Незадействованный потенциал монтажного проектирования, связанный с прочностными расчетами трубопроводов

В современных реалиях в России наблюдается недостаточное внимание к теме монтажного проектирования. Последние 30 лет в России фактически отсутствовали образовательные программы в высших учебных заведениях, напрямую связанные с монтажным проектированием и его важной составной частью –прочностными расчетами трубопроводов.

Между тем в этой сфере есть большой потенциал для того, чтобы не только повысить качество проектов, но и получить значительный экономический эффект и сократить сроки проектирования.

В статье автор предлагает ознакомиться с решениями, связанными с корректированием процессов монтажного проектирования, которые дадут положительные результаты при проектировании объектов нефтегазовой отрасли. Это может стать примером для аналогичного рассмотрения специалистами нереализованного потенциала и у других смежных подразделений.

Многие полезные для проекта решения, к сожалению,не являются необходимымидля проектировщика, так какне оплачиваются заказчиком. Заказчику же эти полезные решенияпрактически не известны, так какего эксперты не погруженынастолько в специфику организации проектного процесса. При этом внедрить полезные для проектарешенияможно только с позиции заказчика, включив их, например, в технические требования на проектирование.

При проектировании крупных и сложных объектов проектной организации необходимо более серьезно подходить к разработке самих процессов проектирования. Нужны четкие алгоритмы с проработкой содержания каждой итерации. В этом случае удастся сформировать лучший график проектирования. Все процессы и этапы проектирования должны быть разработаны под конкретный проект таким образом, чтобы каждое смежное подразделение могло выполнить свои функции максимально эффективно.Кроме того, на каждом проекте есть уникальные условия, которые должны быть учтены для лучшей организации проектного процесса.

У каждого смежного подразделения есть возможность внести свой вклад в проект. Но для этого нужно создать для них условия в самой организации этапов проектирования. При составлении графика проектирования должны быть учтены наиболее важные потребности всех подразделений. Если такие условия не созданы, то страдает качество взаимодействия: не хватает ресурсов для полноценной подготовки и передачи данных друг другу, так как в графике проектирования этому не уделено внимание. Алгоритм взаимодействий нужно прорабатывать совместно, с обсуждением и согласованием всеми участвующими сторонами на проекте.

Для разных проектов нужны свои разработанные итерации с особым содержанием. Для этого следует предварительноразрабатыватьалгоритмыпроектирования и взаимодействия подразделений на стадии «Проектная документация» и для стадии «Рабочая документация». Раньше разрабатывались различные блок-схемы и т.п. Создание таких алгоритмов –процесс сложный, как и их согласование всеми участвующими сторонами. Многие нестыковки связаны с текущей структурой и традиционными способами взаимодействия на предприятиях.

В настоящее время новыепроектывыполняютсяпринципиально с теми же самыми накладками, переделками, ошибками и т.п., которые были и раньше. Графики проектирования не учитывают потребности всех подразделений, участвующих в проекте, так как формируются на основе прежнего опыта, а не на реальных потребностях подразделений, которые могут серьезно отличаться и-за многих факторов, связанных не только с уникальностью проектов.

Наиболее прогрессивным сейчас является применение цифровых единых платформ для проектирования. Но это дорогостоящие решения, которые больше подходят крупнейшим организациям, в составе которых есть заказчик, проектировщик, поставщики и свои службы эксплуатации.

Значительная часть проблем на стадии «Рабочая документация» связана с нереализованным сейчас потенциалом опытной группы прочностных расчетов трубопроводов. Далее представлены примеры, большую часть из которых практически невозможно внедрить на проекте, так как существующая система не предполагает внесения таких изменений без наличия отдельных требований заказчика.

Автор статьи обращает внимание, что значимость каждой позиции возрастает в контексте более крупных и сложных проектов.

Проектирование технологических блоков с разветвленной внутренней трубной обвязкой.Эту задачу лучше выполнит проектировщик, а не завод–изготовитель.При совместной работе технологов, монтажников и опытных специалистов группы прочностных расчетов трубопроводов есть возможность разработать лучшие технические проекты на блочные модули с разветвленной внутренней трубной обвязкой.

