CC BY
275
УДК 629.5.06.001.2:621.643
К. Н. Сахно
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
K. N. Sakhno
DEVELOPMENT OF SHIP PIPELINE MOUNTING AND MANUFACTURING TECHNOLOGIES AND THEIR ECONOMICAL SUBSTANTIATION
Проведён анализ технологических особенностей изготовления и монтажа судовых трубопроводов. Разработаны технологии изготовления и монтажа труб, способствующие сокращению количества циклов постройки и их продолжительности, снижению трудоёмкости трубопроводных работ при выполнении судостроительных заказов и повышению на этой основе эффективности судостроительного производства.
Ключевые слова: трубопроводы, изготовление, монтаж.
The analysis of technological features of ship pipeline mounting and manufacturing is carried out.
Pipe mounting and manufacturing technologies are developed. They are directed to reduction of building cycles and decrease of labor intensiveness of pipeline works when carrying out ship-building orders and on this basis increase of ship-building production efficiency.
Key words: pipelines, manufacturing, mounting.
Современное судно представляет собой сложный технологический комплекс, состоящий из различного вида оборудования, механизмов, корпусных конструкций, для обеспечения работы которых служат системы трубопроводов. Появление новых многофункциональных типов судов, усложнение применяемого оборудования влекут за собой увеличение количества труб различной конфигурации, которые необходимо компактно размещать на судне. Форма и размеры, необходимые для изготовления отдельных труб, определяются пространственным расположением всей трассы трубопровода.
Традиционные технологии изготовления и монтажа систем трубопроводов предусматривают их трассировку по месту на строящемся объекте, с учётом размещения оборудования, корпусных конструкций и различных систем. При этом необходимая точность достигается значительным объёмом пригоночных работ, связанных с изменением размеров отдельных элементов труб, сборкой их с большим количеством дополнительных ручных операций по месту, а также с применением специальных технологических шаблонов.
Повышение эффективности производства путём внедрения новых технологий изготовления труб по проектной информации без пригонки по месту является важнейшей тенденцией современного судостроения. Наличие в проектной документации достаточной информации для предварительного изготовления и монтажа труб позволяет совместить работы по постройке судна и сократить сроки выполнения судостроительных заказов. Кроме того, создаются предпосылки для формирования региональных центров, работающих в автоматизированном режиме изготовления труб.
Новые технологии предъявляют определенные требования к процессу проектирования трубопроводов и систем, который должен обеспечить: точность взаимного расположения труб и оборудования; снижение трудоёмкости сборочных работ; повышение качества и достоверности документации по трубопроводам судовых систем, обусловленное научно обоснованными методами их проектирования, с обеспечением возможности изготовления наибольшего количества труб окончательно без шаблонов, макетов или пригонки на судне; увеличение доли окончательно изготавливаемых труб с 40 до 60-70 %.
При твёрдотельном проектировании систем трубопроводов с использованием автоматизированных программных средств, все трубы имеют проектную информацию о размерах и конфигурации. Некоторые проектные организации разрабатывают для гибки труб также и технологические эскизы. На судостроительных предприятиях по этой проектной информации изготавливается заранее только 40 % труб. Это трубы трасс, расположенных в малонасыщенных поме-
щениях, где нет опасности, что изготовленные в пределах существующих допусков трубы не разместятся из-за помех в виде соседних конструкций (табл. 1) [1]. В составе каждой трассы, ограниченной жёстко фиксированными соединениями, не изготавливается одна труба, называемая забойной, являющаяся компенсационным звеном [1-4]. Эта труба должна компенсировать все неточности изготовления корпуса, установки оборудования и изготовленных «в задел» труб. Компенсация осуществляется за счёт её новых конфигурации и размеров, отличающихся от проектных на 30-120 мм [2] и выявившихся после монтажа остальных труб. Для того чтобы смонтировать трубопровод, несоосность трассы и жёсткофиксированного соединения должна быть в пределах 0,3-2,0 мм [2]; этого и добиваются за счёт фактически необходимой конфигурации и размеров забойной трубы.
Таблица 1
Предельные отклонения размеров замыкающих прямых участков труб, мм
Количество погибов труб Диаметр труб, мм
До 130 включительно Свыше 130
От 1 до 2 5 10
3 и более 10 15
Таким образом, монтаж трассы трубопровода, ограниченной жёсткофиксированными соединениями, осуществляется в два этапа:
- монтаж основных труб;
- монтаж забойной трубы.
