesu svařování tlakových nádob s využitím automatizace

Analysis of the possibility of innovation of process of welding of pressure vessels using automation

Anotace

Cílem této diplomové práce je analyzovat výrobu tlakových nádob ve firmě Chart Ferox, a.s., z hlediska ekonomického přínosu a pracnosti Bude kladen důraz na odhalení úzkých míst, tedy míst, před kterými se zpomaluje průtok materiálu. Výsledkem této práce bude doporučení, zda-li se vyplatí automatické pracoviště či nikoliv a pokud ne, jaké přípravky použít. Časové náměry normativů a pozorování bylo prováděno půl roku na pracovišti montáže. Náměry časů byly statisticky zpracovány pro normativ a byl proveden jednoduchý finální výpočet.

Klíčová slova: lub, ASDORF, svařování, tlaková, nádoba Annotation

The aim of this diploma thesis is to analyze the production of pressure vessels in Chart Ferox, a.s., in terms of economic benefit and labor. Emphasis will be placed on the detection of bottlenecks, ie places where material flow is slowing down. The result of this work will be a recommendation whether or not to pay for an automated workplace and, if not, which products to use. Normative and observational time measurements were carried out for half a year at the assembly site. The time samples were statistically processed for the normative and a simple final calculation was performed.

Keywords: lub, ASDORF, welding, pressure, vessel

8

Obsah

Seznam použitých zkratek a symbolů ... 9

1 Úvod ... 10

2 Teoretická část ... 12

2.1 Výroba plechů ... 12

2.2 Obloukové svařování ... 13

2.2.1 Metoda MIG/MAG ... 17

2.2.2 Metoda TIG ... 18

2.2.3 Metoda svařování pod tavidlem ... 19

2.3 Postup při návrhu a výrobě kryogenních tlakových nádob ... 20

2.4 VSM metoda ... 25

3 Experimentální část ... 28

3.1 Současná výroba tlakových nádob ve firmě Chart Ferox, a.s. ... 28

3.2 Současná výroba pomocí VSM ... 32

3.3 Možnosti výrobní linky ASDORF ... 34

3.4 Návrh layoutu s využitím linky ASDORF ... 36

3.4.1 Návrh 1 – linka ASDORF naproti pracovišti RTG ... 36

3.4.2 Návrh 2 – linka ASDORF na jiném místě v lodi C ... 42

3.5 Návrh 3 – možnosti využití současných pracovišť ... 43

3.6 Porovnání obou návrhů a další možnosti k odstranění úzkého místa ... 50

4. Závěr ... 51

Seznam použitých zdrojů ... 53

Seznam obrázků ... 55

Seznam příloh ... 56

9

Seznam použitých zkratek a symbolů

Označení Význam Jednotky

Q vnesené teplo na jednotku délky [J.m^-1]

k účinnost přenosu tepla [-]

U napětí elektrického oblouku [V]

I svařovací proud [A]

v svařovací rychlost [m.s^-1]

TIG Tungsten Inert Gas

MAG Metal Aktive Gas

SAW Submerged Arc Welding

VSM Value Stream Mapping

Ct Cycle time [hod]

Cena vlastního materiálu [Kč]

Cena vlastní práce [Kč]

10

1 Úvod

Společnost Chart Ferox, a.s. je celosvětovým výrobcem a dodavatelem kryogenních zařízení na skladování a přepravu zkapalněných, zejména technických plynů (O2, N2, Ar, CO2 ) a uhlovodíků, hlavně pak, kapalného zemního plynu (LNG).

Mimo výroby se firma zabývá i montážemi a opravami kryogenních zařízení. Firma je na trhu s více než pětasedmdesátiletou strojírenskou tradicí. Chart Ferox, a.s. se sídlem v Děčíně je součástí koncernu Chart Industries, Inc., s celosvětovým působením a pobočkami v USA, Číně, Austrálii a Německu.

Základní portfolio firmy se zaměřuje na dvě skupiny kryogenních dvouplášťových nádob a to na stacionární nádoby a mobilní nádoby na technické plyny. Stacionární nádoby se dále dělí na vertikální tanky, jejichž objem je od 0,12 m³ až do 3 m³. Tyto zásobníky se vyznačují tím, že jsou postaveny vertikálně na nohou.

Vidět je lze například u nemocnic. Další kategorií jsou velké skladovací horizontální zásobníky s kapacitou až 1 000 m³. Na obrázku č. 1 je největší skladovací zásobník na světě s kapacitou 1 000 m³ během přepravy k zákazníkovi.

Firma se také zabývá výrobou nástaveb na automobily a železniční vagony a výrobou ISO kontejnerů na přepravu technických plynů. Mezi portfolio firmy patří i výroba malých mobilních tlakových nádob od 120 do 3 000 litrů tak zvaných MPV.

Tato výrobková řada je ukázána na obrázku č. 2. Ke všem nádobám může být

Obrázek č. 1: Přeprava největšího zásobníku na světě [8]

11 přimontován hliníkový odpařovač, nebo je možnost je vyrobit samostatně a dodat do odpařovacího terminálu. V tomto terminálu jsou nabízeny odpařovací jednotky s kapacitou od 3 až do 30 000 Nm³/hod. Firma též dodává přečerpávací jednotky, či plnící zařízení pro lodě.

Strategické umístění děčínského závodu u řeky Labe umožňuje využití plavební přepravy nadrozměrných výrobků směrem do Hamburku a dále po moři do světa. Menší výrobní celky jsou dopravovány k zákazníkovi po železnici nebo po silnici do celého světa.

Firma má několik světových prvenství v oblasti vývoje i výroby. V 60. letech minulého století firma, jako první na světě, zavedla tlakové zpevňování pomocí vnitřního přetlaku vody v tlakové nádobě. V roce 2012 byl v Děčíně konstrukčně navržen a vyroben největší kryogenní zásobník na světě o objemové kapacitě 1,000,000 litrů. Dnes se vyvíjí v konstrukční kanceláři ještě větší zásobník.

V současné době je trendem štíhlá výroba a všechny její nástroje k potlačení plýtvání ve výrobě. Cílem práce je kvalitativně porovnat současnou výrobu tlakových nádob pro ISO kontejnery (20 a 40 stop dlouhých), zmapovat pracnost a navrhnout nové inovativní řešení pomocí moderních nástrojů štíhlé výroby. Z důvodu průmyslového know-how jsou všechny zmapované hodnoty, výrobní časy a ceny uvedené v této práci záměrně zkresleny koeficientem. [8]

Obrázek č. 2: Výrobní řada MPV

12

2 Teoretická část

Kontejnery ISO na přepravu kapalných technických plynů (Ar, O₂, N₂, CO₂ a LNG) se vyrábí jako dvouplášťové tlakové nádoby, svařované z plechových polotovarů. Tlaková nádoba je vyrobena z vysokolegované austenitické oceli, vnější nádoba může být z konstrukční oceli nebo z korozivzdorné oceli. Jednotlivé skružené plechy jsou k sobě svařovány pomocí metod TIG (korozivzdorné oceli) nebo MAG (konstrukční oceli) a také pomocí metody SAW. Podrobněji bude vše popsáno v kapitole 2.2. Typický příklad výrobku je uveden na obrázku č. 9.

2.1 Výroba plechů

Jak již bylo řečeno v úvodu práce, hlavním polotovarem na výrobu kryogenních nádob jsou plechové tabule. Na tyto polotovary jsou kladeny vysoké požadavky vzhledem ke geometrické přesnosti.

Výchozím polotovarem pro výrobu plechů jsou předválcované pásy tzv. předvalky. Předvalky vznikají z ingotů z vysokých pecí, po legování legujícími prvky jako je nikl, chrom a molybden se dále zpracovávají na válcovacích stolicích. V průběhu válcování působí na polotovar tříosá napjatost. Kvůli vysoké hodnotě přetvárného odporu se musí předvalky válcovat za tepla při teplotě okolo 0,6 až 0,7 násobku teploty tavení materiálu. Ohřev materiálu probíhá v hlubinných pecích. Při této teplotě dochází k výraznému snížení vnitřního pnutí a zároveň klesá odpor proti deformaci materiálu. První válcování se vždy provádí za tepla. Válcováním za studena (týká se tenkostěnných plechů) je docíleno přesných rozměrů a dobré kvality povrchu.

