CC BY
45
УДК 629.5.06.001.2:621.643
К. Н. Сахно
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ КОМПЕНСАЦИИ ОТКЛОНЕНИЙ ТРАСС СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
Введение
Современное судно представляет собой сложный технологический комплекс, состоящий из различного вида оборудования, механизмов и других конструкций, для обеспечения работы которых служат системы трубопроводов. Появление новых многофункциональных типов судов, усложнение применяемого оборудования влечет за собой увеличение количества труб различной конфигурации, которые необходимо компактно размещать на судне. Форма и размеры отдельных труб, необходимые для их изготовления, определяются пространственным расположением всего трубопровода. Традиционная технология и организация постройки судна предусматривает определение пространственного расположения трубопроводов по месту на строящемся объекте, с учетом размещения смежного оборудования, электротрасс и трубопроводов других систем. При этом точность обеспечивается за счет большого объема пригоночных работ, связанных с изменением размеров отдельных элементов труб, сборкой их с большим количеством дополнительных ручных операций по месту.
За последние 30 лет трудоемкость всех трубопроводных работ (изготовление и монтаж на судне) выросла с 5 до 10-12 % от общей трудоемкости постройки судна, а на некоторых проектах, в частности рыбопромысловых судов, - до 14-17 %.
В этих условиях одной из важнейших отраслевых тенденций современного судостроения является повышение эффективности производства путем внедрения технологии предварительного изготовления труб по проектной информации без пригонки по месту. Наличие в проектной документации достоверной информации, достаточной для предварительного изготовления и монтажа отдельных труб, позволяет «запараллелить» работы по постройке судна и сократить сроки выполнения судостроительных заказов. Появляется возможность создания региональных центров, работающих по автоматизированной технологии изготовления труб.
Новая технология предъявляет определенные требования к процессу проектирования, который должен обеспечить точность взаимного расположения труб и оборудования, снижение трудоемкости сборочных работ, повышение качества документации по трубопроводным системам, в частности, базирующиеся на научно обоснованных методах их проектирования. В настоящее время, даже при самом тщательном отношении к процессу проектирования с использованием современных автоматизированных систем, доля предварительно изготавливаемых труб не превышает 60 % [1, 2].
Сохранение проблемы обусловливается необходимостью изменять проектную конфигурацию трасс трубопроводов по месту для компенсации погрешностей изготовления труб, установки конструкций корпуса, изделий насыщения, механизмов и оборудования при сборке судовых систем. Использование в целях компенсации так называемых забойных труб, при их значительном количестве, существенно снижает эффективность от внедрения современных информационных технологий и автоматизированных систем.
Многочисленные корректировки конфигурации происходят на этапе монтажа трубопроводов и требуют дополнительных согласований с проектантом, внесения изменений в электронную модель судна, проведения всего комплекса оптимального проектирования, проверки возможных наложений и ограничений. Решение проблемы достоверности проектирования, максимальное исключение подобного рода корректировок путем научного обоснования компенсации являлось основным направлением исследований.
Цель исследований - повышение эффективности трубопроводных работ, снижение трудоемкости и сроков монтажных процессов путем научного обоснования возможностей компенсации отклонений при сборке трубопроводных систем без применения забойных труб и разработка нового концептуального подхода к проектированию и монтажу трасс трубопроводов с использованием особенностей их конфигурации.
В ходе исследований необходимо было решить следующие задачи:
— выполнить анализ современных методов проектирования и технологий изготовления трубопроводов с целью обеспечить сборку труб в трассы при монтаже систем;
— по результатам анализа сформировать концепцию компенсации отклонений трасс трубопроводов без изменения конфигурации труб;
— на основе разработанной концепции создать математический аппарат для анализа и определения возможных перемещений спроектированной трассы;
— установить возможность компенсации отклонений трасс трубопроводов без применения забойных труб;
— путем теоретических и экспериментальных исследований точности изготовления труб установить взаимосвязь конфигурации и отклонений координатных размеров;
— создать алгоритм решения задачи компенсации отклонений перемещением трасс трубопроводов с использованием разворотов взаимно параллельных участков с соединениями труб;
— разработать методологию проектирования и сборки трубопроводных систем, исключающую необходимость измерения размеров «по месту» для изготовления забойных труб.
Методика исследований носит теоретико-экспериментальный характер. Решение научной задачи ищется в рамках гипотезы о возможности компенсации отклонений трасс трубопроводов без изменения конфигурации готовых труб. Используется математический аппарат аналитической геометрии, векторной алгебры, теории вероятностей и размерных цепей.