Трубы первого этапа можно изготавливать окончательно «в задел» независимо от готовности объекта монтажа (секции, зонального блока, корпуса).
Если бы в качестве забойных труб можно было использовать прямые трубы, как это предлагалось первоначальными нормативами [3, 4], или простые трубы с одним погибом, как это уточнено в действующих нормативных документах [1], то они тоже могли бы изготавливаться заранее, но только в качестве заготовок с припусками на торцах. Однако такие трубы не могут компенсировать возникающие при монтаже труб отклонения по всем трём координатным направлениям.
Для обеспечения такой возможности забойная труба всегда должна иметь не менее двух погибов. За счёт припусков на концах трубы можно компенсировать отклонения в двух координатных направлениях. Отклонение в третьем направлении уточняется по месту и компенсируется за счёт полученного размера для гибки трубы. Поэтому забойные трубы не могут быть изготовлены заранее, т. к. размер между погибами используется в качестве компенсации отклонений и будет известен только после монтажа основных труб каждой трассы.
Монтаж труб, изготовленных по проектной информации, будет производиться не одновременно, а отдельными частями в соответствии с разработанной технологией и графиком строительства судна. Например: монтаж трасс, проходящих из шахты машинного отделения в район рубки, можно начинать только после установки рубки, которая произойдёт не ранее окончания формирования судна или отдельного строительного блока, а монтаж труб междудон-ного пространства непосредственно в секции - ещё до закладки судна на стапеле (рис. 1).
Рис. 1. Трубопроводы в междудонном пространстве
Именно поэтому и информацию для изготовления забойных труб можно будет определить только для части трасс. Чем больше в графике постройки судна будет этапов, по окончании которых возможен монтаж труб, тем быстрее будет идти строительство судна. Это происходит за счёт того, что после монтажа труб в этих районах можно проводить работы по прокладке кабеля, изоляционные, малярные и другие работы. Но эти работы можно начинать не после установки заранее изготовленных труб, а только после монтажа и забойных труб в этом районе судна.
Таким образом, изготовление забойных труб будет разбито на партии, соответствующие этапам постройки судна, что увеличит трудоёмкость этих работ за счёт увеличения количества подготовительно-заключительных операций (доставка соединений, арматуры, заготовок труб, сварочного и режущего оборудования др.), а также гибки труб малыми партиями.
Рассмотрим, как происходит гибка на трубогибочных станках.
Г ибка каждого типоразмера труб по диаметру и толщине стенки осуществляется с использованием индивидуальной для данного типоразмера набором оснастки.
В состав сменной оснастки входят: гибочный диск, прижим, ползун и дорн. При смене дорна производят наладку его положения по отношению к началу погиба, а дорн меняется даже при гибке труб одного диаметра, но разной толщины стенки. Если на одной трубе необходимо выполнить погибы разного радиуса, то гибочный диск придётся менять для гибки каждого погиба.
Рассмотрим, как влияет количество труб в партии на трудоёмкость гибки одной трубы, на примере гибки труб диаметром 45 х 3 мм. Трудоёмкость гибки составляет 0,15 ч; наладка станка занимает 0,8 ч. Искомая трудоёмкость будет рассчитываться по известной формуле [5, 6]:
Т
Т = Тг + ,
п
где п - количество труб в партии.
Построим график (рис. 2), который показывает, что с увеличением количества труб в партии трудоёмкость Т снижается, стремясь к трудоёмкости гибки Тг.
т 1£ 0,8-| 0,61 0,4 г£ 0,2
I-
04
1 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Количество труб в партии п, шт.
Рис. 2. Расчётная трудоёмкость гибки
Все трубы первого этапа имеют необходимую информацию для изготовления с момента получения проектной документации. Это даёт возможность независимо от готовности этапов постройки судна и районов расположения трубопроводов начать их изготовление, сгруппировав трубы по диаметрам и толщинам стенок, что позволит выполнить операции гибки всех труб одинакового типоразмера с одной наладкой оснастки трубогибочного станка. Трубы, имеющие достоверную с точки зрения заводских работников информацию, составляют 40 % от всех труб судна - это достаточное количество для организации эффективной работы трубогибочного оборудования. Оставшиеся 60 % включают в себя трубы, по разным причинам не имеющие информации для изготовления или эта информация вызывает сомнения из-за большой насыщенности района судна, в котором они располагаются (32 %), а также - забойные трубы (28 %), которые до монтажа труб, входящих в 40 и 32 %, не могут иметь информацию для их изготовления (рис. 3).