Předvalek prochází mezi dvěma válci, které rotují proti sobě. Samotné válce jsou od sebe vzdáleny o hodnotu menší, než je tloušťka materiálu. Předvalek během průchodu válci mění všechny své rozměry, tj. délka, šířka a tloušťka. Válce mohou být hladké pro plechy, nebo kalibrované (např. pro žebrovaný plech). Většinou se dává několik válcovacích stolic za sebe tak, aby vznikla válcovací trať. Na konci této tratě se plechy navíjejí na cívky do plechových svitků pro lepší skladování a manipulaci.

13 Válcováním se vyrábí plechy od tloušťky 0,4 mm až po 160 mm. Hodnota tloušťky 4 mm pak rozděluje plechy na tenké a tlusté. Šířka vyráběných plechů se pohybuje od 750 mm až po 3 300 mm. Délka je pak v rozmezí 1 000 mm až 12 000 mm. Plechy do tloušťky 8 mm jsou navinuty jako jednotlivé svitky, silnější plechy se stříhají na tabule.

Pro plechy, které jsou válcované za tepla, platí norma ČSN EN 10029 (ve starém označení jako ČSN 42 5311). Tato norma určuje mezní úchylky rozměrů a tolerance tvarů pro plechy o tloušťce větší než 3 mm. Všechny hodnoty z nomy jsou maximální. [1]

2.2 Obloukové svařování

Nerozebíratelné spojení jednotlivých plechových polotovarů do konstrukčních celků je realizováno nejčastěji pomocí svařování (tavné, tlakové, či jejich kombinace).

Zdrojem tepla potřebného k natavení základního materiálu svařence a přídavného materiálu je elektrický oblouk. Ten se vyznačuje vysokou tepelnou energií. Elektrický oblouk je výboj v plynu, který je ionizován. K zapálení oblouku dochází buď zkratem, nebo pomocí vysokonapěťového výboje. Jak je zřejmé z obrázku č. 3, oblouk je složen ze tří částí.

Obrázek č. 3: Schéma elektrického oblouku [2]

14 1) Anodová skvrna, je oblast, kde jsou absorbovány elektrony, teplota zde

dosahuje až 2 600°C, její velikost je 0,01 mm.

2) Sloupec oblouku, jasně svítící část oblouku, kde je plazma a zároveň tudy prochází vysoký elektrický proud o malém elektrickém napětí, teplota elektrického oblouku bývá až 6 000°C.

3) Katodová skvrna, je oblast odkud vycházejí elektrony, teplota na katodě dosahuje 2 400°C, velikost této oblasti je 0,0001 mm.

Během svařování zastává jednu funkci pólu svařovací elektroda, která může být zároveň i přídavným materiálem. Druhým pólem je pak svařovaný materiál. Co je katodou a anodou, o tom rozhoduje polarita oblouku. Ta může být přímá nebo nepřímá. Oblouk s přímou polaritou se vyznačuje zapojením svařovací elektrody k zápornému pólu zdroje, elektroda je katodou. U nepřímé polarity je svařovací elektroda připojena na kladný pól zdroje, je tedy anodou. [2]

Délka oblouku se pohybuje od 2 do 7 mm. Teplota oblouku pak závisí na použité metodě a hodnotě svařovacího proudu. Pohybuje se v rozmezí od 4 800 do 9000 °C pro běžné obloukové metody svařování a ve speciálním případě plazmového svařování hodnot 15 000 až 25 000 °C. Elektrický proud se pohybuje v hodnotách od 40 až po 2 000 A (SAW) a elektrické napětí se pohybuje od 10 do 25 V.

Hořením elektrického oblouku se vytváří koncentrovaný zdroj tepla, čímž je lokálně natavován základní materiál. Tímto způsobem vzniká svarová lázeň.

Prouděním roztaveného kovu ve svarové lázni dochází k promíchání základního materiálu s přídavným. Po zchladnutí lázně vzniká svar. Okolí svaru je charakterizováno tepelně ovlivněnou oblastí (dále jen TOO). Tato oblast se vyznačuje nepřekročením křivky solidu a má jiné mechanické či fyzikální vlastnosti, než má základní materiál. Čím je TOO menší, tím lepší jsou výsledné mechanické a fyzikální vlastnosti svarového spoje.

Široké uplatnění svařovacích metod v průmyslu způsobuje její neustálé vyvíjení a tlak na to, aby šlo svařovat co největší množství různých materiálů.

15 Obloukové metody svařování mají mnoho proměnných, které přímo, či nepřímo ovlivňují výsledný svar, zejména jeho geometrii. Tyto proměnné lze rozdělit na tři základní skupiny:

 Procesní vstupní parametry.

 Technologické vstupní parametry.

 Fyzikálně chemické parametry.

Procesní vstupní parametry

Tyto parametry tvoří největší skupinu. Nastavují se přímo před samotným procesem svařování a během svařovacího procesu je možno tyto parametry upravovat nebo jinak korigovat. Nejvíce jsou závislé na konstrukci zdroje proudu a jeho charakteristice. Nejovlivnitelnějšími parametry jsou:

 Svařovací proud.

 Napětí na oblouku.

 Rychlost svařovacího procesu.

Svařovací proud má největší vliv na svařování. Toto je dáno podstatou hoření elektrického oblouku. Jeho velikostí se ovlivňuje celková geometrie svaru, tj. hloubka závaru, šířka svaru a jeho převýšení. Velikost svařovacího proudu závisí na použité metodě a na tloušťce základního materiálu.

Svařovací napětí je rozdíl elektrického potenciálu mezi povrchem svařovaného materiálu, respektive svarové lázně a svařovací elektrodou. S délkou oblouku se toto napětí mění. Při zapálení oblouku napětí klesá na hodnotu, která odpovídá odporu při průchodu proudu.

Rychlost svařování působí obráceně než předchozí dva parametry a to proto, že zvýšením rychlosti klesá tepelný příkon a materiál se nestíhá natavovat. Zvýšením rychlosti klesá šířka svaru a roste jeho výška. Průměrná rychlost ručního svařování je cca od 0,1 do 0,4 m/min a rychlost strojního svařování může dosáhnout až 1m/min, případně tuto hodnotu překročit.

16 Jak bylo řečeno výše, svařování je založeno na lokálním tavení základního materiálu. Množství tepla vneseného na jednotku délky Q [J.m^-1] se nechá určit podle vztahu (1):

(1)

Kde parametr k je účinnost přenosu tepla. Závisí na použité svařovací metodě a pohybuje se od 0,6 do 1. Je to bezrozměrný koeficient.

Technologické vstupní parametry

Technologické vstupní parametry se předepisují na základech kompletních znalostí o výsledném produktu, tj. vlastnosti základního materiálu, provozní podmínky a konstrukce produktu. Ze své podstaty tyto parametry velmi ovlivňují nastavení procesních parametrů. Mají vliv na výsledný svar a jeho geometrii. Jako technologické vstupní parametry se nejvíce využívají:

 Druh a průměr elektrody.

 Ochranný plyn.

 Typ svaru.

Je všeobecně známo, že větší průměry svařovacího drátu vyžadují větší svařovací proudy k natavení drátu. Rozsah průměru drátu v ochranné atmosféře se pohybuje od 0,6 do 1,6 mm.

Nejvíce se jako ochranná atmosféra využívá oxid uhličitý (CO₂), argon (Ar), helium (He), nebo směsi těchto plynů, kde základem je alespoň 80% argonu.

Fyzikálně chemické parametry

Tyto parametry nelze jednoduše nastavit předem a jejich ovlivnění je možné jen částečné. U těchto parametrů nelze ani stanovit jednoduché závislosti, neboť je zde mnoho proměnných, zejména chemické složení materiálu, tepelně-fyzikální vlastnosti, chemicko-fyzikální vlastnosti. Projevuje se zde sdílení tepla, tepelná vodivost a přestup tepla. Tyto jevy se dají popsat známými fyzikálními zákony, např. Kirchhoffovým zákonem, Fourierovým zákonem. [2, 3]

17 2.2.1 Metoda MIG/MAG

Jedná se v průmyslu o nejčastěji používanou metodu ke spojení polotovarů na tvorbu ocelových konstrukcí. Metoda svařování MIG/MAG patří mezi obloukové metody svařování v ochranné atmosféře plynu s tavící se elektrodou (MIG = Metal Inert Gas, MAG = Metal Active Gas). Podle ISO 4063 se jedná o metodu 13. Elektroda je zde ve formě přídavného materiálu, který je chemicky stejný nebo velmi podobný chemickému složení základního materiálu. Elektroda v podobě drátu, kde průměr se pohybuje od 0,6 do 1,6 mm, je navinuta na cívce. Přes kladky podávacího zařízení je podávána do svařovacího hořáku. Zde hoří elektrický oblouk a elektroda se odtavuje.