Объект исследования - процесс компенсации отклонений трасс трубопроводов в сложных судовых технологических комплексах. Под трассой понимается линия трубопровода, ограниченная жестко фиксированными соединениями. Рассматриваются отклонения геометрической оси трубопровода по координатным направлениям X, У, Z в соответствии с принятыми в судостроении стандартами.
Научная новизна исследований заключается в следующем.
1. Предложен новый концептуальный подход к проектированию и монтажу трасс трубопроводов с использованием особенностей их конфигурации.
2. Впервые выполнено научное обоснование возможностей компенсации отклонений при сборке трубопроводных систем без применения трудоемких операций по изготовлению забойных труб.
3. Разработана концепция компенсации отклонений трасс трубопроводов без изменения конфигурации труб независимо от их диаметров, технологии изготовления и функционального назначения.
4. Создан математический аппарат для анализа и определения возможных перемещений спроектированной трассы.
5. Установлена возможность компенсации отклонений трасс трубопроводов без применения забойных труб.
6. Установлена взаимосвязь конфигурации и отклонений координатных размеров труб.
7. Создан алгоритм компенсации отклонений перемещением трасс трубопроводов с использованием разворотов взаимно параллельных участков с соединениями труб.
8. Разработана методология проектирования и сборки трубопроводных систем, исключающая необходимость измерения размеров по месту для изготовления забойных труб.
Практическая ценность исследований:
— впервые появляется возможность изготовления всех труб по проектной документации без уточнения по месту конфигурации и параметров гибки даже для забойных труб;
— судостроительные предприятия могут отказаться от дорогостоящего оборудования для гибки труб, способствуя созданию региональных центров, работающих по автоматизированной технологии изготовления труб;
— из технологического процесса изготовления и монтажа трубопроводов исключаются трудоемкие операции по изготовлению забойных труб;
- обеспечивается сокращение сроков строительства и повышение производительности путем запараллеливания трубопроводных работ при формировании объекта и снижения, в среднем на 13-15 %, трудоемкости изготовления труб;
- результаты исследования могут применяться в системах CAD/CAM проектирования трубопроводов и технологической подготовки производства;
- результаты разработки могут применяться при проектировании и монтаже трасс трубопроводов, независимо от их диаметров, технологии изготовления и функционального назначения.
В настоящее время, даже при освоении САПР трубопроводов, проектант не может обеспечить полной достоверной аналитической информацией категорию труб, называемых забойными, объем которых, в зависимости от класса и назначения судна, составляет 20-40 % от общего количества труб. Забойные трубы, обеспечивая собираемость, должны компенсировать погрешности изготовления и монтажа труб, установленных в линии, а также конструкций корпуса, изделий насыщения, механизмов, оборудования.
Характерная особенность забойных труб - это то, что они могут быть изготовлены только после монтажа основных труб трассы трубопровода.
В настоящее время известны методы съема координат для изготовления забойных труб с помощью различных измерительных устройств. Однако такой подход не находит широкого применения, т. к., наряду с высокой стоимостью, остается сам факт снятия размеров по месту.
Вопрос о выборе забойных труб решается следующим образом. По существующей технологии в трассах трубопроводов, ограниченных жестко фиксированными соединениями, одну из труб следует назначать забойной. Под жестко фиксированными соединениями понимаются присоединительные элементы конструкции объекта, оборудования, отростков труб. В соответствии с ОСТ 5.0005-81 / РД 5Р.0005-93 /, «в качестве забойных следует назначать трубы простой формы, небольших строительных размеров, с одним или двумя погибами, не имеющие ответвлений. Назначение забойных труб производят при технологической подготовке производства, в процессе проектирования должны быть определены номинальные координаты и размеры на все трубы в линии» [3].
На практике правильность выбора забойных труб целиком зависит от квалификации технолога, его рабочего опыта. И даже высококвалифицированный технолог допускает ошибки, не имея четко разработанной научно обоснованной методики определения компенсирующих звеньев.
Практика показывает, что, вопреки требованиям нормативной документации, трубы с одним погибом не подходят в качестве забойных. В ходе анализа установлено, что труба с отрезками в двух направлениях не может компенсировать отклонение по третьему направлению. Так, в трассе, показанной на рис. 1, забойной выбрана труба с погибом. В данной трассе нет инструментов компенсирования отклонения в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной трассой.
