Разработка теоретической основы исследования компенсационных возможностей отклонений в судовых системах трубопроводов

ЛВЕСТНИК

............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-2-356-362

DEVELOPMENT OF THEORETICAL BASE FOR RESEARCH INTO COMPENSATION OPPORTUNITIES OF DEVIATIONS IN THE SHIP PIPING SYSTEMS

T. M. Do1, K. N. Sakhno2

1 — Vietnam Maritime University, Hai Phong, Socialist Republic of Vietnam

2 — Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation

To improve the technology of ship piping systems at the design stage is an actual problem. The authors have analyzed technological features of manufacturing ship piping systems and have also considered the current state of design, manufacture and installation of ship pipeline issues. The review of research in the field of compensation of deviations of pipeline routes is presented. The problem of improving technology of ship piping systems at the design stage is considered providing the possibility of manufacturing pipes without removing dimensions in place. The authors have proposed the solution for the issue within studies of relationship of configuration and compensatory possibilities of pipeline routes. The authors are suggesting the idea of using straight pipes for moving the pipeline route to compensate for errors in the manufacture of pipes and the installation of tightly fixed connections of equipment, saturation products, etc., which ensures collecting the route without changing configuration of ready-made pipes. The proposed development allows to control and reduce at the design stage possible deviations that occur in the manufacture of pipes, to minimize the gaps assigned to the tracing of pipelines.

The authors have reached the following research outcomes: mathematical description of the compensation capabilities ofpipeline routes by using straight pipes; 3D models of compensation area are constructed; the necessary condition for full compensation of deviations, without the use of measure pipes lies in the presence in the track of two pairs of straight pipes with non-planar directions. The theoretical basis for designing an automated program has been developed that will allow determining the areas of compensatory opportunities for pipeline routes. The authors proposed the idea of replacing bottom pipesfor the pipes supplied, which helps to reduce the time for constructing ships.

Keywords: compensation area, manufacturing, design, installation, ship's piping system, route, measured pipe, adjustable pipe, deflection, spherical coordinate systems.

For citation:

Do, Tat Manh, and Konstantin N. Sakhno. "Development of theoretical base for research into compensation

opportunities of deviations in the ship piping systems." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo

i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 10.2 (2018): 356-362. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-2356-362.

УДК 629.12

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОТКЛОНЕНИЙ В СУДОВЫХ СИСТЕМАХ ТРУБОПРОВОДОВ

г Т. М. До1, К. Н. Сахно2

Ц 1 — Вьетнамский морской университет,

Хайфон, Социалистическая Республика Вьетнам

о 2 — ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет»,

Астрахань, Российская Федерация

о

Повышение технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования является актуальной проблемой. Проведён анализ технологических особенностей изготовления судовых трубопроводов. Рассмотрено современное состояние вопроса проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов. Представлен обзор исследований в области компенсации отклонений трубопроводных трасс. В ходе исследований компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов установлено математическое описание компенсационных возможностей трасс трубопроводов путём использования прямых труб; построены трехмерные модели области компенсации; доказано необходимое

ВЕСТНИК«

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ......^

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,

условие полной компенсации отклонений без применения забойных труб — наличие в трассе двух пар прямых труб некомпланарных направлений; разработана теоретическая основа для создания автоматизированной программы, которая позволит определить области компенсационных возможностей для трасс трубопроводов. Предлагаемая разработка позволяет на стадии проектирования управлением и снижением возможных отклонений, возникающих при изготовлении труб, минимизировать зазоры, устанавливаемые при трассировке трубопроводов. Предложена возможность замены забойных труб на поставляемые трубы, что способствует сокращению сроков постройки судов.

В работе рассматривается проблема повышения технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования с обеспечением возможности изготовления труб без снятия размеров по месту и ее решение в рамках исследований взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей трубопроводных трасс. Изложена идея об использовании прямых труб для перемещений трассы трубопровода с целью компенсации погрешностей изготовления труб и сборки жёстко фиксированных соединений оборудования, изделий насыщения и т. п., что обеспечивает собираемость трассы без изменения конфигурации готовых труб.

Ключевые слова: область компенсации, изготовление, проектирование, монтаж, трубопроводы, трассировка, забойная труба, пригоняемая труба, отклонение, сферические системы координат.

