CC BY
212
МОРСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 629.5.06.001.2:621.643
К. Н. Сахно
Астраханский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА НАУЧНОГО ПОДХОДА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Общая характеристика
Протяженность трубопроводов судовых систем и систем энергетических установок на современных крупных судах составляет десятки километров. Во всех судовых помещениях проходят те или иные трубопроводы. Их рациональное размещение, увязанное с расположением всего оборудования судна, представляет собой сложную техническую задачу [1].
При этом правильно выбранную трассу трубопровода и расположение всей системы требуется зафиксировать во всех подробностях, обеспечить необходимую информацию цехам по изготовлению и сборке труб и системы в целом. Для этого создается ряд конструкторских и технологических документов. Их формы и степень детализации различаются на разных стадиях проектирования и постройки судна.
В составе технического проекта судна уже содержатся перечень основных систем и их принципиальные схемы. На этих схемах указаны аппараты, механизмы и емкости, а также основные магистрали с их начальными, конечными и основными промежуточными монтажными базами. В спецификациях к схемам даны материал труб, их диаметры и толщины стенок. Кроме схем составляют заказные ведомости, программы испытаний и другие проектные документы.
По мере разработки рабочих чертежей производят уточнение и детализацию схем технического проекта с различной степенью подробности, которая зависит от сложности систем, насыщенности ими судовых помещений, а также от серийности постройки и особенностей организации трубозаготовительного производства на заводе-строителе.
Наименее детализированными являются принципиальные схемы систем. По содержанию они аналогичны схемам из технического проекта, но содержат некоторые дополнительные сведения об арматуре, а также о приводах, измерительных и контрольных приборах и т. д. На принципиальных схемах отсутствуют указания о трассе, т. е. о фиксированном расположении труб. Трасса ранее выбиралась трубопроводчиками на судне с учетом требований доступности, удобства обслуживания, уменьшения числа погибов и др. Разумеется, трубопроводчики не могли предусмотреть
размещения всего насыщения строящегося судна, они могли не знать и некоторых условий эксплуатации, не учитывали другие трубопроводы. В результате часть из сделанных по принципиальным схемам трубопроводов приходилось впоследствии переделывать или смещать.
Изготовление трубопроводов по такой неполноценной документации в современном судостроении не допускается. Однако принципиальными схемами пользуются для общего монтажа, приемки и испытания системы. Для изготовления трубопроводов конструкторскими бюро выпускаются монтажные чертежи системы. При их разработке выбираются трассы трубопровода, по возможности спрямленные и наименьшей длины. Трассы увязывают с расположением оборудования и корпусных конструкций, с магистральными кабельными трассами, а также со смежными трубопроводами. На монтажных чертежах указывают координаты трасс. В чертежах корпусных перекрытий (переборок, палуб, платформ и т. д.) предусматривают установку соответствующих переборочных и палубных стаканов, приварышей и другой арматуры с точным указанием расположения. Монтажные чертежи выпускают обычно не на всю систему, а на «технологический комплект», т. е. на планово-учетную единицу, установленную для данного судна в соответствии с принятыми технологическими этапами постройки. Технологическим комплектом может быть, например, целая система в отдельном районе судна или часть нескольких систем, расположенных в одном и том же районе. В последнем случае на чертеже показывают трубы нескольких систем. Такой чертеж называют совмещенным монтажным чертежом, причем его иногда выполняют в нескольких проекциях, чтобы точнее показать форму каждой трубы. Технологический комплект по системам может состоять из ряда комплектов, а те, в свою очередь, из сборочных единиц. Например, сборочной единицей является труба с отростками и фланцами.
