Цифровая трансформация в настоящее время реализуется фактически во всех отраслях промышленности, а в нефтегазовой отрасли является приоритетной. Текущий тренд развития автоматизации и обмена данными, отражающий основные элементы четвертой промышленной революции (Индустрии 4.0), представляет собой концептуально новый уровень организации производства и его управления. Одним из ключевых инструментов такой революции являются системы автоматизированного проектирования, которые позволяют принципиально изменять технологию проектирования и производства, используя недоступные прежде возможности для повышения качества продукции и услуг, снижения производственных затрат.

Концепция Индустрии 4.0 предусматривает массовое внедрение в производство киберфизических систем, основанных на интеграции информационно-вычислительных ресурсов в физические процессы — так называемых «цифровых двойников». В настоящее время цифровые двойники получают широкое распространение в нефтегазовой промышленности, позволяя управлять объектом на протяжении всего жизненного цикла — от концептуального проекта до вывода из эксплуатации.

Основным элементом цифрового двойника нефтегазового объекта является геометрическая 3D-модель, совмещенная с базой данных, содержащей механические, технологические и операционные параметры объекта. Для создания таких моделей на сегодняшний день имеется большое разнообразие программных продуктов — инструментов САПР.

Появление САПР значительно изменило проектную деятельность инженера. Поэтому образовательные программы технических вузов предусматривают обучение студентов навыкам работы в таких системах, позволяющих создавать электронные версии конструкторских и технологических документов. Мы поставили задачу внедрения в учебный процесс технологии создания цифрового двойника нефтегазового объекта в рамках курсового проектирования с использованием современных САПР российского производства.

Курсовое проектирование — важный этап учебного процесса, демонстрирующий уровень самостоятельности и инженерной подготовки будущего специалиста в рамках выполнения индивидуальной научной работы по профильной дисциплине. Как правило, курсовой проект является первым прикладным опытом студента в качестве инженера, принимающего самостоятельные технические решения. Акцент в работе традиционно делается на технологическую часть проектируемого объекта, включая выполнение расчетов технологических режимов трубопроводов, подготовку общих технологических схем. Существенно меньшее внимание при курсовом проектировании уделяется компоновке и проработке трубных обвязок и, как следствие, созданию 3D-моделей, изометрических чертежей и спецификаций, расчетам на прочность. Так, бакалавр факультета проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта Российского государственного университета (РГУ) нефти и газа имени И.М. Губкина за период обучения выполняет шесть курсовых работ и пять курсовых проектов, из которых только четыре предусматривают графическую часть, представляющую собой комплект 2D-чертежей. В то же время, как было отмечено выше, сегодняшние требования к выпускникам нефтегазовых вузов — начинающим инженерам — предполагают наличие у них навыков работы в современных программных комплексах автоматизированного проектирования, в том числе — в создании цифровых 3D-моделей с учетом исходных данных объекта на различных этапах жизненного цикла (проектирование, строительно-монтажные работы, эксплуатация), а также в выполнении расчетного обоснования прочности трубопроводов и сосудов под давлением.

С целью обеспечения возможности использования современных САПР в учебном процессе (в том числе при курсовом проектировании) на кафедре нефтепродуктообеспечения и газоснабжения РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина был оборудован лабораторный класс и установлено специализированное программное обеспечение для автоматизированного проектирования объектов нефтегазового комплекса. Группой компаний «СиСофт» (CSoft) были предоставлены учебные лицензии программ Model Studio CS Трубопроводы и CADLib Модель и Архив, применяемые для создания геометрических моделей. Компания «П2Т Инжиниринг» предоставила лицензии университетской версии ПК CPIPE, который используется для расчета на прочность трубопроводов.

Внедрение современных САПР в учебный процесс РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина рассмотрим на примере выполнения курсовой работы по дисциплине «Хранилища нефти и нефтепродуктов», задачей которой являлось проектирование нефтебазы для хранения нефтепродуктов в соответствии с нормативными требованиями. Первый этап — выполнение технологических расчетов, в том числе — расчет вместимости нефтебазы с последующим выбором резервуаров, расчет железнодорожной эстакады, расчет характеристик, определяющих выбор насосного оборудования, гидравлический расчет. Графическая часть предусматривала разработку генерального плана и технологической схемы нефтебазы (рис. 1). В рамках внедрения САПР курсовая работа была расширена за счет дополнительной части, включающей 3D-модель нефтебазы со всеми технологическими объектами и их трубной обвязкой, базу данных объекта и результаты анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) трубной обвязки.

