基于仿真技术的石油集输系统设备的设计与实现

张招

摘 要：石油集输系统设备众多且贵重复杂，设备工作原理仿真可以直观地将设备工作过程表现出来，帮助集输工更好的认识、操控、掌握集输系统设备，提高了集输工的培训效率，降低了石油线路危险事故发生的概率。利用仿真技术，对设备进行三维建模、动画仿真、渲染输出，最终得到输油系统设备工作原理的三维仿真动画。

关键词：石油集输系统；仿真技术；三维建模；仿真动画

中图分类号：TE866 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）09-0013-02

石油集输系统的石油线路安全是首要关注的重点，是系统高效运作的保障，而且关乎石油线路工作人员的生命安全。因此，需要集输工深入把握相关设备的工作原理，以保证设备的高效运作。特别是集输系统具有设备多、系统杂、技术难等特点，学习把握起来具有相当的难度，而且有些设备是从国外进口的，价值较高且工艺更加复杂，因此，掌握其技术工艺、工作原理就更加重要，但往往又较难实现，即使是理解更多得也是出于表面理论的简单理解，对于内部原理、故障维修等较难从实质上掌握。为了便于石油线路工作人员能够更好地维护设备、操作展示设备工作的内部原理，有助于集输工深入把握系统设备的工艺、技术，在出现问题的时候能及时解决处理，进而利于石油线路故障的发生，提高了石油线路的运作效率，最终提供石油生产效率。

1 仿真技术框架

1.1 系统技术概述

对设备工作原理进行仿真建立在对其结构科学认识、原理的细致剖析基础之上，进而利用三维建模技术和动画成像技术来实现仿真过程，主要的技术框架，如图1表示。

1.1.1 建模技术

三维建模的仿真技术广泛应用于机械设计方面，可以通过Solid works， Auto CAD，3Dmax等软件来实现，也有应用特点。对于相关技术平台的选择要建立在资料的现实性、科学性和原始性分析基础之上。通过阅读相关的设备说明书、文献资料等，结合对应的所属设备的现场调研、取证与结构的特性，构造出符合实际的三维造型。

1.1.2 仿真技术

石油设备类型多、结构复杂，对不同类型的多种设备进行系统得学习，了解、熟悉并能熟练掌握其工作原理，才能进行正确的系统设计。其中对于集输系统里面的各种泵、阀、计量器、过滤器等设备的原理仿真设计，同样要对其原理深入把握、充分理解，以尽可能降低设计误差。

1.2 石油集输系统设备分析

1.2.1 原理分析

在进行设备系统进行仿真前，要对石油集输系统主要设备的工作原理进行详细分析，这是一个基础。通过对蝶阀和水平中开多级离心泵设备来说明这一过程。

蝶阀是截止阀的一种，或者称为翻板阀，可以作为低压管道介质的开关控制，结构比较简单，属于调节阀。蝶阀的关闭件的形状为圆盘状，通过阀轴的绕中心转动来实现开启、关闭动作。可以作为空气、各种液体（包括腐蚀性介质、油品、液体金属、带放射性物质）、相应的气体等的控制切断和节流的阀门。作为蝶阀启闭功能的圆盘状碟版通过轴动来实现开启、关闭、调节的作用。具体过程为通过手动来使手轮进行旋转，使得阀杆旋转起来，进而作用到了阀杆轴承，并带动了阀芯，最后控制液体的导流。

水平中开多级离心泵起到排送各种污水、具有腐蚀性的液体或是清水，经常被用在城市的供水、电站排水、工长或矿山给排水、农田排灌与各种水利工程。水平中开多级离心泵启动后，电动机通过联轴器使泵叶转动，使得通过的液体随着叶轮的叶片共同转动，产生的离心力将液体经过叶片流道、蜗壳一直推动到打开出口阀门的排出管。叶轮的旋转产生的机械能传递给液体，形成压力能与动能，利用这些能量液体到达下一个位置。如图2所示。

1.2.2 设计方案

熟悉了各个设备的工作原理，利于在方案设计时候能够综合考虑，以最大程度的减少运作过程中的操作误差，防止返工与错漏的发生。为了使得发挥出最大的工作效用，一般来说高效的设计方案要注意一些程序。

首先要对各种设备的构造原理、主要功能进行了解，通过各种期刊文献的检索把握相关文献资料，其中网络上的图片、视频等也是重要的参考资料。

其次，对设备的结构尺寸等数据进行CAD数据建立，并将数据导入到3Dmax中以建立起三维仿真模型；

第三，依据设备的工作机理，在上述模型上进行动画制作；

第四，将上述动画进一步设置实现视频效果的输出。

2 石油集输系统设备三维仿真模型的构建

2.1 建模要点

模型建立是系统仿真过程的重点，也是保证仿真信度的基础。一个高效的模型要尽量使模型面数减少，防止多余面片的出现。可以利用石油系统设备的一些特点来优化建模过程，如利用对称性质，通过一个面度的建立来实现具有对称特点面度的构建。有些结构部件具有同一性，一个部件的建立好后，利用复制的方法实现其他部件的建模。这一点在众多的螺丝和螺母中较为突出，可以减少相同工作的工作量。同时，注意对部件进行合适的命名，一个合理的命名也可以减少不必要的麻烦，方便在众多类型部件中的查找、检索，减少不必要的时耗。

2.2 建模过程

通过蝶阀手轮的建模来说明设备建模的基本过程，运用的主要工具为CAD，3Dmax等。通过CAD来构建边界轮廓，然后将具体尺寸输出3Dmax中。在手轮线条修改界面中，点选“在视图中启用”和“在渲染中启用”按钮可以变动其厚度、变数等参数。在修改器中点选“挤出”选项来对中间轴盘心的段数进行更改设置，应用box对模型进行扩展，并通过不断调整、美化等来细化，同时借鉴现实素材处理材质贴图。在反复修改、对比、借鉴的基础上得到需要的手轮成品模型。蝶阀中的其他部件，如蝶阀切入式阀座、阀芯等，也是类似的建模步骤，通过部件的整合最终得到蝶阀模型。水平中开多级离心泵的建模也是类似过程，虽然其结构较为复杂。具体的过程先两边动力轴，再外壳，再内部，每形成一个部件就要形成相应的名字，为后续的检索、修改打下基础，节省建模时间，提高效率，通过不断得修改完善建立起水平中开多级离心泵模型。