Для изготовления сборочных единиц трубопроводов иногда выпускают чертежи. Однако для большинства труб на основе монтажных чертежей в технологических (а не в конструкторских) отделах на заводе составляют технологические эскизы труб. Эти эскизы входят в состав технологических карт, по которым в дальнейшем изготовляют трубы в цехах. Выбор трассы системы и определение формы отдельных труб производят при разработке монтажных чертежей. Оптимальное решение этой задачи для каждой системы, особенно в районах с большим насыщением, оказывается весьма сложным. В последние годы разработан метод проектирования трубопроводов с использованием масштабного макетирования. Для этого изготовляют в масштабе 1:10 или 1:5 макеты наиболее насыщенных судовых помещений (например, машинных отделений, постов энергетики, рубок и т. д.). На основе макета выпускаются монтажные чертежи трубопроводов (в нескольких проекциях), располагаемых в макетируемом помещении. На них наносят координаты труб относительно реально существующих корпусных конструкций (например, от двойного дна, палубы, переборки и т. д.), а также координаты изгибов, начала отростков, клапанов, фильтров и т. п. Координат должно быть достаточно для однозначного определения
размеров каждой трубы. Кроме того, указывают номера труб по спецификации.
Рабочим документом для изготовления сборочных единиц в цехах является технологическая карта. На ней без точного соблюдения масштаба изображена схема расположения погибов и обозначены координаты отростков, штуцеров и приварышей. Технологическая карта является исходным документом для составления программы гибки трубы на станках с программным управлением.
Наиболее современным методом отработки оптимального расположения трубопроводов при проектировании является метод математического моделирования трубопроводов на ЭВМ, применяемый фирмами Финляндии, Японии, Швеции, Англии, США. Этот метод, кроме применения ЭВМ, предусматривает трассировку трубопроводов при помощи коридоров, выделяемых в рассматриваемом помещении.
Японская фирма Hitachi Zosen по аналогам финской фирмы Wartsila разработала систему автоматизированного проектирования судовых трубопроводов HICAS-P, которая содержит функцию расчета оптимального маршрута, используя выделенные коридоры. В расчете оптимального маршрута используются данные трубного коридора и данные для конечных точек линии трубопровода (рис. 1).
Рис. 1. Расчет оптимального маршрута Route - маршрут; Passage - коридор; Point - точка; Terminal - конечная точка
Широкое применение получили разработки шведской фирмы Kockums Computer Systems, в частности семейство программных продуктов TRIBON. Прокладка трубопроводов является главным приложением
данного пакета. На основании выбранных стандартных элементов выполняется интерактивное трехмерное моделирование элементов трубопроводов с проверкой возможных наложений и технологических ограничений, накладываемых возможностями оборудования верфи.
При отсутствии в проектной документации эскизов и чертежей с координатами трубопроводов отработку и увязку конфигурации расположения трасс трубопроводов производят по месту на судне при снятии шаблонов и пригонке трубопроводов. Шаблоны, определяющие конфигурацию отдельных труб и трассы в целом, изготовляют в соответствии с монтажным чертежом и местными условиями на судне. До прокладки трасс трубопроводов в помещении устанавливают все монтажное насыщение и арматуру (или их макеты), связанные или граничащие с трубопроводами. Затем размещают шаблоны и увязывают все трассы и группы трубопроводов, входящих в данное помещение. Взаимную увязку трасс трубопроводов, смонтированных из шаблонов, проверяют протаскиванием по ним габаритной шайбы, учитывающей диаметр труб и фланцев, изоляцию и необходимые зазоры.
Затем трассу разбирают, шаблоны маркируют и передают в цех для изготовления по ним труб. Проволочные шаблоны выполняют из малоуглеродистой стали диаметром 8-12 мм.
Снятие шаблонов требует готового объекта монтажа и препятствует изготовлению труб «в задел», что не позволяет запараллелить работы по постройке судна и сократить сроки выполнения судостроительных заказов. В связи с этим очень важно иметь в проектной документации чертежи трубопроводов и как можно больше труб изготавливать по чертежам (эскизам).
