一种石油钻采设备关键零部件再制造性的成本评估方法

张 斌，张志伟，孙 娟，张文英

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡721002）

再制造是指对再制造毛坯进行专业化修复或升级改造，使其质量特性不低于原型新品水平的过程[1]。机电设备再制造，作为绿色制造的重要组成部分，以先进技术和产业化生产为手段，修复和改进废旧机电设备及关键部件，使之恢复原有使用性能甚至获得新的性能，以达到延长设备使用寿命为目的[2]。由于是以废旧设备为基础，因此在实施再制造之前，需要对其再制造可行性，即可再制造性进行评估，对于值得修复和改进的设备实施再制造。石油钻机是机械、电气、液压、气动设备聚集的综合性复杂装备，石油机械再制造被列为我国2009年首批再制造试点行业之一，开展石油钻采设备关键零部件的再制造对于相关设备的降本增效具有重要价值。其中，再制造性评估是能否实施再制造的前提条件。现有的再制造性评估方法有层次分析法[3]、熵权法[4]、模糊集评价法[5⁃6]、人工神经网络评价方法[7⁃8]等。这些方法的提出和应用对再制造行业的发展具有十分重要的指导作用，但也存在一些局限性，具体包括：（1）部分评价指标为定性指标，比如对于废旧产品的废旧程度，很难进行量化，导致相应输入量为离散值，但评估结果通常为0～1 的连续值，势必会造成一定的误差。（2）权值的确定没有明确标准。熵权法和层次分析法通常要对不同的评估输入进行归一化和加权处理，不同成本维度也需要进行权值分配，权值分配通常具有一定的主观性，这会影响最终的量化指标。（3）对于不同用途的设备及部件，其再制造性判决依据也存在差异，因此理论上不存在严格统一的再制造性评估模型。（4）所得到的再制造性评价指数通常不直接体现再制造过程产生的成本，也不具备相对准确的换算关系。因此，在确定再制造性为可行的情况下，需要再去评估再制造的成本。

从再制造成本产生的不同维度出发，将有关再制造环节需要的投入直接评估为统一的经济成本，进而提出一种再制造性成本量化评估方法。所提方法可避免离散量的输入和经验性权值设定，计算模型的输入具有较好的可扩展性。此外，再制造性指数计算方便快捷，且再制造性指数与再制造成本之间存在准确的对应关系。所提方法对传统的再制造性评估方法是一种有益的补充。

1 石油钻采设备关键零部件再制造流程

结合机械产品再制造通用技术要求（GB/T 28618—2012）及文献[9]，石油钻采设备关键零部件再制造流程如图1 所示。

图1 石油钻采设备关键零部件再制造流程

相应流程的说明具体为：

（1）废旧设备。主要指功能失效的设备，其中功能失效包括磨损失效、疲劳失效、变形失效等[10]。

（2）再制造性评价。主要是对废旧设备的关键部件功能失效进行预估，按照再制造流程的关键环节对其再制造性进行量化评估，以确定再制造的必要性和经济性。

（3）设备回收。对于再制造性尚可的设备（再制造技术可行，且成本可接受），确定实施再制造，否则按照报废处理。

（4）易修复性。按照再制造的难度对回收设备进行常规处置和专业处置。

（5）常规处置。主要是清理锈蚀、优化润滑、更换损坏部件等简单的修复。设备的功能恢复正常后，形成再制造设备成品。

（6）专业处置。对通过常规处置不能恢复功能的设备，需要进一步拆解、清洗及检测，进而确定哪些是可直接利用件，哪些是可再制造件，哪些是弃用件。对于有损伤的部件，需要进行归类，分拣出正常或可以修复的部件，对于不能修复的部件进行报废。

（7）部件修复。对有缺陷和损伤的部件进行专业修复和性能提升，如部件矫形及增加纳米涂层以增强零部件的耐腐蚀性等[11]。

（8）部件组装。在所有部件功能恢复后，组装形成再制造产品。

从时序的角度看，再制造性评价处于再制造流程的前端，再制造性的判断结果直接影响废旧设备的选用，因此再制造性评价步骤十分重要。然而，再制造性评价模型中的技术性、经济性、资源性及环境性因素全部位于后续再制造的实施环节，因此不论何种再制造性评估方法，其评价结果均存在不确定性。同样，提出的评估方法的准确性也将受到这些因素影响。要提高评估结果准确性，一方面要对再制造环节进行细化，另一方面要对再制造产生的成本进行客观预估。

2 再制造环节成本评估与分解

2.1 技术性成本

主要指再制造过程涉及到的技术工序所产生的直接成本，包括检测、拆解、运输、安装、清洗、再制造、制造周期等。对于复杂的重要大型设备或故障原因不明的废旧设备，要邀请设备生产厂商的专业人员检测判断，或组织机械设备专家团队进行检测。拆解、清洗、安装、运输等过程需要专业技术人员借助专门的设备来实施。再制造过程是技术成本、人力成本、时间成本的集中体现环节。