При этом проектировщик уже на ранних этапах проектирования будет иметь детальную компоновку блоков. Дополнительные преимущества:

• взаимное расположение оборудования внутри блока будет проработано с учетом самокомпенсации трубной обвязки;
• в большинстве случаев не потребуется применять специальные компенсаторы и пружинные опоры (их применение часто связано только с тем, что уже поздно решать задачи методами самокомпенсации труб). Нет доступных пространств, компоновочные решения уже приняты, и не самым лучшим образом.

При существующем порядке проектирования во время разработки общей крупной компоновки невозможно точно учесть размеры крупных технологических блоков. В итоге дорожают проектные решения: либо трубопроводы удлиняются, либо на них вынужденно добавляются повороты для самокомпенсации, а также применяются дополнительно компенсаторы и пружины в блоках.

Карта расположения штуцеров на теле аппаратов. С учетом изложенного в предыдущем абзаце появится возможность запроектировать лучшее расположение штуцеров на теле каждого аппарата в блоках. Заводу–изготовителю вовремя будет направлена созданная проектировщиком карта расположения штуцеров с учетом ситуации в конкретных технологических блоках.

Сейчас проектировщик получает от завода-изготовителя конструкторскую документацию с уже выбранным стандартным расположением штуцеров, которое часто невыгодно в конкретных ситуациях:увеличивает длину трубной обвязки и добавляет число поворотов с дополнительными отводами.

Блочные модули с внутренней трубной обвязкой оборудования заводской поставки.Нередко заводы-изготовители поставляют «Блочный модуль с внутренней трубной обвязкой», который на деле является просто оборудованием (аппарат) с коротким незначительным участком трубы (не более 2…3 м), с одним отводом и одной опорой.

Для проектировщика лучше поставка оборудования без такой короткой трубной обвязки, так как стандартно реализованные короткие участки трубы на аппаратах не учитывают конкретных ситуаций в блоках. После стыковки штуцеров оборудования с внешними трубными сетями это часто обусловливает применение пружин и компенсаторов там, где этого можно было избежать.

Если в блочном модуле заводской поставки есть разветвленная трубная обвязка, то необходимо выставить заводу–изготовителюспециальныетребования:

• установить на границе проектирования неподвижную опору для разграничения ответственности;
• передать проектировщику на согласование прочностные расчеты трубной обвязки внутри блока до начала изготовления и поставки.

Последнее условие большинству заводов-изготовителей сложно выполнить из-за отсутствия у них специальных программ и опытных специалистов попрочностнымрасчетамтрубопроводов. Лучше в этом случае передавать расчеты трубопроводов проектировщику. Этот вопрос можно согласовать в основном только с участием заказчика.

Еженедельные совещания по 3D модели смежных подразделений. На стадии «Рабочая документация» необходимо еженедельно проводить совещания специалистов –монтажников, технологов, строителей и группы прочностных расчетов трубопроводов. Все текущие и новые решения по 3D модели должны обсуждаться и согласовываться всеми участниками до начала реализации. Это значительно ускоряет процесс проектирования и исключает многочисленные переделки.

Проектирование элементов крепежа трубных опор. Крепежные элементы под трубные опоры (в местах, где это необходимо) должна проектировать группа прочностных расчетов трубопроводов, а не строительный отдел. Специалист группы прочностных расчетов, ориентируясь в 3D модели, выберет наилучшее положение для опорной точки трубопровода и сделает подходящую сборку из крепежных элементов в соответствии с нагрузками, полученными в результате расчетов.

Для решения этой задачи применяются специально разработанные каталоги стандартных сборок элементов крепежа (из балок, двутавров, уголков, швеллеров и т.п.). Все сборки в каталогах рассчитаны на все варианты нагрузок для технологических опор под все диаметры труб.

Преимущества данного решения:

• ускоряется процесс проектирования;
• размещение опорных точек трубопроводов будет в наиболее эффективных местах;
• упрощается решение сложных задач самокомпенсации трубопроводов для снижения нагрузок на штуцерах оборудования ниже допустимых значений.

Теги – шифры описания крепежной сборки (элементов крепежа). К выходным данным группа прочностных расчетов предоставляет специальные теги (шифры описания сборки из элементов крепежа) для каждой технологической трубной опоры, для которой нужны дополнительные элементы крепежа на основных строительных конструкциях.