В настоящее время невозможность монтажа значительной части спроектированных труб создала ситуацию, при которой ЦКБ-проектанты разрабатывают два вида принципиально отличной документации:
- большая часть ЦКБ ограничивается выпуском безразмерных монтажных схем трубопроводов, по которым изготовление труб выполняется по шаблонам;
- отдельные ЦКБ выпускают документацию в соответствии с ОСТ 5.0005-81 (РД 5Р.0005-93) с разработкой чертежей и карт-эскизов труб на ЭВМ.
Актуальность
Среди причин, препятствующих эффективному внедрению в производство технологии изготовления труб по чертежам (эскизам), существенное значение имеет недостаточное исследование точности изготовления труб и недооценка ее влияния на отклонения трубопроводов. При технологии изготовления труб по шаблонам точность обеспечивается за счет большого объема пригоночных работ, связанных с изменением размеров отдельных элементов трубы, сборкой ее с соединениями и отростками. Использование аналитической информации при изготовлении труб позволит сократить объем пригоночных работ, составляющих в среднем до 28 % от общей трудоемкости изготовления труб.
Эффективное решение этой проблемы может быть достигнуто в результате совершенствования системы допусков.
Большинство существующих допусков на изготовление и монтаж трубопроводов представляет собой результат статистического обобщения практического опыта изготовления труб. Такой принцип назначения допусков характерен также для ОСТ 5.0005-81 (РД 5Р.0005-93), регламентирующего основные требования к проектированию и изготовлению труб. Однако подобный подход к назначению допусков не может удовлетворить требования монтажа трубопроводов.
Рассматривая основные недостатки существующей системы допусков и возможные пути их устранения, можно отметить следующее.
Отсутствует дифференцированный подход к оценке точности трубопроводов в зависимости от затесненности помещений и жесткости трубопроводов. Затесненность монтажа и жесткость трубопровода являются основными критериями, которые должны лежать в основе назначения точности труб. С одной стороны, величина отклонения труб должна быть такой, чтобы трасса трубопровода не выходила за пределы «монтажного коридора», величина которого регламентируется степенью затесненности помещений, с другой - отклонения труб не должны вызывать дополнительных напряжений и снижать эксплуатационную надежность соединений трубопроводов. Для обеспечения сборки труб и снижения пригоночных работ при монтаже трубопроводов необходимо выполнить размерный анализ отклонений деталей корпусных конструкций, механического оборудования, предметов насыщения и составляющих звеньев трубопровода.
Недостаточная изученность этого вопроса объясняется тем, что при изготовлении шаблонов и гибке по ним труб существует возможность компенсации накопившихся отклонений. Новая технология исключает такую возможность, предъявляя тем самым дополнительные требования к процессу проектирования, который, с учетом накопившихся отклонений, должен обеспечить точность взаимного расположения труб и оборудования, повышение качества документации в целом и по трубопроводам в частности.
Постановка задач
Последние годы характеризуются определенными усилиями в разработке систем автоматизации проектных работ (САПР) трубопроводов на основе математического моделирования и использования ЭВМ с обеспечением выпуска чертежей трубопроводов с координатами трасс и технологической документации для изготовления труб без пригонки «по месту».
Одним из основных критериев оптимального проектирования трубопроводных систем является стоимость и экономическая эффективность. В связи с этим при проектировании трубопроводных трасс используется принцип, при котором в начале определяется расположение наиболее дорогостоящих участков трубопровода, состоящих из труб большего диаметра, изготовленных из более дорого материала; затем прокладываются менее дорогостоящие и т. д. В результате, при проектировании сложного
технологического комплекса, получаются трассы, состоящие из труб различных конфигураций, диаметров и материалов. Использование САПР трубопроводов на основе математического моделирования значительно упрощает задачу, однако выбор конфигурации труб ограничен и зависит от окружающих помех (корпусных конструкций, механизмов, оборудования, смежных трубопроводов). С учетом этих обстоятельств постановка задачи исследования взаимосвязи конфигурации и отклонений координатных размеров труб рассматривается как важнейший шаг по выработке научного подхода к расчету отклонений трасс трубопроводов.
