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].

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].

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 δопт технологического оборудования и минимизации трудозатрат [3]:

где δопт — оптимальная норма обслуживания; Зпр.ст. — оценочный показатель экономической эффективности технологического оборудования, работающего в составе РТК; Зпр.р. — оценочный показатель 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):

где µн — параметр надежности; µртк — коэффициент, характеризующий техническую работу роботизированного комплекса или модуля; µто — коэффициент, характеризующий степень использования технологического оборудования; θр — время работы РТК за установленный период; θс — 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 (Y, Z), где Y — 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.

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).

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 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.