Download Машиностроительные материалы. Свойства металлов and more Schemes and Mind Maps Mechanics in PDF only on Docsity!
Федеральное агентство по рыболовству Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Астраханский государственный технический университет» Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована ООО «ДКС РУС» по международному стандарту ISO 9001: Институт нефти и газа Направление: 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» Реферат По дисциплине: «Основы проектирования бурового и нефтегазопромыслового оборудования» На тему: «Основные задачи, решаемые при проектировании(конструировании) технологического оборудования.» Студента группы ЗНТМБ- Воронов В.И. Научный руководитель: Доцент Лысова В.Н. Астрахань – 2025
Содержание
- Введение
- Общие положения проектирования технологического оборудования..
- Основные задачи, решаемые при проектировании
- Специфика проектирования в нефтегазовой отрасли
- Использование современных технологий в проектировании
- Заключение
- Список литературы
1. Общие положения проектирования технологического оборудования Проектирование технологического оборудования представляет собой научно-технический процесс, целью которого является создание оборудования, способного выполнять заданные технологические функции в определённых производственных условиях. Этот процесс охватывает весь путь от идеи и разработки концепции до выпуска рабочей документации и внедрения изделия в производство. Цель проектирования — разработка оборудования, которое обеспечивает эффективность, надёжность, безопасность и экономичность технологического процесса. В нефтегазовой отрасли, где эксплуатация оборудования сопряжена с высокими нагрузками, агрессивными средами и экстремальными климатическими условиями, к проектированию предъявляются особенно высокие требования. Проектирование технологического оборудования включает в себя выбор технических решений, расчет параметров, подбор материалов, оценку производственных и эксплуатационных факторов. Инженеры стремятся создать такие конструкции, которые будут оптимально сочетать функциональность, прочность, долговечность и доступность в обслуживании. Все технологическое оборудование, применяемое в нефтегазовой промышленности, можно условно разделить по следующим признакам: ● По функциональному назначению :оборудование для добычи (насосы, фонтанные арматуры); оборудование для подготовки нефти и газа (сепараторы, теплообменники); компрессорные установки; оборудование для транспортировки (насосные станции, трубопроводы); оборудование для переработки и хранения. ● По способу воздействия на среду : механическое (насосы, мешалки); тепловое (нагреватели, охладители); физико-химическое (реакторы, абсорберы); комбинированное. ● По типу конструкции : стационарное и передвижное; корпусное,
рамное, блочно-модульное; напорное и безнапорное. ● По уровню автоматизации : ручное управление; автоматизированное; дистанционное с цифровым управлением. Основная задача конструкторского проектирования — реализация результатов функционального проектирования. При этом производятся конструирование отдельных деталей, компоновка сборочных единиц из деталей и конструктивных элементов, агрегатов из узлов, оформляется техническая документация на объект проектирования. Н а рис. 1 показана классификация задач конструкторского проектирования. Рис. 1. Задачи конструкторского проектирования Задачи конструкторского проектирования разделяются на задачи геометрического и топологического проектирования. При решении задач геометрического проектирования определяются геометрические параметры конструкции. Задачи топологического проектирования предназначены для синтеза структуры (топологии) объекта или системы с учетом ее функциональных характеристик. К задачам конструкторского проектирования можно отнести также анализ качества полученных конструкторских решений. Геометрическое проектирование объединяет задачи геометрического моделирования, геометрического синтеза и оформления конструкторской и
кроме описательной части содержат: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов; технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию; спецификации и т. д. К графическим документам относятся сборочные чертежи и чертежи деталей, графики и циклограммы, схемы структурные, функциональные и принципиальные (электрические, электронные, кинематические, гидравлические и т. д.). Топологическое проектирование включает в себя задачи компоновки, размещения и трассировки. Решение задач компоновки конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев наиболее трудоемкая часть конструкторского проектирования и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Задача компоновки узлов машин и приборов состоит из двух частей: эскизной и рабочей [1]. При решении эскизной части задачи компоновки по функциональной схеме разрабатывается общая конструкция узла. На основе эскизной компоновки создается рабочий вариант компоновки, и более детально прорабатывается конструкция узла. Например, для компоновки приборного редуктора используются данные его кинематической схемы. Задача компоновки заключается в расположении в трехмерном пространстве валов и зубчатых колес, подшипников, уплотнений и других конструктивных элементов. Критериями компоновки зубчатого редуктора могут быть масса редуктора и его габаритные размеры, удобство ремонта и обслуживания. Среди задач компоновки электронных устройств можно выделить задачи покрытия и задачи разбиения [1]. Задача покрытия заключается в преобразовании функциональной схемы соединений логических элементов узла в схему соединений конструктивных элементов. Критериями качества при решении задачи покрытия чаще всего являются суммарная стоимость и общее число модулей, число типов используемых модулей, число связей между модулями и др.