Для цитирования:

До Т. М. Разработка теоретической основы исследования компенсационных возможностей отклонений в судовых системах трубопроводов / Т. М. До, К. Н. Сахно // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 2. — С. 356-362. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-2-356-362.

Введение

Трудоемкость изготовления трубопроводов и сборки систем на судах составляет до 11 - 20 % от общей трудоемкости работы на верфи. Технология трубопроводов характеризуется разнообразием операций и низким уровнем механизации. Для этого производства требуется значительная и сложная подготовка [1] - [3] — рис. 1.

2 О

8

Рис. 1. Моделирование судовых систем трубопроводов при помощи ЭВМ

В связи с ранее изложенным, необходимо повышение эффективности производства за счет внедрения новых технологий для изготовления труб по проектной информации без уточнения по месту [1], [4], [5]. Наличие в проектной документации достаточной информации для производства и сборки труб позволяет комбинировать работы по строительству судна и сократить время завершения судостроительных заказов [3], [6], [7]. Кроме того, создаются предпосылки для создания автоматизированной программы, которая позволит оказать помощь в формировании региональных центров автоматизированного производства труб.

_г<

Гэя

Для разработки альтернативных способов компенсации гипотеза о взаимосвязи между конфигурационными и компенсационными возможностями траектории проектирования трубопровода была выдвинута и обоснована в работе [1], фундаментальная идея которой заключается в использовании прямых и параллельных участков с соединениями труб для перемещения трассы трубопроводов. Это компенсирует общие отклонения жестко фиксированных соединений, которые ограничивают данную трассу, а также погрешности в изготовлении и монтаже труб, что обеспечит сбор трассы без изменения конфигурации готовых труб.

Методы и материалы

В работе [2] показано, что прямые трубы трасс или прямые участки трасс с погибами можно использовать для перемещения конечной точки трассы за счёт установки соединений с перекосом труб и поворота трассы в соединениях, находящихся на этих прямых трубах. При этом область, которую опишет конечная точка A, является областью компенсации возможных отклонений.

В данном исследовании применяем уравнения для определения области компенсации трасс в прямой задаче (при проектировании трубопровода). Другими словами, определяем возможность компенсации отклонений заданной трассы, уравнения для определения углов вращения прямых труб применяются в обратной задаче (при монтаже трубопровода), т. е. вначале определяем углы, на которые надо вращать прямые трубы для компенсации возникающих отклонений.

Рассмотрим трассу трубопроводов, которая состоит из последовательности точек C, C1, F1, ..., Cm, F, A (рис. 2). Каждая из них может быть либо точкой соединения двух труб, состоящих из последовательности точек C(xc, yc, zc), C(xC1, yC1, zC1), ..., C(xCm, yCm, zCm), без изменения направления трассы, либо точкой изгиба F(xF1, yF1, zF1), F(xF2, yF2, zF2), F(xFn, yFn, zFn) без изменения направления трассы. Последняя (конечная) точка A(xA, yA, zA). Трасса должна соединить начальную (C) и ко -нечную точку (A), точное фактическое положение которых (относительно друг друга) в момент проектирования трассы неизвестно. Погрешность определяется областью возможных отклонений конечной точки трассы. Эта область задаётся в виде сферы или прямоугольного параллелепипеда в трехмерном пространстве (определяется предельными отклонениями от конечной точки трассы по каждой из координат).

FP . F3

С

HI-

F

с

С.

F-

f4 с

F,

Сn Fn А

Рис. 2. Трасса труб

При установке первого соединения с перекосом труб, поворачивая трассу в соединении, находящаяся на этих прямых трубах конечная точка трассы описывает вихор сферы (рис. 3). Максимальная величина отклонения путём установки с перекосом зависит от длины прямых труб или расстояния между двумя соединениями.

Далее при установке второго соединения не перпендикулярно оси трубы, а взаимно параллельно, конечная точка трассы перемещается по некоторой траектории. Аналогично при смещении осей следующих соединений область компенсации представляет собой трёхмерное тело. Эта дуга, поверхность и трёхмерное тело и определяют область компенсации. В предлагаемом исследовании задачей является разработка математического описания определения области компенсации. Для решения задачи необходимо применить расчетный метод на основе разработки соответствующих теоретических положений и математических формул.

