Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблем проектирования, изготовления и монтажа трасс трубопроводов судовых систем 13
1.1 Роль и состояние трубопроводных работ в судостроительном производстве 13
1.2 Развитие методов проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов 17
1.3 Решение задачи уточнения конфигурации и размеров труб по месту 27
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 37
2 Теоретические исследования компенсационных возможностей трасс трубопроводов 39
2.1 Теоретические основы компенсации отклонений трасс трубопроводов с использованием поворотов параллельных участков 39
2.2 Математическое описание области компенсационных возможностей трасс трубопроводов 45
2.2.1 Определение траектории перемещения конца трассы при вращении пары параллельных участков 46
2.2.2 Математическое описание абсолютной области компенсации трасс трубопроводов 52
2.2.3 Расширение абсолютной области компенсации с учётом технологических припусков 61
2.3 Решение задачи компенсации фактических отклонений перемещением трасс трубопроводов 72
2.4 Выводы по второй главе 84
3 Экспериментальные исследования процесса обеспечения собираемости трасс трубопроводов 85
3.1 Описание экспериментальных исследований процесса обеспечения собираемости трасс трубопроводов 85
3.2 Определение компенсационных возможностей трасс трубопроводов 89
3.3 Замеры отклонений трасс трубопроводов и обработка результатов эксперимента 108
3.4 Выводы по третьей главе 127
4 Разработка программного и методического обеспечения для применения результатов исследований в процессе проектирования (технологической подготовки) и монтажа трасс трубопроводов 128
4.1 Разработка программного обеспечения «Route-Calc» 128
4.1.1 Назначение программного обеспечения 128
4.1.2 Вычисление абсолютной области компенсации трасс трубопроводов и значений необходимых припусков 132
4.1.3 Определение варианта компенсации фактических отклонений при монтаже трубопроводов 146
4.2 Метод обеспечения собираемости судовых трубопроводов 147
4.2.1 Методика обеспечения собираемости трасс трубопроводов на этапе проектирования (технологической подготовки) 149
4.2.2 Технология монтажа трубопроводов по проектной информации и компенсации фактических отклонений трасс трубопроводов 158
4.3 Выводы по четвертой главе 163
Заключение 165
Список литературы 167
Приложение А – Чертежи трасс водяной противопожарной системы судна YN 552044 181
Приложение Б – Свидетельство о регистрации программы «Route-Calc» 185
Приложение В – Акты о применении результатов научной работы на предприятиях 186
Приложение Г – Акты о применении результатов научной работы в учебном процессе 191
- Развитие методов проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов
- Расширение абсолютной области компенсации с учётом технологических припусков
- Замеры отклонений трасс трубопроводов и обработка результатов эксперимента
- Методика обеспечения собираемости трасс трубопроводов на этапе проектирования (технологической подготовки)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие мирового судостроения характеризуется созданием новых типов высокоэффективных универсальных и специализированных судов, оснащенных мощными ЭУ, вспомогательными механизмами, устройствами, важным звеном для обеспечения работы которых являются системы трубопроводов. Появление новых типов судов различного функционального назначения ведёт к увеличению количества и сложности сети трубопроводов, а также к увеличению трудоёмкости трубопроводных работ.
В современном трубообрабатывающем производстве существуют два типа работ: по проектной информации в цехе и работы, требующие уточнение размеров и пригонку по месту на судне. Наличие работ, требующих уточнение размеров и пригонку на судне связано с проблемой сложности разработки достоверной документации для изготовления и монтажа трубопроводов. Наиболее перспективным направлением повышения эффективности трубообрабатывающего производства в настоящее время является перенос основных и наиболее трудоёмких работ по изготовлению и пригонке трубопроводов с судна в цех для изготовления заранее, в задел.
Значительные изменения в мировом судостроении связаны с широким применением компьютерной техники для совершенствования процесса автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и изготовления трубопроводов по проектной информации. Несмотря на большое количество САПР, на этапе проектирования трубопроводов отсутствует возможность контроля и определения отклонений, допускаемых при изготовлении и монтаже труб, а также при сборке конструкций корпуса судна, механизмов, оборудования и деталей насыщения, между которыми монтируются трубопроводы. Согласно ОСТ 5.95057-90 и РД 5Р.0005-93 такие отклонения компенсируются в процессе монтажа трубопроводов с использованием забойных труб, изготовление которых требует уточнения размеров по месту на судне. Значительное количество забойных труб (от 20% до 30% от общего количества труб в трассах трубопроводов судна) препятствует непрерывности при изготовлении и монтаже трубопроводов, удлиняет срок трубопроводных работ, в частности, и срок постройки судна в целом.