В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов. Основными критериями задачи разбиения являются длина внешних связей, число образующихся узлов, число различных типов узлов. При решении задачи разбиения учитываются количество элементов в узлах, число внешних выводов узлов, суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями, электромагнитная совместимость отдельных элементов в узле, обеспечение нормального температурного режима. Типичной задачей размещения электронных устройств является определение оптимального пространственного расположения элементов на коммутационном поле. Критерии и ограничения задач размещения можно разделить на метрические и топологические. К метрическим критериям относятся размеры элементов и расстояния между ними, размеры коммутационного поля, расстояния между выводами элементов, допустимые длины соединений. К топологическим — число пространственных пересечений соединений, число межслойных переходов, близость расположения друг к другу тепловыделяющих элементов или несовместимых элементов и соединений.
максимальный КПД, минимизировать утечки, испарения, паразитные сопротивления потоку. ● Контроль технологических параметро в — важно, чтобы конструкция обеспечивала стабильность процессов (например, стабильную температуру при рекуперации газа). Пример: при проектировании горизонтального трёхфазного сепаратора необходимо точно рассчитать его объём, скорость потока, уровень жидкости и характер внутренних перегородок, чтобы достичь оптимального разделения газа, нефти и воды. Отклонения в расчётах могут привести к ухудшению качества продукции, снижению эффективности и внеплановым остановкам. Поэтому каждый проект должен начинаться с точного анализа технологических требований. Обеспечение надежности и безопасности Оборудование в нефтегазовой отрасли должно быть максимально надёжным, так как его отказ может повлечь за собой серьёзные последствия: от производственных потерь до аварий и экологических катастроф. Надёжность определяется: ● Прочностными характеристиками конструкции, рассчитанными на устойчивость к внутреннему давлению, вибрациям, температурным деформациям. ● Стабильной работой в агрессивной среде — оборудование должно сохранять целостность при контакте с H₂S, CO₂, солёной водой, механическими примесями. Наличием защиты от аварийных режимов — сбросные клапаны, дублирующие контуры, датчики и автоматические системы отключения. ● Стандартизацией и сертификацией — конструкция должна соответствовать отраслевым требованиям (ГОСТ, ТР ТС, API, ASME, ISO), особенно при проектировании сосудов под давлением. Безопасность включает в себя: взрывобезопасность (например,
искробезопасные приводы и элементы управления); герметичность всех соединений; минимизацию человеческого фактора (дистанционное управление, автоматизация); экологическую безопасность (улавливание вредных выбросов, отсутствие проливов). Любая ошибка на этом этапе может стоить слишком дорого — как в денежном, так и в человеческом эквиваленте. Долговечность и ремонтопригодность Для предприятий нефтегазовой отрасли крайне важно, чтобы оборудование служило как можно дольше, не теряя своих эксплуатационных характеристик. Ведь замена или остановка установки, особенно в удалённой местности (например, на морской платформе), может занять недели и стоить миллионы рублей. Долговечность оборудования обеспечивается за счёт: применения коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь, сплавы на основе титана, полимерные покрытия); оптимального выбора толщины стенок, сварных соединений, уплотнений; учёта усталостной прочности при переменных нагрузках; поверхностной обработки и защитных покрытий. При этом проектировщик должен предусмотреть удобство технического обслуживания и ремонта : ● легко снимаемые крышки и люки; ● наличие ревизионных отверстий; ● модульная структура конструкции; ● унификация узлов и элементов (чтобы были доступны на складе или заменяемы аналогами).. Снижение энергозатрат — важная задача не только с точки зрения экономики, но и экологичности. Оборудование должно быть спроектировано так, чтобы потреблять минимум энергии при выполнении своей функции. Методы повышения энергоэффективности: ● уменьшение гидравлических потерь (оптимизация сечения труб,
● сейсмическая активность: проектирование опорных конструкций, амортизации; удалённость от инфраструктуры: автономные системы управления, минимальные требования к вмешательству оператора; ● квалификация персонала: интуитивно понятный интерфейс, простота в эксплуатации; ● локальные нормы и сертификация: соответствие ГОСТ, API, ISO, требованиям Ростехнадзора. Пример: на месторождениях Ямала широко применяются модульные, полностью автоматизированные установки, рассчитанные на работу без вмешательства человека в течение месяцев.
