3D-моделирование буровой установки для морской нефтяной платформы

Л.Бутвит

Как разместить гору оборудования в ограниченном пространстве

Обоснование применения современных компьютерных технологий для 3D-моделирования конструкций

Организация работы проектной группы с трехмерной пространственной моделью

Итоги

Мы продолжаем серию публикаций, посвященных использованию программ фирмы Rebis в России и за рубежом. Предлагаем вам познакомиться с опытом норвежских инженеров, использовавших Rebis AutoPLANT при проектировании морских нефтяных платформ. В статье подробно рассказывается о том, как 3D-моделирование с помощью Rebis AutoPLANT позволило вдвое сократить время разработки проекта буровой установки для нефтяной платформы в Северном море. Статья представляет собой перевод материалов, предоставленных фирмой Rebis Industrial Workgroup Software.

Норвежская компания Aker Maritime является производителем широкого спектра стандартного и новейшего оборудования и модулей для морских нефтяных платформ. Ее дочерняя фирма Мaritime Hydraulics AS из Кристиансенда имеет сеть филиалов во всем мире, которые изготавливают разнообразное оборудование и предоставляют различные услуги по проектированию буровых вышек для наземных и морских установок добычи нефти и газа. Диапазон производимого фирмой оборудования включает в себя как стандартное буровое оборудование, змеевики и наборы труб для бурильных колонн, так и буровые установки типа RamRig, соответствующие самому последнему слову техники. Буровая установка RamRig представляет собой комплекс универсальных модулей, обладающих эксплуатационной гибкостью и предназначенных для бурения и промышленной эксплуатации нефтяных скважин. Она может использоваться как на стационарных, так и на плавучих морских платформах. Эти буровые установки могут состоять из одной, двух или трех секций весом от 150 до 1000 т. В буровой установке RamRig вместо стандартных буровых лебедок и деррик-крана используется двухцилиндровая гидравлическая система механизации спускоподъемных операций. Подъемные тросы — это параллельные тросы фиксированной длины, одним концом закрепленные на палубе буровой установки, а другим — связанные с находящимся вверху приводным механизмом. Тросы проходят через обводные шкивы, образуя полиспаст, с помощью которого ход поршня в цилиндрах преобразуется в усилие подъема вверх бурильной колонны. Следовательно, расстояние и скорость перемещения находящегося вверху приводного механизма будут вдвое больше хода и скорости перемещения поршней в цилиндрах. Основными достоинствами такой конструкции являются меньший вес и стоимость, более высокая производительность и повышенная безопасность работ по сравнению с буровой установкой из стандартных модулей.

Как разместить гору оборудования в ограниченном пространстве

Совместный проект компаний Аker Maritime и Kvaerner Oil & Gas Snorre включал в себя монтаж оборудования буровой установки RamRig на морской платформе в Северном море, в том числе проектирование и строительство полупогруженной платформы для бурения скважин и добычи нефти для компании Norsk Hydro AGA. Проект буровой установки RamRig был разработан по техническим требованиям заказчика специалистами фирмы Maritime Hydraulics. К специфическим особенностям этой платформы относятся использование на ней блоков для комбинированной выработки тепла и электроэнергии (газовые и паровые турбины) и наличие подводного силового кабеля, соединяющего платформы Snorre А и Snorre B и предназначенного для циркуляции излишков электроэнергии. С платформы Snorre B нефть будет транспортироваться в Statfjord B, а газ — на платформу Snorre А. Суммарный вес конструкций и оборудования буровой установки RamRig для платформы Snorre B составляет 1400 т, причем она должна быть размещена на площадке с габаритными размерами 20×20 м. (По словам L. Butveit: «Площадка, на которой нам нужно было разместить множество оборудования, включая рабочие кабины и натяжную систему, а также трубопроводы гидросистемы и системы приготовления и очистки бурового раствора, была очень малых размеров».) В буровой установке RamRig для привода спускоподъемного механизма бурильной колонны использовалась гидросистема высокого давления. Трубопроводы гидросистемы рассчитаны на большие расходы жидкости, и многие из них имеют диаметр около 200 мм. Все трубопроводы буровой установки должны быть размещены на площадке 20×20 м. Вертикальный размер при этом ограничивался размером от нижней палубы основания бурильной установки до высоты, на которой находится противовыбросовый превентор, поэтому эффективная высота конструкции должна была быть менее 5 м.