Проблема снятия и уточнения размеров по месту на судне для изготовления забойных труб является основным сдерживающим фактором трубообрабатывающего производства. Решение этой проблемы направлено на поиск возможности обеспечения собираемости трубопроводов в процессе технологической подготовки производства, что позволит выпускать достоверную проектную документацию для изготовления забойных труб вместе с основными трубами и увеличить количество труб, изготавливаемых заранее в задел. Данное направление является актуальным и имеет важное значение для повышения эффективности трубообрабатывающего производства и развития технологии судостроения в целом.
Степень разработанности темы. Вопросы повышения эффективности трубообрабатывающего производства за счёт применения современных систем
автоматизированного проектирования трубопроводов и оптимизации трассировки судовых трубопроводов были рассмотрены в ряде научных работ российских ученых таких, как Н. Н. Полещук, Н. Г. Карпушкина, А. А. Кузнецов, В. И. Кучмель, А. И. Руднев и др., а также в исследованиях зарубежных ученых, среди которых следует отметить работы D. W. Hightower, A. Asmara, U. Nienhuis, S. S. Kang, H. Kimura, S. Ikehira, F. Xiaoning, S. H. Kim, X. Fan, W. Y. Jiang, Q. Liu, и др.
Вопросы повышения технологичности трубопроводов на основе выбора оптимальной конфигурации и автоматизации технологии сборки забойных труб, применения высокоточных измерительных систем для снижения погрешностей изготовления труб, а также использования технологии изготовления забойных труб по аналитической информации нашли свое отражение в научных трудах ученых таких, как К. Н. Сахно, К. М. Дойхен, Н. О. Гончар, А. И. Рыбалов, М. И. Чугаевский, В. Ф. Семенюк, П. П. Селюта, В. И. Кучмель и др.
Несмотря на большое количество работ в сфере повышения эффективности трубообрабатывающего производства, остаётся актуальная проблема о необходимости снятия и уточнения размеров по месту на судне для изготовления большого количества труб, в том числе и забойных труб.
Объект исследования – трубопроводы судовых систем.
Предмет исследования – собираемость трубопроводов судовых систем.
Целью диссертационной работы является обеспечение собираемости трубопроводов судовых систем на основе анализа их конфигурации для повышения эффективности судостроительного производства путём совершенствования проектирования (технологической подготовки) и монтажа трубопроводов.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
-
Разработать математическую базу для обеспечения собираемости трубопроводов на основе исследований взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей трасс судовых трубопроводов.
-
Выполнить экспериментальные исследования процесса обеспечения собираемости трасс трубопроводов для подтверждения результатов теоретических исследований.
-
Разработать алгоритм и создать автоматизированную программу для обеспечения собираемости трасс трубопроводов.
-
Разработать методическую основу для применения результатов исследований в процессе проектирования (технологической подготовки) и монтажа трасс трубопроводов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Выполнено математическое описание абсолютной области компенсации трасс на основе использования поворотов пар параллельных участков (по-новому решена задача о дуговых поверхностях). Решены задачи расширения абсолютной области компенсации с учётом назначаемых припусков и компенсации фактических отклонений при монтаже трасс трубопроводов.
-
Разработана новая автоматизированная программа для определения компенсационных возможностей трасс и варианта компенсации фактических
отклонений, обеспечивая собираемость судовых трубопроводов в процессе их проектирования (технологической подготовки) и монтажа.
3. Разработан метод обеспечения собираемости судовых трубопроводов, повышающий эффективность трубообрабатывающего производства.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны автоматизированная программа и методика её применения для определения компенсационных возможностей трасс и варианта компенсации фактических отклонений, позволяющие контролировать и обеспечить собираемость трасс трубопроводов в процессе их проектирования (технологической подготовки) и монтажа.
-
Разработанный метод обеспечения собираемости трубопроводов применим в трубообрабатывающем производстве, позволяет изготавливать забойные трубы по проектной информации без уточнения размеров и конфигурации по месту, что повышает эффективность производства, сокращает трудоёмкость трубопроводных работ и срок строительства судна в целом.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы теоретический и экспериментальный метод исследований.
Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов линейной алгебры, аналитической геометрии и графического представления в среде трёхмерного моделирования.
Эксперименты проводились на заводе Фа Рынг, Вьетнам в процессе технологической подготовки и монтажа систем трубопроводов на судне YN 552044 проекта «Damen Platform Supply Vessel 3300 CD». Экспериментальные расчёты выполнены графическим и вычислительным методами с использованием программ AutoCad 3D, MathCad, Maple 18 и стандартных пакетов Microsoft Office Excel.
Положения, выносимые на защиту:
-
Универсальное уравнение абсолютной области компенсации, построенное в локальной системе координат с положением точки начала координат в конце трассы.
-
Математические алгоритмы решения задач расширения абсолютной области компенсации с учётом назначенных припусков и компенсации фактических отклонений при монтаже трасс трубопроводов.
-
Результаты экспериментальных исследований процесса обеспечения собираемости трасс трубопроводов (на примере судна YN 552044 проекта «Damen Platform Supply Vessel 3300 CD»).
