一種石油鉆采設備關鍵零部件再制造性的成本評估方法

張 斌，張志偉，孫 娟，張文英

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞721002）

再制造是指對再制造毛坯進行專業(yè)化修復或升級改造，使其質(zhì)量特性不低于原型新品水平的過程[1]。機電設備再制造，作為綠色制造的重要組成部分，以先進技術和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，修復和改進廢舊機電設備及關鍵部件，使之恢復原有使用性能甚至獲得新的性能，以達到延長設備使用壽命為目的[2]。由于是以廢舊設備為基礎，因此在實施再制造之前，需要對其再制造可行性，即可再制造性進行評估，對于值得修復和改進的設備實施再制造。石油鉆機是機械、電氣、液壓、氣動設備聚集的綜合性復雜裝備，石油機械再制造被列為我國2009年首批再制造試點行業(yè)之一，開展石油鉆采設備關鍵零部件的再制造對于相關設備的降本增效具有重要價值。其中，再制造性評估是能否實施再制造的前提條件?，F(xiàn)有的再制造性評估方法有層次分析法[3]、熵權法[4]、模糊集評價法[5?6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價方法[7?8]等。這些方法的提出和應用對再制造行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的指導作用，但也存在一些局限性，具體包括：（1）部分評價指標為定性指標，比如對于廢舊產(chǎn)品的廢舊程度，很難進行量化，導致相應輸入量為離散值，但評估結(jié)果通常為0～1 的連續(xù)值，勢必會造成一定的誤差。（2）權值的確定沒有明確標準。熵權法和層次分析法通常要對不同的評估輸入進行歸一化和加權處理，不同成本維度也需要進行權值分配，權值分配通常具有一定的主觀性，這會影響最終的量化指標。（3）對于不同用途的設備及部件，其再制造性判決依據(jù)也存在差異，因此理論上不存在嚴格統(tǒng)一的再制造性評估模型。（4）所得到的再制造性評價指數(shù)通常不直接體現(xiàn)再制造過程產(chǎn)生的成本，也不具備相對準確的換算關系。因此，在確定再制造性為可行的情況下，需要再去評估再制造的成本。

從再制造成本產(chǎn)生的不同維度出發(fā)，將有關再制造環(huán)節(jié)需要的投入直接評估為統(tǒng)一的經(jīng)濟成本，進而提出一種再制造性成本量化評估方法。所提方法可避免離散量的輸入和經(jīng)驗性權值設定，計算模型的輸入具有較好的可擴展性。此外，再制造性指數(shù)計算方便快捷，且再制造性指數(shù)與再制造成本之間存在準確的對應關系。所提方法對傳統(tǒng)的再制造性評估方法是一種有益的補充。

1 石油鉆采設備關鍵零部件再制造流程

結(jié)合機械產(chǎn)品再制造通用技術要求（GB/T 28618—2012）及文獻[9]，石油鉆采設備關鍵零部件再制造流程如圖1 所示。

圖1 石油鉆采設備關鍵零部件再制造流程

相應流程的說明具體為：

（1）廢舊設備。主要指功能失效的設備，其中功能失效包括磨損失效、疲勞失效、變形失效等[10]。

（2）再制造性評價。主要是對廢舊設備的關鍵部件功能失效進行預估，按照再制造流程的關鍵環(huán)節(jié)對其再制造性進行量化評估，以確定再制造的必要性和經(jīng)濟性。

（3）設備回收。對于再制造性尚可的設備（再制造技術可行，且成本可接受），確定實施再制造，否則按照報廢處理。

（4）易修復性。按照再制造的難度對回收設備進行常規(guī)處置和專業(yè)處置。

（5）常規(guī)處置。主要是清理銹蝕、優(yōu)化潤滑、更換損壞部件等簡單的修復。設備的功能恢復正常后，形成再制造設備成品。

（6）專業(yè)處置。對通過常規(guī)處置不能恢復功能的設備，需要進一步拆解、清洗及檢測，進而確定哪些是可直接利用件，哪些是可再制造件，哪些是棄用件。對于有損傷的部件，需要進行歸類，分揀出正?；蚩梢孕迯偷牟考?，對于不能修復的部件進行報廢。