Zároveň je do hořáku přiváděna ochranná atmosféra. U metody MIG je to nejčastěji argon, helium anebo jejich směs. Metoda MAG nejvíce využívá směsi argonu a jednoho procenta kyslíku, nebo směsi argonu a oxidu uhličitého. Svarová lázeň a nejbližší teplem ovlivněné okolí je chráněno před nepříznivými vlivy okolní atmosféry, zejména plynného kyslíku, oxidu uhličitého a dusíku. Ve firmě Chart Ferox, a.s. se používá nejčastěji argon, nebo plynová směs Inomaxx 2, která obsahuje 2% CO2 a zbytek směsi tvoří argon.

Mezi hlavní výhody metody 13 patří:

 Vysoká produktivita.

 Použití ve všech svařovacích polohách.

 Použití pro ruční, poloautomatické nebo robotizované pracoviště.

 Nízká investice.

 Dostupnost (zejména přídavných materiálů a ochranných atmosfér).

Pomocí metody MIG se svařují neželezné kovy a vysoce legované oceli.

Používají se zdroje proudu s plochou statickou charakteristikou, z důvodu samoregulace délky oblouku.

18 Metoda MAG se používá všude tam, kde požadujeme vysokou produktivitu svařování. Na obrázku 4 je ukázáno schematické znázornění metody MIG/MAG.

[2,3,4]

2.2.2 Metoda TIG

Ve firmě Chart Ferox, a.s. je to jedna z nejvíce používaných metod k nastehování plechů z austenitické korozivzdorné oceli, nebo ke svařování korozivzdorných a hliníkových trubek.

TIG, neboli Tungsten Inert Gas, je metoda podle normy ISO 4063 číselně označena 141. Tato metoda využívá netavící se elektrodu z wolframu, či z wolframu a příměsí oxidů kovů vzácných zemin. Netavící se elektroda je pomocí kleštiny upevněna ve svařovacím hořáku (obr. č. 5). Mezi ní a keramickou hubicí proudí ochranný plyn argonu nebo hélia, který proudí s mírným přetlakem tak, aby zabránil přístupu vzduchu do svarové lázně. Jako přídavný materiál se používá drát, který se v oblouku taví a je přenášen přímo do svarové lázně. Přídavný materiál má stejné nebo podobné chemické složení jako základní materiál.

Používá se strmá statická charakteristika svařovacího zdroje. Stejnosměrný svařovací proud s přímou i nepřímou polaritou se používá pro svařování ocelí, mědi či titanu. Střídavý proud se používá pro svařování hliníku a jeho slitin.

Metoda TIG zároveň využívá čistící efekt argonu k rozrušení oxidické vrstvy na povrchu hliníku a jeho slitin.

Obrázek č. 4: Schéma metody MIG/MAG [5]

19 Tato metoda je velmi dobře schopna automatizace. Zejména při orbitálním svařování. Nevýhodou je náročnost na souosost svařovaných dílů. Velmi využívaná je tato metoda také v kombinaci s laserovým svařováním, kde dochází k hlubokému průvaru materiálu. [2,3,6]

2.2.3 Metoda svařování pod tavidlem

Jedná se o velmi produktivní metodu využívanou při svařování delších svarů, zejména u materiálů větších tlouštěk. Ve firmě Chart Ferox, a.s. je často využívaná, ať už v podobě svařovacích vozíků ke spojování plechů, nebo ve formě svařovacích hlav ke svařování zakružených plechů a den. Svařování pod tavidlem je označováno zkratkou SAW (Submerged Arc Welding) a podle normy ISO 4063 je číselně označováno jako 121. Při této metodě hoří elektrický oblouk pod vrstvou tavidla.

Elektroda se odtavuje jako během metody 13 a je navinutá na cívkách ve formě drátu.

Zároveň se odtavuje pod vrstvou tavidla, které vytváří strusku a chrání tak svar před nepříznivými vlivy okolního vzduchu. Svařovat je možné všechny železné i neželezné kovy. Po dokončení se struska odstraní a svar je hotov. Nevýhodou této metody je, že není vidět do svarové lázně.

Mezi výhody této metody patří především to, že má největší produktivitu při hlubokém závaru. Další výhodou jsou lepší mechanické vlastnosti z důvodu delšího času, při kterém je svarová lázeň tekutá.

Obrázek č. 5: Schéma metody TIG [6]

20 Stabilní hoření oblouku zajišťují tavidla. Dále tavidla napomáhají rafinaci, dezoxidaci a metalurgickým procesům. Podle metalurgie procesu se dělí:

 Bazická.

 Kyselá.

 Neutrální.

Tavidla se musí vysušovat ve speciálních sušičkách.

Při svařování pod tavidlem se nemusí používat jen jedna tavící se elektroda, ale můžou být v tandemu, či ve trojici. Existují i případy, kdy elektrický oblouk hořel mezi sedmi elektrodami. [2,3]

2.3 Postup při návrhu a výrobě kryogenních tlakových nádob

Postup výroby má několik základních kroků a tyto kroky budou představeny v této kapitole.

 Konstrukční návrh a vývoj.

 Výroba tlakové nádoby.

 Výroba vnějšího pláště.

 Spojení nádob a výroba rámu.

 Dokončovací práce.

Jsou zde také uvedeny zajímavé postřehy z pozorování před vypracováním této práce.

Obrázek č. 6: Svařování pod tavidlem - schéma [7]

21 Konstrukční návrh a vývoj

Tlaková nádoba podléhá přísným normám a už při prvotním návrhu je důležité myslet na její provozní podmínky v souladu s platnými normami.

K navrhování a tvorbě výkresů se používá konstrukční CAD software a další simulační programy. Konstrukční změny tlakových nádob nejsou hlavní náplní této diplomové práce, a proto se jimi tato práce dále nebude zabývat.

Výroba tlakové nádoby

Hlavním materiálem pro tlakovou nádobu je plech z korozivzdorné oceli DIN 1.4301, který se po rozměření buď stříhá na nůžkách či tepelně dělí na plazmovém pálícím stroji na požadované rozměry. Délka plechu pro tlakovou nádobu se měří podle obvodu příslušných den, které patří k dané nádobě. Vlivem výrobních tolerancí to nelze udělat jinak. V případě výroby tlakových nádob pro ISO kontejnery má plech tloušťku 8 mm.

Po nařezání se plech v případě ISO kontejnerů zakružuje na průměr 2 200 mm na zakružovacích válcích a obsluha těchto válců k sobě nastehuje volné konce. Takto spojenému a skruženému plechu se říká lub.

Po vyjmutí ze zakružovacích válců se skružený a sestehovaný válec umístí do svařovacího automatu (obr. č. 7). Zde je svařen podélně pomocí metody SAW.

Obrázek č. 7: Svářecí automat metody SAW

22 Je výhodné mít nejen dvě zakružovací pracoviště, zvlášť pro konstrukční ocel a zvlášť pro korozivzdornou ocel, ale i dva svařovací roboty. Při zakružování konstrukční oceli se povrch zakružovacích válců nauhličuje a při dalším zakružování korozivzdorné oceli by mohlo dojít k nežádoucí difúzi uhlíku do povrchu korozivzdorného plechu. Tato difuze se poté projevuje jako snížená korozní odolnost povrchu korozivzdorné oceli a zároveň jako velmi špatný vzhled budící nedůvěru.

