CC BY
44
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
DOI: 10.24412/2076-6785-2022-6-76-80
УДК 621.865.8 I Научная статья
Разработка концепции автоматизации и роботизации технологических операций для ремонта насосно-компрессорных труб
Ильин К.О.1, Гаврилова О.А.1,2, Краевский Н.Н.1
ЮОО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия, 2ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Уфа, Россия
oagavrilova@bnipi.rosneft.ru
Аннотация
Исследование существующих производственных цехов показывает, что структура предприятий и технологических комплексов по ремонту и восстановлению насосно-компрессорных труб (НКТ), сформированных по традиционной схеме организации производства, сегодня не в состоянии обеспечивать конкурентоспособность нефтесервисного предприятия в данном сегменте рынка [1]. Для повышения эффективности ремонтных работ необходимо использовать современные роботизированные комплексы по подготовке к повторному использованию НКТ, которые разрабатываются с учетом применения в производстве современного высокопроизводительного оборудования, новейших систем контроля и управления технологическими процессами. Стоит отметить, что роботизация — это одна из главных составляющих комплексной автоматизации цехов по ремонту НКТ.
Материалы и методы
В статье описана концепция проекта по автоматизации и роботизации технологического процесса ремонта НКТ, планировочные решения роботизированного оборудования в двух вариантах: стационарном и мобильном, а также обоснованы требования к проектным решениям, которые на этапе опытно-конструкторских работ позволяют выполнять концептуальное моделирование производства.
Ключевые слова
автоматизация, роботизация, технологические операции, технологический процесс, ремонт насосно-компрессорных труб, логистика, компоновочное решение
Для цитирования
Ильин К.О., Гаврилова О.А., Краевский Н.Н. Разработка концепции автоматизации и роботизации технологических операций для ремонта насосно-компрессорных труб // Экспозиция Нефть Газ. 2022. № 6. С. 76-80. DOI: 10.24412/2076-6785-2022-6-76-80
Поступила в редакцию: 14.09.2022 ORGANIZATION OF PRODUCTION UDC 621.865.8 I Original Paper
Development of the concept of automation and robotization of technological operations for the repair of tubing
Ilyin K.O.1, Gavrilova O.A.12, Kraevsky N.N.1
1"RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia, 2USATU, Ufa, Russia oagavrilova@bnipi.rosneft.ru
Abstract
A study of existing production enterprises shows that the structure of technological complexes for the repair and restoration of tubing formed according to the traditional scheme of production organization cannot ensure the competitiveness of an oilfield service enterprise. To increase the efficiency of repair work, it is necessary to use modern robotic complexes to prepare tubing for reuse. Such complexes are being developed taking into account the use of modern high-performance equipment, the latest control and process control systems in the production. It is worth noting that robotization is one of the main components of the integrated automation of repair units.
Materials and methods
The concept of the project on automation and robotization of the technological process of tubing repair, planning solutions of robotic units in two versions: stationary and mobile are described in this article. The expediency of forming functional and technical requirements for the developed design solutions, which at the stage of development work (R&D) allow performing conceptual modeling of production, is substantiated.
Keywords
automation, robotization, technological operations, technological process, repair tubing, logistics, layout solution
For citation
Ilyin K.O., Gavrilova O.A., Kraevsky N.N. Development of the concept of automation and robotization of technological operations for the repair of tubing. Exposition Oil Gas, 2022, issue 6, P. 76-80. (In Russ). DOI: 10.24412/2076-6785-2022-6-76-80
Received: 14.09.2022
Введение
Сегодня нефтяные и сервисные компании сталкиваются со сложными технологическими задачами, решение которых подразумевает обеспечение качества отремонтированных труб, уменьшение количества дефектов насосно-компрессорных труб (НКТ) в процессе выполнения ремонтной технологии, снижение процента брака, который может составлять более 65 % от всех поступающих НКТ в производственный цех [1], дает возможность исключить простои производственного оборудования и сократить число выполняемых операций, тем самым повысив производительность цехов. Для исключения названных проблем и повышения эффективности технологического процесса ремонта НКТ предлагается разработать концепцию автоматизации и роботизации технологических операций для реализации проекта по техническому перевооружению производственных линий.