Методика исследований носит теоретико-экспериментальный характер. Используется математический аппарат аналитической геометрии, векторной алгебры, теории вероятностей и размерных цепей.
Процесс получения труб различных конфигураций связан с выполнением операций резки и гибки труб. Именно от точности выполнения указанных операций зависят возможные отклонения координатных размеров труб. Резка и гибка труб выполняется на оборудовании, указанном в ОСТ 5.95057-90. Гибка труб осуществляется в холодном состоянии методом наматывания с применением калибрующей пробки на станках с ручным, полуавтоматическим и автоматическим управлением. В процессе холодной гибки в результате деформирования происходит изменение физико-механических свойств материала. В этом направлении широко известны и нашли применение исследования, связанные с аналитическим выражением зависимостей между напряжением и деформациями при упругопластическом изгибе труб; деформацией стенок и удлинением труб при холодной гибке; воздействием изгибающих моментов и пружинением при холодной гибке труб.
Теоретические и экспериментальные исследования составили основу расчетной методики (ОСТ 5.0005-81 (РД 5Р.0005-93), определяющей размеры для гибки с учетом удлинения и пружинения труб.
Процесс гибки в общем случае состоит из трех основных операций:
- продвижение (установка размера до начала погиба);
- погиб;
- разворот (установка угла между плоскостями погибов).
При исследовании влияния погрешностей на отклонения координатных размеров трубы важным требованием является учет направления гибки и, как следствие, используется понятие направленного отрезка, или вектора. Теоретическая ось трубы представляется ломаной с векторными звеньями L1, L2,..., L1.
Отклонение (Аг) любой точки трубы (точки M(x,y,z)) под влиянием погрешности погиба (аг) (рис. 2) определяется соотношением
(
Уа,
= Я'
У' Z'
(X ^ У
V кZJ
L
Я"
( X "^ У"
Z "/У
где Я'
V
является решением системы уравнений:
( ( ът (т П\Х\
008
а+ агооо8
N •(Ц - Я)
N • |L - Я
VII 1/у
N • Я'
N • Я'
Ц - Я" = Я'
Я'^ •(д - Я") = 0
(Xл ' х - Х+1 "
д У = У - У 2+1
V 2 / V Z - ^+1 /
Я" У" = N N
V 2" у V N у
(Ц XА+1 )• L
д. X д.
; N = (дх(Ц XЦ+1)).
М'
Рис. 2. Влияние погрешности погиба на отклонения координатных размеров труб
Заключение
Дальнейшие исследования в указанном направлении связаны с математическим описанием методов компенсации отклонений в трассах трубопроводных систем.
Следует четко разделить задачи и дать по ним более глубокие изыскания:
1. Метод прокладки трасс. Решение задачи связать с аналитической и пространственной геометрией, учесть компьютерную методику, линейное программирование и другие математические теории.
2. Анализ точности изготовления отдельных элементов трубопроводов по классификации их конструкций. Дать глубокий анализ технологических погрешностей при изготовлении, рассмотреть вероятностные задачи появления погрешностей, их расчет и прогнозирование.
3. Точность сборочных процессов при монтаже трубопроводных систем. Подробнее и глубже использовать теорию размерных цепей.
4. Обобщенные инженерные методы проектирования, изготовления и монтажа трубопроводных систем с учетом вышеприведенных теоретических исследований.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Сахно К. Н. Исследование влияния погрешностей изготовления на точность координатных размеров труб сложных судовых технологических комплексов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб.: СПбГМТУ, 2000. - 24 с.
Получено 15.02.03
WORKING OUT SCIENTIFIC APPROACH FOR SOLVING ENGINEERING PROBLEMS,
PRODUCING AND ASSEMBLING VESSEL PIPELINES
K. N. Sakhno
In the article there are shown peculiarities of engineering pipelines, problems of producing and assembling pipes. There are given grounds of scientific approach to the problem of deflection reduction in collector roads.
