2011 年度下水道研究発表会Ⅱ-5-4-10

故障シミュレーションによる点検計画の評価
中日本建設コンサルタント株式会社 ○山内 俊明 中根 進
１．はじめに下水道用プラント機器の信頼性解析を行うことにより、機器の故障特性（初期故障型、偶発故障型、摩耗故障型）が明らかになる。機器の故障特性はワイブル分布のパラメータ（ｍ,η）で表現できる。一般的に機器の故障特性を把握することにより、点検保全方法（予防保全、事後保全）が選択できる。
筆者らの調査１）の範囲では、下水道機器の故障特性は、初期故障型（ｍ＜１）か偶発故障型（ｍ＝１）
を示し、予防的な時間計画保全を行っても予防保全の効果が期待できない２）としている。このような初期故障型、偶発故障型を示す機器に対し、ワイブルの累積故障分布を用い機器の故障間隔を擬似的に発生させる故障シミュレーションを使って、時間計画保全と言われる定期点検計画について保全コストで評価する。
２．シミュレーション手法
２.１ 定期点検計画
機器の定期点検は、聞き取り調査の結果、１ヶ月の中で設定した日時で行うのではなく、随時設定した回数を行うとのことであった。そこで、月にｍ回定期点検を行う場合には、１ヶ月毎に０～１までの値をとる一様乱数を m 個生成し、月の点検日を設定する。この乱数を 12 ヶ月分発生させ年間点検計画とする。
２.２ 年間保全コストの推定

シミュレー
ション上の１回当たり定期点検費用と定期点検以外の偶発的な故障

Ｃm：定期点検費用
Ｃf：緊急保全費用

Ｃm

サイクル１による緊急保全費用を以下のように設定する。

故障間隔Ｔf

図－１に示すように定期点検間隔Ｔm より機器の故障間隔

Ｃf

サイクル２
Ｔf

Ｔf が大きい時は、偶発的な故障を未然に防止できることもＣf

サイクル３ある（適切に保全された）と仮定して、１回当たりの定期点

Ｔf

検費用Ｃm を計上する。
故障間隔ＴfＴf

定期点検間隔Ｔm より機器の故障間隔Ｔf が小さければ、定期点検ではその機器の故障を見つけることができないも４月のとして、機器別に故障１回当たり緊急保全費用Ｃf を計上

点検日＞

５月

点検間隔Ｔmする。
点検間隔ＴmＣfサイクル５故障間隔Ｔf……
…

Ｔf
Ｔf
３月

点検間隔Ｔm
点検日≦点検日

点検間隔ＴmＣm

サイクル４

図－１ 機器の故障と点検費用の発生の関係

定期点検費用と故障による緊急保全費用を１年間、積み上げて年間保全コストとする。
２.３ 故障間隔の生起

故障日

故障間隔Ｔf ……

機器毎に信頼性解析を行い、ワイブル分布のパラメータｍ、050100

ηを推定する。

150200250300

350

図－２ 故障間隔Ｔf の生起機器毎に０～１までの値をとる一様乱数ｒを生成し、この乱数値 r をワイブル分布（累積確率Ｆ(ｔ)）の逆関数に代入し、故障間隔Ｔf を生成し、図－２のように並べておく。
なお、定期点検時において各機器をすべて分解し、必要に応じて部品の交換まで行なうような整備を想定
1

表－１ 点検費用

する場合は、シミュレーションの考え方として、分解整備直後に故障間隔を生起させる。今回のシミュレーションは、分解整備を想定せず、各機器に対して予め故障間隔Ｔf を生起させておくものとする。
２.４ 年間保全コストの設定（１）点検コスト
平成 20 年度版公共下水道統計により該当する処理場

表－２ 主機数と聞き取り調査による点検回数の「人件費」と「運転管理費」を調査し、これらを加算
主機の数設備名した費用を年間の点検費用とし表－１に示す。
シミュレーションする処理場の定期点検回数は、聞き取り調査により、以下の回答を得た。
・日常点検回数：週５回（五感）／全機器

単位：千円/年
人件費
12,651
運転管理委託費 104,189
計
116,840
点検費用

沈砂池ポンプ･水処理
汚泥処理
計

月当たり点検回数
定期点検
日常点検
5回/(全機･週)
月１回/機器×４週/月

367367505020437 回/月・定期点検回数：機器１基につき１回年間の総点検回数を表－２のように算出し、点検 1 回当たりの点検費用を算出する。
116,840 千円/年÷437 回/月×12 ヶ月/年＝22.3 千円/回
この点検費用を１としてシミュレーションした年間の定期点検回数を乗じて定期点検コストとする。
（２）緊急保全コスト表－３ 実績オーバホール費用２）

文献３）に表－３に示す主ポンプ、送風機、反応タンク（機械曝気装置）のオーバホール費用の調査値が記載されている。このオーバホール費用には、機器の仕様(諸元)は不明であるが、調査台数が明らかになっているので、機器 1 台当たりの平均オーバホール費用を算出する。
これら機器の平均オーバホール費用と今回シミュレーション

