Технический контроль производственных объектов на основе трехмерной модели

ava
Владимир Семыкин


«Акрополь-Гео»

26 февраля 2009 года компания НавГеоКом провела семинар «Современные методы трехмерного моделирования на этапах реконструкции и технического контроля промышленных объектов». На нём ведущий инженер ЗАО НПП «НавГеоКом» Владимир Семыкин представил доклад «Технический контроль производственных объектов на основе трехмерной модели». Поскольку затронутые темы доклада специфичны и актуальны для безопасности промышленных объектов, публикуем его для широкого читателя.


Технический контроль производственных объектов на основе трехмерной модели

Экспертиза промышленной безопасности

Ни для кого не секрет, что практически любой промышленный объект, будь то металлургический комбинат или отдельно-взятая скважина газового месторождения, подлежит постоянному техническому контролю. С целью обеспечения безопасной его эксплуатации, такой контроль осуществляется на протяжении всего срока жизни объекта, от стадии проектирования и до его ликвидации или консервации.

Напомню, что процесс контроля регулируется федеральным законом «О ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ» и последующими правовыми актами, охватывающими весь комплекс мероприятий по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов. Закон живёт и работает почти 12 лет (Принят Государственной Думой 20 июня 1997 г.). Федеральный закон ОПРЕДЕЛЯЕТ правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов и НАПРАВЛЕН на предупреждение аварий на опасных производственных объектах и обеспечение готовности организаций, эксплуатирующих опасные производственные объекты, к локализации и ликвидации последствий указанных аварий.

Подчеркну, что к видам деятельности в области промышленной безопасности относятся:

  • Проектирование, строительство, эксплуатация, расширение, реконструкция, техническое перевооружение, консервация и ликвидация опасного производственного объекта.
  • Изготовление, монтаж, наладка, обслуживание и ремонт технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте.
  • Проведение экспертизы промышленной безопасности.
  • Подготовка и переподготовка работников опасного производственного объекта в не образовательных учреждениях.

Во всех перечисленных видах деятельности используются геодезические измерения.

Выделю ТРИ исторически-проблемных аспекта, которые оказывают сильное влияние на промышленную безопасность предприятий в наше время.

  • Ограниченный остаточный ресурс основных средств промышленных предприятий, созданных ещё в до-перестроечные годы.
  • Отсутствие исполнительной и иной документации на промышленные объекты. Часто имеющаяся техническая документация не соответствует реальному состоянию объекта (это уже наследие 90-х годов).
  • Крайне низкий уровень качества работы строительных организаций, осуществляющих реконструкцию, модернизацию или строительство новых промышленных объектов.

Далее в рамках этих аспектов рассмотрим, как инновационные технологии лазерного сканирования и трёхмерного моделирования помогают решать проблемы промышленной безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов.


Статистики подсчитали, что 70 - 75% основных фондов опасных производственных объектов уже выработали свой ресурс, но продолжают эксплуатироваться и по сей день. Согласно теории надёжности, интенсивность отказов сложных технических устройств при 60% износе начинает возрастать по экспоненте, пик приходится на 82%, далее – аварии. А ведь аварии на предприятиях, связанные с порывами трубопроводных систем, обрушением конструкций зданий и сооружений, происходят постоянно с ущербами в виде человеческих жертв, экономических потерь и вреда окружающей среде.

Зависимость отказов технических устройств от степени износа

Поэтому, в условиях отсутствия возможности глобальной модернизации промышленности роль безопасной эксплуатации стареющих объектов существенно возрастает.

Установка на Айёганском месторождении

Экспертные организации чаще проводят технический контроль объекта, существенно увеличивается число контролируемых параметров и методов контроля. Соответственно увеличиваются и расходы предприятий на проведение мероприятий, позволяющих продлить срок службы объекта.