На практике компенсация осуществляется установкой с перекосом фланцевых соединений, в нарушение действующих норм по числу забойных труб и величине допускаемого углового отклонения, что впоследствии приводит к снижению надежности системы и ее раннему выходу из строя. Если использование для компенсации соединений не допускается или конструктивно невозможно, то необходимо изменение исходной трассировки, введение в качестве забойной трубы с двумя погибами и, как следствие, снятие шаблонов, макетов по месту для ее изготовления.
Решение проблемы забойных труб связано с одной из важнейших отраслевых тенденций современного судостроения - повышением эффективности производства путем внедрения технологии предварительного изготовления труб без уточнения размеров по месту.
Рис. 1. Трасса с одним погибом
В ходе исследований по формированию теоретических основ компенсации отклонений в трассах трубопроводов определены условия возможной компенсации отклонений типовых схем трубопроводов.
Прямая трасса (рис. 2) - самый неудобный для монтажа объект. С помощью технологических припусков прямой забойной трубы можно компенсировать отклонения только в направлении одной оси (Х). Допустимой величины перекоса соединений на забойной трубе будет недостаточно для компенсации отклонений по остальным двум осям (У и 7). В результате требуется изменение проектной трассировки, а именно замена прямой забойной трубы на трубу с двумя погибами, чтобы компенсировать взаимное отклонение жёстких соединений концов трассы. Трасса перейдёт в категорию трасс, в которой имеются трубы с двумя или более погибами.
I
3 <
Рис. 2. Прямая трасса
Трасса с одним погибом (см. рис. 1) - возможна компенсация только по двум направлениям и также требуется введение трубы с двумя погибами.
Фактически на судах сборка расположенных между жестко фиксированными соединениями прямых трасс и трасс с одним погибом происходит при большом количестве труб за счет толщины прокладок, случайных перекосов установки соединений (фланцев) в совокупности с разворотами труб, податливости трубопровода.
Трасса с двумя или более погибами (рис. 3) - рассматривается по двум категориям:
1) трасса, состоящая из труб, имеющих не более одного погиба;
2) трасса, в которой имеются трубы с двумя или более погибами.
Трасса, состоящая из труб не более одного погиба (см. рис. 3). В таких трассах, при назначении в качестве забойной трубы с одним погибом, возможна компенсация только по двум направлениям. Для компенсации отклонений по третьему направлению, в нарушение действующих норм по числу забойных труб, необходимо назначение второй забойной трубы.
Трасса, в которой имеются трубы с двумя или более погибами (см. рис. 3) - возможна полная компенсация. Забойной трубой выбирается труба с двумя погибами, т. к. она имеет отрезки, параллельные всем трём осям координат. За счёт припусков на концах трубы можно компенсировать отклонения в двух направлениях. Отклонение в третьем направлении уточняется по месту и компенсируется за счёт новых размеров для гибки трубы.
В результате развернутого анализа и классифицированного рассмотрения прямых трасс, трасс с одним погибом, трасс с двумя или более погибами установлено пять способов компенсации отклонений:
- уточнение размера между погибами по месту;
- установка соединений на трубы с перекосом;
- использование труб с двумя погибами (параллельными отрезками);
- развороты в свободных соединениях;
- использование припусков на концах забойной трубы.
В связи с тем, что основным направлением исследования является максимальное исключение корректировок конфигурации труб, а также чтобы не допустить нарушений действующих норм по обеспечению надежности систем, первые два способа исключены из дальнейшего рассмотрения.
Рис. 3. Трасса с двумя погибами
Выдвинутая, в рамках научной гипотезы, концепция компенсации отклонений трасс трубопроводов без изменения конфигурации готовых труб базируется на научно обоснованных перемещениях трасс трубопроводов с использованием разворотов взаимно параллельных отрезков в местах соединений труб.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сахно К. Н. Научные основы проектирования трасс судовых трубопроводных систем // Судостроение. - 2009. - № 6. - С. 60-63.
2. Сахно К. Н. Основные результаты научных исследований в области трассировки судовых трубопроводов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 1. - С. 88-90.
3. ОСТ 5.0005-81 / РД 5Р.0005-93 / Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Требования к проектированию, изготовлению и монтажу труб по эскизам и чертежам с координатами трасс трубопроводов. - Л.: НПО «Ритм».
Статья поступила в редакцию 1.02.2010
SCIENTIFIC FOUNDATIONS OF COMPENSATION
OF MARINE PIPELINE SYSTEM ROUTES DEVIATIONS
K. N. Sakhno
The problems of pipelines’ designing, manufacturing and assembly are examined. The results of investigations related to scientific grounds of engineering approach of marine pipeline systems designing are given. The results of the development can be used when designing pipeline routes regardless of their functionality.
Key words: pipelines, designing, compensation of deviations.