Обоснование применения современных компьютерных технологий для 3D-моделирования конструкций

В проекте Snorre B фирма Maritime Hydraulics впервые решила применить современный 3D-метод компьютерного моделирования. В своих предыдущих проектах фирма в основном работала с 2D-чертежами и пользовалась AutoCAD для размещения оборудования и стальных конструкций, прокладки трубопроводов и т.д. Прокладывать линии трубопроводов в 2D-пространстве было очень трудно, поскольку для этого проектировщикам нужно было представить, на каких уровнях проходят трубы, и с помощью символов отводов указать, куда направлена труба — вверх или вниз. При этом проектировщики должны были во время разработки обеспечить согласованность своих чертежей с другими чертежами и документацией, а также визуально представить себе, как должна выглядеть конструкция по вертикальной оси на своих и других чертежах. Создание каждого 2D-чертежа трубопроводов фактически зависело от опыта проектировщика. Кроме того, в 2D-среде, когда видны только два размера элементов, было трудно обнаружить взаимные пересечения и ошибки в конструкции. Все это в полной мере проявлялось при проектировании трубопроводов. Проектировщики использовали планы, сечения, вертикальные проекции, когда пытались обнаружить конфликты и ошибки, однако если отметки высот трубопроводов на двух чертежах точно не совпадали, то было невозможно обнаружить взаимные несанкционированные пересечения. Также было очень сложно выявить конфликты между элементами, представленными в различных частях проекта, поскольку при разработке этих различных частей проекта специалисты не пользовались общей базой элементов. Еще одним недостатком используемой ранее 2D-среды проектирования было то, что после разработки конструкции все изометрии и другие рабочие чертежи, необходимые для изготовления и монтажа, нужно было создавать из рабочих эскизов. Для проекта обычно следовало изготовить сотни изометрических чертежей, на что уходило много времени. Наконец, когда требовалось внести изменения в проект, нужно было вручную производить изменения во всех чертежах. К тому же вызывала сомнения точность расположения и соединения элементов в проекте.

Указанные недостатки вместе с требованиями, накладываемыми ограниченным пространством для размещения буровой установки в проекте Snorre B, заставили фирму Maritime Hydraulics рассмотреть вопрос об использовании программ 3D-проектирования промышленных объектов для совершенствования собственной технологии проектирования. Специалисты фирмы решили ознакомиться только с программами 3D-проектирования, работающими в среде AutoCAD, которая широко используется как в самой фирме, так и во всей нефтегазовой отрасли Норвегии и других стран. После знакомства с тестированием всех программ, представленных на рынке 3D-проектирования промышленных объектов, Maritime Hydraulics остановила свой выбор на AutoPLANT 3D фирмы Rebis, поскольку это программное обеспечение представляло собой расширение возможностей AutoCAD и располагало всеми функциями 3D-параметрического моделирования. Дополнительно в Rebis AutoPLANT входили модули для разработки специфических частей проекта, требующих обязательного моделирования напряженного состояния и перемещения носителей по системам трубопроводов. Такая комбинация программ Rebis позволяла проектировщикам и расчетчикам без потерь информации обмениваться 3D-моделями, созданными для различных частей проекта, и полностью автоматизировать весь процесс проектирования. Например, вместо того чтобы пользоваться приближенными схематическими представлениями механического оборудования, проектировщик строительных конструкций может вставить в свой проект существующие модели оборудования. Всего Maritime Hydraulics приобрела: модуль AutoPLANT 3D PIPING для оснащения пяти рабочих мест; модуль AutoPLANT 3D EQUIPMENT — для одного рабочего места; AutoPLANT 3D P&ID — для разработки интеллектуальных технологических схем линий трубопроводов — для двух рабочих мест; модуль AutoPLANT 3D STRUCTURAL — для проектирования стальных и несущих конструкций — для пяти рабочих мест; модуль AutoPLANT 3D ISOMETRICS, который автоматически генерирует изометрические чертежи из 3D-модели — для четырех рабочих мест. Фирма также приобрела у Rebis нужные ей утилиты импорта/экспорта для передачи AutoPLANT данных в программы AutoPIPE и ISOGEN.