Учитывая многолетний опыт работы в сфере промышленной безопасности, утверждаю, что, например, при обследовании промышленных установок сложной пространственной конфигурации, 50% времени эксперта уходит на геометрическое определение мест контроля, на координацию и отрисовку объекта в абрисе, 20% на непосредственно само обследование и оставшиеся 30% -на оформление результатов в отчет. Все делается "в ручную", поэтому результат достигается медленно и подвержен человеческим ошибкам. Компьютерные средства используются лишь для оформления и для немногочисленных расчётов. Собранная на объекте информация может быть использована лишь под узкие задачи конкретного технического заключения на обследованный объект и не более того.

Облако точек Восточноуренгойской УКПГ

В истории общества немало примеров, когда в подобной ситуации минимизация экономических затрат и повышение качества достигалась за счет привлечения успешных инновационных технологий.

В сравнении с традиционными средствами сбора параметров контроля объекта, современные технологии, аппаратные средства и программное обеспечение, использованные в лазерном сканировании, позволяют существенно ёмче, быстрее и качественнее осуществить сбор геометрической информации на контролируемый объект. Точечная трёхмерная модель объекта (облако точек) получается практически в режиме реального времени. Временные затраты на векторное моделирование сопоставимы со временем непосредственного обследования объекта.

3D-модель УКПГ

Полученные точечные и векторные модели можно успешно использовать в дальнейшей жизни промышленного объекта, проводя следующие мероприятия:

  • Реконструкция и модернизация.
  • Инвентаризация и паспортизация.
  • Создание трёхмерных ГИС трубопроводных систем и агрегатов.
  • Прочностные, гидравлические и иные инженерные расчёты.
  • Деформационный мониторинг объектов, конструкций и сооружений.

Экспертиза промышленной безопасности газоконденсатного месторождения

Чем старее промышленный объект, тем больше ему уделяется внимание как со стороны специалистов предприятия, ответственных за его безопасность, так и со стороны различных надзорных органов. Возникает необходимость постоянного мониторинга опасного объекта. При этом традиционные методы (визуальный и контроль по закреплённым маркам) оказываются не в состоянии своевременно и полно отслеживать возникающие негативные тенденции, а значит, невозможно будет предпринять упреждающие меры. Возрастают риски аварии.

В трёхмерной модели геометрия объекта остаётся фиксированной на дату и время съёмки. Сравнение моделей одного и того же объекта, но снятых в разное время, позволяет наиболее полно и детально отследить все геометрические изменения на всех частях объекта, а не только в контрольных точках.

Объектом мониторинга может быть всё, что имеет твердую форму и не скрыто непреодолимой преградой. Т.е., например, не только технологическая установка, но и грунт вокруг неё, окружающие конструкции и обвязка коммуникациями. Даже гофры и вмятины на трубопроводе или ёмкости доступны для мониторинга. Для воздушного перехода трубопровода,- не только сам трубопровод, но и все опоры, склоны и береговая линия.

Организация комплексного мониторинга позволит наиболее точно и полно контролировать ситуацию на опасном объекте, а значит, своевременно выработать и предпринять необходимые меры по предотвращению аварий.

3D-модель УКПГ


Следующий больной вопрос промышленного объекта – полное или частичное отсутствие исполнительной и иной документации. Имеющаяся техническая документация зачастую не соответствует реальному состоянию объекта. Причины кроются в предыдущей истории каждого объекта. Несколько смен собственников, проведение модернизаций или восстановительных работ после аварий без внесения соответствующих изменений, небрежное хранение или утрата, ит.д. Подобные обстоятельства привели к тому, что крайне мало промышленных предприятий имеют достоверную и полную документацию на свои объекты. Тем не менее, требования промышленной безопасности обязывают эксплуатирующие организации иметь полный комплект достоверной технической документации.