-
Алгоритм и методика применения автоматизированной программы обеспечения собираемости трасс трубопроводов в процессе проектирования (технологической подготовки) и монтажа трасс трубопроводов.
-
Основные положения метода обеспечения собираемости судовых трубопроводов, повышающего эффективность трубообрабатывающего производства.
Достоверность работы:
1. Достоверность аналитических зависимостей, полученных при проведении теоретических исследований, обеспечена применением апробированных математических методов.
-
Экспериментальные расчёты выполнены с использованием комплексов современных графических и вычислительных программ.
-
Успешный монтаж исследуемых трасс трубопроводов при выполнении экспериментальных исследований на судне YN 552044 проекта «Damen Platform Supply Vessel 3300 CD», построенного под надзором Lloyd’s Register (Великобритания) подтверждает результаты теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования использованы в трубообрабатывающем производстве при разработке процессов технологической подготовки и монтаже трубопроводов на верфи Астраханского судостроительного производственного объединения, ООО «Судостроительный завод Фа Рынг» (Вьетнам), а также ООО «Судостроительный завод Ха Лонг» (Вьетнам).
Научные разработки диссертационной работы используются в учебном процессе Астраханского государственного технического университета и Вьетнамского морского университета при проведении лекционных, практических занятий и разработке курсовых проектов по дисциплинам «Судовые энергетические установки», «Судовые вспомогательные механизмы, системы и устройства», а также при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 26.03.02, 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».
Апробация научных результатов осуществлялась ежегодно на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» (2015, 2016, 2017, 2018 г.). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских, национальных и международных конференциях:
VII международная научно-практическая конференция «The main ways of development of science» (г. Прага, Чехия, 2016 г.); V Международная конференция «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии» в рамках V Международного «Балтийского морского форума» (г. Калининград, 2017 г.); Всероссийская междисциплинарная научная конференция «Наука и практика – 2017» (АГТУ, г. Астрахань, 2017 г.); I Национальная заочная научно-техническая конференция «Инновационное развитие рыбной отрасли в контексте обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации» (г. Владивосток, 2017 г.); XIX Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и разработки 2017» (г. Москва, 2017 г.).
Результаты диссертации обсуждались на заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» и на заседаниях ученого совета Института морских технологий, энергетики и транспорта ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет».
Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 22 научных публикациях, в том числе 10 публикаций в изданиях, входящих в перечень ВАК Российской Федерации, из них – 3 статьи опубликованы в журналах, включенных в международную реферативную базу данных Web of Science, и 1 статья опубликована в журнале, включенном в международную базу данных Scopus. Получено свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: [10], [15], [20] – 100%; [4], [5], [9], [11], [21], [22] – 90%; [3], [8], [16], [17], [18] – 75%; [1], [2], [12], [13], [14] – 70%; [6], [7], [19] – 45%.
Личный вклад автора состоит в постановке научно-исследовательских задач и их решении; проведении экспериментальных исследований по обеспечению собираемости судовых трубопроводов; разработке автоматизированной программы обеспечения «Route-Calc»; основных выводах и рекомендациях диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 192 страницах машинного текста, состоит из введения, четырёх главы, заключения, приложения, содержит 9 таблиц и 56 рисунков. Список литературы содержит 125 наименований, из них 38 на иностранном языке.
Содержание диссертации соответствует пункту 1.11 паспорта научной специальности 05.08.04.
Развитие методов проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов
Сроки постройки и сдачи судов заказчику во многом зависят от качества, своевременности изготовления, монтажа и сдачи в действие трубопроводов судовых систем. Значительный объём работ по изготовлению и монтажу трубопроводов на судне (в среднем 12% от общей трудоёмкости постройки судна) и необходимость сокращения сроков постройки, повышения качества оборудования и технико-экономических показателей предприятий потребовали создание и разработку новых методов проектирования, совершенствования технологии изготовления труб в цехе и их монтажа на судне.
Процесс повышения эффективности трубообрабатывающего производства характеризуется поиском решения проблемы выпуска достоверной проектной информации для изготовления труб трубопроводов заранее в цехе. Решение проблемы выпуска достоверной проектной информации для изготовления трубопроводов ведётся с конца 40-х годов ХХ века. Так при постройке судов на германских верфях в период войны 1941-1945 гг. для каждой трубы вычерчивался отдельный чертеж в видах изометрических эскизов или обычных чертежей в трёх проекциях [5]. Преимущества такого метода в том, что производство обеспечивается точной документацией; отпадает большая часть работ по измерению и подгонке, требующих много времени; работы по изготовлению трубопроводов могут быть начаты раньше.
