Анализ функций и перспективы развития САПР трубопроводов

Аннотация

Чернышов Д.Н., Григорьев А.В. Анализ функций и перспективы развития САПР трубопроводов. Рассмотрены понятие и классификация трубопроводов, а также лучшие практики. Выделены несколько требований совладельцев к САПР.

Введение

Проектирование трубопроводов — важная часть процесса разработки изделий во многих отраслях промышленности, таких как промышленное и нефтегазовое машиностроение, производство оборудования для пищевой промышленности и т.д. При этом решение ключевых задач, в число которых входят пространственная компоновка трубопроводов, подбор необходимой трубопроводной арматуры и создание конструкторской документации, вызывает определенные трудности.

Плотную компоновку трубопроводов сложно представить на листе чертежа. На нем трудно отследить ошибки расположения труб, а если такие ошибки обнаруживаются лишь на стадии производства, то цена их исправления может увеличиться на порядки. Это делает целесообразным использование средств трехмерного проектирования или систем автоматического проектирования.

Кроме того, несовершенным является аппарат функционального моделирования и – комплекс средств прочностных расчетов.

Т.о., по-прежнему актуальной является задача построения новых САПР трубопроводов, имеющих более совершенный инструментарий проектировщика, способный в более высокой степени автоматизировать процесс проектирования.

Целью предлагаемой работы является:

- анализ функциональных возможностей современных САПР трубопроводов, выявление их достоинств и недостатков;

- выявление перспективных направлений развития САПР трубопроводов;

- формирование комплекса требований на новый САПР трубопроводов, лишенный недостатков, но сохраняющий достоинства современных САПР трубопроводов.

Классификация типов трубопроводов

Трубопровод — искусственное сооружение, предназначенное для транспортировки газообразных и жидких веществ, а также тв?рдого топлива и иных тв?рдых веществ в виде взвеси под воздействием разницы давлений в поперечных сечениях трубы. Трубопроводы могут защищаться от разрушения из-за превышения давления предохранительными клапанами. С целью защиты от коррозии могут быть покрыты эмалями.

В зависимости от транспортируемой среды, трубопроводы подразделяют:

- аммиакопровод - предназначается для транспортировки аммиака;

- водопровод - предназначен для обеспечения водой населения и промышленности. При этом вода для бытовых и промышленных нужд может различаться по органолептическим свойствам; пригодности для питья, бытовых и промышленных нужд;

- воздухопровод - часто создается в рамках промышленного предприятия для обеспечения производства сжатым воздухом;

- газопровод - предназначается для транспортировки попутного нефтяного и природного газа. Стратегические газопроводы предназначаются для передачи на дальние расстояния больших объемов газа - на экспорт и предприятиям, осуществляющим газовый синтез;

- канализация — отвод промышленных и бытовых стоков через систему трубопроводов. Имеет важное санитарное значение. Включает в себя системы очистки стоков, предполагающих возвращение очищенных вод в хозяйственный оборот;

- нефтепровод — предназначается для транспортировки сырой нефти. Нефть при этом подвергается подогреву, препятствующему затвердеванию входящих в ее состав парафинов;

- нефтепродуктопровод (нефтепродуктовод) — транспортировка нефтепродуктов - в том числе бензина и керосина, полученных в результате крекинга. Осуществляется до предприятий, предназначенных для производства нефтепродуктов более высокого передела;

- мазутопровод - трубопровод, осуществляющий транспортировку тяжелых нефтепродуктов, отходов крекинга. Такие продукты могут использоваться в качестве топочного мазута, а также для переработки в дизельное топливо или даже для дальнейшего отделения легких углеводородов;

- паропровод - технологический трубопровод, предназначенный для передачи пара под давлением, используемого для отопления или работы сторонних механизмов;

- пневматическая почта - использование воздуха под давлением для перемещения по трубам физических объектов - чаще всего, стандартизированных капсул с объектами небольшой массы и объема. Используется в рамках одного или близко расположенных зданий, использует механические способы маршрутизации;

- продуктопровод - в общем смысле, трубопровод, предназначенный для транспортировки искусственно синтезированных веществ (в том числе, перечисленных выше), чаще всего - продуктов нефтяного синтеза. В частном случае может означать систему, предназначенную для доставки по трубам любых пригодных для этого объектов;

- теплопровод - трубопровод, предназначенный для передачи тепла (например - в виде нагретого водяного пара);

- этиленопровод - инфраструктура, предназначенная для транспортировки по трубам специфического синтезированного промышленного сырья – этилена [1].

В зависимости от вида прокладки и/или перехода (типа опирания):

- наземный — укладывается выше уровня земли на отдельных опорах;

- надземный;

- арочный;

- висячий;

- балочный;

- подземный — укладывается непосредственно на грунт в траншеях, канавах, насыпях, штольнях, на опорах в тоннелях и дюкерах;

- подводный — укладывается по дну водо?мов, рек или в траншеях, прорытых на дне;

- плавающий — укладывается на поверхности болот, а также оз?р, рек и др. водо?мов с креплениями к поплавкам (чаще пластмассовым).