Для решения этой задачи применяются специально разработанные правила составления тегов. Теги передаются монтажникам для ввода в 3D модель крепежных элементов, а затем и производителю строительных элементов проекта, который в цеховых условиях изготавливает все необходимые детали.

В итоге на объект поставляются отдельными пакетами пронумерованные крепежные сборки под каждую опорную точку. В результате отпадает необходимость изготовления деталей крепежных строительных элементов на объекте. Экономический эффект очевиден, и он увеличивается по мере роста объекта.

Допустимые нагрузки на штуцеры оборудования в технических требованиях на изготовление.В технические требования на изготовление оборудования необходимо включать Приложение с точными табличными значениями допустимых нагрузок на штуцеры. Это исключит все дальнейшие споры с заводом-изготовителем по жест-кости штуцеров.

Завод-изготовитель нередко занижает допустимые нагрузки на штуцеры из-за отсутствия требований к ним со стороны проектировщика. В результате выдвигается аргумент, что оборудование уже практически изготовлено или готово к поставке, а затем выставляются требования доплаты за «дополнительное» усиление штуцеров.

Если завод-изготовитель отказывается вносить изменения в оборудование, опираясь на определенные условия договора поставки, то проектировщик вынужден усложнять трубную обвязку с применением более дорогостоящих технических решений.

Карты закладных деталей на теле аппаратов для крепления площадок обслуживания и для трубных опор. Необходим строгий контроль за формированием проектировщиком карты закладных деталей (платиков) с нагрузками и за своевременной передачей этих данных заводу-изготовителю. Это исключит поставку «голого» оборудования, без предусмотренных технических решений (приваренных закладных деталей) для крепления площадок обслуживания и крепежных элементов для трубных опор обвязки на корпусе оборудования.

После поставки на объект завод запрещает что-либо приваривать к телу аппаратов, инеобходимопроектироватьотдельные строительные конструкции для обслуживания,стоящие на земле. В итоге из-за температурных расширений вертикальные аппараты «растут», площадки обслуживания остаются на прежних уровнях, и проектировщик вынужден применять громоздкие двух-и трехэтажные гирлянды из пружинных опор для трубной обвязки.

И в создаваемых сейчас российских проектах есть примеры с высокими «голыми» колоннами, где вынужденно устанавливаются очень дорогие пружинные опоры постоянного усилия, применение которых можно было избежать.

Рабочие и расчетные параметры давления и температуры в прочностных расчетах трубопроводов. Технолог и специалист по прочностным расчетам должны совместно проработать таблицы материального баланса относительно параметров давления и температуры расчетных линий (трубопроводов, подлежащих прочностным расчетам). Их задача – уменьшить перечень линий, для которых в прочностных расчетах требуется учесть расчетные (максимальные) значения давления и температуры, так как только в части технологических линий в процессе эксплуатации наблюдаютсярасчетныезначенияпараметров в течение длительного периода. Чаще всего такие режимы кратковременны.

В настоящее время во многих проектных организациях в прочностных расчетах всех трубопроводов учитываются расчетные (максимальные) значения давления и температуры, при этом рабочие значения нередко в разы меньше расчетных.

При учете реальных значений давления и температуры основная часть трубопроводов будет рассчитываться при рабочих условиях как при режимах эксплуатации длительного действия. Остальные режимы эксплуатации с расчетными, при испытаниях и при пропаривании давлениями и температурами должны учитываться в прочностных расчетах трубопроводов только как кратковременные.

Преимущества данного решения:

• исключается неоправданный прочностной запас трубопроводов;
• при решении задач компенсации высокотемпературных расширений уменьшается число поворотов (дополнительных отводов);
• уменьшается число П-образных компенсаторов на эстакадах для большинства линий;
• сокращается число П-образных компенсаторов на факельных коллекторах больших диаметров и их ответвлениях, так как в прочностных расчетах этих линий будет учитываться режим работы пустого коллектора как основной режим длительного действия. А режимы сбросов на факел будут учтены как кратковременные;
• уменьшаются затраты на строительные конструкции (см. далее).

