基于石油生产特点设计制造石油装备

机电设计研究《机电技术》2009 年第3期基于石油生产特点设计制造石油装备周中鉴(大庆职业学院机电系，黑龙江大庆163255)摘要:石油生产对石油装备需求和依赖程度8益增加，要求石油装备制造企业能快捷的设计制造出高质量的石油装备。油田生产所需要的装备具有品种规格多、使用周期短、生产批量小等特点，因此可以以形状、材料、位置、数量、尺寸等要素为变元采用变元法来设计。通过变更变元能获得多种结构方案，从而实现设计的快速高效。用CIMS集成系统，可以方便的实现变元设计和计算机辅助制造。整合资源或组建虚拟企业构建更大的平台，可吸引更多的优秀人员参与设计开发。关键词:石油装备生产需求 变元法设计 CIMS 系统中图分类号: TE9文献标识码: A文章编号: 1672-4801 (2009) 03-027-04前言备制造企业就有27家.我国是石油装备制造企业石油装备是石油工业的基础，石油装备制造数量最多的国家，但从全球视角来看，目前中国业依托我国的石油工业的建设与发展已经形成了并不是制造强国，只能算是制造大国。研发投入较完整的设计制造体系，现正积极构建以石油钻少、创新能力不强、设计水平偏低，企业的研发采、石油钢管和石油动力设备制造为支柱的三大投入很少。我们的研发费用仅占其经营收入的具有国际竞争力的板块，石油装备制造的发展空2%~5%，而国外发达国家制造企业的研发费用是间十分广阔。石油生产对装备有自己的需求特点,国内企业的数倍。大多数制造企业目前热衷于生我们要根据石油生产的具体情况，采用新的设计产“短平快”的产品，忽视研发设计，单纯靠技术引进或技术合作，都不能从根本上解决产业发方法和现代技术来设计和制造石油装备。展的问题。由于石油装备企业不少都是油田自己1石油装备的需求和制造业的发展办的机械加工部门，资金较为雄厚，配备的制造由于能源短缺，世界都在加大石油的开发力设备都比较先进，数控机床、加工中心和各种设度，随着开采难度的增大，必然导致石油装备的计软件齐全，还有油田自己的企业资源规划系统需求旺盛。除了强大的内需之外，对外出口也十ERP等。在科学技术不断发展,市场竞争十分激烈分活跃，仅上半年石油和天然气钻探设备出口额的情况下，我们的装备制造企业应充分利用好自.己的设备资源，采用先进的设计方法，组建CIMS分别比去年同期增长12. 8倍和1.4倍。近来，国计算机辅助制造系统,实现优化设计和现代制造。家又出台了一系列行业政策和措施加大力度转变经济增长方式，不断增加对技术资源的投入，确2影响石油装备设计与制造的因素保装备制造业的发展。因此，随着自主创新能力2. 1生产批量较小的提高以及国家对振兴装备制造业的高度重视，从我国油气田的总量和各油田的规模看，钻.未来5至10年装备制造业将是制造业中增长最快井、修井、采油、集输、油水分离、储存和运输的子行业，也是石油装备制造业发展的黄金时期。的过程所需要的机械装备的数量相对汽车等产品由此看来,石油装备制造业正蕴藏着巨大的商机。来说并不是很大，每年所需1000 -9000米系列成目前国内的石油装备制造企业普遍规模较套钻机仅100多套左右，再者油水井的开发是逐小、布局分散、产业集中度偏低。最初，石油装年分批进行的，每年投产和更新的数量是有限的。备制造企业主要是在宝鸡等西部地区，随着油田因此，油田上生产的各式抽油机、采油树、潜油开发的东移，以油田为中心建起一些石 油装备企电泵、钻井工具和集输设备等的需要量也并不是业,特别是油田自己建设起一批这样的生产部门。很大".备主要有各种泵这些企业或部门的生产特点是产品单-，规模比和阀MYH中国煤化工，但不同流量、较小，截至2008年5月份，石油石化设备全行业不同CNM H G参数也有很大差规模以上企业数量已达到1367家，仅大庆油田装异，因此每一种规格的数量也不是很多。