Организация работы проектной группы с трехмерной пространственной моделью

Над проектом Snorre В работали 50 инженеров, и почти 20 из них работали совместно, используя программные модули Rebis AutoPLANT 3D. Некоторые из них уже имели опыт работы в 3D-среде, но фирма также проводила для инженеров двух- и трехдневные циклы обучения работе с новой программой. Задействованные в этом проекте инженеры-проектировщики трубопроводов и строительных конструкций работали в среде AutoPLANT 3D, а инженеры-электрики, архитекторы и проектировщики системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) работали в 2D с чертежами и моделями из Rebis AutoPLANT 3D, используя AutoCAD и AutoCAD LT. Для моделирования и размещения насосов, танков и других резервуаров в модели проектировщики использовали модуль AutoPLANT 3D EQUIPMENT, который автоматизировал значительную часть их работы за счет использования библиотеки параметрических элементов оборудования. Имея такую библиотеку, инженеру нужно лишь ввести новые значения параметров, представленные в спецификациях оборудования, и программа самостоятельно вычертит модель. Для прокладки линий трубопроводов проектировщики использовали модуль PIPING, при этом им следовало только начертить линии, показывающие, где должны быть размещены трубопроводы, подобно тому, как это делается при работе в 2D-проектной среде. Вместо простых геометрических представлений трубопроводов и их элементов, цифровые модели каждой трубы фактически являлись объектами, содержащими дополнительную информацию, выбираемую из базы данных: характеристики труб, спецификации материалов и т.д. В 3D-среде проектировщики могут работать с моделью в трех пространственных координатах. Например, прокладывать десятиметровый отрезок трубы по горизонтали, затем пятиметровый отрезок трубы вверх, а после этого опять пятиметровый отрезок трубы по горизонтали. Поскольку на экране размер просматривается сразу в трех координатах, проектировщику легче вести прокладку трубопроводов, чем 2D-среде, когда ему нужно зрительно представить, на каких уровнях эти трубы прокладываются. Достоинством построения пространственной модели систем трубопроводов является также то, что все линии трубопроводов видны проектировщику, в отличие от 2D-чертежей, в которых трубопроводы показываются только в конкретном сечении установки. После окончания прокладки линии проектировщик сразу же может видеть результаты своей работы и ему уже не нужно перелистывать 2D-чертежи и пытаться понять, как проложены трубопроводы. Все эти особенности 3D-среды способствовали ускорению процесса прокладки трубопроводов для данного проекта. Но самым важным, по мнению инженеров, было то, что при использовании 3D-модели линию трубопровода нужно проектировать только один раз, тогда как в 2D в каждом индивидуальном чертеже следовало раз за разом проектировать ее снова.

Прoектировщики строительных конструкций первоначально использовали в своей работе «плоский» AutoCAD для проектирования ферм и каркаса буровой установки в проекте Snorre B. Но затем они в полной мере осознали, насколько легко с помощью модуля AutoPLANT 3D Structural их работа может быть трансформирована в 3D, а из 3D в рабочие чертежи. Подобно модулю Еquipment модуль Structural Modeler располагает библиотекой стандартных профилей. Если проектировщику нужно вставить балку между двумя точками, то он должен просто выбрать нужный ему профиль для балки, указать требуемое положение, а программа автоматически вычерчивает 3D-модель балки. В этом проекте проектировщики выбирали линии из чертежей AutoCAD, указывали в диалоговом окне типы элементов, которые были отображены этими линиями, и программа вычерчивала автоматически 3D-профили стальных конструкций.

Хотя проектировщики электрических систем, архитекторы и проектировщики HVAC разрабатывали свои части проекта с помощью «плоского» AutoCAD, тем не менее работа каждого из них внесла вклад в создание 3D-модели буровой установки, поскольку геометрия, созданная AutoCAD, могла быть вставлена в модель с помощью АutoCAD-функции x-ref (сcылки), а также передана обратно из Rebis AutoPLANT в AutoCAD для осмысления и доработки. При этом на рабочем месте с AutoCAD совсем не обязательно иметь установленный модуль AutoPLANT 3D. Указанные возможности позволили проектировщикам вставлять свои модели в модели других частей проекта и оценить, как изменения в этих других частях проекта влияют на их работу. Этот метод позволил фирме устранить коллизии и ошибки в проекте.

