CC BY
60
УДК 629.5.06.001.2:621.643 Сахно Константин Николаевич,
д. т. н., доцент, профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», Астраханский государственный технический университет,
тел. 8 (8512) 614-166, e-mail: k.sakhno@mail.ru Галкин Дмитрий Михайлович, аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханский государственный технический университет, тел. 89275565236, e-mail: dmitriyglkn@mail.ru
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ СБОРКИ СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
K. N. Sakhno, D. M. Galkin SHIP PIPELINES ASSEMBLY TECHNOLOGY DEVELOPMENT
Аннотация. Проанализированы основные проблемы проектирования, изготовления и сборки трубопроводов морских объектов. Представлено аналитическое решение задачи влияния погрешностей изготовления (погиба, разворота, продвижения, резки) на отклонения координатных размеров труб. Найдены решения по уменьшению отклонений, возникающих под влиянием погрешностей резки и гибки. Предложены направления развития изготовления и сборки судовых трубопроводов. Представлены различные варианты для сборки труб. Проведен анализ зарубежных фирм, занимающихся разработкой аналогичных стендов. Выяснилось, что они ни в чем не превосходят российские стенды, а по некоторым возможностям даже уступают. Предполагается не только усовершенствовать работу стенда, но и использовать его для сборки труб по проектной информации и в задел. Реализация проекта по стенду для сборки труб позволит существенно сократить трудоемкость и цикл изготовления и монтажа судовых систем. Поставлены задачи исследования методов изготовления и монтажа труб, позволяющих уменьшить отклонения координатных размеров трасс трубопроводов.
Ключевые слова: трубопроводы, сборка, изготовление.
Abstract. The basic problems of designing, manufacturing and assembly of pipelines offshore facilities are analyzed. Analytical solution of the problem of influence of manufacturing errors (camber, turn, promotion, cutting) on the deviation coordinate pipe sizes is submitted. Solutions are found to reduce the deviations arising under the influence of errors in cutting and bending. Directions of development of the manufacturing and assembly of marine pipelines are proposed. Various options for pipes assembly are presented. The analysis of foreign companies developing similar stands is made. It turned out that they were in no way superior to the Russian stands, and for some perhaps even inferior. It is supposed not only to improve the operation of the stand, but also to use it to build pipes for project information and to reserve. Implementation of project on the stand for the pipes assembly will significantly reduce the complexity and the cycle of manufacturing and installation of ship systems. The pipes allowing to reduce the pipeline routes coordinate deviation size manufacturing and installation research problem is formulated.
Keywords: pipelines, assembly, manufacturing.
Введение
В настоящее время на судне находится большое количество различного вида оборудования, механизмов, конструкций, для обеспечения работы которых служат системы трубопроводов.
Традиционные технологии изготовления и монтажа систем трубопроводов предусматривают их трассировку по месту на строящемся объекте с учетом 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.
За последние 30 лет трудоёмкость всех трубопроводных работ (изготовление труб и их монтаж на судне) увеличилась с 5 до 10-12 % от общей трудоёмкости постройки судна, а на некото-
рых проектах рыбопромысловых судов - до 14-17 %. Многие операции по монтажу трубопроводов лежат на критическом пути и тем самым влияют на общую продолжительность постройки судна [1, 5].
Поэтому одной из важнейших тенденций современного судостроения является повышение эффективности производства путем внедрения новых технологий изготовления и сборки труб.
Новые технологии предъявляют определенные требования к процессу проектирования трубопроводов и систем, который должен обеспечить:
1) точность взаимного расположения труб и оборудования;
2) снижение трудоёмкости сборочных работ;
3) повышение качества и достоверности документации по трубопроводам судовых систем, основанное на научно обоснованных методах их проектирования, с обеспечением возможности изготовления наибольшего количества труб оконча-
тельно без шаблонов, макетов или пригонки на судне;
4) увеличение доли окончательно изготавливаемых труб с 40 % до 60-70 %.