В современных условиях ремонт НКТ необходимо производить на специализированном технологическом оборудовании, обеспечивающем высокую производительность и соответствующий ей уровень автоматизации. Также важными факторами, которые необходимо учитывать, являются скорость, качество проведения ремонтных работ и диагностики специализированного оборудования. Они могут быть достигнуты за счет внедрения роботизированных технологий, научного подхода к разработке планировочных решений для технологического оборудования, оптимальной организации рабочих мест и сокращения непроизводственных потерь.
Таким образом, разработка концепции роботизированного комплекса для ремонта НКТ (рис. 1), которая включает в себя полный цикл ремонта с повышением ресурса эксплуатации НКТ, является актуальной задачей. Согласно оценке перспектив внедрения автоматизации и роботизации в технологические процессы нефтегазовых и нефтесервисных компаний, роботизация является приоритетным направлением [1].
Цель, объект исследования и область применения
Целью исследования является разработка концепции автоматизации и роботизации процессов внутрицеховой логистики и операций при ремонте НКТ.
Задачи исследования включают следующие направления работ:
• анализ технологических процессов ремонта НКТ;
• трехмерное моделирование технологических линий и участков с целью поиска оптимального компоновочного решения с точки зрения внутрицеховой логистики;
• технико-экономическое обоснование разработанных технологических решений.
Объект исследования — производственные цеха по ремонту НКТ. Область применения — нефтесервисные предприятия по обслуживанию и ремонту нефтегазового оборудования [2].
Внедрение роботизированных комплексов (РТК) и проектирование роботизированных технологических процессов
Роботизация производственных процессов имеет свои особенности, связанные с внедрением принципиально новых методов выполнения технологических операций
и прогрессивного технологического оборудования, которое имеет возможность перенастройки в зависимости от требований конкретных технологических процессов. Стоит также отметить, что для внедрения роботизированных комплексов требуется оптимизация технологических процессов, учитывающая множество факторов, которые прямым или косвенным путем влияют на технологию проведения ремонта НКТ. Для оптимизации технологических процессов и обоснования выбранных вариантов роботизированных технологических операций выполняются следующие укрупненные компоновочные расчеты по формуле (1), с учетом оптимальной нормы обслуживания 5опт технологического оборудования и минимизации трудозатрат [3]:
экономической эффективности внедрения промышленного робота (приведенные затраты); Тст — период работы РТК в течение смены; Тпр — период технического обслуживания или простоя по этой причине РТК в течение смены.
Проверочные расчеты результатов компоновочного решения для размещения роботизированного комплекса в ремонтном цехе выполняются согласно требованиям к разработке компоновок РТК с учетом параметра надежности. Оценка соответствия оптимальной нормы обслуживания параметру надежности роботизированной системы выполняется согласно формулам (2) и (3):
N
3 хТ
I пр.р. ст.
3 +Т
прлт. пр.
\ Рртк J
1-Я*
(1)
где &опт — оптимальная норма обслуживания; Зпрст — оценочный показатель экономической эффективности технологического оборудования, работающего в составе РТК; Зпрр — оценочный показатель
(2)
(3)
где рн — параметр надежности; рртк — коэффициент, характеризующий техническую работу роботизированного комплекса или модуля; цто — коэффициент, характеризующий
Рис. 1. Концепция роботизированного комплекса для ремонта НКТ Fig. 1. The concept of a robotic complex for the repair of tubing
Рис. 2. Пример графа технологических процессов Fig. 2. Example of a graph of technological processes
степень использования технологического оборудования; вр — время работы РТК за установленный период; вс — простои оборудования за установленный период [3]. Расчеты, которые необходимы для разработки технологической структуры и компоновки роботизированного комплекса, а также для разработки оптимального технологического процесса, реализуемого в ремонтном цехе, дополняются расчетами, необходимыми для разработки конструкторской документации.