28 % 40 %
Рис. 3. Технологические группы труб: 1 - трубы, изготавливаемые по проектной информации;
2 - трубы, изготавливаемые по размерам с места; 3 - забойные трубы
Каждая группа труб сопоставима по своему объёму, но информация для изготовления труб второй и третьей группы (32 и 28 % соответственно) будет появляться не одновременно, а в соответствии с графиком постройки судна частями в объёме труб, которые необходимо смонтировать на конкретном этапе постройки. В связи с этим гибка труб одного типоразмера будет происходить неединовременно. Изготовление труб, входящих во вторую группу, можно начинать только после монтажа заранее изготовленных труб, а труб, входящих в третью группу, т. е. забойных, - после монтажа труб первой и второй групп.
Рассмотрим последовательность трубопроводных работ, проводимых в отдельном районе судна, в котором в соответствии с графиком постройки необходимо осуществить монтаж систем трубопроводов:
1. Монтаж труб, изготовленных «в задел» по проектной информации.
2. Снятие размеров для гибки забойных труб образовавшихся трасс.
3. Проверка или определение информации для изготовления труб остальных трасс, расположенных в этом районе, за исключением забойных труб этих трасс.
4. Изготовление труб пункта 3.
5. Монтаж труб пункта 3.
6. Снятие размеров для гибки оставшихся забойных труб.
7. Заготовка (гибка) забойных труб1.
8. Пригонка соединений забойных труб на судне или, при наличии специализированных стендов, - в цехе.
9. Окончательное изготовление забойных труб (сварка установленных соединений, химическая обработка и др.).
10. Монтаж забойных труб.
11. Испытание трубопроводов на плотность.
Таким образом, чтобы в соответствии с графиком постройки судна осуществить монтаж систем трубопроводов в помещении, районе или на объекте, необходимо обеспечить возможность выполнять трубопроводные работы на судне в четыре этапа: 1) 1 + 2 + 3; 2) 5 + 6; 3) 8, если пригонка соединений выполняется на судне; 4) 10 + 11. Временные разрывы между этими этапами довольно большие и определяются выполнением как обычных операций, необходимых для изготовления труб - резка, гибка, сварка, так и операций, зависящих от функционального назначения трубопроводов - химическая очистка по 1 и 2-й группам, холодная или горячая оцинковка, различные виды изоляции. Время на выполнение указанных операций можно довольно точно рассчитать и спланировать, если все эти операции можно выполнить на предприятии - строителе судна. Однако не все предприятия имеют производственные участки для требуемых проектом видов химической обработки, горячей оцинковки. Большинство предприятий не имеют оборудования для гибки труб большого диаметра. Трубогибочные станки разделяются по диаметрам труб, гибку которых они выполняют, на четыре типа:
1. От 10 до 45 мм.
2. От 38 до 110 мм.
3. От 89 до 159 мм.
4. От 133 мм и выше.
1 Для увеличения объёма труб одного типоразмера гибка забойных труб трасс первой и второй групп объединены, хотя чаще диаметры труб первой и второй групп не совпадают.
Обычно заводы имеют в наличии трубогибочные станки двух первых типов. Станки второго типа могут выполнить гибку труб диаметром 110 мм только из медных или медноникелевых сплавов, гибка стальных труб на этих станках ограничена диаметром 89 мм. Для изготовления труб большего диаметра при получении информации на изготовление труб трасс второй группы или забойных труб необходимо каждый раз делать дополнительный заказ на гибку труб на другом предприятии.
Отмеченное позволяет констатировать, что основным сдерживающим фактором развития производства трубопроводов является отсутствие достоверной информации именно для гибки (изготовления конфигурации) труб. Если иметь такую информацию, то в группу заранее изготавливаемых «в задел» труб войдут трубы, изготавливаемые в настоящее время по размерам с места (35 %), а гибку забойных труб можно производить одновременно с гибкой заранее изготавливаемых труб. Это снизит трудоёмкость изготовления за счёт увеличения количества труб в партии, т. е. благодаря применению групповых технологий. Тогда последовательность трубопроводных работ, проводимых в отдельном районе судна, в котором в соответствии с графиком постройки необходимо осуществить монтаж систем трубопроводов, будет следующей:
1. Монтаж труб, изготовленных «в задел» по проектной информации.