При изготовлении отдельных чертежей трубопроводов были использованы методы:
- изготовление изометрических эскизов традиционных схем трубопроводов;
- изготовление стандартных схем расположения трубопроводов, постройка макета и изготовление отдельных чертежей по макету;
- разработка стандартных схем трубопроводов, изготовление слесарями-трубопроводчиками эскизов по макету судна, а также изготовление в конструкторском бюро изометрических чертежей или чертежей в трёх проекциях на основании этих эскизов;
- изготовление отдельных чертежей при помощи масштабных макетов.
С конца 60-х годов прошлого века разработан и широко применяется метод проектирования трубопроводов с использованием масштабных макетов [17, 18, 64, 70]. Такие макеты выполняются в масштабе 1:20, 1:10 или 1:5 (рисунок 1.3).
Использование макетирования даёт возможность:
- производить прокладку труб, отвечающую требованиям их монтажа и обслуживания;
- ускорить разработку документации для изготовления и прокладки труб на судне;
- повысить качество проектирования самих трубопроводов;
- создать условия для изготовления блочных конструкций.
Трубопроводы при макетировании изготавливаются из полых пластмассовых труб, окрашиваемых в разные цвета, каждый из которых соответствует определённой среде.
На основе макета выпускаются монтажные чертежи трубопроводов в виде изометрических эскизов или обычных чертежей в трёх проекциях [18]. При этом изометрические чертежи трубопроводов более широко применяются в судостроении, что позволяет наглядно представить все данные по трубопроводу (рисунок 1.4).
Несмотря на большие преимущества, выпуск проектной информации на основании макетирования не соответствует перспективным направлениям современного развития технологической подготовки трубообрабатывающего производства из-за большой трудоёмкости подготовки макета, особенно при постройке головного судна.
Дальнейшим этапом развития и совершенствования методов проектирования в конце 60-х годов является применение в этом процессе ЭВМ [5]. Техническая ассоциация инженеров-кораблестроителей Испании предложила использовать эскизы труб, выполненные в пространственной системе прямоугольных координат, исходной базой при этом должны служить диаметральная плоскость (оси Х и Z) и плоскость шпангоута (ось У). Данные эскизы, диаметры труб, их маркировка, радиусы погибов, положение фланцев и элементы векторов, указывающих длины и направления осевой линии трубопроводов, должны заноситься в таблицы и на их основе разрабатываться программа для ЭВМ. ЭВМ выдает значения пространственных углов наклона трубопровода, а также длины прямолинейных участков и хорд. По этим данным изготовляются шаблоны, а по ним – соответствующие участки труб. При этом достигается высокая точность выпуска проектной документации для изготовления труб и монтажа их на судне без дополнительной подгонки.
Такой метод требовал высокую степень подготовки программ для ЭВМ и необходимую подготовку для проектанта, поэтому широко не применялся в судостроении.
Последние годы с развитием компьютерной технологии характеризуются определёнными успехами в разработке САПР трубопроводов (систем автоматизации проектных работ трубопроводов), созданием на судостроительных заводах специальных конструкторско-технологических отделов, обеспечивающих выпуск недостающей документации для изготовления труб без уточнения размеров по месту [2, 10, 22, 52, 78].
Создание компьютерной модели рассматривается как современная и актуальная замена натурного макетирования трубопроводов на судне. Компьютерное моделирование трубопроводов даёт наглядное представление о размещении труб, увязанное с расположением всего оборудования судна, упрощает их изготовление. Моделирование систем трубопроводов осуществляется вместе с моделированием конструкций корпуса судна и расположением на него установок, механизмов и оборудования, даёт возможность объединения трубопроводов различных систем в одном пространстве и выполнения необходимых проверок их взаимного расположения для выпуска изометрических чертежей. При этом проектирование систем трубопроводов осуществляется одновременно (синхронно) с проектированием судна.
Широкое применение САПР для трубообрабатывающего производства началось с 90-х годов прошлого века. В 1996 г. в проектно-конструкторском бюро (ПКБ) «Севмаша» приступили к разработке и внедрению трехмерного моделирования трубопроводов. Далее в 1999 г. был заключен контракт ООО НПКП «ВВС-Конт» с фирмой Tribon Solutions (ранее Kockums Computer Systems) на поставку системы TRIBON M1 для трёхмерного моделирования судов [68]. До настоящего времени это соглашение было значительно расширено. На основе разработанной модели может быть наложен выпуск документации для изготовления и монтажа трубопроводов.