2.2 能耗性成本

主要指再制造过程涉及到的能源使用和材料消耗产生的支出，包括用水、用电、燃料、材料四个方面：在清洗过程、测试过程的用水支出；在再制造及测试过程中的动力用电费用；运输及锻造过程的燃料使用费用；再制造过程中可能用到的专用耗材费用。

2.3 环境性成本

主要指再制造过程中产生的环境污染控制成本，包括废气、废液、废固、粉尘、噪音等处理支出，包括防止油料燃烧、金属焊接等对空气污染的处理成本；处理设备、部件清洗、再制造中产生的污水的处理成本；处理设备、部件再制造中产生的固体垃圾处理成本；部件再制造中产生的粉尘污染处理成本；噪音抑制设备、部件再制造中产生的噪声污染处理成本。

2.4 其他成本

由于石油钻机平台设备种类较多，除上述成本之外，有的设备部件再制造还可能存在特殊的成本性支出。由于这种成本通常是针对小众和特定产品，因此将其列为其他成本，如超越原设备功能设计的功能扩展、软件升级等费用。

3 评估方法实施流程

依据机械装备再制造流程和其再制造过程中的成本分解，建立一种石油钻采设备零部件再制造性成本量化评估方法。成本量化评估方法的主要时序步骤如图2 所示。

图2 成本量化评估方法的主要时序步骤

3.1 废旧设备部件信息收集

废旧设备信息主要包括历史信息和当前状况信息。历史信息包括设备名称、功能及使用说明书、配件组成及配件价格、拆解及安装说明、使用年限、购买（售卖）价格、维护（维修）日志等，历史信息可为再制造的技术可行性初步判断提供依据。当前状况信息包括设备功能折损情况、主要配件（部位）磨损和失效的情况等信息，这些信息作为设备的常规检测信息，忽略成本支出。

3.2 新设备部件信息收集

新设备主要指与废旧设备正常功能相同和类似的设备。主要收集相应的购买（售卖）价格等。此外，收集信息包括使用说明书、使用年限等，这些信息可用于废旧设备部件的价值评估和性能了解。

3.3 再制造成本分解与量化

设备部件再制造成本分解与量化指标如表1所示。

表1 设备部件再制造成本分解与量化指标

依据再制造环节的成本评估与分解，建立相应的量化体系。各分解项进行量化时，很难准确评估相应的成本，因此引入“调控因子”用于体现评估的确定性分级。该调控因子分为6 档，可描述为十分确定、比较确定、基本确定、一般确定、大致确定、部分确定，对应的数值为 1.00、1.02、1.05、1.10、1.20、1.40，取值依据在于随着调控对象不确定性的增加而增加，评估的成本范围也存在更大不确定性，为使评估结果更为保守可信，本方法对这种不确定性赋予更高的预估成本。不确定性程度的量化指标最低档为1.40，表示“部分确定”带来的成本支出是“十分确定”情况下的1.4 倍，如果不确定性程度再升高，那么就无法继续客观地进行再制造性评估。其他成本计算方法与技术性成本、能耗性成本、环境性成本计算方法相同。

各环节的预估成本和调节因子决定再制造性评估的合理性，因此在量化各环节指标时，需要对设备功能、组成、维修及市场情况等信息有所了解的专业人员共同参与确定。

3.4 再制造性评估

依据量化的成本和调节因子，再制造性量化评估指标IR的计算公式为：

式中，VX为再制造品对应的新品的市场价格。

有参考价值的IR为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就越远离1.00。当再制造费用超过新机价格的50%，即再制造性评价指数低于0.50 时，应考虑对废旧设备进行报废[12]。根据计算所得IR范围，可以按照表2所示的分级表得出再制造性评价结论。此外，为更准确地描述评价结果，引入“偏向性”概念，对再制造性结论进行补充细化，将0.50～1.00 的再制造性指数分为16 个等级。

表2 再制造性结论分级表

依据得到的各项成本计算结果，可以估算出实施再制造大致需要的成本支出，并且可以分析关键的成本支出环节。如果能对其进行优化或找到更经济的替代方案，那么就可能改变该废旧设备的可制造性评估结论。

4 应用案例

4.1 钻杆再制造性评估

钻杆是钻柱的基本组成单元，位于钻柱的中部、方钻杆之下、加重钻杆或钻铤之上，其主要功能是传递扭矩、输送钻井液。在钻井施工过程中，钻杆要承受巨大的压力和扭矩，各组成单元处于不同的地质环境。随着作业时间变长，钻杆会显现出腐蚀、裂纹、孔洞、麻坑、拉槽、切痕等缺陷[13]。钻井施工对钻杆的质量要求十分严格，凡是存在缺陷的钻杆都要停止使用，因此导致大量的钻杆闲置，造成资源浪费。为避免这种浪费，应当选择缺陷可接受的钻杆进行再制造。