После того как проект был завершен, Maritime Hydraulics также воспользовалась модулем АutoPLANT 3D Explorer для полной проверки 3D-модели в целях выявления конфликтов и ошибок в проекте. Данная программа, распознающая все одномерные, двумерные и трехмерные AutoCAD-объекты, использовалась для просмотра и обнаружения взаимных конфликтов между ними, включая линии, полилинии (ломаные), 2D-поверхности, сетки, 3D-грани (пространственные), твердотельные объекты ACIS, блоки, а также любые пользовательские 3D-объекты, созданные с помощью AutoPLANT или AutoCAD. При выполнении операции проверки модели с помощью Rebis EXPLORER/ID было найдено несколько несанкционированных взаимных пересечений элементов в модели. Изменения, которые требовалось внести для устранения этих проблем, а также другие изменения, которые должны были быть внесены по требованию заказчика, в этом проекте были сделаны быстрее по сравнению с процедурой внесения изменений в рабочие 2D-чертежи и документацию. Все изменения в этом проекте были сделаны путем модификации 3D-модели, и не требовалось вносить изменения в индивидуальные чертежи, поскольку все чертежи связаны с моделью и автоматически обновляются при внесении изменений в модель.

Надо отметить, что ни один изометрический чертеж для данного проекта не был создан вручную — все они генерировались из 3D-модели. Проектировщикам нужно было только выбрать те виды, которые они хотят иметь, и дать модулю AutoPLANT 3D Isometrics команду создать изометрические чертежи. Вся необходимая информация при этом автоматически извлекается из 3D-модели. В чертежах указываются отметки высот и наименования элементов, соответствующим образом проставляются размеры, приводятся ведомости материалов для их приобретения, а необходимые дополнительные данные автоматически извлекаются из базы данных модели. Чертежи, создаваемые подобным образом, требуют минимального количества проверок и доработок, поскольку программа гарантирует их точное согласование с 3D-моделью.

Итоги

Благодаря созданию 3D-модели буровой установки RamRig для проекта Snorre B норвежская фирма Maritime Hydraulics компании Aker Maritime завершила разработку CAD-проекта этой установки вдвое быстрее по сравнению с тем, если бы она воспользовалась двухмерной СAD-системой проектирования. Кроме того, при монтаже буровой установки практически не было ошибок и несоответствий в проекте, в отличие от разработки проекта в 2D-среде. Устранение ошибок в проекте на стадии компьютерного моделирования позволило компании сэкономить значительные средства в связи с отсутствием серьезных переделок в конструкции на стадии монтажа. Вместо проектирования отдельных узлов буровой установки и разработки чертежной документации для них в виде 2D-чертежей, была создана 3D-модель всей системы, включая системы трубопроводов, элементы конструкций, архитектурно-планировочные решения, электрическую систему управления, систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, конструкции необходимого механического оборудования. Когда пришло время вносить изменения в проект, инженеры вносили их непосредственно в 3D-модель, а не модифицировали отдельные рабочие чертежи. После завершения разработки 3D-модели рабочие чертежи генерировались автоматически прямо из нее. Сокращение времени разработки проекта было обусловлено несколькими факторами, к числу которых относятся и легкость внесения изменений в 3D-модель по сравнению с пересмотром чертежей вручную, и быстрота, с которой автоматически генерируются изометрии и рабочие чертежи. Отсутствие ошибок в проекте обусловлено отличной визуализацией всей конструкции в целом и отдельных ее фрагментов, которыми обладает 3D-моделирование, а также возможностью включения элементов из всех частей проекта в одну модель. В настоящее время фирма Maritime Hydraulics рассматривает вопрос о полном оснащении своих инжиниринговых подразделений программным обеспечением Rebis AutoPLANT 3D и AutoCAD фирмы Autodesk, Inc. 

«САПР и графика» 10'2001