В настоящее время разработаны и применяются различные специальные автоматизированные системы для проектирования и моделирования систем трубопроводов, такие как Tribon, Foran, Nupas-Cadmatic, CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application), Autodesk Inventor, SolidWorks, Rhinoceros, ShipConstructor и т.д. При этом каждая система имеет свои специальные функции и характеристики. TRIBON и FORAN являются первыми специфицированными судостроительными системами с большим сроком эксплуатации и располагают внушительным списком заказчиков. В современном судостроении широко применяются системы автоматизированного проектирования Nupas-Cadmatic, CATIA и Autodesk Inventor, которые являются самыми распространёнными и специальными САПР высокого уровня, особенно для проектирования и моделирования систем трубопроводов. Программа Solidworks не только даёт возможность выпуска проектной документации при трёхмерном проектировании систем трубопроводов, а ещё обладает возможностью моделирования процесса монтажа трубопроводов из отдельных труб и их соединений. В связи с разными преимуществами различных программ на большинстве судостроительных предприятиях или специальных конструкторских бюро используется комплекс сочетаний нескольких систем автоматизированного трёхмерного проектирования. В соответствии с требованием заказчика и типом проекта определяются необходимые программы для разработки и выпуска проектной документации трубопроводов.
С целью внедрения автоматизированных систем во АО ЦМКБ «Алмаз» используется САПР Autodesk Inventor, которая позволяет создавать реалистичные и точные 3D-модели [28]. Системой Autodesk Inventor также оснащены ЦКБ МТ «Рубин», АО ПО «Севмаш», АО "Центр технологии судостроения и судоремонта", ЗАО «ЦНИИ СМ», ФГУП «ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова», АО ЦМКБ «Алмаз», АО «Северное ПКБ», АО «Астраханское Судостроительное Производственное Объединение» и многие другие [90].
В России и странах СНГ система SolidWorks активно используется в проектных организациях и судостроительных верфях, таких как АО «Адмиралтейские верфи» и ЗАО «ЦНИИ судового машиностроения» (Санкт-Петербург), ПАО «Завод Экватор» (Николаев, Украина) [1].
Расширение абсолютной области компенсации с учётом технологических припусков
Использование поворотов параллельных участков со свободными соединениями даёт возможность перемещения конца трассы в абсолютной области компенсации, определяемой уравнением
Для определения компенсационных возможностей трассы необходимо сравнить абсолютную область компенсации с областью отклонений. При этом область отклонений представляется в виде параллелепипеда, заданного максимальными возможными отклонениями точки конца трассы от теоретического положения по каждой координатной оси А = [Ах, Ay, Az]. Трасса имеет возможность полной компенсации при поглощении параллелепипеда отклонений областью компенсации. В обратном случае необходимо найти инструмент расширения области компенсации с целью получения новой области, поглощающей параллелепипед отклонений.
Если количество свободных соединений и параллельных участков трассы не позволяет создать объёмную или двуизогнутую поверхность, то перемещать дугу или двуизогнутую поверхность можно в направлении прямой линии. Перемещая дугу, получим изогнутую поверхность; перемещая двуизогнутую поверхность, получим объёмную фигуру.
В качестве прямой линии надо использовать направление участков трубопровода, а именно концевые участки пригоняемой трубы. Использование припусков, назначаемых на концевых участках забойной трубы может расширить область компенсации. Пространственная область, полученная при расширении абсолютной области компенсации по направлениям припусков, называется областью компенсационных возможностей трассы. Для проверки условия поглощения параллелепипеда отклонений областью компенсационных возможностей принимается уравнение поверхностей, ограничивающих эту область:
Расширение абсолютной области компенсации дуговой формы Если в трассе имеется одна пара параллельных участков, вращением которых перемещается точка конца трассы по дуге окружности, то для расширения этой области и получения пространственной формы необходимо назначить два припуска на концевых участках пригоняемой трубы в соответствующих координатных направлениях. Для определения направлений припусков представляется новое понятие - область полезной компенсации.
Из уравнения 2.11 определено уравнение области компенсации дуговой формы:
При изменении угла поворота в интервале оц tx определены максимальные и минимальные значения области компенсации, которые определяются проекциями дуги области компенсации в трёх координатных осях (см. рисунок 2.9):
Значения области компенсации в направлениях X и Y характеризуют кривизну данной области компенсации по этим направлениям и их необходимо учитывать при определении припусков. При этом полезной областью компенсации является проекция области компенсации (дуги) на ось ОZ. Для расширения области компенсации необходимо назначить два припуска на участках пригоняемой трубы в направлениях X и Y. Значения припусков определяются с учётом кривизны области компенсации и зависят от направлений концевых участков пригоняемой трубы: AL = Ax + min при положительном направлении припуска;
Для расширения этой области и получения пространственной формы
необходимо назначить припуск на концевом участке забойной трубы в соответствующем координатном направлении
Расширением двуизогнутой поверхности в объёмную форму осуществляется назначением одного припуска. Направление припуска определяется сравнением предельных значений области компенсации по трём координатным направлениям, полученным при изменении углов поворотов в соответствующем интервале оц tx ${,а2 t2 Р2.