（7）部件修復。對有缺陷和損傷的部件進行專業(yè)修復和性能提升，如部件矯形及增加納米涂層以增強零部件的耐腐蝕性等[11]。

（8）部件組裝。在所有部件功能恢復后，組裝形成再制造產(chǎn)品。

從時序的角度看，再制造性評價處于再制造流程的前端，再制造性的判斷結(jié)果直接影響廢舊設備的選用，因此再制造性評價步驟十分重要。然而，再制造性評價模型中的技術性、經(jīng)濟性、資源性及環(huán)境性因素全部位于后續(xù)再制造的實施環(huán)節(jié)，因此不論何種再制造性評估方法，其評價結(jié)果均存在不確定性。同樣，提出的評估方法的準確性也將受到這些因素影響。要提高評估結(jié)果準確性，一方面要對再制造環(huán)節(jié)進行細化，另一方面要對再制造產(chǎn)生的成本進行客觀預估。

2 再制造環(huán)節(jié)成本評估與分解

2.1 技術性成本

主要指再制造過程涉及到的技術工序所產(chǎn)生的直接成本，包括檢測、拆解、運輸、安裝、清洗、再制造、制造周期等。對于復雜的重要大型設備或故障原因不明的廢舊設備，要邀請設備生產(chǎn)廠商的專業(yè)人員檢測判斷，或組織機械設備專家團隊進行檢測。拆解、清洗、安裝、運輸?shù)冗^程需要專業(yè)技術人員借助專門的設備來實施。再制造過程是技術成本、人力成本、時間成本的集中體現(xiàn)環(huán)節(jié)。

2.2 能耗性成本

主要指再制造過程涉及到的能源使用和材料消耗產(chǎn)生的支出，包括用水、用電、燃料、材料四個方面：在清洗過程、測試過程的用水支出；在再制造及測試過程中的動力用電費用；運輸及鍛造過程的燃料使用費用；再制造過程中可能用到的專用耗材費用。

2.3 環(huán)境性成本

主要指再制造過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染控制成本，包括廢氣、廢液、廢固、粉塵、噪音等處理支出，包括防止油料燃燒、金屬焊接等對空氣污染的處理成本；處理設備、部件清洗、再制造中產(chǎn)生的污水的處理成本；處理設備、部件再制造中產(chǎn)生的固體垃圾處理成本；部件再制造中產(chǎn)生的粉塵污染處理成本；噪音抑制設備、部件再制造中產(chǎn)生的噪聲污染處理成本。

2.4 其他成本

由于石油鉆機平臺設備種類較多，除上述成本之外，有的設備部件再制造還可能存在特殊的成本性支出。由于這種成本通常是針對小眾和特定產(chǎn)品，因此將其列為其他成本，如超越原設備功能設計的功能擴展、軟件升級等費用。

3 評估方法實施流程

依據(jù)機械裝備再制造流程和其再制造過程中的成本分解，建立一種石油鉆采設備零部件再制造性成本量化評估方法。成本量化評估方法的主要時序步驟如圖2 所示。

圖2 成本量化評估方法的主要時序步驟

3.1 廢舊設備部件信息收集

廢舊設備信息主要包括歷史信息和當前狀況信息。歷史信息包括設備名稱、功能及使用說明書、配件組成及配件價格、拆解及安裝說明、使用年限、購買（售賣）價格、維護（維修）日志等，歷史信息可為再制造的技術可行性初步判斷提供依據(jù)。當前狀況信息包括設備功能折損情況、主要配件（部位）磨損和失效的情況等信息，這些信息作為設備的常規(guī)檢測信息，忽略成本支出。

3.2 新設備部件信息收集

新設備主要指與廢舊設備正常功能相同和類似的設備。主要收集相應的購買（售賣）價格等。此外，收集信息包括使用說明書、使用年限等，這些信息可用于廢舊設備部件的價值評估和性能了解。