До недавнего времени, полное восстановление исполнительной документации было настолько хлопотным и дорогим занятием, что в полной мере мало-кто мог себе это позволить. Проектные институты запрашивали суммы – в разы превосходящие стоимость проектирования этого же объекта "с нуля". Дороговизна работ обосновывалась необходимостью проведения большого количества измерительных работ, выполняемых на объекте традиционными методами (рулетка, теодолит, тахеометр). Измерения выполнялись "вручную", заносились в абрисы. Соответственно, появлялись ошибки, ухудшалась достоверность, страдала точность.

С появлением лазерных сканеров и методов трёхмерного моделирования процесс проведения измерительных работ на объекте почти полностью автоматизировался. Все делается быстро, достоверно и точно. Сокращение временных и трудовых затрат позволило существенно снизить и стоимость подобных работ.

Первые лазерные сканеры на съёмке оборудования газового цеха

Из реальной электронной трёхмерной модели объекта легко извлекаются необходимые двумерные чертежи, проекции, сечения, срезы и спецификации. Подробнее об этом уже говорилось. Согласно требованиям пром.безопасности, каждый объект должен иметь паспорт с детальным описанием всех его элементов. Диаметр, линейные размеры и габариты устройств – это важная информация для паспортизации. Естественно, выполнять измерения этих параметров элементов быстрее, проще и безопаснее по компьютерной трёхмерной модели, чем на самом объекте.

Нет никаких сомнений, что в ближайшем будущем компьютерные трёхмерные модели промышленных объектов окажутся единственными источниками достоверной технической информации. Каждый объект будет иметь свою единственную модель, отслеживающую его состояние и учитывающую все изменения. В настоящее время в проектировании уже внедрено и успешно работают трехмерные технологии проектирования промышленных объектов, позволяющие на основе трёхмерной модели отслеживать промышленный объект практически по всему циклу его жизни.

3D-модель УКПГ

Таким образом, будущее за "безбумажными" технологиями. Информационно-аналитическая система, базирующаяся на детальной трёхмерной модели объекта и атрибутивной базе данных – вот что заменит исполнительную и другую документацию на каждом объекте промышленности.

Все необходимые изменения на объекте будут изначально отрабатываться на трёхмерной модели. Двумерные чертежи потеряют актуальность, будут генерироваться лишь при необходимости.

В Информационно-аналитическую систему будут поступать оперативные данные о параметрах элементов, в том числе и данные экспертной диагностики. На их основании будут автоматически производится различные инженерные расчёты (прочностные, гидравлические и т.п.) и выдаваться рекомендации по дальнейшей безопасной работе самого объекта.


Экспертное обследование подземного трубопровода

Третий проблемный аспект - низкий уровень качества работы строительных организаций при производстве работ по реконструкции, модернизации существующих и строительству новых промышленных объектов. Это является следствием острой нехватки высококвалифицированных специалистов и кратковременности деловых отношений между предприятиями. Все мы помним, как в 90-е годы инженерно-технические специалисты в одночасье оказались "за бортом" торгово-рыночной эпохи... В наше время ситуация с квалифицированными кадрами только ухудшается. С другой стороны, не-долгосрочность партнёрских отношений между Заказчиком и Подрядчиком возникающие, например, из-за несовершенства тендерной системы, служит для Подрядчика поводом пускаться на различные ухищрения. В погоне за прибылью доходят даже до обмана. Например, легко позволяют себе прокладку посреди болот пару километров трубы из более дешевой стали или с более тонкой стенкой, чем это положено по проекту... При недостаточном контроле результат очевиден – возрастает риск аварии.

В сферу промышленной безопасности среди других входит и технический надзор за проведением работ на объектах повышенной опасности. С годами, роль тех.надзора, авторского надзора и технического аудита неуклонно повышается. В помощь им пришли и современные технологии лазерного сканирования.