Dna tlakových nádob jsou výkovky a kovají se za tepla. Po kulové ploše je nejlepší průběh napětí v materiálu při zatížení vnitřním přetlakem. Hrana těchto den se obrábí na karuselu, aby vznikl úkos a dodržely se požadované parametry svaru. Tato dna jsou na svém vrchlíku osazeny čepy, které se zasazují do protikusu na vnějších dnech kvůli teplotní roztažnosti korozivzdorného plechu. Korozivzdorná ocel se při změně teploty o 200°C vůči teplotě okolí roztáhne, respektive smrští o 3,5 mm. Dno se lícuje na tlakovou nádobu a po nalícování se stehuje. Po nastehování je nádoba převezena na svařovací automat metody SAW, kde svářeč provede nanesení vícevrstvého svaru.

Po uzavření tlakové nádoby se nádoba osazuje potrubím pro napouštění, vypouštění, kontrolu a přepad. Pak se vnitřní nádoba podrobí přetlakové zkoušce.

Voda uvnitř vytváří až trojnásobek pracovního přetlaku. Toto zatížení vnitřním přetlakem nese následující výhody:

 Nádoba ještě více zvětší svůj objem.

 Nádoba vlivem vnitřního přetlaku zpevní.

23 Na obrázku č. 8 je vidět schematický diagram při zatěžování vnitřním přetlakem. Bod A je mez kluzu, bod B je velikost zatěžovacího přetlaku a zároveň nová mez kluzu po zpevnění, bod C je posunutí po odlehčení, bod D značí mez pevnosti.

Po vypuštění veškeré vody je nádoba profukována horkým dusíkem pro odstranění zbytkové vlhkosti.

Kryogenní teploty dosahují až -190°C. K zamezení nežádoucího ohřevu LNG uvnitř nádoby se vnitřní nádoby izolují speciální tepelnou izolací.

Výroba vnější nádoby

Obdobně se vyrábí vnější plášť tlakové nádoby, který je z konstrukční oceli S355J0. Plech se skruží, přivaří se k sobě volné konce, podélně zavaří na svařovacím automatu pomocí metody MAG a luby se spojí k sobě. Na speciální válcové stolici se nastehují jednotlivé luby k sobě tak, aby vznikl vnější plášť tlakové nádoby.

Spojení obou nádob a výroba rámu

Před nasunutím do vnější nádoby se tlaková nádoba ještě izoluje speciální izolací. To proto, aby nedocházelo k nežádoucí výměně tepla, respektive ohřevu kapalného plynu uvnitř tlakové nádoby. S milimetrovou přesností je tlaková nádoba

Obrázek č. 8: Graf zatížení a odlehčení vnitřním přetlakem [15]

24 usazena do vnější nádoby. Po nasunutí vnitřní nádoby do vnější dojde k vytažení vývodů trubek a k jejímu uzavření z obou stran.

Do speciálních robustních polohovadel se usadí už uzavřená nádoba a orámuje se. Rám je tvořen dutými čtyřhrannými tyčemi z konstrukční oceli a ISO rohovými prvky, které umožňují manipulaci s jeřábem v přístavu, lepší ukotvení k rámu během přepravy a skládání kontejnerů na sebe.

Dokončovací práce

Mezi dokončovací práce patří tryskání a následné lakování. Před tryskáním se musí všechny vývody a potrubí důkladně zaslepit a uzavřít, aby nevnikl abrazivní materiál dovnitř nádoby. Dalším krokem už skoro tlakové nádoby je důkladné otryskání abrazivem. Je několik druhů abraziva.

 Minerální abraziva.

 Kovová abraziva.

 Organická abraziva.

Plechový plášť je tak zbaven okují a různých nečistot. Zde je nutné, aby do 30 minut byla takto otryskaná nádoba nalakována, jinak hrozí rychlý vznik koroze.

Lakování probíhá v lakovacím boxu, kde pracovník lakovny očistí nádobu od zbylého písku a zatmelí případné defekty v plášti. Pracovník provede nástřik základní barvy a nechá ji cca 1,5 hod zaschnout. Po zaschnutí se provede druhá vrstva v barvě požadované zákazníkem.

Dále se instaluje ovládací panel, který obsahuje napouštěcí a vypouštěcí potrubí a kontrolní potrubí. Na obrázku č. 9 je možno vidět už hotový 40 stop (cca 12,5 m) dlouhý ISO kontejner na přepravu kapalného zemního plynu těsně před polepením nálepek a expedicí.

25 2.4 VSM metoda

Metoda Value Stream Mapping (dále jen VSM, česky: Mapa toku hodnot) patří mezi silné nástroje pro vizualizaci toku hodnot a slouží k popisu současného stavu procesu výroby. VSM je vstupní analýza pro všechny změny, ať se jedná o změnu organizace práce, optimalizaci materiálového toku, redukce plýtvání, či pouhé simulace procesu. Zároveň tato metoda pomáhá odhalit úzká místa ve výrobě a je nápomocna ke zlepšení a ke zvýšení průtoku výroby v kritických místech. Úzké místo (anglicky bottleneck) se vyznačuje tím, že zbrzďuje materiálový tok ačkoliv, pracuje na plné využití svého výkonu a kapacity. K aplikaci VSM metody stačí tužka, papír, fotoaparát a stopky. První VSM mapa se vytváří směrem proti proudu výroby, tj.

začíná se u zákazníka a postupuje se vzad až k dodavateli materiálu. Obrovskou výhodou této metody je fakt, že jsou okamžitě vidět všechna data a zároveň se ukazuje vazba mezi těmito daty. Mezi hlavní výstupy patří:

 VA index (Value Added index), tj. index přidané hodnoty. Je to poměr času přidávání hodnoty k celkovému výrobnímu času. Tento poměr je v procentech.

 LT. Lead Time je průběžná doba výroby, po kterou se přidává hodnota (v případě firmy Chart Ferox, a.s. se jedná o cyklus od srážení hrany víka na karuselu až po montáž informačního štítku).

Obrázek č. 9: ISO kontejner o objemu 40 m³ [8]

26

 VA time (Value Added time). Je doba, po kterou se výrobku přidává hodnota a zákazník je ochoten ji zaplatit.

 NVA time (Not Value Added). Tato doba žádnou přidanou hodnotu nepřidává. Typickým příkladem je manipulace a zákazník neochoten ji platit.

 Informace. Ty jsou o rozpracovanosti výroby.

 Mezisklady. Zejména pak vyjdou podrobnosti o jejich stavech a množství.

Existují piktogramy, které znázorňují jednotlivé procesy tak, aby bylo vše zřetelné. Tyto piktogramy jsou znázorněny na obrázku č. 10.

Po zmapování současného stavu výroby ve firmě Chart Ferox, a.s., ze kterého vyplynou všechny nedostatky, se navrhne nový efektivnější způsob výroby, kde jsou tři hlavní cíle nového návrhu:

 Zkrátit lead time.

 Eliminovat plýtvání.

 Redukce rozpracovanosti výroby.

VSM mapa okamžitě ukáže úzká místa možné potenciální a skutečné problémy výroby, které mohou nastat.

Obrázek č. 10:Piktogramy používané ve VSM [10]

27 Na řešení úzkých míst je několik různých metod, avšak záleží na zkušenostech řešitele, protože ne všechny lze vždy použít.

 Zvýšení počtu pracovišť – ne vždy to lze aplikovat, limitující může být výrobní plocha závodu.

 Rozdělení práce na jiné pracoviště – také nelze použít vždy, výrobní operace v postupu spolu vůbec nemusí souviset.

 Kooperace – převedení části výroby do jiné firmy, ať z důvodu technologického vybavení, či uvolnění vlastních výrobních kapacit, zároveň je toto ekonomickou otázkou.

 Zvýšení počtu pracovníků – taky nelze vždy aplikovat. Z důvodu, aby si navzájem na pracovišti nepřekáželi.

 Kaizen – (z japonštiny, zlepšení) cesta pomocí přípravků a různých drobných zlepšení tak, aby docházelo ke zkrácení cyklového času.

Zároveň slouží k eliminaci úzkých míst.

Další výhodou je možnost použití VSM i v nevýrobních nebo administrativních procesech. [10,11,12]

28

3 Experimentální část

V experimentální části je popsán současný stav výroby pomocí tabulek a VSM, a zároveň je předloženo několik způsobů řešení problémů, týkajících se nového výrobního zařízení, zlepšení pomocí výrobních přípravků, nebo optimalizace rozvržení výrobní haly. Současný layout hlavní výrobní haly a její části příslušných lodí (A, B, C) je vidět v příloze 1.