井下维《机电技术》2009年第3期机电设计研究修的作业工具、潜油电泵、井口装置等其他设备而变化的，而不同油田或同油田的不同区块的地的需求量也都比较小。除了钻头每年需要20多万质构造也是不一样的，所以同种设备的结构、尺只外，决大多数设备的需求数量都不是很大。寸、形状和材料等在不同的油田或区块都是不一2.2需求呈多样性致的。比如，油田生产用的抽油机，不但不同的由于不同油田、不同区块、不同油井的深度、油田或区块不一样，就是相邻两个油井由于采不地质构造、产液量以及地上的生产条件等存在较同油层的油所使用的抽油机的规格都是不一样大差异，决定了油田使用设备呈现品种和规格多的，表现在尺寸数据和其它一些技术参数也就不样性的特点。地面上的抽油机有常规式、前置式、同。结构设计是机械设计中将机械的工作原理变链条式、曲柄连杆式等，每种类型又有不同的规成技术图纸的过程，变元法是用于机械产品结构格。在不同深度和不同产液量条件下，使用不同设计的一种富有创造性内涵的新方法。因此该方尺寸和规格的潜油电泵。输液泵、阀门、法兰盘法非常适合石油机械的结构设计。等集输设备，不同的流量对应的孔径是不同的。在应用变元法进行石油装备的结构设计时,钻井和修井也要用到各种不同的设备和工具。首先对所有石油装备按结构相似性做分类，比如这些多品种的油田设备的制造，就目前的传钻机类、抽油机类、输油泵类等，在每- -类中选统技术而言，经过从产品的设计、制造到销售以取该类产品的一种为典型，在此基础上对这种具及售后服务等-系列环节,会导致制造周期过长，有代表性的典型装备设计开发出基本结构方案和.生产成本太大，使得产品缺少市场竞争力。若采详细 设计，用先进的计算机绘图软件详细设计成用传统的设计方法，当因设计参数、技术参数和电子图样。我们再以形状、材料、位置、数量、工艺要求变更而需要改变设计时，其重复劳动的尺寸等要素定义石油装备的类结构变元，其他同工作量较大。从制造角度来说，在传统的生产方类设备的设计以典型的基本结构方案为基础做变式下，石油装备制造应该属于单件小批生产，必元设计。然会使得生产的周期长、成本降高、市场竞争力在石油装备的设计中，我们可以用零件轮廓线、轮廓面、工作面、加工面以至整个零件等基2.3产品使用期短本元素作为变元，可通过改变其结构中基本元素与其他机电产品一样,随着科技的不断发展，的尺寸和数量以实现产品结构的改变。改变结构油田设备的生命期也越来越短。.上个世纪60年代零件的轮廓形状、表面形状、整体形状以及改变机电产品市场寿命超过十年者占32%，80 年代降零件的类型都可以得到不同的结构方案，比如地为15%， 而机电产品寿命周期在5年以下者则由面上的抽油机有常规式、前置式、链条式、曲柄.60年代的38%猛增到65 ~70%。石油装备机械又有连杆式等，每种类型又有不同的规格，在设计时其自己的特殊性，一些石油机械如抽油机、潜油把轮廓线、轮廓面、工作面、加工面以至整个零电泵等由于需要长期不间断工作，所以装备的使件等作为基本元素，可以通过改变这样的基本元用周期较短。钻井装备由于不断采用新技术以加素来改变装备的结构。零件选用不同的工程材料快完井速度和掘进进尺深度，相对来说更新换代往往导致该零件的尺寸结构随之改变，从而影响的也比较快，昂贵的钻井钻头磨损比较快，累计整个产品的结构，因此通过改变材料变元可以构进尺2000~3000米后就不能使用。造出不同的结构方案。还可以通过改变产品结构中基本元素之间的布置位置可得到不同的结构方3石油装备设计与制造的策略案。油田在不同深度和不同产液量条件下，使用石油装备制造企业面对这一不断变化的市场不同尺寸和规格的潜油电泵:石油的输油泵、阀和石油装备的需求特点，为了求得生存与发展，门、法兰盘等集输设备，不同的流量对应的规格必须要具有高度的柔性和快速的反应能力，以便和孔径是不同的，这些都能通过改变零部件及构敏捷、高效和低成本地设计并制造出石油生产所件的长度、距离和角度等尺寸变元来改变产品的需要的装备。