機器名

１台当たりオバーホール費用(千円)機種

主ポンプ 立軸渦巻斜流
立軸斜流
水中汚水ポンプ
送風機 ターボブロワ
ロータリブロワ
反応タンク 機械式曝気装置

7,870
11,1202,430
10,1751,578
2,261

する同種機器費の比を算出し、機器費に対するオーバホール費用の比の費用関数を算出した。機器別の緊急費用は、この費用関数による機器のオーバホール費用と仮定する。
機器によって定期点検費用より緊急保全費用が安価にならないように、緊急保全費用には定期点検費用を可算するものとする。すべての機器に対して１年間の緊急保全費用を集計したものを緊急保全コストとする。
緊急保全コストと定期点検コストを加算し、年間保全コストとする。
表－４ シミュレーションデータ

３．解析結果３.１ シミュレーションデータ
ある処理場を例にとり主ポンプおよび水処理設備の主機を用いて、全 20 基の機器で年間保全計画を検討する。
今回シミュレーションする機器と信頼性解析
によって得られたワイブル分布のパラメータｍ、ηを表－４に示す。予備機は常時運転していない

機器名

機器仕様

主ポンプ
150φ
主ポンプ
150φ
ブロワ
350×300φ×125kw
初沈掻寄機
初沈汚泥引抜ポンプ 100φ
散気板セット
12枚組×15組/池
終沈掻寄機
返送汚泥ポンプ
200φ
余剰汚泥ポンプ
計

ので、故障がないため、表－４の機器には予備機を除外する。
３.２ 年間点検計画
評価する年間点検計画を表－５に示す。現状行われている月１回の定期点検による保全を点検計画２とし、故障回数を減少させること

機器数
11232333220パラメータｍη×100hr
2.797
89.12.797
89.1
1.000
350.5
0.722
409.30.900
1209.91.000876.5
1.006
480.1
0.829
792.8
0.900
1209.9表－５ 年間点検計画
点検計画１
点検計画２
点検計画３

定期点検回数
月２回
月１回
月0.5回

備考
現状を目的に点検頻度を月２回とする計画を点検計画１とする。また、保全コストの低減を目的に点検頻度を半減（月 0.5 回）する計画を点検計画３とする。
2

機器の故障を生起させるための試行回数は、年間保全コスト分布を作成するのに必要な回数を想定して 500 回とした。シミュレーショ

年間保全コスト

３.３ シミュレーション試行状態

1500
1000
50001

ン実行中の試行回数に対する年間保全コストの変動を図－３～５に示す。

51

101 151 201 251 301 351
試行回数(故障パターン)

401451

シミュレーション回数(500 回)による年間保全コストの変動から平均値を算出して年間保全コストとする。またシミュレーシ
ョン回数(500 回)の中で緊急保全の必要と年間保全コスト

図－３ 点検計画１(点検頻度：月２回)の年間保全コスト
1500
1000
5000なった回数の平均値を算出し、表－６に示1す。
あり、この計画での年間保全コストが最も安価な結果となった。点検回数を月 0.5 回に半減する(点検計画３)と定期点検費用は半減す
るものの緊急保全コストが増加し、年間保全101

151 201 251 301 351
試行回数(故障パターン)

401451

図－４ 点検計画２(点検頻度：月１回)の年間保全コスト
年間保全コスト

現状行われている点検は、点検計画２で

51

1500
1000
5000151101

151 201 251 301 351
試行回数(故障パターン)

コストは、現状の点検計画２よりわずかでは401451あるが大きくなった。点検計画１では点検間

図－５ 点検計画３(点検頻度：月 0.5 回)の年間保全コスト
表－６ シミュレーション結果
隔を多くすることにより緊急保全の回数は、点検計画２より２／３程度に減少したが、定期点検費用が２倍とな

年間予定点検回数り、年間保全コストは、最も高価となった。

年間緊急保全回数

４．まとめと課題
故障シミュレーションにより年間の定期点検回数を

61.23

240120114241①＋②年間保全コスト

556354361－
年間保全コスト

600

に対して年間保全コストで評価することができた。

400

故障シミュレーションの際、機器の緊急保全費用を費用関数から推定したが、故障の内容により緊急保全費用は大きく異なることが予想される。この年間保全コストを含む故障シ(定期点検＋緊急保全)コスト

300
定期点検コスト

200
100

ミュレーション手法が、実際の処理場での年間保全コスト分布の中に納まるかの確認が必要となる。
【参考文献】
進0061218
年間点検回数

点検計画３ 点検計画２0.5 回/月
１ 回/月

24
点検計画１
２ 回/月

図－６ 点検計画と年間保全コストのシミュレーション結果

2006.4 月号

p163 北川賢司著

120.5476500２）信頼性工学入門

240.37480の故障をシミュレーションすることにより複数の点検計画

下水道協会誌論文集

点検計画3②緊急保全コストが再現できた。定期点検費用と緊急保全費用を設定し、機器

中根

点検計画2

①定期点検コスト多くすれば故障回数が減少し、減らせば、増加すること

１）下水処理場プラント機器の信頼性解析事例

点検計画1

コロナ社

３）ﾄﾗｲﾎﾟﾛｼﾞｰを活用した設備診断に関する技術マニュアル(潤滑診断による状態監視保全) 2009 年 12 月(財)下水道新技術推進機構【問合わせ先】中日本建設コンサルタント株式会社

水工技術本部

s_nakane@nakanihon.co.jp
3

中根進 TEL052-232-6055

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