3.3 再制造成本分解與量化

設備部件再制造成本分解與量化指標如表1所示。

表1 設備部件再制造成本分解與量化指標

依據(jù)再制造環(huán)節(jié)的成本評估與分解，建立相應的量化體系。各分解項進行量化時，很難準確評估相應的成本，因此引入“調(diào)控因子”用于體現(xiàn)評估的確定性分級。該調(diào)控因子分為6 檔，可描述為十分確定、比較確定、基本確定、一般確定、大致確定、部分確定，對應的數(shù)值為 1.00、1.02、1.05、1.10、1.20、1.40，取值依據(jù)在于隨著調(diào)控對象不確定性的增加而增加，評估的成本范圍也存在更大不確定性，為使評估結(jié)果更為保守可信，本方法對這種不確定性賦予更高的預估成本。不確定性程度的量化指標最低檔為1.40，表示“部分確定”帶來的成本支出是“十分確定”情況下的1.4 倍，如果不確定性程度再升高，那么就無法繼續(xù)客觀地進行再制造性評估。其他成本計算方法與技術性成本、能耗性成本、環(huán)境性成本計算方法相同。

各環(huán)節(jié)的預估成本和調(diào)節(jié)因子決定再制造性評估的合理性，因此在量化各環(huán)節(jié)指標時，需要對設備功能、組成、維修及市場情況等信息有所了解的專業(yè)人員共同參與確定。

3.4 再制造性評估

依據(jù)量化的成本和調(diào)節(jié)因子，再制造性量化評估指標IR的計算公式為：

式中，VX為再制造品對應的新品的市場價格。

有參考價值的IR為0.50～1.00。再制造性成本越低，IR就越接近1.00；再制造性成本越高，IR就越遠離1.00。當再制造費用超過新機價格的50%，即再制造性評價指數(shù)低于0.50 時，應考慮對廢舊設備進行報廢[12]。根據(jù)計算所得IR范圍，可以按照表2所示的分級表得出再制造性評價結(jié)論。此外，為更準確地描述評價結(jié)果，引入“偏向性”概念，對再制造性結(jié)論進行補充細化，將0.50～1.00 的再制造性指數(shù)分為16 個等級。

表2 再制造性結(jié)論分級表

依據(jù)得到的各項成本計算結(jié)果，可以估算出實施再制造大致需要的成本支出，并且可以分析關鍵的成本支出環(huán)節(jié)。如果能對其進行優(yōu)化或找到更經(jīng)濟的替代方案，那么就可能改變該廢舊設備的可制造性評估結(jié)論。

4 應用案例

4.1 鉆桿再制造性評估

鉆桿是鉆柱的基本組成單元，位于鉆柱的中部、方鉆桿之下、加重鉆桿或鉆鋌之上，其主要功能是傳遞扭矩、輸送鉆井液。在鉆井施工過程中，鉆桿要承受巨大的壓力和扭矩，各組成單元處于不同的地質(zhì)環(huán)境。隨著作業(yè)時間變長，鉆桿會顯現(xiàn)出腐蝕、裂紋、孔洞、麻坑、拉槽、切痕等缺陷[13]。鉆井施工對鉆桿的質(zhì)量要求十分嚴格，凡是存在缺陷的鉆桿都要停止使用，因此導致大量的鉆桿閑置，造成資源浪費。為避免這種浪費，應當選擇缺陷可接受的鉆桿進行再制造。

4.1.1 廢舊鉆桿信息收集 收集3 根廢舊鉆桿的信息，結(jié)果如表3 所示。

表3 廢舊鉆桿信息

4.1.2 新鉆桿成本收集 新鉆桿與表3 中鉆桿的型號相同，某廠商當前銷售價格為8 000 元/根。經(jīng)專業(yè)判斷，3 根鉆桿在技術層面均具備再制造性。

4.1.3 再制造成本評估 廢舊鉆桿再制造性成本及調(diào)控因子如表4 所示。其中，VA6需要根據(jù)常規(guī)檢測和專業(yè)檢測的結(jié)果來確定。例如，鉆桿1 的再制造評估價格為2 000 元；鉆桿2 的再制造評估價格為500 元；鉆桿3 的再制造評估價格為900 元。由于檢測和再制造過程涉及意外損耗等情況，因此將調(diào)控因子設置為“一般確定”，相應的調(diào)節(jié)因子為1.10。計算得 3 根鉆桿相應的再制造成本為：VT1=2 590 元；VT2=940 元；VT3=1 380 元。