4. Особенности проектирования для нефтегазовой отрасли Проектирование технологического оборудования в нефтегазовой промышленности существенно отличается от аналогичных процессов в других отраслях машиностроения. Это связано с рядом уникальных условий: высокими температурами и давлениями, агрессивной рабочей средой, удалёнными и труднодоступными месторождениями, повышенной аварийной опасностью. Кроме того, оборудование должно обеспечивать непрерывную работу в течение длительного времени и соответствовать международным стандартам безопасности, надёжности и энергоэффективности. Каждый из этих факторов накладывает серьёзные ограничения на конструкцию и функциональность оборудования. В данном разделе рассмотрены ключевые особенности, определяющие специфику проектирования в нефтегазовой отрасли. Оборудование в нефтегазовой отрасли эксплуатируется в условиях, значительно превышающих стандартные инженерные параметры. Рабочая среда может содержать агрессивные вещества (сероводород, углекислый газ, хлориды), механические примеси (песок, глина), а также находиться при высоком давлении и температуре. Примеры условий: ● Давление: от 1 до 100 МПа (в глубоких скважинах — до 150 МПа). ● Температура: от -60°C (в Арктике) до +200°C (в зонах термической стабилизации). ● Состав среды: нефтяные эмульсии, природный газ с H₂S, морская вода, конденсаты. Последствия для проектирования: ● Применение специальных марок сталей : например, низколегированных сталей с добавками молибдена и хрома, стойких к сероводородному растрескиванию. ● Использование антикоррозионных покрытий , внутренняя
Нефтегазовая отрасль — одна из самых опасных в мире. Утечки углеводородов, разгерметизация сосудов под давлением, взрывоопасные смеси газа с воздухом — всё это требует от проектировщика максимального внимания к безопасности. Меры проектной защиты: ● Дублирование всех критически важных систем: два насоса вместо одного, резервные клапаны, независимые контуры трубопроводов. ● Использование взрывозащищённого оборудования: электродвигатели, коробки, датчики, соответствующие зонам 1 и 2 по классификации ПУЭ. ● Проектирование разрывных мембран и предохранительных клапанов: сброс давления при аварийных режимах. ● Системы аварийного отключения (ESD): автоматическое перекрытие потока, отключение компрессоров, включение систем пожаротушения. ● Пожарная безопасность: огнестойкость конструкций, автоматические системы газового, водяного и порошкового тушения. Пример: при проектировании резервуара РВС-5000 для хранения нефти в зоне 1 класса взрывоопасности используются искробезопасные уровнемеры, герметичные дыхательные клапаны, двойная обвязка трубопроводов, молниеотводы и термостойкое основание. Из-за удалённости объектов и сложностей логистики в нефтегазовой отрасли активно применяется блочно-модульный подход в проектировании. Особенности: ● Всё оборудование (насосные, сепарационные, КИПиА, энергоустановки) размещается внутри блоков размером под транспортные габариты (например, 2,5×6×2,8 м). ● Модули изготавливаются на заводе, проходят проверку, доставляются на объект и соединяются по принципу «Plug & Play». ● Минимизируется работа на месте — особенно важна в условиях Крайнего Севера. Преимущества: сокращение сроков монтажа; улучшение качества за
счёт заводской сборки; высокая степень унификации; лёгкость последующей замены или расширения системы. Пример: на Тюменском заводе нефтегазового машиностроения собираются готовые блоки «Установки подготовки газа», которые затем отправляются в Новосибирскую область, где монтируются за 3–5 дней. Современные объекты нефтегазовой промышленности оснащаются интеллектуальными системами управления и диагностики. Это необходимо из-за: удалённости объектов; ограниченного доступа обслуживающего персонала; высоких рисков человеческой ошибки. Проектные решения включают: ● интеграцию оборудования с SCADA, DCS, PLC-системами; ● установку датчиков температуры, давления, вибрации, уровня, с передачей данных в диспетчерский