2. Пригонка соединений забойных труб на судне или, при наличии специализированных стендов, - в цехе.
3. Окончательное изготовление забойных труб в цехе (сварка установленных соединений, химическая обработка и др.).
4. Монтаж забойных труб.
5. Испытание трубопроводов на плотность.
Сравнивая предлагаемую нами и существующую последовательность работ, можно отметить следующее.
Работы по пункту 1 состоят из пунктов 1 и 5 существующей последовательности; пункты
2, 3, 4 и 7 существующей последовательности перешли в работы по изготовлению труб «в задел», пункт 6 исключён, пункт 8 - это пункт 2, пункт 9 - это пункт 3, 10 - 4 и 11 - 5.
Фактически все работы, проводимые на объекте, будут производиться в два этапа: 1) 1 + 2 и 2) 4 + 5, т. к. заготовки уже согнутых забойных труб будут доставлены вместе с заранее изготовленными трубами, что позволит выполнить их пригонку в каждой трассе сразу по окончании работ по монтажу основных труб. Временной разрыв в работах между этими двумя этапами значительно уменьшится, т. к. в пункте 3 отсутствуют операции гибки труб.
Таким образом, кроме снижения трудоёмкости трубопроводных работ создаются предпосылки сокращения сроков строительства всего судна.
Снижение трудоёмкости трубопроводных работ и сокращение сроков монтажных процессов при строительстве судна являются экономическим обоснованием повышения технологичности трубопроводов на стадии проектирования.
Технологии изготовления и монтажа труб, предлагаемые по результатам исследований [7-9], сравнивались по времени проведения соответствующих работ с базовыми характеристиками традиционных технологий, применяемых в судостроении.
В качестве базовых использовались традиционная технология и данные по трудоёмкости работ, выполняемых на Выборгском судостроительном заводе - аналогичные применяются также на Адмиралтейских верфях и других ведущих судостроительных предприятиях (табл. 2, рис. 4).
Таблица 2
Трудоёмкость основных операций изготовления и монтажа одной трубы
Операция Трудоёмкость, ч
Изготовление шаблонов по месту 0,54
Наладка трубогибочного станка 0,99
Гибка 1,12
Установка соединений без пригонки 1,8
Пригонка соединений на судне 2,99
Уточнение размеров по месту 0,7
Демонтаж забойной трубы после пригонки соединений 0,22
Обработка трубы 3,1
Монтаж 2,9
На рис. 4 представлены графики проведения трубопроводных работ при строительстве судна по различным (традиционной и предлагаемым) технологиям, с указанием операций, влияющих на продолжительность постройки:
1) традиционная технология с применением гибки (изготовления конфигурации) основных (незабойных) труб по проектной информации и информации с места и забойных труб по информации с места;
2) технология с применением гибки основных труб по проектной информации и забойных труб по информации с места;
3) технология с применением гибки основных труб по проектной информации и информации с места и забойных труб по проектной информации;
4) технология с применением гибки (изготовления конфигурации) всех труб по проектной информации.
По технологии 1 доля труб, изготавливаемых по проектной информации окончательно «в задел», составляет 40 % от общего количества труб; трудоёмкость работ - 920 ч (табл. 3).
Таблица 3
Трудоёмкость трубопроводных работ по различным технологиям
№ графика Т рудоёмкость предварительных работ, ч Трудоёмкость трубопроводных работ при строительстве судна, ч Общая трудоёмкость трубопроводных работ, ч
1 920 2 405 3 325
2 1 650 1 395 3 045
3 980 2 120 3 100
4 1 770 1 205 2 995
По технологии 2 доля окончательно изготавливаемых по проектной информации труб -72 %; трудоёмкость, с учётом подготовительно-заключительных работ - 1 650 ч.
По технологии 3 трубопроводные работы до начала строительства судна (предварительные работы) - это окончательное изготовление 40 % труб и гибка забойных труб основных трасс по проектной информации; трудоёмкость, с учётом подготовительно-заключительных работ, - 980 ч.
По технологии 4 трубопроводные работы до начала строительства судна (предварительные работы) - это окончательное изготовление 72 % труб и гибка остальных (забойных) труб по проектной информации; трудоёмкость, с учётом подготовительно-заключительных работ, -1 770 ч (табл. 3).