Предположим, что для расширения данной области компенсации в объёмную форму необходимо назначить припуск в направлении Y, то предельные значения абсолютной области компенсации в направлении Y характеризуют кривизну данной области компенсации по этому направлению и их необходимо учитывать при определении припусков. Значение припуска определяется с учётом кривизны области компенсации и зависит от направлений концевых участков пригоняемой трубы:
Кроме этого необходимо проверить компенсационные возможности данной области компенсации по направлениям X и Z, т.е. проверить условие поглощения параллелепипеда отклонения данной областью компенсации по этим направлениям. Для этого необходимо определить значения полезной области компенсации, являющейся максимальным прямоугольником внутри проекции данной области компенсации на координатную плоскость XОZ (см. рисунок 2.13)
Замеры отклонений трасс трубопроводов и обработка результатов эксперимента
Из 107 трасс определены 86 трасс, имеющих возможность компенсации отклонений вращением пар прямых взаимно параллельных участков с учётом назначения припусков, т.е. их собираемость обеспечена в процессе технологической подготовки. Все трубы этих трасс изготовлены по проектным размерам с назначением припусков при необходимости и отправлены для монтажа.
По этим трассам проведены замеры фактических отклонений и значений лишних припусков, обрезаемых в процессе монтажа. Замеры проведены с использованием угольника с накладкой и миллиметровой линейки. Замеры фактических отклонений осуществлялись до компенсации после предварительной сборки всех труб трассы. Замеры лишних припусков, обрезаемых в процессе монтажа осуществлялись при пригонке пригоняемой трубы.
На рисунке 3.8 показан пример монтажа трассы трубопроводов с компенсацией суммарных отклонений на судне YN 552044 проекта «Damen Platform Supply Vessel 3300 CD».
Результаты экспериментальных замеров и порядок действий при монтаже трасс трубопроводов представлены в таблице 3.5.
Это означает, что вращение пар параллельных участков в местах свободного соединения 1-5 и 8-12 (см. рисунок 3.4) полностью компенсирует отклонения в направлениях Y и Z, и одновременно перемещает конец трассы в направлении X на расстояние 0,2 мм в отрицательном направлении координатой оси ОХ. Окончательно, отклонения конца трассы полностью исключаются в направлениях Y и Z, остаётся отклонение в направлении X на расстоянии 34,8 мм. Необходимо обрезать лишний припуск 15,2 мм в направлении X для установки пригоняемой трубы.
Таким образом, замеры фактических отклонений и решение задач компенсации трасс трубопроводов подтверждают возможность использования вращения пар параллельных участков для компенсации суммарных отклонений трасс трубопроводов.
Рассмотрим порядок выполнения процесса монтажа труб трасс трубопровода водяной противопожарной системы (приложение А).
Знак отклонений определяется направлением вектора AА от точки теоретического положения А до точки фактического положения А конца трассы в трёхмерной координатной системе.
Трасса 1-313L0101 представлена чертежом 2032921 (приложение А), имеет три пары параллельных участков, которые обладают возможностью компенсации в направлениях X и Y. Компенсация отклонения в направлении Z осуществляется назначением припуска на трубе 401-313L0101.01.
Отклонение в направлении X составляется 31 мм в отрицательном направлении координатной оси ОХ. Для компенсации отклонений в направлении X используется труба 237-313L0101.02т совместно с трубой 237-313L0101.01 в местах свободного соединения № 7-11. Вращением этих труб полностью компенсируется отклонение в направлении Х.
Отклонение в направлении Y составляет 16 мм в положительном направлении координатной оси ОY. Для компенсации отклонений в направлении Y используется труба 237-313L0101.03 совместно с трубой 237-313L0101. 02т в местах свободного соединения № 1-7. Дополнительно используется труба 237-313L0101.01 в соединении № 11. Вращением этих пар параллельных участков полностью компенсируется отклонение в направлении Y.
Компенсация отклонений в направлениях X и Y не влияет на положение конца трассы по направлению Z. Отклонение в направлении Z составляет 42мм по направлению припуска. Пригоняемой трубой назначается крайняя труба 401-313L0101.01 с припуском на участке в направлении Z. Для установки пригоняемой трубы необходимо обрезать лишний припуск на 8мм.
Трасса 2-313L0116 представлена чертежом 2032921 (приложение А), имеется четыре пары параллельных участков, которые обладают возможностью компенсации в направлении Z и частично - в направлении Х. Для полной компенсации отклонений в трёх направлениях необходимо назначить припуски в направлениях X и Y на пригоняемой трубе. Пригоняемой трубой назначается труба 401-313L0116.04 с припусками на участках в направлении X и Y.
Компенсация начинается по направлению Z с отклонением 28 мм по направлению координатной оси ОZ. Для компенсации отклонений в направлении Z используется труба 401-313L0116.03 совместно с трубой 401-313L0116.05 в местах свободного соединения 7-11. Вращением этих пар параллельных участков полностью компенсируется отклонение в направлении Z.