3.1 Současná výroba tlakových nádob ve firmě Chart Ferox, a.s.

Sestavováním, stehováním a svařením jednotlivých lubů k sobě se získává tělo tlakové nádoby. Je výhodné axiálně pootočit podélné svary lubů vůči sobě tak, jako je na obr. č. 11 a to z důvodu bezpečnosti provozu tlakové nádoby.

Tabulka 1: Hlavní časy montáže těla nádoby

Operace Čas [min]

Dovezení 3 ks lubů 30 Sestavení lubů 20 Stehování lubů 100

Dovezení dna 10 Stehování dna 110

Svařovací pracoviště obsluhuje většinou jeden pracovník. K dispozici má svařovací soupravu, polohovadla a přípravky. Do polohovadel se vloží luby a pomocí

Obrázek č. 11: Polohovadlo na sestavu lubů s luby

29 stahovacího přípravku se přisadí k sobě. Tato činnost je velmi náročná na přesnost.

Po sestehování lubů se přistehuje dno, které je zavěšeno na jeřábu. Časovou náročnost této montáže ukazuje tabulka 1.

Obrázek č. 12: Současný layout lodi B včetně špagetového diagramu

30 Obrázek č. 12 zobrazuje aktuální rozložení pracovišť v lodi B včetně materiálového toku. Červenou barvou je znázorněna cesta polotovaru, či zásobování materiálem potřebným k výrobě. Číslo 1 v obrázku 12 ukazuje cestu po vestavbě vnitřního příslušenství k mycímu boxu a zpět. Číslo 2 je cesta po uzavření tlakové nádoby a montáži vnějšího potrubí k podrobení tlakové zkoušce a následnému vysušení tlakové nádoby. Modře je vyznačena cesta hotové tlakové nádoby směrem k další práci.

Na jeden konec lubů se přivaří pevné dno s nátrubky a vývody potrubí a poté se provede vestavba vnitřního napouštěcího a kontrolního potrubí a vnitřních výztuh (popsáno níže). Toto potrubí je připevněno pomocí stojánků. Vestavbu provádí svářeč a jeho pomocník. Tabulku časové náročnosti vestavby ukazuje tabulka 2.

Tabulka 2: Hlavní časy vnitřní vestavby a uzavření

Operace Čas [min]

Dovezení nádoby 10

Příprava vnitřního potrubí 125 Vestavba potrubí 150

Montáž výztuh 70

Montáž přepážky 60

Dovezení dna 10

Mytí nádoby 20

Montáž dna 200

Do přivařených výztuh se usazují speciální přepážky. Tato součást je kulová a slouží k rozrážení a usměrnění kapaliny uvnitř nádoby. Dochází k vyrušení setrvačných sil v tekutině během transportu (brzdění, zatáčení) plného kontejneru a tím dochází k pozitivnímu ovlivnění bezpečnosti. Na okraji přepážky je výřez pro potrubí.

Montáž takové přepážky je fyzicky náročná, protože dovnitř nádoby nezajede jeřáb a tudíž se musí usazovat na pozici ručně. Časovou náročnost této montáže ukazuje tabulka 2. Vlivem gravitace se lub deformuje vlastní vahou. Aby bylo možné vložit přepážku dovnitř nádoby, musí se nádoba roztahovat pomocí speciálních prstenců.

31 Tuto práci provádí svářeč a pomocník. K dispozici mají svařovací soupravy, polohovadla, jeřáb a další přípravky.

Po uvedené vestavbě následuje důkladné mytí a odmaštění. Zbytkové nečistoty by mohly zničit lopatky čerpadel, popřípadě jinak poškodit různá filtrační nebo motorová zařízení. Poté je možné nádobu uzavřít druhým dnem.

Vnější plášť je osazen vnitřními výztuhami, které na speciálním stroji vkládají a stehují dva pracovníci. Stroj pomocí hydrauliky roztáhne radiálně lub tak, aby tam šly výztuhy lépe vložit. Výztuha je za studena ohýbaný T-profil, který se navařuje po celém vnitřním obvodu vnějšího pláště nádoby. Do pláště se ještě vyřezávají dva hranaté otvory, které slouží pro lepší manipulaci a uchycení vnitřní nádoby. Tabulka 3 ukazuje časovou potřebu na výrobu části vnější nádoby.

Tabulka 3: Hlavní časy montáže vnější nádoby

Operace Čas [min]

Orýsování pozic 50

Vykulacení přípravkem 30 Příprava výztuhy 10

Montáž výztuhy 60

Obrázek č. 13 zobrazuje aktuální rozložení pracovišť v lodi C včetně materiálového toku. Červenou barvou je znázorněna cesta polotovaru, či zásobování materiálem potřebným k výrobě. Modře je vyznačena cesta hotového pláště vnější nádoby směrem k další práci.

Obrázek č. 13: Layout části lodi C včetně špagetového diagramu

32 Po zarámování, otryskání a nalakování ISO kontejneru se instaluje ovládací panel, odpařovací zařízení (toto záleží na požadavcích zákazníka) a tlakové manometry. Během dokončovacích operací na ISO kontejneru je na všechny svary na nerezovém potrubí aplikováno moření pomocí směsi kyselin tak, aby se korozivzdorná ocel v tepelně ovlivněné oblasti zbavila náběhových barev. Mořené svary se neutralizují omytím vodou. Hotový kontejner se polepí informačními značkami.

Přimontují se informační štítky a ISO kontejner projde kompletní vizuální kontrolou.

Po tomto procesu je vnitřní tlaková nádoba natlakována na hodnotu odpovídající přepravnímu tlaku pro plynný dusík a kontejner se expeduje k zákazníkovi.

Z důvodu zefektivnění výroby je snaha co nejvíce výrobních časů snížit na minimální možnou hodnotu, eliminovat plýtvání a najít optimální výrobní čas.

Z důvodu zvýšení výrobní kapacity se uvažuje o pořízení poloautomatické výrobní linky na výrobu plášťů ASDORF. Rentabilita této linky je velmi důležitá a návratnost investice musí být do tří let.

3.2 Současná výroba pomocí VSM

Firma Chart Ferox, a.s. využívá VSM jako nástroj pro optimalizaci výroby.

Současná výroba tlakových nádob ISO kontejnerů je zmapována pomocí této metody v následujících obrázcích. Výrobní linka se řídí taktem výroby. Ve volném překladu to je rytmus, v jakém z výrobní linky vystupují hotové výrobky. V případě firmy Chart Ferox, a.s. a ISO kontejnerů je tento takt 15 hodin. Toto číslo bylo vypočteno podle vzorce (2):

(2) Na obrázku 14 je vidět část současné VSM mapy výroby ISO kontejnerů.

Výrobní a transportní dávka na pracovišti je jeden kus. Z mapy je jasně vidět úzké místo, kterým je vestavba vnitřního napouštěcího potrubí a montáž vnitřních výztuh a přepážek. Čas této montáže činí 26 hodin, což je o 11 hodin více než je rytmus výrobní linky. Zde nejde použít více pracovišť ani více pracovnků. Důvodem je fakt, že se pracuje pouze na jedné nádobě a uvnitř by si pracovníci navzájem překáželi. Převést

33 práci jinam také není možné, neboť předchozí a následná operace spolu nesouvisí.

Možným řešením může být výrobní linka ASDORF, která by vedla k uvolnění pracovníků a otevření druhého pracoviště motnáže vnitřní vestavby. V druhé polovině praktické části je uvedeno několik návrhů jak tento čas snížit a eliminovat toto úzké místo pomocí kaizenů bez pořízení zmiňované výrobní linky ASDORF.