Лучшие практики

Число САПР трубопроводов достаточно велико. Однако, на данный момент лучшими САПР трубопроводов являются пакеты AvevaPDMS и AutoCADPLANT-4d.

Можно сказать, что именно они определяют уровень развития современных САПР трубопроводов.

Дадим им краткую характеристику, выделим их достоинства и недостатки.

Цель такого анализа – выявление перспективных направлений развития САПР трубопроводов.

Анализ САПР AvevaPDMS

Система PDMS компании AVEVA разработана для проектирования различных промышленных объектов — от небольших проектов, например газокомпрессорных станций, обустройства месторождений до морских нефтяных платформ, предприятий нефтехимии, нефтепереработки, тепловых и атомных электростанций.

В PDMS использована технология graphics from data — это оригинальная и пока непревзойденная технология, которую конкуренты переняли лишь в последнее время и пока еще осваивают. Таким образом, принципиальным отличием системы трехмерного проектирования PDMS от других систем является тот факт, что ядром системы являются не чертежи, а данные.

Проектная документация выпускается автоматически по данным 3D-модели, таким образом, первостепенное значение имеют непосредственно сами проектные решения, реализованные в модели проекта, в то время как их плоскостные проекции — чертежи — являются лишь производными от 3Dмодели. Все изменения в проекте вносятся в 3D-модель, при этом автоматически отслеживается увязка вновь принятого решения со всем остальным проектом, а также автоматически вносятся изменения в чертежи (виды, размеры, спецификации, выноски и значки). Благодаря автоматическому ведению статистики рабочих сеансов изменения могут отслеживаться и выделяться на чертежах. Все это позволяет командам проектировщиков и технического персонала выполнять работу с полной уверенностью в полноте и согласованности всех данных. Результатом является эффективная по времени и затратам разработка проекта без коллизий с последующим автоматизированным выпуском проектной документации [2].

В числе основных преимуществ использования PDMS можно отметить:

- интеграцию проектных данных;

- стандартизацию процесса проектирования;

- модульное проектирование, то есть использование данных предыдущих проектов;

- высокое качество и наглядность проектных решений;

- сокращение ошибок в проекте и отзывов со строительной площадки менее чем до 1% за счет функций проверки на коллизии;

- простота внесения изменений в проект, взаимная согласованность данных всех проектных дисциплин;

- инвариантное проектирование;

- сокращение трудозатрат за счет автоматизированного выпуска чертежей;

- сокращение расходов на строительство и эксплуатацию [2].

Основные недостатки PDMS:

- отсутствие прочностных расчетов;

- отсутствие расчетов термодинамики.

АнализСАПРAutoCAD PLANT-4D

AutoCAD PLANT-4D — это система трехмерного проектирования, полностью отвечающая современным требованиям и решающая широкий круг задач: проектирование технологических схем, моделирование нестандартного оборудования, расстановка стандартного и нестандартного оборудования в пространстве трехмерной модели, трехмерная трассировка трубопроводов, выпуск рабочих монтажнотехнологических чертежей, автоматическая генерация изометрических чертежей с размерами и спецификациями, автоматическое составление ведомостей, отчетов, спецификаций, заданий смежным отделам и многое-многое другое [3].

Преимущества системы PLANT-4d:

- возможность организации коллективной работы над проектом;

- наглядность;

- ранняя диагностика ошибок и коллизий;

- модульная архитектура системы;

- обширная элементная база;

- удобство в формировании отчетов и документаций;

- по ходу проектирования система позволяет формировать задания смежникам, в том числе и как запросы к базе проекта;

Недостатком системы PLANT-4d является то, что система не может предсказать, как поведет себя среда в трубе и чем это может обернуться.

Вывод из анализа

В качестве общих недостатков перечисленных САПР трубопроводов можно назвать:

- отсутствие прочностных расчетов;

- отсутствие расчетов термодинамики.

Для компенсации данных недостатков САПР трубопроводов на практике используют поход использования независимых пакетов прочностных расчетов.

Недостатки такого пути:

- отсутствует единый комплекс САПР трубопроводов, способный решать весь комплекс задач в САПР;

- нет возможности решить ряд актуальных задач моделирования и проектирования трубопроводов, связанных с рядом специфических областей применения (подземные трубопроводы, трубопроводы в условиях дальнего севера и т.п.).

Т.о., актуальна задача построения нового САПР трубопроводов, лишенного перечисленных недостатков.

Требования к современному САПР трубопроводов

Будем рассматривать выделенные выше недостатки современных САПР трубопроводов как постановку задачи на разработку нового САПР трубопроводов, лишенного названных недостатков, но – сохраняющий все их преимущества.