Аналитическое решение задачи влияния погрешностей изготовления на отклонения координатных размеров труб
Одним из вариантов снижения трудоемкости является формирование теоретических основ компенсации отклонений координатных размеров труб под влиянием погрешностей резки и гибки. Процесс гибки (изготовления конфигурации) представлен выполнением операций погиба, разворота и продвижения трубы на трубогибочном станке [2]. В общем случае отклонение (Аг-) любой точки оси трубы (точки M(x, у, z)) под влиянием погрешности погиба (аг) определяется соотношениями
А = Я '-Я = Я'-( Ц - Я"), (1)
где векторы L(X, Y, 7) и ^\Х", Т', 7") - соответственно радиус-вектор рассматриваемой точки относительно вершины погиба и вектор его проекции на ось погиба; векторы R(X - X", Y - Т\ 7 -7") и R'(X', Т, 7Г) - соответственно радиус-вектор теоретического и фактического (под влиянием погрешности погиба) положения рассматриваемой точки относительно оси погиба
ГхЛ Г ГхЛ Гх"ЛЛ
С ха, Л
А.
уа
V 2аг J
= Я
У'
т
7' 7
V7 J V V7 J
У
- Я"
У"
V 7" JJ
, (2)
где Я
Г х-Л
У'
V 7 у
является решением системы уравнений
(
соб
а + ягссоб
N •(ц - Я)
N • Ц - Я
уу
N • Я1
Ш • \Я 1
Ц - Я"\ = \Я'|; Я'•Ш •(Ц - Я") = 0;
Я"
Г х "Л Гт Л
У" = N
V7" ^ V ^ ^
•Тт^ ;ш=(ц х(т х т+1)),
Цх ц+1
где Ы(Ых, Ыу, N2) - нормальный вектор плоскости, образованной векторами L и N - нормальным вектором плоскости погиба, совпадающим с осью погиба.
В общем случае отклонение (В¡) любой точки оси трубы (точки М(х,у,2)) под влиянием погрешности разворота (Ьг) определяется соотношениями
В = П'-П = П'-(Ц - П")
(3)
где векторы L(X, Y, 7) и Б"(Х", Т\ 7") - соответственно радиус-вектор рассматриваемой точки относительно вершины погиба и вектор его проекции на ось разворота; векторы Б(Х - X", Y - Y", 7 - 7") и 0'(Х\ Т, 7Г) - соответственно радиус-вектор теоретического и фактического (под влиянием погрешности разворота) положения рассматриваемой точки относительно оси разворота
В,
Г хЬ л уЪ
V гЪ. J
Г х ' Л Г Г х Л
= П '
У'
Ц
7' 7
V7 J V V7 J
У
- П"
Г х "ЛЛ
У"
V 7 " JJ
, (4)
где П
Г т Л
У
V 7 у
является решением системы
уравнений
г
соб
Ъ + ягссоб
N "•(Ц - П")
N" • Ц - П"
уу
N" • П ' I'
Ц - П" = П|; П 1 N "• (Ц - П") = 0;
Ц
Ах Л
У
V 7 у
/
V
х Хг+1
у - Уу+1
г - г
г+1 J
Г х Л Х Хг+1 ^
т У = У - Уг+1 Г х "Л Гш Л
V 7 у Vг - г+1 у П" У" = N"
V 7" у V ^ J
т • т
ц+1 ; N = ц+1 х т
ц
+1
>
>
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
где ^, №) - нормальный вектор плоско-
сти, образованной векторами Ь и О", проходящий через рассматриваемую точку.
В общем случае отклонение (Сг) любой точки оси трубы под влиянием погрешности продвижения (с) определяется соотношениями
C, = c. + s.
(5)
где - вектор, равный по величине вектору погрешности и противоположный направлению последнего прямого участка трубы;
С
xci УС v zC у
v Z у
-1 + ^
L,. + c
Л
L
+ s..
(6)
у
где Ь - длина участка трубы, на котором происходит продвижение; si = 0 - для любой точки оси,
кроме конца трубы; 5. = —
YK
v Z к у
А \L„
трубы.