Obrázek č. 14: Část VSM mapy výroby tlakových nádoby ISO kontejnerů

34 3.3 Možnosti výrobní linky ASDORF

Výrobní linka ASDORF je unikátním zařízením, které vyrábí firma Asdorf- Maschinen GmbH Vorrichtungsbau z německého Freudenbergu. Tato linka má dalším výrobcům usnadnit spojování lubů v různě dlouhé celky. Zařízení ASDORF má dva prstence, které pomocí hydraulického pohonu obejmou dva luby. Dále jsou prstence přisunuty k sobě tak, aby se luby přes úkosovaný okraj napozicovaly vůči sobě. Toto spasování je velmi důležité, protože je to základ pro získání kvalitního svaru. Poté se kompletně provede obvodový svar pomocí metody MIG/MAG a nebo SAW rychlostí cca 0,7 m/min. Jednoduchou matematikou lze zjistit, že celý obvod, když průměr je 2000 mm, je k sobě přivařen za cca 10 minut. Zařízení je schopen obsluhovat jeden člověk, který musí být patřičně proškolený a poučený. Zařízení ASDORF vlastní firma

v německém Genthinu, která vyrábí dvouplášťové nádoby na zemní plyn o maximálním průměru 1 000 mm. Na tomto zařízení lze teoreticky vytvořit nekonečně dlouhou trubku ze sestavených lubů. Podle zkušeností německé firmy došlo k výraznému zkrácení cyklových časů a tím pádem k navýšení objemu výroby. Jako velké plus se jeví také válečková dráha hned za strojem, neboť se zkracuje doba manipulace a práce s jeřábem úplně mizí. Na konci válečkové dráhy je gravitační spád, odkud se svařené luby vlivem gravitace posouvají do následujícího stroje pro

Obrázek č. 15: Detail na robotické svařovací rameno v německé firmě

35 pokračující operaci. Další stroj na svařené luby hydraulicky nasazuje víka nádob s potrubím, které je navařeno na víku a svaří je po obvodu.

Dalším firmou, která má ve svém strojním parku výrobní linku ASDORF je firma Baest s.r.o. sídlící v Benešově u Prahy, která vyrábí jednovrstvé silážní nádoby.

Průměry vyráběných nádob se pohybují od 1 500 mm do 3 000 mm. Zkušenosti firmy Baest s.r.o. s tuto výrobní linkou jsou vesměs pozitivní, problém nastává pouze v případě, když chce zákazník atypický průměr než je průměr prstence. Proto je nutné prstenec složitě vyvložkovat pomocí měděných destiček. Také ve firmě Baest s.r.o.

používají válečkovou dráhu, avšak místo gravitačního spádu na vyjmutí z dráhy používají jeřábové rameno. To proto, že spojené luby jsou už příliš velké a těžké a je nutno dbát na bezpečnost pracovníků firmy. Víka na uzavření nádob se proto montují už pomocí zavěšení na jeřábu, přičemž první víko lze zavařit zevnitř.

Výhodou je značné zkrácení cyklových časů, ulehčení pracnosti při sestavování a odpadnutí jeřábové manipulace. Nevýhodou je velký prostor zástavby ve výrobní hale.

Zařízení má velmi bohaté příslušenství. Průměr prstenců může být libovolný, záleží pouze na výrobě podniku, který si tento stroj chce pořídit. Prstence mají po vnitřním obvodu měděný pásek, který odvádí přebytečné teplo ze svaru a zároveň funguje jako podložka pod svar. Svařovací hlava může být také různá. Nejvíce se využívá hlava na svařování elektrickým obloukem MIG/MAG a nebo metoda

Obrázek č. 16: Výrobní linka ASDORF v Benešově u Prahy

36 svařování pod tavidlem. Svařovat lze konstrukční ocel i nerezovou ocel. Pořizovací cena této linky je cca 3 500 000 Kč.

3.4 Návrh layoutu s využitím linky ASDORF

V následujících kapitolách bude proveden návrh zakomponování výrobní linky ASDORF do lodi C ve firmě Chart Ferox, a.s. Návrh bude doplněn o propočet investic, kapacitní výpočet a VSM mapu budoucího stavu. Bude kladen důraz na odstranění úzkých míst. Veškeré náčrtky a výpočty budou vedeny pro ISO kontejner dlouhý 40 stop (cca 12,5 m). Druhý výrobek, dvacet stop dlouhý kontejner, je poloviční, je tedy jasné, že se do míst kratší kontejner vejde.

3.4.1 Návrh 1 – linka ASDORF naproti pracovišti RTG

Linka ASDORF se doporučuje osadit svařovacím zařízením ESAB (metoda SAW), které bude umět spojovat luby na výrobní lince a zároveň bude umět nanášet vícevrstvé svary na tlakové nádobě (dále jen TN).

Tento návrh podle počítá s výrobou TN v celé lodi C a výrobou vnějších nádob (dále jen VN) v části lodi B.

Korozivzdorný plech bude zakružen a spojen na podélném svařovacím automatu. Hotové luby včetně prvního dna se budou spojovat postupně na lince ASDORF. Získané polotovary budou odkládány vedle na polohavdla a zásobník pro pracoviště RTG. Dále bude provedena vestavba vnitřního potrubí a přepážek na pracovištích vedle linky ASDORF a u mistrovny. Mytí tlakové nádoby bude probíhat v mycím boxu na konci lodi C. Po umytí půjde nádoba vedle mycího boxu, kde bude provedeno její uzavření pomocí robotického ramena. Montáž napouštěcího a vypouštěcího potrubí bude prováděna u mistrovny. Poté bude opět přesunuta na konec lodi C a zde bude provedena tlaková zkouška a vysušení nádoby. Obrázek 17 popisuje materiálový tok.

37

Obrázek č. 17: Špagetový diagram lodi C s linkou ASDORF

38 Na obrázcích č. 17 a 18 je červeně označen vstup materiálu a jeho toku po jednotlivých lodích. Modře je označen výstup. Jsou to poslední operace v těchto lodích. Uzavřená nádoba poté putuje k orámování na další halu.

Mezi tím bude ve vedlejší lodi B probíhat výroba VN. Plech bude zakružen na zakružovačce v přípravně a přesunut do lodi B na podélný svářecí automat. Hotový lub bude odsud přesunut do zařízení na vkládání výztuh Po osazení výztuhami se výztuhy přivaří k plášti VN po celém vnitřním obvodu na svařovacím automatu MIG/MAG.

Takto hotové části VN budou odloženy do jednoho ze čtyř polohovadel, případně budou spojeny pro výrobu 40 stop dlouhého kontejneru.

Odzkoušená TN se bude izolovat ve speciálním izolačním přípravku v lodi B.

Zaizolovaná tlaková nádoba se nasune do pláště VN a na svařovacím automatu budou přivařena dna. Takto hotová nádoba bude expedována do další haly k zarámování, potažmo k otryskání, lakování a osazení ovládacím panelem.

Výhody a nevýhody návrhu 1

Hlavní výhodou tohoto návrhu je prakticky celá výroba ISO kontejneru blízko sebe. S tím je spojen fakt, že manipulace s TN se redukuje na minimum a odpadá složité převážení z lodi B do lodi C a na jinou halu k nasouvání a uzavírání VN. Navíc tato hala, kde se dnes vkládá izolace, nasouvání a uzavírání vnitřní nádoby bude uvolněna pro jinou další výrobu. Vše obsluhuje pouze jeden portálový jeřáb v lodi C a jeden jeřáb v lodi B. Další výhodou bude usměrnění materiálového toku a minimální rozpracovanost výroby. Pozitivem je také lepší uspořádání pracovišť s větší ergonomií a větším prostorem okolo pracovníka. Zároveň došlo k usměrnění materiálového

Obrázek č. 18: Špagetový diagram lodi B s linkou ASDORF

39 toku tak, aby došlo k minimálním cestám proti proudu výroby. Navíc, vše může obsluhovat jeden portálový jeřáb.

Nevýhodou jsou větší investice do stavebních úprav a zařízení, nutnost upravit svařovací stroj ESAB. Jako nevýhoda může být považována nutnost znovu zprovoznit mycí box na konci lodi C a tak ji využít celou.

Výpočty cyklových časů návrhu 1 a úspor

Níže jsou uvedeny výpočty pomocí elementární matematiky a do vzorců jsou pro větší přehlednost rovnou dosazeny vstupní údaje. Opět platí, že čísla jsou záměrně zkresleny koeficientem z důvodu zachování průmyslového tajemství. Rovnice (3) obsahuje vzorec a dosazení na obvod kruhu

(3)

(4)

Rovnice (4) udává, za jak dlouhou bude svařena jedna vrstva svaru na obvodu lubů. Dávají se tři svarové vrstvy na sebe, tj. výsledný čas bude třikrát větší.

Respektive při svařování tří kusů lubů (tělo tlakové nádoby) to bude 90 minut.