Отклонение в направлении X составляет 25 мм по направлению координатной оси ОХ. Компенсация отклонения в направлении Z перемещает конец трассы по направлению X на расстояние 5 мм в отрицательном направлении координатной оси ОХ. Вращением труб 323-313L0116.00 и 401-313L0116.02 в местах свободного соединения 1-5 компенсируется отклонение на 16 мм. Для компенсации отклонения в направлении Х необходимо обрезать лишний припуск на 38 мм.
Компенсация отклонения в направлении Х перемещает конец трассы по направлению Y на расстояние 2 мм в отрицательном направлении координатной оси ОY, увеличивая расстояние до теоретического положения конца трассы. Отклонение в направлении Y составляет 13 мм в отрицательном направлении координатной оси ОY. Для установки пригоняемой трубы необходимо обрезать лишний припуск на 35 мм.
Трасса 3-313L0130 представлена чертежом 2032921 (приложение А), имеет две пары параллельных участков, которые обладают возможностью компенсации в направлениях X и Y. Компенсация отклонения в направлении Z осуществляется назначением припуска на трубе 601-313L0130.02.
Отклонение в направлении Y составляет 21 мм в отрицательном направлении координатной оси ОY. Для компенсации отклонений в направлении Y используется труба 501-313L0130.01 совместно с трубой 601-313L0130.01 в местах свободного соединения № 1-7. Вращением этих труб полностью компенсируется отклонение в направлении Y.
Отклонение в направлении X составляет 18 мм в отрицательном направлении координатной оси ОХ. Для компенсации отклонений в направлении X используется труба 601-313L0130.02 в месте свободного соединения № 7. Вращением этих труб полностью компенсируется отклонение в направлении Х.
Компенсация в направлениях Х и Y не влияет на положение конца трассы по направлению Z. Отклонение в направлении Z составляет 26 мм в положительном направлении координатной оси ОZ. Для установки пригоняемой трубы необходимо обрезать лишний припуск на 24 мм.
Компенсация отклонений трасс 4-313L0123, 5-313L0124, 6-313L0121, 7-313L0122, 8-313L0128, 11-313L0134, 14-313L0110, представлены чертежами 2032921 (приложение А), производится аналогично. При этом необходимо отметить, что для трассы 4-313L0123 компенсация отклонений в направлениях Х приведёт к увеличению отклонения в направлении Z. А для трассы 14-313L0110, компенсация отклонений в направлении Y приведёт к уменьшению отклонения в направлении Z, но не изменит отклонение в направлении Х.
Трасса 9-313L0137 представлена чертежом 2032921 (приложение А), имеет четыре пары параллельных участков, которые обладают возможностью компенсации всех отклонений в трёх направлениях. В трассе нет пригоняемой трубы.
Для компенсации отклонения в направлении Х используется труба 701-313L0137.08 совместно с трубой 701-313L0137.03 в местах свободного соединения № 1-17. Дополнительно используется труба 701-313L0137.06 совместно с трубой 701-313L0137.05 и труба 701-313L0137.03 в соединениях № 6-8, 17. Компенсация отклонения в направлении Y осуществляется вращением трубы 701-313L0137.04m совместно с трубой 701-313L0137.03 в местах свободного соединения № 14-17. Для компенсации отклонения в направлении Z вращается труба 701-313L0137.03 в месте свободного соединения № 17. Вращением этих труб полностью компенсируются отклонения в трёх координатных направлениях.
Методика обеспечения собираемости трасс трубопроводов на этапе проектирования (технологической подготовки)
Результаты проведённых исследований подтверждают возможность монтажа трасс трубопроводов без применения труб, конфигурацию которых требуется уточнять по месту (забойных труб). Вместо забойных труб используются пригоняемые трубы с назначением припусков при необходимости. При этом, все трубы трассы изготавливаются в задел в цехе по проектным размерам.
Для компенсации отклонений, возникающих в процессе изготовления труб и монтажа систем, определены к использованию параллельные участки с соединениями труб трасс трубопроводов. Параллельные участки являются элементом конфигурации трасс трубопроводов, повороты которых позволяют компенсировать суммарные отклонения перемещением трассы трубопровода.
Во многих случаях использование пар параллельных участков труб не может полностью компенсировать отклонения, возникающие в процессе сборки трубопроводов судовых систем из готовых труб, которые изготавливаются по проектным размерам. Для полной компенсации и обеспечения собираемости трасс трубопроводов суммарные отклонения компенсируются вращением пар параллельных участков труб совместно с выполнением технической операции – отрезка припусков при пригонке соединений на пригоняемой трубе. Данная операция изменяет только конструктивные размеры пригоняемой трубы и не влияет на её проектную конфигурацию [36].
Пары параллельных участков и указанная техническая операция используются для полной компенсации отклонений и обеспечения собираемости трасс трубопроводов судовых систем в следующих сочетаниях:
1) параллельные участки, не менее трёх пар;
2) параллельные участки, не менее двух пар и припуск на концевом участке пригоняемой трубы;
3) параллельные участки и два припуска на концевых участках пригоняемой трубы.