С учетом сказанного, уже на этапе технологической подготовки производства применяют экономико-математические методы проектирования, которые позволяют дать комплексную оценку будущему проекту. Такая оценка подразумевает, что роботизированные технологические процессы должны быть разработаны и смоделированы на основе многовариантных сетевых моделей или графов [4]. Граф технологических процессов представляет собой множество путей реализации ремонтной технологии, среди которых возможно выбрать наиболее оптимальный с учетом заданных критериев оптимизации и действующих производственных условий. Граф представляет собой зависимость G (У, Z), где У — множество вариантов выполнения технологических операций, а Z — множество связей, которые определяют последовательность выполнения технологических операций. Любой выбранный путь на графе соответствует определенному варианту технологического процесса, который выполняет
требования разработанной конструкторской документации (рис. 2) [5].
Таким образом обеспечивается системный подход как к проектированию самих технологических процессов, так и к разработке концепции ремонтных цехов, что в условиях вариативности помогает добиться заданных параметров качества и экономичности.
На основе приведенной аналитической базы была разработана концепция роботизированного цеха по ремонту НКТ, которая включает в себя стационарный и мобильный варианты.
Концепция стационарного роботизированного цеха
Сложность и вариативность технологического процесса ремонта труб приводит к увеличению трудозатрат и материальных издержек. Здесь важное значение имеют как качество ремонтных работ, так и процент отбраковки НКТ. Все это выявляет серьезную потребность комплексного подхода к выполнению ремонта НКТ и требует нового подхода как к организации производственного процесса, так и к планировочному решению производственных площадок.
Для решения поставленных задач авторами предложена концепция стационарного роботизированного цеха, которая предусматривает полный цикл ремонта НКТ, с учетом повышения их эксплуатационного ресурса. Концепция построена по принципу гибких автоматизированных линий. Она также
предусматривает наличие установок для выполнения сложных технологических операций, внутрицеховой логистики, управляемых из единого центра, который в свою очередь обеспечивает также дистанционный контроль работы оборудования, формирование базы данных по ремонтируемой продукции и работе цеха (рис. 3).
Разработанная концепция позволяет размещать оборудование как на новых производственных площадках (цехах), так и адаптировать «гибкую» технологическую линию к существующим производственным условиям. При реализации данной концепции участие персонала в технологическом процессе минимально. Оно сводится к контролю за работой автоматизированного цеха. Применение роботизированных линий позволяет сократить занимаемые площади на предприятии, обеспечить высокий уровень безопасности, а также исключить влияние человеческого фактора, что имеет важное значение для повышения эффективности и производительности при выполнении операций ремонта НКТ (рис. 4).
Концепция мобильного роботизированного цеха
Отличительной чертой ремонтных цехов является их узкая специализация и необходимость быстрой переналадки технологического оборудования. С учетом этой особенности, авторами разработана концепция мобильного роботизированного цеха по ремонту
Рис. 3. Компоновочная схема участков для выполнения технологических операций ремонта НКТ в стационарном роботизированном цехе Fig. 3. Layout diagram of sections for performing technological operations of tubing repair in a stationary robotic unit
Рис. 4. Планировочное решение стационарного роботизированного цеха Fig. 4. Planning solution of a stationary robotic unit
НКТ, которая предполагает его оперативное перемещение любым видом транспорта: наземным, водным или воздушным, в случае возникновения такой необходимости, что часто требуется для выполнения ремонтных работ непосредственно на месторождениях или производственных базах заказчика. Данный комплекс имеет модульную конструкцию, представляющую собой контейнеры двух типоразмеров, в которых размещены автоматизированные линии для ремонта НКТ. Комплекс устанавливается на специальную мобильную подушку, представляющую собой плиты, изготовленные из полимерных композиционных материалов, соединенные в единое дорожное полотно и предназначенные
для многократного использования. Такой цех может работать в различных климатических условиях, для этого в данной концепции предусмотрен монтаж специальных укрытий со значительным количеством циклов сборки и разборки.