Manipulační časy zůstanou stejné a podle tabulky 1 činí součet časů 270 minut a to se rovná 4,5 hodiny.

Při přepočtu na jeden kontejner je současná cena při hodinové taxe firmy 800 Kč/hod celkem 3 700 Kč. Současná výroba zároveň obsahuje 150 ks kontejnerů ročně, tj.

(5)

Částka 555 000 Kč je současná cena výroby těla tlakové nádoby bez montážní linky ASDORF. Budeme-li uvažovat, že linka ASDORF zvládne tuto práci vykonat za 1,5 hodiny, pak se změní cena jednoho kusu, respektive roční produkce.

(6)

(7)

40 Částka 180 000 Kč je budoucí odhadnutá cena při současné výrobě 150 ks/rok. Roční ušetřená částka bude rozdíl rovnic (5) a (7), tj.

(8)

Při tomto modelu bude návratnost linky za 9 let a 4 měsíce. Tím, že byl zkrácen cyklový čas montáže těla TN na třetinu, je potenciál vyrábět až 450 ks kontejnerů ročně a při současných taxách a cenách by úspora činila 1 125 000 Kč a linka ASDORF by byla splacena za tři roky a jeden měsíc.

Nutno podotknout, že mizí dvě operace ve výrobním postupu a to jsou další ušetřené tři hodiny.

Na manipulaci bude ušetřeno 108 metrů a po přepočtu to je 32 minut.

Při možnosti produkce 450 ks kontejnerů ročně tato úspora činí 192 000 Kč.

Předpoklad délky užívání výrobní linky ASDORF je 5 let a podle tabulky a zákona o dani z příjmu patří do druhé skupiny. Tato skupina udává, že v prvním roce se odepisuje 11 % původní ceny a v dalších letech 22,25% původní ceny dokud se nedosáhne celé částky. Odpisová částka se vypočte podle vztahu (9). Tabulka 4 ukazuje roční odpisy po dobu pěti let. [13]

(9)

Tabulka 4: Roční odpisy výrobní linky ASDORF [13]

Rok Zůstatková cena Roční odpis Oprávky celkem 2018 3 115 000 385 000 385 000 2019 2 336 250 778 750 1 163 750 2020 1 557 500 778 750 1 942 500 2021 778 750 778 750 2 721 250

2022 0 778 750 3 500 000

41 VSM nového návrhu

Za předpokladu, že bude požadavek zákazníka na 20 kontejnerů měsíčně a bude dodržen rytmus linky, bude vlivem zkrácení Ct na 1,5 hod docházet k uvolnění pracovníka montáže sestavy lubů na výrobní lince ASDORF a tento pracovník může jít vypomoci na další pracoviště, nejlépe na pracoviště vestavby, tak aby došlo ke snížení Ct i na tomto pracovišti. Zároveň dochází k redukci tří po sobě jdoucích operací do jedné. Mizí operace svařování kořene svaru (C_t = 1,5 hod) a operace nanášení vícevrstvého svaru (Ct = 1,5 hod). Operace na sestavu lubů a dna je s těmito dvěma spojená do výrobní linky ASDORF s Ct = 1,5 hod. Tímto dochází k redukci času výrobního postupu a umožňuje snížení spotřeby času až o 6 hodin na jedné nádobě.

Potenciál výrobní linky ASDORF je zvýšit výrobu o 300% a tedy je možnost, že operátor linky ASDORF nebude chodit na výpomoc pracovišti vestavby, ale bude vyrábět další těla tlakových nádob. Potom nedojde k úspoře 4,5 hodiny na pracovišti vestavby a stojí za úvahu otevřít ještě jedno, možná více pracovišť vestavby, to proto, aby šlo využít nového taktu linky ASDORF.

42 3.4.2 Návrh 2 – linka ASDORF na jiném místě v lodi C

Výrobní linka ASDORF nemusí být umístěna naproti stanovišti RTG v lodi C.

Může být přesunuta ještě vedle tohoto stanoviště. Tuto možnost včetně jiného uspořádání části lodi C ukazuje obrázek č. 20. Layout lodi B a veškeré časy a výpočty

Obrázek č. 19: Budoucí VSM mapa s výrobní linkou ASDORF se stávající produkcí

43 zůstanou stejné. Výhodou tohoto uspořádání je víc místa v části lodi C a lepší usměrnění materiálového toku.

Hotové a sestavené TN by se převážely k nasouvání a izolaci po hlavní kolejové dráze za pomoci kolejových vozíků.

Linka ASDORF podle kap. 2.4 je příkladem reengineeringu, tedy změny která přináší úspory v desítkách procent.

3.5 Návrh 3 – možnosti využití současných pracovišť

V této kapitole bude proveden návrh optimalizace layoutu s maximálním využitím současného strojního a přípravkového vybavení. Tedy v souladu s kapitolou 2.4 pomocí kaizenů, čili drobných zlepšení. Bude zde kladen důraz na optimalizaci materiálového toku a ergonomii. Vše bude také propočítáno a budou navrženy některé přípravky ke zrychlení a zlepšení současného procesu výroby TN na ISO kontejnerech.

Návrh bude dimenzován pro výrobu ISO kontejnerů, které jsou dlouhé 40 stop. Firma Chart Ferox, a.s. vyrábí také 20 stop dlouhé kontejnery, které se do nového layoutu vejdou, neboť jsou poloviční velikosti.

Obrázek č. 20: Část lodi C s linkou ASDORF vedle komory RTG

44

Obrázek č. 21: Špagetový diagram nového návrhu v lodi B

45 Na obrázku č. 21 je červeně označen vstup materiálu a jeho tok po jednotlivých pracovištích lodi B. Modře je označen výstup. Je to poslední operace v této lodi. Uzavřená nádoba poté putuje na další operaci.

Přestavění lodi je koncipováno do tvaru písmene U z důvodu snížení doby manipulace na minimální možnou hodnotu tak, aby se ušetřila doba, kdy se nepřidává hodnota výrobku.

Výrobní postup

Vysokolegovaný ocelový plech bude zakružen na zakružovačce. Hotové luby včetně prvního dna se budou spojovat postupně na polohovadle na spojování lubů.

Dále budou luby svařeny na svařovacím automatu ESAB (metoda SAW), který je umístěn u těchto polohovadel. Vestavba vnitřního potrubí a přepážek se bude provádět na pracovištích vedle svařovacího automatu. Je velká překážka, je zakázáno ztenčování

stěny tlakové nádoby a nelze použít gravírování k označení přesné pozice stojánků plnícího potrubí už při tepleném dělení materiálu. Pomocným přípravkem (obr. č. 22) může být konstrukční úprava provedena tak, aby stojánky napouštěcího potrubí byly stejně vzdáleny od sebe v obou dvou typech ISO kontejnerů a pomocí přípravku by se zkrátila doba rozměřování jejich pozic. Ke vkladu přepážky bude užito nového přípravku na vklad přepážek, tzv. vozíku. Návrh tohoto přípravku je ukázán na obrázku č. 23 a jeho přínosy budou popsány níže v této kapitole. Mytí tlakové nádoby bude probíhat v mycím boxu.

Obrázek č. 22: Přípravek na rozkreslení pozic stojánků

46 Po umytí bude nádoba přesunuta k uzavření na pracovišti vedle mycího boxu.

Zde bude prováděno pomocí robotického ramena dalšího svařovacího automatu ESAB nanášení vícevrstvého svaru. Montáž napouštěcího potrubí pak bude provedena na dalších polohovadlech. Poté bude tlaková nádoba přesunuta dále na tlakovou zkoušku a vysušení nádoby.

Mezi tím bude ve vedlejší lodi C probíhat výroba VN. Plech bude zakružen na zakružovačce v lodi C a přesunut na podélný svařovací automat. Hotový lub bude odsud přesunut do zařízení na vkládání výztuh. Po osazení výztuhami se výztuhy přivaří k plášti VN po celém vnitřním obvodu na svařovacím automatu MIG/MAG.

Takto hotové části VN budou odloženy do jednoho ze čtyř polohovadel, případně budou spojeny pro výrobu 40 stop dlouhého kontejneru.

Odzkoušená TN se bude izolovat ve speciálním izolačním přípravku v lodi C.

