海洋石油钻机二维设计的应用

海洋石油钻机二维设计的应用

1pdms技术应用迅速发展目前，二维平面设计在中国大型石油设备制造领域仍占绝对主导地位。但是随着全球化进程的加速,三维技术无论是在大型成套设备制造的设计还是工艺当中的优势都愈发明显,被越来越多的企业所接受。例如在宝鸡石油机械责任有限公司与韩国大宇造船海工株式会社签订的坐底式海洋钻井平台钻井系统的设计中,就首次采用PDMS技术,严格按照实际尺寸及技术参数建立起了全方位立体模型,而且后期的采购、生产和组装都以该模型为指导,严格按照国际通行标准进行。宝石机械责任有限公司在这个过程中积累了很多宝贵经验。2模型求解过程设计PDMS是著名公司AVEVA的核心产品,它是以数据库为核心、以网络为支撑、以项目管理为主线,集规划、设计和管理应用于一体的全专业集成布置设计软件,目前,占据世界高端工厂三维设计最高份额,代表了全球三维工厂设计的主流和发展方向,它具有以下几个方面的特点:(1)实体建模:全方位三维实体建模,而且是以所见即所得的方式建模。(2)多专业协同:PDMS软件中各相关专业均在同一个平台上协同工作,相互查阅对方资料的内容,资源共享,设计过程可以大大简化。如:专业布置图中管道接口亦可在模型上实现,从而减少了各专业对接的接口不匹配问题。(3)碰撞检查:支持实时碰撞检查。同一项目、同一空间任何专业模型均参与碰撞分析,可以自动校对三维模型中数据的完整性、一致性。如管道的连接关系、管件在管道上的顺序关系、管道等级、管径、仪表、阀门、放空以及管道的其它属性,并且直观地显示在PDMS模型中,可快速地定位出错的位置,同时有文本的校验报告可供参考。(4)标准库:可以在可视条件下,任意定义复杂元件,并在单管图中正确表达标准库和三维模型为参考关系,始终统一。(5)第三方软件接口:提供结构分析软件、电缆铺设软件、机械设计软件等一系列接口程序。(6)三维可视化漫游:作为三维设计软件,它的漫游(Review)功能可以确保从不同角度观看设计模型,更好地提高设计质量。3海洋石油开采平台制造业的未来发展方向海洋钻井平台即海上钻井工作的场地,分为固定式和移动式两种形式。它具有以下几个发展趋势。3.1低能耗钻井单元性化海上石油开采作业的费用十分昂贵,施工作业的日费用约为30万元人民币。为了加快钻机在海上安装、移运速度,以缩短海上施工时间,要求钻井单元尽可能实现模块化,以降低生产成本。海上钻井的场地不同于陆地,它是固定式钻井平台或者移动式钻井平台(船上作业),因而井场的面积和空间都很有限,设计中,要尽量给工作人员提供较宽裕的工作环境,也是海上作业安全的需要。3.2钻机实现了环境控制的全自动化这里的一体化主要指用电、液来控制各种钻机设备的作业,从而使钻机逐步实现电脑指挥下的全盘自动化。因为海上钻井的成本远高于陆地,既要缩短作业时间,又要快速优质地进行生产,以降低成本,所以海上钻井对钻机设备的机械化、自动化程度的要求更高。3.3海洋钻井平台的设备在海上的作业随着海上作业日益从浅海走进深海,海洋钻井平台也从固定式向移动式发展。这里主要是指移动式海洋钻井平台。因为这类设备在海上作业时,随着风浪会产生升沉、摇摆、漂移等运动。各类非固定件(如游吊系统)也会随之上下升沉运动,轻则钻压不稳无法正常作业,重则发生各类碰撞造成事故。如何降低外界各类自然因素的干扰,保证作业的正常进行是亟待解决的问题。3.4受来自海洋环境的载荷海洋石油钻井平台的工况十分苛刻,无论是在施工过程中还是在服役期间,都要经受来自海洋的风、波浪、海冰甚至地震、海啸等的载荷作用。这种海洋环境载荷有时能产生巨大的破坏力。所以其设计的要求和质量远高于陆地钻机设备,如何在保证质量的前提下更好地控制成本成为每个制造商面临的问题。4sdmm在海上钻井平台的制造设计中的应用4.1优化设计空间传统的二维设计中的纠错通常是在工程施工和使用过程中才被发现和纠正,造成人力、材料的浪费和工期的延误,也造成设计人员在空间布置上担心干涉问题而留有过多余量,造成空间利用率的偏低。