结构中国煤化工生地构造出多个结3.1采用富有创造性的变元法设计油田装备构方|YHCNMHG由于油田装备的结构特点是随地质情况变化3.2采用现代技术手段设计制造石油装备28机电设计研究《机电技术》2009 年第3期实现变元法设计的最佳平台是CIMS系统,通在一个更大的平台上,有更多的人参与设计开发。过系统中的软件很容易实现变元设计，构造出新这种整合方式可有三种形式，一是石油装备生产方案，实现详细设计，并能通过该系统完成计算企业之间实质性整合，组成一个集团:二是针对机辅助制造。目前油田机械制造企业，许多已经某- -石油装备的生产组建虚拟企业，即通过互联具有数控机床(CNC)、 机械制造成组技术以及机网把分布在不同地域的独立的石油装备制造企械人(Robot)等，这些先进的设备离散地分布在业，以自愿自主的方式组成统一管理、协调运行制造企业的各个车间或部门。在设计研发部门大的动态战略联盟;三是就设计开发一个产品成立都使用了较为先进的计算机辅助设计应用软件临时性合作组织。AutoCAD、Pro/E、 ANSYS 和SolidWorks等，并具由于油田企业旗下的装备制造企业比较多，有较强的设计研发队伍。计算机辅助制造(CAM)比如中石油集团下面有许多油田企业，这些油田和计算机辅助工艺(CAPP)在生产部门应用的也企业都有-些不同规模的装备制造企业，它们是比较多。在管理方面，劳资:人事、产品销售等一个企业的不同二级生产部门，可以很容易实现都已经采用了企业资源计划系统(ERP)。 这些先实质性整合，组建一个大的集团。对于非油田的进的数字化制造设备和设计开发软件都是独自的以生产某一产品或零部件的独立分散的石油装备以“自动化孤岛”的形式存在，它们只能在各自制造企业，或者是组建虚拟企业，或者是为设计的环节局部的实现设计和制造的自动化和最优，制造某个产品而临时性合作。化。需要的是每个企业把自己的“自动化孤岛”具有设计开发某个产品愿望的石油装备企业，连接起来，按照CIM的思想组成CIMS系统。CIMS如果他自己不能独立完成产品的设计,可以在一定是适应石油装备的使用周期短、单件小批量设计范围内寻找最佳的生产资源，和分布在不同地域的和制造的现代化计算机辅助制造系统，并可以在为了各自的目的和利益而自主自愿加入的企业,形该系统下使用先进的设计软件实现变元法设计。成一种虚拟的生产组织来生产这一产品。他们可以有些企业已有条件集成全局CIMS系统，一-些条件 是设计部门、 生产企业、销售组织和服务机构等，不完全具备的可以采用先局部后全局的集成方成员之间可以是合作伙伴，也可以是竞争对手。这式。但目前的问题是这些石油装备制造企业缺少就改变了过去企业之间完全的输贏竞争关系,而形CIMS技术的新概念、新思想和有关集成技术，不成一种共贏共享的伙伴关系。集成各成员的核心能了解其使用方法。力和资源，在技术、管理和资源等方面拥有得天独CIMS系统以计算机网络和数据管理系统为支厚的整体竞争优势，实现共赢的目的。在研究开发撑平台，具有四大使用功能:信息管理、产品的阶段，以设计部门为主有各成员企业参加，通过互设计、生产制造和质量保障。产品的设计以获取联网并行的设计开发产品。从设计之初就要考虑到的油田生产的需求信息为基础，特别是对油田区产品在整个生命周期中,零部件的性能、可加工性、块的地下构造的地质信息进行分析，做可行性论质量、成本和售后服务等所有因素。设计后的产品证。用CAD设计软件设计工程图纸，形成电子图要经过虚拟技术模拟，验证产品的可加工性，并进样和数据信息。工程图样和相关数据传送给计算一步 修改完善。机辅助工艺规划环节(CAPP), CAPP根据工厂的生以设计方案为蓝本，进行任务分工，成员企产条件制订出加工工艺路线。工艺路线以电子工业根据自己的能力承担生产任务。