Отклонение (К) конца (конечной точки оси) трубы под влиянием погрешности резки (к) определяется соотношением
гхк\ Г X,, ^
K
yk zk
YK
Z„
i
-1+ J
Li + k
л
\L„
(7)
Ш
- для конца
Этот способ позволяет исключить влияние погрешностей погибов на отклонение трассы (только угловые отклонения). При этом одно из соединений будет установлено не перпендикулярно к оси трубы. Допускаемая неперпендикулярность регламентируется соответствующими нормативными документами.
Большие размеры стенда и сложность базирования на нём заготовок труб и соединений привело к разработке стенда СГТ-160, также рекомендуемого в РД 5Р.0005-93.
В настоящее время произведена модернизация этого стенда. На новом стенде СГТ-160М (рис. 1) есть возможность крепления не только фланцевых, но и штуцерных соединений. Данные в стенд вводятся или с клавиатуры пульта по карте сборки, или из файла. При использовании стенда для основных труб соединения должны быть установлены в теоретическое положение. Если гнутая заготовка трубы оказалась либо короче, либо длиннее, требуется переместить подвижный позиционер, чтобы совместить соединения с концами трубы.
к у
где |Ьк| - длина последнего прямого участка трубы.
Для определения суммарных отклонений координатных размеров под влиянием погрешностей а, Ь, с, к использована теория размерных цепей.
Сравнительный анализ различных вариантов сборки труб с соединениями
Влияние погрешностей изготовления на отклонения смонтированной трассы трубопровода зависит от методов установки соединений при изготовлении труб. Рассмотрим три основных способа сборки труб с соединениями.
Наибольшие отклонения возникают при установке соединений с использованием приспособлений, базирующихся на образующей трубы, так как плоскость соединения устанавливается перпендикулярно оси трубы [6]. При этом способе остаются все отклонения по осям координат, возникшие после гибки, и добавляется угловое отклонение от погрешностей погибов.
При технологии изготовления труб по проектной информации [7] установку соединений предпочтительнее производить на стенде, имитирующем плоскости координат [3].
Рис. 1. Стенд СГТ-160М Данный стенд обеспечивает:
CAD/CAM
интеграцию с измерительными системами;
— автоматизированную сборку труб с фланцами, исключая влияние погрешности гибки на качество сборки и обеспечиваю взаимозаменяемость труб;
— контроль качества гибки труб по сборочным размерам.
Также стенд может встраиваться в комплексно-механизированные линии обработки труб.
Существуют и зарубежные аналоги таких стендов. Одной из фирм, разработавших похожий стенд, является немецкая фирма Tracto-Techшk. Ими были разработаны измерительное устройство Scopelink и сборочный стенд Robofíx (рис. 2).
Система Robofix точно повторяет взаимное транспортируется на стройплощадку и вставляется расположение соединительных фланцев для в систему трубопроводов при идеальной подгонке шаблона трубы в трубном цехе. Она проверяет [8].
расстояние между фланцами и соответствие фланцевых отверстий, чтобы не было погрешности при установке трубы на место. Для этого на месте эксплуатации используется измерительное устройство Scopelink. Шаблон трубы (изготавливается или путем сгибания, или из сегментов) вставляется между фланцами в правильное положение и прихватывается. Дальше фланцы привариваются к шаблонной трубе, она
Процесс автоматизированного производства шаблонных труб изображен на рис. 3-10.