Tento přípravek je know-how firmy Chart Ferox, a.s. Zaizolovaná tlaková nádoba se nasune do pláště VN a na svářecím automatu budou přivařeny dna. Takto hotová nádoba bude expedována do další haly k zarámování, potažmo k otryskání, lakování a osazení ovládacím panelem.

Obrázek č. 23: Návrh na přípravek na vklad přepážek

47 Výhody a nevýhody návrhu 3

Hlavní výhodou tohoto návrhu je prakticky celá výroba ISO kontejneru blízko sebe. S tím je spojen fakt, že manipulace s TN se redukuje na minimum a odpadá složité převážení z lodi B do lodi C a na jinou halu k nasouvání a uzavírání VN. Vše obsluhuje pouze jeden portálový jeřáb v lodi C a jeden jeřáb v lodi B. Dalším přínosem bude usměrnění materiálového toku a minimální rozpracovanost výroby. Pozitivně se také jeví výhodnější uspořádání pracovišť s větší ergonomií a větším prostorem okolo pracovníka. Kladně lze hodnotit zároveň využití současného strojního parku a minimální investice do nového strojního a přípravkového vybavení.

Nevýhodou je téměř úplné vyčerpání prostorové kapacity lodi B a malé využití prostoru lodi C. S tím souvisí malé odkládací místo např. na dna TN v lodi B.

Výpočty cyklových časů návrhu 2 a úspor

Zde budou provedeny výpočty pomocí elementární matematiky a do vzorců bude pro větší přehlednost rovnou dosazeno. Hmotnost vozíku je 310 kg. Při výrobě tohoto vozíku je použita konstrukční ocel S355J0 při současné ceně 30 Kč/kg. Práce na přípravku bude trvat jednu směnu. Potom je součet rovnic (10) a (11) cenou vozíku.

(10)

(11)

K součtu těchto rovnic, který je 15 300 Kč, je nutno přičíst ještě 1 000 Kč na materiál jako jsou kolečka pojezdu či spojovací materiál. Výsledek tedy činí 16 300 Kč.

Současná doba vkladu jednoho kusu přepážky je 25 minut (=0,41 hod).

Přepážka se vkládá ručně ve dvou lidech, neboť do nádoby nezajede jeřáb.

Odhadovaná doba vkladu přepážky činí 10 minut (=0,17 hod) pro jednoho člověka.

Přepočet na cenu ukazují rovnice (12) a (13)

(12)

(13)

48 Rozdíl rovnic (12) a (13) je roční úspora na jednom ks přepážky, ta činí 78 000 Kč. Nutno podotknout, že do nádoby se nevkládá pouze jedna přepážka, ale je jich několik v závislosti na její velikosti. Vozík má návratnost dle výpočtu už při prvním použití. Další výhodou je uvolnění jednoho pracovníka, který může vykonávat jinou práci. Proto je úspora tak vysoká. Úspora lidí a času může vést k navýšení výroby ISO kontejnerů (minimálně o dva kusy ročně).

Hmotnost přípravku na zakreslování (obr. 22) je cca 1,3 kg. Kilogramová cena plechu hliníkové slitiny je 115 Kč/. Cenu materiálu tohoto přípravku vyčísluje rovnice (14). Rovnice (15) popisuje cenu výroby, kde 0,25 je odhadovaný čas výroby v hodinách. Jejich součet je pak celková cena tohoto přípravku.

(14)

(15)

Součet rovnic (14) a (15) je 350 Kč. Současná doba rozměřování pozic pro stojánky potrubí je 60 minut a budoucí odhadovaná doba je 20 minut.

(16)

(17)

Rozdíl rovnic (16) a (17) činí 84 000 Kč, což je roční úspora na 150 ks kontejnerů. Z výsledku vyplývá, že přípravek má návratnost téměř okamžitě.

Na obrázku č. 24 je budoucí VSM mapa návrhu dva a ta se skoro neliší od současného stavu. Pouze zde dochází ke zkrácení Ct z 13 hodin na 11 hodin zdvojením pracoviště vestavby a pomocí výše zmíněných kaizenů. Po přepočtu při současném stavu výroby dochází k úspoře 240 000 Kč ročně.

Ušetření na manipulaci s výrobkem činí 36 metrů a po přepočtu to je 17 minut Při produkci 150 ks kontejnerů ročně je tato úspora 34 000 Kč jen na manipulaci pomocí přeuspořádání pracovišť.

49 VSM nového návrhu

Rytmus linky zůstane stejný a po zvýšení počtu pracovišť vnitřní vestavby a za pomoci kaizenů klesne cyklový čas.

Obrázek č. 24: Budoucí VSM mapa návrhu 2

50 3.6 Porovnání obou návrhů a další možnosti k odstranění úzkého místa

Propočtená návratnost a další přínosy jsou uvedeny v následující tabulce 5.

Tabulka 5: Porovnání obou návrhů

Otázky ASDORF Kaizeny

Návratnost investice? S využitím potenciálu za 3 roky, jinak za 9 let.

Téměř okamžitě.

Odstranění úzkého místa? Částečně. Částečně.

Potenciál výroby? Až 450 ks ročně. Až 155 ks ročně.

Přestavba hal? Velká Malá

Roční úspora? Až 1 317 000 Kč Až 274 000 Kč

Pořizovací náklady? Řády milionů Kč. Řády desítek tisíc Kč.

Podle kapitoly 2.4 je dalších několik možností k odstranění úzkého místa:

 Možnost navýšení počtu pracovníků a zvýšení počtu pracovišť vestavby. Zde je limitující počet lidských zdrojů a plocha lodí B a C.

 Možnost využití kooperace. Toto řešení přináší otázky požadované kvality zákazníkem, logistiku mezi firmou Chart Ferox, a.s a kooperantem, a v neposlední řadě i otázku ekonomické rentability.

První možnost je nastíněna v kapitole 3.5 a počítá i s využitím kaizenů. Druhá varianta je doporučena ještě řádně prozkoumat.

Další možností k ušetření nákladů může být úprava svařovacích parametrů a procesů WPS a jejich nová specifikace. Tato možnost může mít potenciál pro okamžité ušetření časových fondů.

51

4. Závěr

Cílem diplomové práce bylo zmapovat současnou výrobu tlakových nádob ISO kontejnerů pro přepravu technických plynů a LNG a zároveň navrhnout možná řešení k zefektivnění této výroby. Bylo využito metod pozorování přímo na pracovišti a také moderní mapování pomocí VSM metody. V současné době je trendem, že i vysoce specifická a zakázková výroba se snaží odhalovat úzká místa a tím omezit plýtvání svých finančních zdrojů.

Rozborem a analýzou vyplývá, že se při současné produkci 150 ks kontejnerů ročně bude návratnost linky výrobní ASDORF přes devět let a v tomto případě je tato varianta naprosto ekonomicky nepřijatelná. Navíc tato varianta váže i další finanční prostředky na přestavbu dvou lodí a nutnost výroby nového stroje na izolaci tlakových nádob. Zároveň bude nemalá částka investována do přestavby stroje na svařování pod tavidlem ESAB (odhadem i s linkou ASDORF cca 5 000 000 Kč).

Nicméně, výrobní linka ASDORF umožňuje spojení tří po sobě jdoucích operací do jedné a je zároveň schopna zvednout produkci až o 300%. Tato varianta sebou nese dalších několik otázek:

 Prodá se minimálně 450 ks ISO kontejnerů za rok tak, aby byla linka splacena za tři roky?

 Lze otevřít minimálně další dvě pracoviště vestavby?

 Bude akceptovatelný nový rytmus i ostatní pracoviště, např. mytí TN, uzavírání TN, lakovna?

Pokud lze tyto tři podmínky splnit kladně, je firmě Chart Ferox, a.s.

doporučeno pořízení výrobní linky ASDORF.

Investicí do renovace a přestavění lodi B podle druhé varianty, se roční produkce ISO kontejnerů nepatrně zvýší za minimální cenu. Výhodou může přesunutí části výroby do lodi C.

Vzhledem k současné situaci na trhu, kdy ISO kontejnery mají malý odbyt, z výše uvedených závěrů vyplývá, že se investice do nového strojního zařízení za

52 současných podmínek nevyplatí. Nicméně firma Chart Ferox, a.s. může zkusit zažádat o dotaci na tento stroj k udržení technologického pokroku, neboť tam je velký potenciál k inovacím.