Перечислим требования к такому САПР трубопроводов:

1. Система должна обеспечить автоматизацию разработки трубопровода на всех уровнях проектирования;
2. Система должна сократить срок проектирования на предприятии;
3. Система должна позволить снизить требования к квалификации проектировщика;
4. Система должна повысить качество проектируемого продукта и конструкторской документации;
5. Система должна уметь проектировать разные типы трубопроводов;
6. Система должна высчитывать передачу тепла между материалами;
7. Система должна позволять создавать теплоизолирующее покрытие;
8. Система должна учитывать передачу тепла через изолированные трубы;
9. При перемещении некоторых материалов (например, сырой нефти) система должна спроектировать оборудование, подогревающее или охлаждающее трубу;
10. Система должна рассчитывать возможное давление грунта на трубу при проектировании подземного трубопровода;
11. Система должна уметь прокладывать трубу через водные пространства;
12. Система должна уметь рассчитывать прочность конструкций;
13. Система должна автоматически создавать опоры для труб;
14. Система должна позволять ставить на трубу предохранительные клапаны;
15. Система должна предупреждать пользователя при отсутствии предохранительного клапана;
16. Система должна иметь возможность развития: САПР представляется как развивающаяся открытая система, в которой предусмотрена возможность замены существующих компонентов и включения новых (расширение элементной базы), генерации на основе заложенной информации новых знаний;
17. Система должна содержать обширную элементную базу;
18. Система должна уметь использовать данные предыдущих проектов;
19. Структура трубы, ее форма и размеры должны описываться с помощью конечного числа параметров. Необходимо предусмотреть ввод пользователем следующих параметров:

- материал;

- диаметр трубы;

- проводимый материал;

- глубина погружения/высота поднятия;

- общая длина.

20. Предусмотреть возможность редактирования параметров;
21. Система должна предоставлять возможность получения геометрической модели в тр?х измерениях;
22. Необходимо высокое качество графической модели;
23. Система должна по команде показывать трубу в разрезе;
24. Необходимо реализовать возможность поворота, приближения/отдаления камеры, установки е? положения при работе с полученными тр?хмерными моделями;
25. Система должна реализовывать ландшафт и постройки;
26. Система должна высчитывать температуру окружающей среды;
27. Для заданных параметров трубы должна производиться симуляция проведения материала;
28. Симуляция должна наглядно показывать преимущества и недостатки конструкции;
29. Для отображения результатов симуляции на экран должен выводиться отчет о возможных происшествиях или успешных результатах;
30. В системе должен быть реализован список предупреждений о возможных рисках для конструкции;
31. При изменении любого параметра симуляция должна быть пересчитана;
32. Свойства трубы должны описываться с помощью характеристик;
33. Необходимо предусмотреть возможность создать критическую ситуацию для расчета надежности конструкции;
34. Система должна предоставлять пользователю возможность просмотра справочной информации;
35. Система должна позволять сохранение результатов проектирования (графиков, чертежей, документации) в формате, предназначенном для печати;
36. Система должна обеспечивать автоматическое сохранение с частотой времени, определ?нной пользователем, а также возможность восстановления несохраненных документов;
37. Система должна иметь удобный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс;
38. Для эффективного применения в конструкторско-технологических разработках необходима "подстройка" системы автоматизированного проектирования трубопроводов под конкретные нужды того или иного пользователя. Для такой настройки необходим открытый API-интерфейс. Использование подобных возможностей позволяет повысить эффективность труда на рутинных операциях;
39. При создании трубопровода по частям система должна собирать их в единую систему по команде пользователя;
40. Системные требования для использования системы автоматизированного проектирования трубопроводов:

- процессор Intel Pentium 3.0 ГГц;

- Microsoft Windows XP/Vista/7;

- оперативная память 2 ГБ;

- свободное место на диске 5 ГБ;

- видеопамять 128 Мб.

Заключение

В работе выполнен анализ функциональных возможностей современных САПР трубопроводов, на основе выявления их достоинств и недостатков определены перспективные направления развития САПР трубопроводов.

Как главную проблему современных САПР трубопроводов можно определить отсутствие средств полноценного функционального моделирования трубопроводов и – отсутствие средств выполнения прочностных расчетов, адаптированных на различные типы трубопроводов – и различные условия их применения.

Сформирован набор комплекс требований на новый САПР трубопроводов, лишенный недостатков, но – сохраняющий достоинства современных САПР трубопроводов.

Как перспективную работу следует определить:

- развитие данных эскизных требований до уровня полноценного технического задания, построенного исходя из требований IEEE [4];

- построение на основе данного технического задания нового программного комплекса САПР трубопроводов, отвечающий современным требованиям.

Список использованной литературы

1.Глоссарий-ASCO [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.asco.su/Library/Glossary/term.asp?ID=72
2. Журнал «САПР и графика». Раздел «Решения компании AVEVA для проектирования промышленных предприятий» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://sapr.ru/article/15803
3. Журнал «САПР и графика». Раздел «Немного о PLANT-4D» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://sapr.ru/article/20013
4. Коберн А. Современные методы описания функциональных требований к системам. — М.: Лори, 2002.