Последние три операции - демонтаж, обработка и монтаж забойных труб - у всех графиков одинаковые, так же как и последующие операции, не отраженные графиками (гидравлические испытания, установка контрольно-измерительных приборов и т. д.). С учётом этого составлена сравнительная таблица времени выполнения трубопроводных работ (табл. 4).
Графики составлены при условии, что на предприятии есть все необходимые станки для гибки и технологии для обработки труб. При их отсутствии увеличатся интервалы операции гибки (Г) в несколько, а то и в десятки раз - дополнительный заказ на другом предприятии, и операции изготовления (И), включающие как гибку, так и обработку: химическое покрытие и т. д. Учитывая, что в графике 4 нет гибки труб, вышеуказанное значительно увеличит временную разницу и, соответственно, преимущества технологии без уточнения размеров по месту в сравнении с другими технологиями.
Все предлагаемые к внедрению технологии дают положительный результат.
Технология по графику 2 характеризуется снижением времени выполнения трубопроводных работ на 11,7 % и времени проведения работ, влияющих на продолжительность постройки судна, - на 53,4 %. Эта технология требует на стадии проектирования дополнительных расчётов на каждую трубу и, на их основании, корректировки документации по прокладке трасс - уточне -ние зазоров. При этом на предприятии должен быть специальный стенд для сборки изготавливаемых по проектной информации труб.
Технология по графику 3 снижает время выполнения трубопроводных работ на 10,8 % и время проведения работ, влияющих на сроки строительства, - на 16,9 %. Эта технология требует на стадии проектирования только уточнения конфигурации отдельных трасс на основании предлагаемых в работе расчётов и методик.
Технология по графику 4 снижает время выполнения трубопроводных работ на 18,2 % и время проведения работ, влияющих на сроки строительства, - на 63 %. Эта технология объединяет требования 2 и 3 технологий.
1
Мп С
П К
Мк
С
П
Д
Мз
—1 М
грі И Г О
Мп
С
П
Д
Мз
О
2
Г
Мп
П
К
Мк
П Д
Мз
И
О
3
Г
0 735 1205 1395 2120 2405 ч
Рис. 4. Графики проведения трубопроводных работ при строительстве судна:
= - работы на судне; = - работы в цехе;
Мп - монтаж труб, изготовленных по проектной информации; С - снятие размеров для гибки забойных труб; Г - гибка забойных труб; П - пригонка забойных труб; К - корректировка (уточнение) размеров по месту; И - изготовление уточненных труб; Мк - монтаж уточненных труб;
Д - демонтаж забойных труб; О - обработка забойных труб; Мз - монтаж забойных труб
Таблица 4
Сравнительная таблица времени выполнения трубопроводных работ
№ п/п Время проведения работ, влияющих на сроки строительства, ч Снижение времени проведения работ, влияющих на сроки строительства, % Время выполнения трубопроводных работ, ч Снижение времени выполнения трубопроводных работ, %
1 1 985 0 2 915 0
2 925 53,4 2 575 11,7
3 1 650 16,9 2 630 10,8
4 735 63 2 505 14,1
Выводы
1. Проведён анализ технологических особенностей изготовления и монтажа судовых трубопроводов.
2. Разработаны технологии изготовления и монтажа труб, направленные на сокращение
циклов постройки и снижение трудоёмкости трубопроводных работ при выполнении судостроительных заказов и повышение на этой основе эффективности судостроительного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. ОСТ 5.95057-90. Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов.
3. ОСТ 5.0005-70. Системы судовые и системы судовых силовых установок. Методика проектирования трубопроводов с использованием масштабного макетирования и принципиальная технология их изготовления и монтажа.
4. ОСТ 5.0005-81. 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».
5. Технология судостроения: учеб. для вузов / под общ. ред. А. Д. Гармашева. - СПб.: Профессия, 2003. - 342 с.
6. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение,
2002. - 864 с.
7. Сахно К. Н. Повышение технологичности трубопроводов судовых систем // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 73-77.
8. Сахно К. Н. Научные основы проектирования трасс судовых трубопроводных систем // Судостроение. - 2009. - № 6. - С. 60-63.
9. 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.
Статья поступила в редакцию 17.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Сахно Константин Николаевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; k.sakhno@mail.ru.
Sakhno Konstantin Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Sea Technological Equipment"; k.sakhno@mail.ru.
