Специалисты Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) разработали методику цифровых двойников, которая поможет повысить прочность стальных канатов для нефтедобывающих установок. Результаты их исследования опубликованы в журнале The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.
Как поясняют ученые, на большинстве нефтяных скважин мира используются штанговые насосы. На них в качестве привода установлены станки-качалки, соединенные с насосом, погруженным в скважину, стальной штангой. В последние годы штангу стали заменять специальным стальным канатом, что позволяет размещать насос в наклоненной скважине малого диаметра.
Вместе с тем возникла проблема с эксплуатационной надежностью таких канатных штанг — из-за недостаточной прочности они приходят в негодность, а это тормозит процесс нефтедобычи. Поэтому оптимизация их конструкции — одна из практических задач, отметили в ВолгГТУ.
Традиционно стальные тросы и канаты проектируют согласно научно-технической документации и экспериментально определяют, какое усилие они способны выдержать. Но алгоритмы расчета прочности не могут учесть всех конструктивных особенностей, например размера и формы проволок в слоях или величину зазоров между проволоками.
Поэтому специалисты из ВолгГТУ разработали метод расчета необходимых параметров для сборки каната с помощью его цифрового двойника — создавая детальную компьютерную 3D-модель каната и подбирая оптимальное соотношение параметров.
"В результате исследования сделан вывод о достоверности компьютерного моделирования поведения при различных схемах нагрузки на сложную многоэлементную систему, которой является закрытый многослойный стальной канат", — рассказал заведующий кафедрой "Материаловедение и композиционные материалы" ВолгГТУ Леонид Гуревич.
По его словам, исследователям удалось выявить влияние минимальных изменений размеров элементов конструкции на распределение напряжений и деформаций по изделию.
Далее спроектированный канат изготавливают в металле и передают для натурных испытаний. Это позволяет уменьшить количество повторяющихся дорогостоящих тестов.
Цифровой двойник дает возможность проверить несколько альтернативных вариантов соотношения параметров, выявить достоинства и недостатки каждого и выбрать оптимальный, а в итоге — сэкономить не только деньги, но и время при постановке на производство новых видов конструкции, пояснил эксперт.
"Сейчас мы разрабатываем оптимальный канат, будем уточнять наиболее соответствующие диаметры проволок, зазоры между ними и сопоставлять результаты внесения различных изменений. По нашим расчетам, метод позволит повысить нагрузочную способность канатной штанги нефтедобывающих установок на 20 процентов", — продолжил Гуревич.
Он обратил внимание на то, что расчет свойств проволочных изделий методом компьютерного моделирования уже опробовали при конструировании проводов воздушных линий электропередач и грозозащитных тросов. Прочность разработанных образцов оказалась выше, чем у тех, что уже используются в промышленности.
Дальнейшей задачей научного коллектива Гуревич назвал объединение возможностей с ведущими производителями канатной продукции для выпуска высококачественных стальных компонентов нефтедобывающих установок.
Исследование проводилось в рамках стратегического проекта ВолгГТУ по программе "Приоритет-2030". Всего у вуза четыре подобных проекта, в том числе "Центр цифровых научно-образовательных проектов и разработок" и "Технологии для промышленного инновационного кластера".