4.1.1 废旧钻杆信息收集 收集3 根废旧钻杆的信息，结果如表3 所示。

表3 废旧钻杆信息

4.1.2 新钻杆成本收集 新钻杆与表3 中钻杆的型号相同，某厂商当前销售价格为8 000 元/根。经专业判断，3 根钻杆在技术层面均具备再制造性。

4.1.3 再制造成本评估 废旧钻杆再制造性成本及调控因子如表4 所示。其中，VA6需要根据常规检测和专业检测的结果来确定。例如，钻杆1 的再制造评估价格为2 000 元；钻杆2 的再制造评估价格为500 元；钻杆3 的再制造评估价格为900 元。由于检测和再制造过程涉及意外损耗等情况，因此将调控因子设置为“一般确定”，相应的调节因子为1.10。计算得 3 根钻杆相应的再制造成本为：VT1=2 590 元；VT2=940 元；VT3=1 380 元。

表4 废旧钻杆再制造性成本及调控因子

4.1.4 再制造性指标及评价 依据式（1）可得3根钻杆的再制造性指数为：钻杆1 再制造性指数IR1=0.68，再制造性较差偏可行；钻杆2 再制造性指数IR2=0.88，再制造性较好偏好；钻杆3 再制造性指数IR2=0.83，再制造性较好偏可行。假设新钻杆当前市场购买（销售）价格为P，其再制造成本C可以通过C=P(1-IR)进行计算。

4.2 钻机F⁃1600 钻井泵曲轴再制造性研究

钻井泵是一种往返泵，在钻井作业中用来输送泥浆或水等流质。由于钻井泵长期受大载荷扭矩、泥浆液高压冲蚀腐蚀、硬质颗粒磨损作用，因此钻井泵的主要零部件如液缸、活塞缸套及曲轴等容易发生故障[14]。

曲轴是泥浆泵的关键零件，其结构复杂，制造难度大，且其制造质量直接影响大功率往复泵的整体使用寿命和工作性能[15]。作为泥浆泵关键部件，其价值成本约为泵设备的15%。曲轴失效原因多为磨损、漏失、腐蚀等。这些类型的功能失效，通过优化表面处理工艺进行再制造，可以有效延长泥浆泵的工作寿命，并且可以显著减少因更换新曲轴而带来的成本。

4.2.1 废旧曲轴信息收集 某钻井泵旧曲轴信息如表5 所示。从表5 可以初步判断，该旧曲轴主要为磨损失效和表面刮损。

表5 某钻井泵旧曲轴信息

4.2.2 新设备零部件成本收集 据市场调查，F⁃1600 钻井泵某厂商售价为90 万元，其中曲轴新件的售价为12 万元左右。

4.2.3 再制造成本评估 依据设备部件再制造成本分解与量化指标，评估曲轴再制造成本，结果如表6 所示。首先根据A1其专业检测结果，判断是否有部件的内部损伤，如果有内部损伤，且可以进行再制造修复，就将该损伤的修复成本折合到再制造成本A6中。如果内部损伤不可修复，则做报废处理，无需再进行再制造性评估。假设A1检测步骤没有发现内部损伤，那么再制造性评价继续。在再制造步骤A6中涉及到一些技术不确定性，因此其确定性定级为一般性确定，其成本调控因子设为1.10。用水量、用电量确定性调控因子分别为1.20、1.10。通过以上各项指标的成本评估，该空心曲轴的再制造成本VT1=2.615万元。

表6 曲轴再制造成本

4.2.4 再制造性指标及评价 依据式（1）可得再制造性指数IR2=0.78，再制造性可行偏较好。

5 结 论

根据石油钻采设备零部件的再制造流程分析和对各环节的成本评估，提出一种针对石油钻采设备零部件再制造性量化评估方法。主要考虑了技术性成本、能耗性成本、环境性成本三大类因素对再制造性的影响。此外，为了考虑其他可能出现的、未涵盖的成本支出，在模型中还设置了可扩展成本类型，考虑影响因素更全面，从而使评估结果更客观。以废旧石油钻杆的再制造性和钻井泵曲轴的再制造性评估作为示范进行应用测试,评估测试结果表明，所提方法可较好地反映设备零部件的再制造性。该方法对现有的再制造性评价体系形成有益补充，对石油钻采设备关键零部件的再制造性判定有一定的指导意义。同时，该方法也具有一定的通用性，依据设备零部件的不同应用场景，对成本分解和调控因子进行修改后，可用于其他工业设备零部件的再制造性评价。