Рис. 1. Графическая часть курсовой работы: а) генеральный план, совмещенный со схемой объектов нефтебазы; b) технологическая схема нефтебазы

Выполнение курсовой работы предполагает получение студентом опыта разработки отдельных документов в соответствии с «Положением о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию». Содержание традиционной расчетно-графической части коррелируется с его разделами № 2 («Схема планировочной организации земельного участка») и № 5 («Сведения об инженерном оборудовании, о сетях инженерно-технического обеспечения, перечень инженерно-технических мероприятий, содержание технологических решений»). Дополнительная часть курсовой работы, предусматривающая создание цифрового двойника нефтебазы, расширяет перечень подготавливаемых документов за счет указанных в разделах № 3 («Архитектурные решения») и № 4 («Конструктивные и объемно-планировочные решения»), а кроме того, предоставляет студенту опыт подготовки 3D-моделей, чертежей и спецификаций, предусмотренных рабочей документацией.

Рис. 2. Глобальная база данных Model Studio CS Трубопроводы

Неотъемлемой составляющей 3D-моделирования является проверка проектируемых конструкций на соответствие критериям прочности, определяемым требованиями нормативных документов. Дополнительной частью курсовой работы предусмотрен расчет НДС технологических трубопроводов нефтебазы при различных сочетаниях нагрузок в условиях эксплуатационных режимов, а также корректировка при необходимости геометрии трубной обвязки для обеспечения нормативных значений напряжений и нагрузок на патрубки оборудования и резервуаров с учетом допустимых показателей, установленных заводами-изготовителями.

Последовательно рассмотрим этапы создания цифрового двойника нефтебазы в рамках курсового проектирования с использованием современных САПР российского производства.

Создание 3D-модели нефтебазы в Model Studio CS

Локальная база данных геометрических объектов

Для разработки 3D-моделей объектов в рамках курсового проектирования на основе глобальной базы данных оборудования Model Studio CS (рис. 2) была создана локальная база данных типовых геометрических 3D-объектов для нефтебазы. Применяемая для курсовой работы база данных содержит различные типы объектов (насосов, резервуаров, железнодорожных эстакад и т.д.) При выполнении курсовой работы было необходимо дополнить локальную базу данных сортаментом трубных элементов, необходимых для трассировки трубопровода.

Координатная сетка

Подготовительным этапом для создания 3D-модели нефтебазы является построение координатной сетки — основы технологической площадки. Внутри основной координатной сетки технологической площадки создаются локальные координатные сетки для объектов нефтебазы. Пример основной и локальной координатных сеток приведен на рис. 3.

Рис. 3. Основная (0А — 0А+12/0Б — 0Б+12) и локальная (1−5/А-Д) координатные сетки для создания 3D-модели нефтебазы

Рис. 4. Построение цифровой модели рельефа: а) топографический план до триангуляции; b) топографический план после триангуляции; с) цифровая модель рельефа с отметками высоты поверхностей

Рис. 5. Моделирование основных объектов нефтебазы: а) создание контуров сооружений объектов нефтебазы; b) 3D-модель нефтебазы

Цифровая модель рельефа

В программном комплексе Model Studio CS Трубопроводы можно создавать цифровую 3D-модель рельефа (ЦМР) технологической площадки нефтебазы (рис. 4). Топографический план местности, на которой должна быть размещена технологическая площадка нефтебазы, в формате PDF выдается студенту как исходные данные для каждого варианта курсовой работы. На основе топографического плана производится их триангуляция (рис. 4b) и уточняются высоты созданных поверхностей. Учет рельефа местности позволяет на стадии проектирования разрабатывать оптимальные технические решения по расположению объектов нефтебазы, а также производить расчет объемов земляных работ.

Создание основных объектов инфраструктуры

ЦМР в совокупности с проектными координатными сетками используется для моделирования основных объектов нефтебазы (рис. 5). Создаются контуры сооружений и импортируются объекты из локальной базы данных. После размещения моделей всех основных объектов выполняется их обвязка технологическими трубопроводами.