Рассмотрим подробнее использование предполагаемых сочетаний:
1) В трассе имеется три или более пар параллельных участков, обладающих возможностью полной компенсаций отклонений в трёх направлениях. В данном случае отклонения компенсируются использованием только поворотов параллельных участков, не требуется назначать пригоняемую трубу с припусками, т. е. техническая операция отсутствует.
2) В трассе имеется две или более пар параллельных участков, вращение которых даёт возможность компенсации отклонений в двух направлениях. В этом случае для полной компенсации отклонений используется дополнительный припуск, который назначается на концевом участке пригоняемой трубы в оставшемся направлении.
3) В трассе имеется одна или более пар параллельных участков, вращение которых даёт возможность компенсации отклонений только в одном направлении. В этом случае для полной компенсации отклонений в трёх направлениях необходимо назначить два припуска на пригоняемой трубе, концевые участки которой расположены в двух оставшихся направлениях.
В указанных случаях для полной компенсации отклонений в трёх направлениях используется вращение пар параллельных участков с дополнительными припусками. При этом в дополнение к элементу компенсации – параллельным участкам – использована техническая операция отрезки припусков.
При отсутствии возможности компенсации (нет параллельных участков и достаточного количества концевых участков в необходимых направлениях компенсации) производится корректировка трассы
Указанные сочетания использования параллельных участков и припусков для компенсации отклонений и обеспечения собираемости трубопроводов зависят от уровня компенсации, определенного в процессе анализа компенсационных возможностей трасс трубопроводов. На рисунке 4.20 представлен алгоритм определения компенсационного уровня трасс трубопроводов для обеспечения собираемости трубопроводов на этапе проектирования (технологической подготовки) и реализации данной методики в трубопроводном производстве.
В начале определяется компенсационный уровень конфигурации трассы, т. е. максимальная компенсационная возможность конфигурации трассы. Это получается, если предположим, что трасса имеет возможность вращения вокруг осей любых прямых участков, т.е. на всех прямых участках трассы расположены свободные соединения. По компенсационным возможностям трассы разделяются на две группы:
- трассы, которые не требуют корректировку проектной конфигурации для компенсации отклонений;
- трассы, которые требуют корректировку проектной конфигурации для компенсаций отклонений.
Трассы первой группы в зависимости от наличия назначаемых припусков разделяются на три уровня, соответствующих трём сочетаниям обеспечения собираемости трасс трубопроводов:
1) трассы без припусков (без применения пригоняемых труб)
2) трассы с припуском
3) трассы с двумя припускам
Трассы первого уровня компенсации – трассы без применения пригоняемых труб - все трубы этих трасс могут быть изготовлены по проектной информации без назначения припусков и не требуется пригонка труб в процессе монтажа. В этом случае собираемость трасс трубопроводов обеспечена использованием только поворотов параллельных участков.
Трассы второго уровня компенсации – трассы с припуском – на концевом участке пригоняемой трубы в необходимом направлении назначается припуск. Все трубы этих трасс могут быть изготовлены по проектной информации; пригонка пригоняемой трубы и техническая операция отрезки припуска осуществляются после монтажа остальных труб. В этом случае собираемость трасс трубопроводов обеспечена использованием сочетания поворотов параллельных участков и дополнительного припуска.
Трассы третьего уровня компенсации – трассы с двумя припусками – на двух концевых участках пригоняемой трубы назначаются два припуска. Все трубы этих трасс могут быть изготовлены по проектной информации; пригонка пригоняемой трубы и техническая операция отрезки припусков осуществляются после монтажа остальных труб. В этом случае собираемость трасс трубопроводов обеспечена использованием сочетания поворотов параллельных участков и дополнительных припусков.
Необходимо отметить, что в трассах с припусками (см. рисунок 4.19) должна быть труба (пригоняемая труба), концевые участки которой расположены в определенных направлениях, соответствующих направлениям необходимых припусков.
Трассы второй группы не могут компенсировать отклонения с использованием поворотов параллельных участков и технологических припусков. Для этих трасс предлагается перестановка (добавление) свободных соединений для повышения количества пар параллельных участков или проведение корректировки проектной конфигурации.
По результатам проведенных исследований разработана методика обеспечения собираемости трасс трубопроводов на основании определения компенсационных возможностей трасс и значений необходимых припусков, назначаемых на пригоняемых трубах.
Основные положения методики заключаются в следующем:
1. Определение собираемости и компенсационного уровня конфигурации трассы трубопровода. Для этого при проведении расчёта используются только геометрические данные участков трассы, не учитываются положения соединений труб.
1.1 Анализ конфигурации трассы трубопровода и подготовка исходных данных. Под исходными данными понимаются координатные размеры участков трассы в локальной системе координат, точка начала которой совпадает с точкой начала трассы.
1.2 Поиск в трассе пар параллельных участков, которые необходимы для построения области компенсации.