PDMS软件对碰撞的自动检查可以解决这一难题。同时它建模的过程就是制造、安装和运行过程的概要表达,“怎么施工,就怎么建模”。利用PDMS全尺寸三维数字模型,可以合理且紧密地布局,减少设计人员因为空间布置问题而耗费的时间和不足,为未来模块化的引入打下基础。例如该坐底式海洋钻井平台钻井系统的固控部分设计中,由于是全比例模型使得设计人员在固控区进行硬管布置(图2)时游刃有余,敢将固控部分管线和公共系统管线在空间上进行交错布置,从而极大地提高了空间利用率。4.2pdms的不足海洋钻井平台的工况受地面和空间限制,对钻机布局提出很高要求。不仅要求从设计角度检查是否发生碰撞,还要求布线的合理性。如有些管线上下层次是否分明、管线布置工艺是否满足人性化要求。传统的二维设计制图根本无法达到这么高的要求。PDMS自带的浏览模式就解决了这个问题。例如在该坐底式海洋钻井平台钻井系统的设计中,当时在进行三维模型审阅中发现,发电机房内部(图3),发电机侧面凸出的控制面板距离房体外壳仅0.2m,这个距离太窄根本无法保证操作人员的进出,更不用谈对设备的操作了。而在传统的二维设计中,这类问题根本无法被发现,只能留到后期实际施工中去纠正,对产品质量和生产周期产生影响。所以PDMS技术的应用无疑对企业本身的发展起到了很好的推动作用。4.3海洋平台坐底式驳船项目设计时的三维设计及与配套厂商的沟通随着海洋石油钻井平台机、电、液一体化程度的提高,多专业交叉带来的碰撞问题日益突出。最终影响到产品的设计质量和制造水平。而传统设计的多人、多专业的串行设计是通过大量的资料交换来保证上下道工序之间的衔接,工作繁琐、环节多、信息交换延时。信息的传递是点对点进行。这种沟通无法做到各专业人员在同一设计平台上进行有效沟通和衔接,使得产品之间衔接、接口匹配等问题十分突出。而一旦在设计阶段存在的问题未能很好地解决,就会造成后期很多不合理且无法更改的尴尬,或因必须更改而造成重大损失。PDMS能确保各专业人员在同一平台、统一数据库内进行三维设计,可以实时观察本专业与其他专业空间位置和相关数据;标准库的建立使产品的用料得到统一。设计人员可以合理布置专业模型、优化设计、消除不足。这个现象在该海洋平台坐底式驳船项目设计中体现得尤为明显,当时按照管路、工艺、设备等划分若干专职人员。由于是在同一平台上进行设计,就使得他们在进行各自部分的设计中很容易发现存在互相之间的对接问题,以问题为突破口进行有针对性的沟通对设计效率的提升是成倍的;同时,我们发现用三维模型与各配套厂家进行沟通也十分顺畅。过去在二维图纸上的很多问题需要设计人员凭空想象三维实体效果,受环境的制约导致配套厂家和设计人员在产品配套接口问题上需要多次信息交流才能完成,甚至有时需要将设计人员拉到实物旁边亲眼目睹才能解决问题,极大地浪费了人力物力。而在这次进行的海洋平台坐底式驳船项目设计中,由于是全比例模型,使得配套厂家可以和设计人员在电脑前完成各个产品结构的拆分重组。例如,在排污管布置设计中(图4),根据具体使用环境和产品工作特点完成了管道走向的改进,将部分排污管由撬外改为撬内,既节约了场地也使得管线的排布更加人性化。这一改进得到当时所有人员的一致认可,同时也是对PDMS技术应用的一种肯定。5pd-sd对石油制造公司的发展5.1构建统一的标准化数据库PDMS本身有着庞大的数据库支持,制造海洋石油钻井平台的所有资料都可以新建数据库,这些资料可以直接从数据库中提取出来制成表格,满足统计需求。数据库中的资料包括材料尺寸、描述、重量、弹性模量等各种参数。当前它内置的标准(如图5)含有北美、日本等国制定的各类标准类型,给我们提供了构建自身标准数据库的参考。石油钻机制造行业在工艺发展上有一定的相关性和延续性,通用元件和设备较多,设计制造有一定的方向和规律,项目复用性很强,这就为用户建立专门的数据库和管理模式提供了可能性和必要性。而相关符合国家标准的各类零件数据库建立也为后期使用提供极大便利。