Рис. 6. Трубная обвязка основных объектов нефтебазы: а) обвязка резервуара; b) обвязка насосной станции; c) обвязка железнодорожной эстакады; d) обвязка станции налива

Проектирование трубной обвязки

Трубная обвязка должна соответствовать технологической схеме, учитывать расположение на генплане соединяемых сооружений, исключать коллизии с другими объектами инфраструктуры, обеспечивать доступ к оборудованию, не перекрывать проезды на технологической площадке. Кроме того, трубопроводы обвязки должны соответствовать критериям прочности и допустимым нагрузкам на присоединяемые патрубки оборудования. Также необходимо учитывать требования по снижению металлоемкости.

При проектировании трубной обвязки резервуара (рис. 6а) геометрия трубопроводов определяется с учетом нагрузок, действующих на приемо-раздаточный патрубок при различных режимах эксплуатации резервуара с учетом его осадки. При проектировании обвязки насосной станции (рис. 6b) требуется компактно расположить трубопроводы и обеспечить корректную работу основных технологических линий: линии слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн (самотечный участок), нагнетательной линии налива нефтепродуктов в резервуары, всасывающей линии для внутрибазовой перекачки. Нагрузки на присоединяемые патрубки насосов должны быть учтены и находиться в допускаемом изготовителем диапазоне. При проектировании обвязки железнодорожных и автоналивных эстакад (рис. 6c, 6d) студент самостоятельно определяет геометрию трубной обвязки узлов системы слива и налива нефтепродуктов.

Проект нефтебазы в CADLib Модель и Архив

Для создания проекта нефтебазы применяется программный комплекс CADLib Модель и Архив. Это система для сопровождения жизненного цикла объектов капитального строительства и технологического оборудования, обеспечивающая управление процессом проектирования, проверку 3D-моделей, информационную поддержку при строительстве и эксплуатации. CADLib Модель и Архив объединяет во взаимосвязанном информационном пространстве трехмерную модель промышленного предприятия или объекта строительства, документацию, спецификацию, календарные планы, переписку по проекту, иную информацию. Помимо стандартного функционала визуализации объекта, прикрепления документов и построения календарного плана, этот программный комплекс может быть интегрирован с автоматизированными системами управления, системами технического обслуживания, ремонта, оповещения и т.д.

Организация проекта в CADLib Модель и Архив (рис. 7) является завершающим этапом курсового проекта. Создается дерево проекта, осуществляется публикация файлов формата DWG, после чего проект проверяется на отсутствие коллизий и на соответствие требованиям нормативных документов.

Рис. 7. Цифровая модель нефтебазы в CADLib Модель и Архив

Расчет на прочность технологических трубопроводов

Современные программные комплексы для расчетов трубопроводов на прочность основаны на методе конечных элементов и должны обеспечивать учет внутреннего давления, температурного перепада при нелинейном взаимодействии с грунтовым основанием (для подземных трубопроводов) и опорными конструкциями.

Применяемый при курсовом проектировании конечно-элементный программный комплекс CPIPE (рис. 8) предназначен для расчета прочности, устойчивости и анализа собственных частот надземных и подземных трубных обвязок и линейных трубопроводов с учетом их нелинейного взаимодействия с грунтом в траншее и/или опорами. В CPIPE реализованы автоматизированные проверки НДС трубопроводов в соответствии с основными нормативно-техническими документами по проектированию. Моделирование осуществляется со степенью детализации, позволяющей напрямую импортировать геометрическую модель из Model Studio CS для создания в CPIPE математической модели, максимально приближенной к реальной конструкции.

Рис. 8. Возможности программного комплекса CPIPE на примере курсовой работы по созданию проекта нефтебазы

Экспорт модели в CPIPE

Связь между программными комплексами Model Studio CS Трубопроводы и CPIPE обеспечивает возможность экспорта геометрической модели и подготовку математической модели для проведения расчетов на прочность. Процесс экспорта автоматизирован и занимает не более минуты (рис. 9). При этом практически вся атрибутивная информация, задаваемая при создании геометрической модели, переходит в расчетную модель в CPIPE. С этой целью выполняется предварительная настройка Спецификатора: свойства элементов геометрической модели (трубопроводы, поверхность грунта, типы опор, свойства материалов) присваиваются соответствующим элементам расчетного комплекса. Затем с помощью функции Экспорт в CPIPE создается скрипт в текстовом файле, который можно будет выполнить в расчетном комплексе. Перевод геометрической модели в расчетную осуществляется при минимальных затратах аппаратных ресурсов.