表4 廢舊鉆桿再制造性成本及調(diào)控因子

4.1.4 再制造性指標及評價 依據(jù)式（1）可得3根鉆桿的再制造性指數(shù)為：鉆桿1 再制造性指數(shù)IR1=0.68，再制造性較差偏可行；鉆桿2 再制造性指數(shù)IR2=0.88，再制造性較好偏好；鉆桿3 再制造性指數(shù)IR2=0.83，再制造性較好偏可行。假設新鉆桿當前市場購買（銷售）價格為P，其再制造成本C可以通過C=P(1-IR)進行計算。

4.2 鉆機F?1600 鉆井泵曲軸再制造性研究

鉆井泵是一種往返泵，在鉆井作業(yè)中用來輸送泥漿或水等流質(zhì)。由于鉆井泵長期受大載荷扭矩、泥漿液高壓沖蝕腐蝕、硬質(zhì)顆粒磨損作用，因此鉆井泵的主要零部件如液缸、活塞缸套及曲軸等容易發(fā)生故障[14]。

曲軸是泥漿泵的關鍵零件，其結(jié)構復雜，制造難度大，且其制造質(zhì)量直接影響大功率往復泵的整體使用壽命和工作性能[15]。作為泥漿泵關鍵部件，其價值成本約為泵設備的15%。曲軸失效原因多為磨損、漏失、腐蝕等。這些類型的功能失效，通過優(yōu)化表面處理工藝進行再制造，可以有效延長泥漿泵的工作壽命，并且可以顯著減少因更換新曲軸而帶來的成本。

4.2.1 廢舊曲軸信息收集 某鉆井泵舊曲軸信息如表5 所示。從表5 可以初步判斷，該舊曲軸主要為磨損失效和表面刮損。

表5 某鉆井泵舊曲軸信息

4.2.2 新設備零部件成本收集 據(jù)市場調(diào)查，F(xiàn)?1600 鉆井泵某廠商售價為90 萬元，其中曲軸新件的售價為12 萬元左右。

4.2.3 再制造成本評估 依據(jù)設備部件再制造成本分解與量化指標，評估曲軸再制造成本，結(jié)果如表6 所示。首先根據(jù)A1其專業(yè)檢測結(jié)果，判斷是否有部件的內(nèi)部損傷，如果有內(nèi)部損傷，且可以進行再制造修復，就將該損傷的修復成本折合到再制造成本A6中。如果內(nèi)部損傷不可修復，則做報廢處理，無需再進行再制造性評估。假設A1檢測步驟沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部損傷，那么再制造性評價繼續(xù)。在再制造步驟A6中涉及到一些技術不確定性，因此其確定性定級為一般性確定，其成本調(diào)控因子設為1.10。用水量、用電量確定性調(diào)控因子分別為1.20、1.10。通過以上各項指標的成本評估，該空心曲軸的再制造成本VT1=2.615萬元。

表6 曲軸再制造成本

4.2.4 再制造性指標及評價 依據(jù)式（1）可得再制造性指數(shù)IR2=0.78，再制造性可行偏較好。

5 結(jié) 論

根據(jù)石油鉆采設備零部件的再制造流程分析和對各環(huán)節(jié)的成本評估，提出一種針對石油鉆采設備零部件再制造性量化評估方法。主要考慮了技術性成本、能耗性成本、環(huán)境性成本三大類因素對再制造性的影響。此外，為了考慮其他可能出現(xiàn)的、未涵蓋的成本支出，在模型中還設置了可擴展成本類型，考慮影響因素更全面，從而使評估結(jié)果更客觀。以廢舊石油鉆桿的再制造性和鉆井泵曲軸的再制造性評估作為示范進行應用測試,評估測試結(jié)果表明，所提方法可較好地反映設備零部件的再制造性。該方法對現(xiàn)有的再制造性評價體系形成有益補充，對石油鉆采設備關鍵零部件的再制造性判定有一定的指導意義。同時，該方法也具有一定的通用性，依據(jù)設備零部件的不同應用場景，對成本分解和調(diào)控因子進行修改后，可用于其他工業(yè)設備零部件的再制造性評價。