例如,采购者可以提取准确的设备材料目录制作采购清单,施工人员可以抽取设备定位图、管道ISO图,准确定位设备布局、管道走向,以及直观地掌握施工最佳流程进度,用户可以方便地通过三维模型和数据进行平台的运行、管理和检修维护。从而使数据库的作用得到最大限度的发挥。5.2设计和管理同步进行当前,大多数石油设备制造行业面临着转型升级,它的项目管理从粗放被动型向精细主动型转变。目前石油钻机制造业采用的是两类相互独立的管理模式(工程设计管理和工程造价管理),对后者采取的是粗放式管理,造价是用料成本基础上乘以一个估算系数,没有细化到具体每一个部件每一道工序。致使概算超估算,预算超概算,结算超预算的现象频繁发生,其原因归根结底是因为当前二维设计软件无法完成相关成本的细化统计,比如油漆耗用量、焊缝数量控制等等,无法做到对所设计产品后期使用中的管理。这不仅增加产品成本而且造成部门冗余增加产品生产周期。而PDMS内置了相关程序,已经做到了设计和管理同步进行。据统计三维实体模型设计方式与传统二维方式相比,在设计阶段可节约时间和资金达50%,实体模型完成后,其部分工程也相应确定,可同时产生各类元件、设备、材料的统计报告,直接为确定工程量清单提供明确依据。同时,它的开放性使有可能通过网络技术将工程建设各参与方有机联系起来,共同对项目造价进行有效控制,并在此基础上形成和应用动态造价信息系统。使设备成本可以细化到每一个元件乃至每一颗螺栓。在这次海洋平台坐底式驳船项目设计中,该软件可以即时生成50多吨4种规格9种用途的公共管路所有材料统计报告,而在过去用人力完成同样工作量至少需要2天时间。所以它的优势是显而易见的。5.3数据共享及共享国外大型工程公司大都通过计算机网络进行多专业的并行设计、工程管理和多功能信息处理。三维设计技术主要用于优化布置、与用户交流,并指导施工。设备供货商及分包商均能以电子文件方式进行数据交换,各专业设计人员均能在同一三维设计环境共同设计。对比国外的现状,我们当前计算机技术在设计和管理中的应用尚停留在国外先进国家1990年代初、中期的水平。我们虽然已经建成了计算机网络,但协同设计并没有开展,目前使用的协同设计软件,也仅是在文件层次的传递与共享水平上,与真正意义的数据库层次的协同设计相去甚远。所以通过参考国外先进技术和管理经验实现国内企业的跨越式发展,是每个企业发展必由之路。5.4海洋石油钻机软件应用状况PDMS软件成本昂贵,AVEVA公司采取的是出租含有使用期限节点的方式进行经营(一个节点限一台电脑,到使用期限后必须重新购买才能继续使用),不提供一步到位的出售,因此对于已经运行成熟的陆地钻机产品,没有必要专门引入该软件来增加成本。但是对于海洋石油钻机应考虑使用该软件,主要原因是:(1)产品特性。海洋石油钻井平台不同于陆地钻机,它在海上作业的日成本十分昂贵。在海上作业,它的检修、补给和作业环境,都完全不同于陆地钻机,它的设计又属于多专业一体化集成设计。这就对其设计提出了很高要求,要求在设计阶段就要消除各种隐患,避免多专业交叉带来的各类冲突问题。传统二维软件无法满足这么高的要求。对于设计失误造成的损失相比,PDMS的费用问题就微不足道了;(2)接口问题。目前我国在海洋钻井平台(特别是移动式钻井平台上)很多产品还无法做到国产化,比如:海洋作业使用的天车补偿装置、整体集成控制等。这就决定了我们要购买国外成熟产品,这就带来了一个前期的设计接口问题,所以作为已经被国际广为接受并且广泛使用的PDMS软件就成为我们制造海洋石油钻井平台的首选。6两大体系:企业—结语引入PDMS的目的,不仅仅是提升我们石油装备制造业的设计水平和国际接轨,也是为了引入国外的设计理念和管理模式。当前我国装备制造业的优势是成本低廉,但是我们在沉醉“世界工厂”的同时也要清楚地看到,外国同行没有在价格上和我们竞争,他们在全方位提升自己的产业格局,不仅仅是传统意义上的产品质量和性能,同时依托信息产业的优势开始打造“设计-生产-成本控制-产品革新-售后服务”一体化平台,将原本分散的几个环节作为一个全方位的整体统筹考虑,通过信息技术的广泛应用带动和改造庞大的制造业,