Особенности данной системы:
- точное определение местоположения фланцев трубопровода в соответствии с ситуацией на месте, учитывая правильный угол поворота и положение отверстий фланцев;
- очень прочный портал с точными направляющими, движимыми сервоприводами;
Рис. 3. Основой для производства трубопроводов на судах являются данные CAD (шаблон вставленной трубы отмечен стрелкой и окантовкой)
Рис. 4. Для получения изометрических данных между фланцами вставляется измерительное устройство 8сореИпк
Рис. 5. От обоих фланцевых соединений различные элементы зсореИпк соединяются вместе в соответствии с намеченным курсом трубы
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
Рис. 6. Приблизительно через 15 минут scopelink будет полностью установлен. Далее с помощью программного обеспечения с устройства на ноутбук передаются изометрические данные, а также точно рассчитанное положение соединительных фланцев
Рис. 7. По данным, полученным с помощью scopelink, фланцы могут быть точно расположены в устройстве roboflx, тем самым производится точное моделирование труб
Рис. 8. Теперь труба может быть вставлена между фланцами. Ее правильное положение перепроверяется с помощью эталонного измерения. Если все правильно, труба может быть присоединена к фланцам
ш
о
Рис. 9. Труба окончательно приваривается к фланцам
Рис. 10. Готовая труба транспортируется на судно, где вставляется на свое место
- 3D-фланцы с полусферической ориентацией, движимые сервоприводами;
- гидравлическое устройство блокировки для фиксации положения сборки;
- мобильный пульт управления с сенсорным экраном;
- позиционирующее устройство, подходящее для фланцев с 4, 6, 8 или 10 отверстиями.
Выводы
Используя стенды для установки соединений на трубы, за счёт неперпендикулярности плоскости соединений с осью трубы можно исключить влияние угловых погрешностей погибов
и уменьшить отклонения по координатным осям, при этом требуется проведение сложного контроля неперпендикулярности для удержания её в допускаемых пределах.
Поставленная задача уменьшения (исключения) отклонений, возникающих под влиянием погрешностей резки и гибки, может решаться за счёт установки соединений неперпендикулярно к оси трубы.
При сборке на плоском стенде отклонение от перпендикулярности происходит только у второго фланца, а при сборке на стенде СГТ-160 -у обоих. Таким образом, сохранение взаимного угла плоскостей соединений может происходить за счёт неперпендикулярности как в одном, так и в обоих соединениях. Сохранение взаимного угла плоскостей соединений приведёт к исключению влияния угловых погрешностей изготовления трубы на отклонения трассы.
Анализ различных способов сборки труб с соединениями показал, что наиболее перспективен способ сборки при помощи стенда СГТ-160М.
В дальнейшем планируется сделать работу стенда такой, чтобы при перемещении подвижного позиционера от теоретического положения автоматически менялся угол положения соединений. Сейчас для сборки труб при помощи стендов СГТ-160М и Robofix используются измерительные устройства ИЗК-ПТ-1М и Scopelink соответственно. Это дополнительное оборудование очень дорогое и громоздкое. Планируется изготавливать и собирать трубы без измерения размеров по месту путем усовершенствования стенда [4]. Это позволит использовать стенд не только для забойных труб, но и для основных.
Постановка задач дальнейшего исследования
В связи с вышеизложенным поставлены следующие задачи исследования:
1. Изучить методы изготовления и монтажа труб, позволяющие уменьшить отклонения координатных размеров трасс трубопроводов.
2. Разработать алгоритм установки соединений на трубы с использованием сборочных стендов.
3. Разработать математические формулы, определяющие угловые изменения положений соединений в зависимости от величины перемещения.
4. Разработать методику определения отклонений трасс трубопроводов с учетом особенностей изготовления и монтажа труб.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сахно К.Н. Научные основы повышения технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования : дис. ... д-ра техн. наук. Астрахань, 2012. 353 с.
2. Сахно К.Н. Научные основы повышения технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Астрахань, 2012.
3. Горелик Б.А. Гибка труб судовых систем. Л. : Судостроение, 1981.
4. Сахно К.Н. Методика проектирования (технологической проработки) трасс трубопроводов для изготовления труб без измерения размеров по месту // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2012. № 2. С.35-40.
5. Сахно К.Н., Сергеев П.Ю. Современное состояние вопроса проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов судовых систем, постановка задач исследования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 54-60.
6. ОСТ 5.95057-90. Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов. Введ. 01.07.1991. Л. : РТП НПО «Ритм». 207 с.
7. 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. СПб. : ЦНИИТС.
8. TRACTO-TECHNIK GmbH & Co. KG.I[electron-ic resource] : site. URL: http://pipebending.tracto-technik.com (Дата обращения 12.05.2014).