保证各环节生艺卡的形式送到计算机辅助制造系统(CAM)， 编产节拍匹配，使得产品的生产和装配能同步的进程人员选择加工方法、确定切削用量等技术参数，行。每一个成员企业在虚拟企业的统--协调和要生成数控加工程序，最后再通过网络系统传输到求下，安排零部件的生产工艺流程，降低工艺流各个生产环节，完成加工过程。程的整体差错率，按设计要求实现生产加工的全3.3构建适应石油装备设计和制造的平台过程。油田生产对新石油装备产品的需求，引诱着4结中国煤化工生产部门去以最快的速度、最低的成本生产出优质产品。但由于目前的生产企业都是独立作战，HCNMHG拓油装备的需求技术力量分散，需要对各种资源进行整合，才能.也在日益增加，这为石油装备制造企业的发展提供29《机电技术》2009年第3期机电设计研究了良好的商机。油田生产所需要的石油装备具有品门、泵等结构相似而形状、尺寸等技术参数不同的种规格多、生命周期短、生产批量小等特点，针对石油装备设计效果比较明显。在CIMS这- -系统下这些特点,采用变元法来进行设计是一个非常有效很容易实现变元法的设计,并能方便的把设计转变的方法，可以方便灵活的改变设计，对抽油机、阀成数控加工程序，实现自动化生产。参考文献:[1]徐杜.柔性制造系统原理与实践. 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[M]. 北京:机械工业出版社, 2007.作者简介:周中鉴(1955年-)， 男，副教授，主要从事机械专业课教学工作。(上接第26页)技术的主要优点有:镀层性能好、结合强度高、料，涂敷在磨损零件表面，待固化后进行机械加沉积速度快、工件无热变形、施工方便、容易掌工，即可恢复零件的尺寸与精度，达到原有使用握、对环境污染小、成本低廉。可以用简易的设性能，这种方法尤其适用大型零件的修复。施修复零件的局部磨损。尤其是大型零件的局部4结语磨损，例如，汽车发动机汽缸孔等。(3)热喷涂技术。热喷涂技术是采用气体、液目前，我们国家已经进入汽车时代，面对体或电弧、等离子弧等作热源，使金属、合金以每年报废的庞大的汽车数量，面对越来越严重及它们的复合材料等加热到熔融或半熔融状态，的环境污染问题和生态破坏问题，我们必须转通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过变观念，实施合理有效的相关政策，采用先进预处理的工件表面。它不仅可以补偿零件的磨损,的技术，以资源的高效利用和循环利用为核心，恢复几何尺寸，而且能改善零件的表面性能。以Reduce (减量化)、Reuse (再利用)、Recycle(4)粘接与粘涂技术。粘接是利用粘接剂粘接(再循环)、Remanufacture (再制造)为原则,各种材料，作为修补零部件的一-种方法， 用于粘对汽车关键零部件进行再制造，走符合可持续接断裂零件达到原有机械强度，如粘接汽车轮胎发展理念的汽车产业发展道路，这对我们国家满足行驶时的冲击压力。而粘涂技术则是用高分环境保护、节约能源和有效利用资源有着更为子聚合物或无机化合物与特殊填料组成的复合材极为重要的意义。参考文献[1]陆曦汽车零部件再制造有据可依[N].中国汽车报, 2008-3-17 (C8).[2]徐滨士,马世宁,刘世参等.21世纪的再制造工程[J].中国机械工程，2000， 11 (Z1): 36-39.[3]杨海霞.旧貌换新颜[J].中国投资，2007(1):52- -5.[4] 陈海威再制造产业:概念、问题与发展对策[J].经济理论与经济管理，2007 (6):57-60.[5]赵维印.对绿色维修与再制造工程的认识与思考[J].设备管理与维修，2005(5) :8-21.作者简介:曾寿金(1978年-),男，讲师，硕士，研究方向:再制造技术，先进制造技术。中国煤化工MYHCNMHG30