Концепция роботизированного мобильного цеха по ремонту НКТ основана на использовании быстровозводимого здания, внутри которого располагаются утепленные контейнеры с размещенными автоматизированными и роботизированными линиями для ремонта НКТ. Внутри такой контейнер оснащен системами вентиляции и климатического контроля, обеспечивающими поддержку требуемого температурного режима и заданного
уровня освещения, а также системой пожаротушения (рис. 5, 6).
Мобильный роботизированный комплекс позволяет сократить затраты на логистику и транспортировку НКТ, строительство и содержание капитальных зданий, выполнять ремонт НКТ без привязки к географическому местоположению, при этом обеспечить высокий уровень безопасности.
Итоги
• Предложенная концепция цеха по ремонту НКТ с учетом внедрения роботизированных технологий оценивается как эффективная и позволяет обеспечивать конкурентоспособность на рынке услуг.
Рис. 5. Компоновочная схема мобильного цеха по ремонту НКТ Fig. 5. Layout diagram of a mobile tubing repair shop
Рис. 6. Планировочное решение мобильного цеха по ремонту НКТ Fig. 6. Planning solution of the mobile workshop for the repair of tubing
• Проведенное исследование и анализ разработанных технических решений показывают повышение рентабельности и эффективности ремонтных работ за счет увеличения объема отремонтированной продукции, увеличения надежности работы оборудования, сокращения непроизводительного времени при выполнении технологических операций, а также за счет высвобождения численности задействованного персонала при выполнении технологических операций.
• При внедрении разработанных технических решений доля ручных операций сократится на 93 %, при этом производительность повысится на 25 %.
Выводы
В результате проделанной работы была сформирована концепция роботизированного цеха по ремонту НКТ, которая включает в себя два варианта планирования: стационарный и мобильный роботизированный комплекс для ремонта НКТ. Анализ и технико-экономическая оценка показали целесообразность внедрения разработанных технических решений в производство, т.к.
предлагаемые решения по автоматизации и роботизации позволяют снизить стоимость:
• чернового ремонта НКТ в стационарном цехе — на 16 %, в мобильном цехе — на 3 %;
• ремонта с очисткой труб от твердых солевых отложений в стационарном цехе — на 45 %, в мобильном — на 37 %;
• ремонта с нанесением защитного покрытия на внутренние поверхности труб в стационарном цехе — на 32 %, в мобильном варианте — на 25 %.
Применение принципа гибких автоматизированных линий в разработанной концепции (мобильного и стационарного цехов) позволяет в зависимости от производственной необходимости включать различные дополнительные участки, например, модуль для очистки НКТ от твердых солевых отложений, модуль для нанесения защитного покрытия на внутренние поверхности НКТ, модуль упрочнения резьбы и т.д.
Литература
1. Ильин К.О., Губайдуллин А.Г.,
Халфин Р.С., Краевский Н.Н. Концепция и подходы для оценки перспектив
роботизации технологических процессов ПАО «НК «Роснефть» // Экспозиция Нефть Газ. 2022. № 4. С. 48-53.
2. Ильин К.О., Гаврилова О.А., Краевский Н.Н.Разработка концепции роботизированного технологического комплекса для текущего и капитального ремонта скважин // Нефтяное хозяйство. 2022. № 1. С. 82-85.
3. Селиванов С.Г., Иванова М.В. Теоретические основы реконструкции машиностроительного производства. Уфа: Гилем, 2001. 312 с.