центр; ● предиктивную диагностику: выявление неисправностей до их наступления на основе анализа трендов; автономную работу: на срок до 6 месяцев без вмешательства человека. Пример: на морской платформе в Баренцевом море управление всеми технологическими модулями осуществляется удалённо из Архангельска. Все модули оснащены автоматическими клапанами, датчиками и бесперебойными источниками питания. Проектирование в нефтегазовой отрасли требует не только создания эффективного оборудования, но и обеспечения его долгосрочной эксплуатации (в среднем 25–30 лет). Это предполагает: ● подбор таких материалов и компонентов, чтобы свести к минимуму частые ремонты; ● документирование всей конструкции, узлов и применяемых компонентов; ● планирование обслуживания (ТО, ППР) и поставки запчастей;
4. Использование компьютерных технологий в конструировании Современный уровень технических средств электронной вычислительной техники и программного обеспечения позволяет перейти от традиционных методов конструирования к новым информационным технологиям с использованием ЭВМ. Термин САПР является смысловым эквивалентом понятия CAD (Computer Aided Design) и означает проектирование с помощью ЭВМ. САПР как система включает в себя технические средства, системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и самого проектировщика. Техническое обеспечение САПР включает в себя различные ЭВМ и внешние устройства. Производительность ЭВМ, ее архитектура, связь с другими ЭВМ, количество и номенклатура внешних устройств определяют техническую производительность САПР. Системное программное обеспечение САПР (СПО САПР) управляет вычислительным процессом и обменом данными между различными устройствами. СПО САПР должно удовлетворять требованиям обеспечения многопользовательского, многозадачного и диалогового режимов обработки информации в процессе автоматизированного проектирования. Эффективность САПР определяется применяемым прикладным программным обеспечением. Анализ применения САПР показывает, что в них преобладают задачи изготовления рабочей конструкторской документации, инженерных расчетов и технологической подготовки производства. Сложность их алгоритмизации ведет к созданию диалоговых систем. В значительной мере эффективность САПР зависит от вида пользовательского интерфейса. В современных САПР используется графический диалог, который обеспечивает большую наглядность и позволяет оптимально разграничить функции между человеком и ЭВМ при одновременном улучшении качества принимаемых человеком решений.
Гибкость САПР с точки зрения расширения возможностей ее использования может быть увеличена, если программное обеспечение САПР является универсальным и открытым. Примером такой универсальной, открытой среды проектирования для реализации графических требований САПР является система AutoCAD (Автокад). САПР, ориентированные на решение конкретных задач, называют островными, или локальными, системами. На начальной стадии внедрения САПР они могут быть реализованы в виде системы автоматизации разработки и выполнения конструкторской документации (АКД). В интегрированной системе "проектирование — изготовление" объединяются подсистемы конструирования, геометрического моделирования и разработки технологии изготовления проектируемых изделий. На практике используются два подхода к конструированию на основе компьютерных технологий [13]. Первый подход базируется на двухмерной геометрической модели и использовании компьютера как электронного кульмана. Центральное место в этом методе компьютерного конструирования занимает чертеж , который служит средством графического описания изделия и содержит необходимую информацию для решения задач изготовления изделия (рис. 2). Рис. 2. Традиционная схема конструирования В основе второго подхода лежит компьютерная пространственная геометрическая модель (ПГМ) или твердотельная модель изделия (рис.3), которая является наглядным способом описания геометрического объекта и позволяет более эффективно решать геометрические задачи.