Рис. 9. Экспорт 3D-модели в CPIPE: а) 3D-модель в Model Studio CS; b) расчетная модель в CPIPE

Задание нагрузок и граничных условий

Перед выполнением расчетов на прочность импортированная модель должна быть дополнена граничными условиями: заданы характеристики грунта засыпки в траншее и окружающего ненарушенного грунта, уточнены (при необходимости) характеристики взаимодействия трубопровода с опорами, заданы нагрузки в соответствии с рассматриваемыми режимами. Расчет толщины стенки трубопровода, выполняющийся на начальном этапе курсового проекта по кольцевым напряжениям от внутреннего давления, позволяет принять номинальные толщины стенки труб для заданных режимов по рабочему давлению в соответствии с назначаемым студентом классом прочности. Для обеспечения прочности трубной обвязки определяется ее НДС как статически неопределимая система, ограниченная взаимодействием с опорами, фланцами присоединяемых патрубков и грунтом в траншее. При расчете также учитываются внутреннее давление и температурный перепад. В результате устанавливаются все компоненты напряжений в сечениях трубной обвязки для их последующей проверки на соответствие нормативным значениям.

Трубная обвязка нефтебаз выполняется как в подземном, так и в надземном исполнении, поэтому в CPIPE также моделируется грунтовое основание, выбранное с учетом региона расположения проектируемой нефтебазы. Геометрические параметры траншей и значения заглубления трубопроводов задаются в соответствии с СП 86.13  330.2014.

Внутреннее давление трубопроводов обвязки устанавливается согласно ВНТП 5−95.

Температурный перепад определяется с учетом региона расположения нефтебазы по абсолютному максимуму летом, абсолютному минимуму зимой и температуре замыкания.

После задания граничных условий и уточнения характеристик расчетной модели выполняются расчеты на прочность для ряда сочетаний нагрузок в зависимости от режима эксплуатации трубной обвязки:

• расчетный случай 1 — состояние трубной обвязки после замыкания;
• расчетный случай 2.1 — режим эксплуатации трубной обвязки при действии внутреннего давления и максимальном положительном температурном перепаде;
• расчетный случай 2.2 — режим эксплуатации трубной обвязки при действии внутреннего давления и минимальном отрицательном температурном перепаде;
• расчетный случай 3 — режим эксплуатации трубной обвязки при условии пространственных перемещений приемо-раздаточных патрубков резервуаров.

По результатам расчетов определяются максимальные значения нагрузок на опоры — кольцевые, фибровые и эквивалентные напряжения.

Также проводится проверка на прочность в соответствии с критериями прочности в соответствии с СП 36.13  330.2012.

Рис. 10. Распределения значений фибровых напряжений: а) для компенсационного блока; b) для обвязки узла приема-раздачи

Анализ результатов расчета

Результаты расчетов представляются в виде:

• распределения напряжений в элементах трубопровода при наихудшем сочетании нагрузок (рис. 10);
• распределения перемещений трубопровода при наихудшем сочетании нагрузок;
• таблиц со значениями нагрузок на опоры, патрубки оборудования и резервуаров;
• таблиц с результатами проверки расчетных значений напряжений на соответствие требованиям СП 36.13  330.2012.

По результатам проверки модели на прочность и устойчивость в случае несоответствия расчетных фибровых напряжений значениям, определенным СП 36.13  330.2012, студент должен самостоятельно разработать комплекс мероприятий с целью снижения уровня напряжений. Аналогично при анализе НДС узлов подключения к резервуарам следует оценить расчетные нагрузки на приемо-раздаточные патрубки резервуаров в соответствии с СТО-СА-03−002−2009 и при необходимости предложить мероприятия по их компенсации.

Выводы

Рассмотренный подход, примененный в рамках внедрения современных САПР в учебный процесс, позволяет ознакомить будущих инженеров с базовыми принципами проектирования и спецификой разработки проектной документации на технологическое оборудование нефтегазовых объектов. Использование современных отечественных систем автоматизированного проектирования Model Studio CS Трубопроводы, CADLib Модель и Архив и CPIPE способствует существенному сокращению временных затрат на создание 3D-моделей, чертежей и проведение расчетов на прочность, что дает возможность студентам выполнять дополнительную часть курсовой работы в рамках семестра, а также обеспечивает детализацию геометрических и расчетных моделей, удовлетворяющую требованиям проектной и рабочей документации. По результатам выполнения курсовой работы студенты получают базовые навыки создания цифровых двойников нефтегазовых объектов с применением современных САПР российского производства.