В 2008 году нами совместно со специалистами надзорных органов был выполнен ряд интересных проектов. Так, по договору с экспертной организацией (ООО фирма «Самараконтрольсервис») были выполнены геодезические работы по лазерной съёмке и созданию трёхмерной электронной модели объектов ВУ и НУ УКПГ, принадлежащих ЗАО «Роспан Интернешнл». Работы выполнялись с целью проведения технического контроля на соответствие выполненных строительных работ требованиям ПСД и НТД.

В условиях сжатых сроков на проведение технического контроля при повышенных требованиях к точности, выбор современных методов лазерного сканирования оказался единственно-возможным вариантом выполнения задачи. Судите сами, сможет ли инспектор тех.надзора, используя традиционные измерительные средства, с миллиметровой точностью выполнить за месяц измерения на вертикальность и со-осность тысяч свай и опор? Я таких не знаю.

Лазерное сканирование УКПГ в Новом Уренгое

Специалистами отдела производства работ ЗАО НПП «НавГеоКом» за месяц были выполнены полевые работы по сканированию и созданию точечных трёхмерных моделей объектов. ВУ УКПГ было отсканирована в полном объёме, НУ УКПГ – в объёме площади под новым строительством. Спустя два месяца были получены векторные модели указанных объектов. По ним были выполнены сотни исполнительных чертежей строительных конструкций. Вскрылся целый ряд нарушений и несоответствий, обнаружить которые иными средствами не представлялось возможным. Подчеркну, что согласно тех.задания, точность определения пространственных координат местоположения и геометрической конфигурации элементов объекта ±5мм. Полученные материалы были успешно использованы заказчиком для проведения аудита. Созданная же модель объектов долгие годы будет служить достоверным источником информации о конструкциях объекта.

На следующих слайдах представлены примеры измерения в AutoCAD отклонения оси опоры от вертикали и измерение со-осности сваи и опоры в стыковочной плоскости.

Измерение отклонения от вертикали по 3D-модели

Измерение не со-осности свай и опор по 3D-модели

Отмечу, что любые геометрические измерения и вычисления легко производятся и на самой трёхмерной модели, без создания двумерных чертежей.


Строящийся блок изомеризации установки каталитического риформинга
Ещё одним интересным проектом, выполненным в 2008 году стало сканирование этапа строящегося блока изомеризации установки каталитического риформинга, расположенного на территории нефтеперерабатывающего завода ОАО “ЛУКОЙЛ-Ухтанефтепереработка” (г. Ухта, республика Коми). Заказчик – проектный институт ОАО «Омскнефтехимпроект». Цель работ – авторский и технический контроль законченного этапа работ на соответствие проекту.

В прогрессивном институте Заказчика проектирование изначально велось в трёхмерной среде программного комплекса AVEVA, поэтому, осуществление контроля за строительством по полученной от нас точечной трёхмерной модели не вызвало серьёзных затруднений. Массив измерений реальной геометрии объекта (сшитое облако точек) при помощи модуля Leica CloudWorx для PDMS без проблем загрузился в среду проектирования AVEVA. При наложении реальной обстановки (облака точек) на проектную 3D-модель, моментально выявились все мельчайшие нарушения и отклонения от проекта. Естественно, в адрес строителей последовала своевременная реакция института по вскрытым проблемам.

По полученной реальной модели легко осуществляется и контроль хода строительства. Видно, что выполнено и что ещё предстоит сделать.

На представленных ниже слайдах Вы можете увидеть несоответствие геометрического расположения оборудования относительно проекта.

Сравнение проектной модели с построенным объектом

Сравнение проектной модели с построенным объектом

Сравнение проектной модели с построенным объектом

Сравнение проектной модели с построенным объектом

Сравнение проектной модели с построенным объектом

Спасибо за внимание.



В подготовке материалов доклада участвовали сотрудники ЗАО НПП «НавГеоКом»: Александр Кузнецов, Илья Зверев и Константин Максимов. Сравнительные скриншоты по Ухте были предоставлены Натальей Сигаевой (начальник ИТ-отдела «Омскнефтехимпроект»), за что ей большое спасибо!