Значения длительных и кратковременных нагрузок, передаваемые в строительный отдел.Строительный отдел проектировщика обычно получает от группы прочностных расчетов трубопроводов максимальные значения нагрузок, которые затем в строительных расчетах учитываются как постоянные длительно действующие. При этом группа прочностных расчетов имеет данные и по длительным, и по кратковременным нагрузкам.

Необходимо, чтобы группа прочностных расчетов раздельно передавала в строительный отдел полные таблицы со всеми нагрузками как длительного (рабочие нагрузки), так и кратковременного действия. Например, таких, как при расчетных давлениях и температурах, при испытаниях, при пропаривании, при сейсмике и т.п.

Тогда Строительный отдел сможет применять в своих расчетах разные формулы для длительных и кратковременных нагрузок. В этом случае основными будут нагрузки длительного действия, основанные на рабочих параметрах, а максимальные нагрузки будут учитываться в основном как кратковременные и рассчитываться по другим формулам. Это решение сэкономит затраты на строительные фундаментные опоры трубопроводов по всему проекту.

Линии сброса с предохранительных клапанов.На линиях сброса с предохранительных клапанов для исключения вибраций увеличивают их диаметры, снижая скорость сброса и,таким образом, исключают образование смешанных газожидкостных потоков с гидроударами на отводах и врезках сбросных линий.

Группа прочностных расчетов способна решать эти задачи другим способом. Для этого достаточно следующее:

• рассчитать силы гидроударов от смешанных потоков и ввести их в расчетную модель;
• установить трубные опоры с ограничителями на линиях обвязки предохранительных клапанов для снижения вибрации.

Кроме того, линии сброса с предохранительных клапанов должны рассчитываться аналогично расчету факельных линий, так как они также в основном режиме пустые.

Порядок проведения прочностных расчетов трубопроводов.На стадии «Проект» необходимо разрабатывать документ,описывающий проведение прочностных расчетов трубопроводов на данном проекте. Важно утвердить порядок и необходимые условия проведения прочностных расчетов трубопроводов. В состав этого документа следует включить принятые на проекте условия взаимодействия группы прочностных расчетов трубопроводов проектировщика с подрядчиками и заводами–изготовителями поставляемого оборудования. Согласование заказчиком такого документа на стадии «Проект» исключит часть спорных вопросов на стадии «Рабочая документация».

Формирование и согласование подобных специальных документов всеми смежнымиподразделениямиполезнодля всех участвующих сторон, так как основные спорные моменты прорабатываются, принимаются и согласовываются с заказчиком уже на стадии «Проект».

Опытная группа прочностных расчетов трубопроводов.Наличие такой группы на проекте является своеобразным гарантом качества. В силу специфики своей работы группа автоматически выявляет многие ошибки на проекте, связанные с человеческим фактором. Кроме того, во многих аварийных ситуациях на старых и новых объектах опытные специалисты группы прочностных расчетов трубопроводов способны определить причины и способы решения проблем.

На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы.

Представлен потенциал реализации возможностей группы прочностных расчетов трубопроводов. Опытный специалист каждого смежного подразделения способен представить не менее важные решения, которые дадут свой положительный эффект. Изложить их можно в специально разрабатываемых документах для каждого уникального проекта, в которых описать именно необходимый для данного проекта порядок работ и взаимодействия с соседними подразделениями.

И неважно, реализуются эти решения на существующих базах организации проектирования или на новейших цифровых платформах. Эти цифровые платформы также нуждаются в правильной настройке под каждый уникальный проект и под внутреннюю организацию проектировщика.

Реализовывать описанную задачу необходимо в начале стадии «Проект», чтобы подходить к стадии «Рабочая документация» с уже проработанными и согласованными условиями проектирования, учитывающими наиважнейшие потребности смежных подразделений для конкретного проекта.

Максимальная эффективность представленных решений может быть достигнута (с участием заказчика) при проектировании крупных и сложных нефтегазовых проектов, где реализация каждой позиции из-за ее объемов требует значительных финансовых средств.

Уже после первой реализации данных решений, получив и оценив их эффективность,проектная организация сможет их применять на следующих проектах, повышая свою конкурентоспособность, закладывая более короткие сроки исполнения проектов без снижения качества!