4. Ишмурзин А.А Оборудование
и инструменты для подземного ремонта, освоения и увеличения производительности скважин. Уфа: УГНТУ, 2003. 225 с.
5. Смирнов В.А. Повышение эффективности технологических систем ремонтного производства и технического обслуживания подвижного состава: диссертация. М.: ФГАОУ ВО РУТ, 2020. 344 с.
ENGLISH
Results
• The proposed concept of the tubing repair shop, taking into account the introduction of robotic technologies, is evaluated as effective and allows for competitiveness in the service market.
• The conducted research and analysis of the developed technical solutions shows an increase in the profitability and efficiency of repair work, due to an increase in the volume of repaired products, an increase in the reliability of equipment, a reduction in unproductive time during technological operations, as well as by releasing the number of personnel involved in performing technological operations.
• With the introduction of the developed technical solutions, the share of manual operations will be reduced by 93 %, while productivity will increase by 25 %.
Conclusions
As a result of the work done, the concept of a robotic tubing repair
shop was formed, which includes two planning options: a stationary
and a mobile robotic tubing repair complex. Analysis and technical and economic assessment have shown the feasibility of implementing the developed technical solutions in production, because the proposed solutions for automation and robotization can reduce the cost:
• rough repair of tubing in the stationary shop - by 16 %, in the mobile shop - by 3 %;
• repairs with cleaning of pipes from solid salt deposits in a stationary shop - by 45 %, in a mobile shop - by 37 %.
• repairs with the application of a protective coating on the inner surfaces of pipes in a stationary shop - by 32 %, in the mobile version - by 25 %.
The application of the principle of flexible automated lines in the developed concept (mobile and stationary workshops) allows, depending on the production need, to include various additional sections, for example: a module for cleaning tubing from solid salt deposits, a module for applying a protective coating to the inner surfaces of tubing, a thread hardening module, etc.
References
1. Ilyin K.O., Gubaidullin A.G., Khalfin R.S., Kraevsky N.N. Concept and approaches for assessing the prospects
of technological processes robotization in "NK "Rosneft" PJSC. Exposition Oil Gas, 2022, issue 4, P. 48-53. (In Russ).
2. Ilyin K.O., Gavrilova O.A., Kraevsky N.N. Development of the concept of a robotic
technological complex for well servicing and workover. Oil industry, 2022, issue 1, P. 82-85. (In Russ).
3. Selivanov S.G., Ivanova M.V. Theoretical foundations of the reconstruction
of machine-building production. Ufa: Gilem, 2001, 312 p. (In Russ).
4. Ishmurzin A.A. Equipment and tools for workover, development and increase in well
productivity. Ufa: USPTU, 2003, 225 p. (In Russ).
5. Smirnov V.A. Improving the efficiency of technological systems of repair production and maintenance of rolling stock. Dissertation. Moscow: FGAOU VO RUT, 2020, 344 p. (In Russ).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ I INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Гаврилова Оксана Александровна, к.т.н., руководитель сектора по научной работе ООО «РН-БашНИПИнефть»; доцент кафедры технологии машиностроения УГАТУ, Уфа, Россия Для контактов: oagavrilova@bnipi.rosneft.ru
Ильин Константин Олегович, начальник отдела роботизации производственных процессов ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия
Краевский Николай Николаевич, старший эксперт бюро старших экспертов ООО «РН-БашНИПИнефть», Уфа, Россия
Gavrilova Oksana Aleksandrovna, ph.d. of technical sciences, head of the scientific work sector of "RN-BashNIPIneft" LLC; associate professor of the department of mechanical engineering technology USATU, Ufa, Russia
Corresponding author: oagavrilova@bnipi.rosneft.ru
Ilyin Konstantin Olegovich, head of the department of robotization of production processes of "RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia
Kraevsky Nikolay Nikolaevich, senior expert of the bureau of senior experts of "RN-BashNIPIneft" LLC, Ufa, Russia