ВЕСТНИК«)

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ^^

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

Воспользуемся декартовой системой координат Сху2. При установке соединении в точке С с перекосом и поворотом трубы СС1 получим три координаты (г, 0, ф), где г — кратчайшее расстояние до начала координат; 0, ф — зенитный и азимутальный углы соответственно. Для решения задачи оказывается удобным вместо декартовой системы использовать сферические системы координат.

Результаты

Три координаты (r, 0, ф) определены следующим образом:

- r > 0 — расстояние от начала координат С до заданной точки C1;

- 0 < 0 < а — угол между осью Cz и отрезком, соединяющим начало координат и последнюю точку трубы С (таким образом, Cz — ось трубы), а определяется по ОСТу 5. 95057-90 [8].

- 0 < ф < 2л — угол между осью X и проекцией отрезка, соединяющего начало координат с точкой C1 на плоскости Cxy (таким образом, Cxyz — плоскость трубы).

Если заданы сферические координаты точки C1, то переход к декартовым Cxyz осуществляется по формулам:

xCl = rl • sin в1 • cos ф1;

Уci = Г • sin в! • sin 9j;

где гх = ССХ = = у](хС1 -хс)2 + (уС1 -уС)2 + (С1 -2С)2; — угол перекоса [0, а];

ф: — угол поворота [0, 2л].

При параллельном переносе системы координат Сху1 в точку Сх получим новую систему координат С1ху111 (см. рис. 2). Формулы перехода от системы Сху1 к системе С1ху111 принимают

X — Xi ^г ;

y — Ух + Ус\;

z — zi + zci •

В новой системе координат C1xy1z1 координаты точки соединения C2 принимают вид:

хс 2 = r2 .sin Э2 .cos ф2; Ус 2 = r2.sin e2.sin ф2; zC 2 = r2 .cos e2,

где r2 = C1C2 = Vx2 + y2 + z2 = V(xc2 - xci) + (yc2 - Ус1) +(zc2 - zci) ; 02 — угол перекоса [0, а]; ф2 — угол поворота [0, 2п].

2 О

8

сч г

оо о

В отличие от систем уравнений (1), (3), в системе уравнений (2) координаты точки соедине-

ния С принимают вид:

Получим

Х = ХС 2 + ХС1;

У = Ус 2 + УсР 2 2С 2 I *

х = г • sin 01 • cos ф1 + г2 • sin 02 • cos ф2; у = г - sin 01 • sin ф1 + г2 • sin 02 • sin ф2; 7 = Г - cos 01 + г2 - cos 02.

Аналогично при параллельном переносе системы координат следующих точек соединений до последней точки А координаты точки соединения А в первоначальной системе координат Cxyz принимают следующий вид:

' т

ХА = '81п 0;' с°8 Ъ;

i=1 т

у а'81п 0/ 81п ъ;

/=1 т

2 А=Уг, • с°» 0 >

/=1

где г. = С._1С. = V Х2 + у + (хо-1 - хо ) + (уо-1 - У а ) +(2а-1 - 2 о) ; т — количество свободного соединения в трассе труб (С, С1, С2, ..., Ст); 0. — угол перекоса [0, а]; ф. — угол поворота [0, 2 л].

Уравнение (5) определяет траекторию перемещения последней точки трассы А. Эта траекто -рия представлена на рис. 4.

Рис. 4. Траектория смещения точки А при повороте I труб

Таким образом, хА, уА, являются координатами вектора СА. Для определения координат А после перемещения трассы по соединению в первоначальной системе координат Оху2 используем следующую формулу:

ОА = ОС + СА.

ВЕСТНИК«)

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ^^

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

Обсуждение

В соответствии с предлагаемым подходом к компенсации отклонений трасс трубопроводов с использованием поворотов прямых труб соединения не устанавливаются перпендикулярно оси трубы, они взаимно параллельны, что позволяет перемещать трассы, состоящие из прямых труб, только для компенсации возможных отклонений жестко фиксированных соединений на фактически требуемое значение. При этом обнаруживается, что только с двумя прямыми трубами достаточно компенсировать отклонение по всем направлениям Ox, Oy, Oz. Однако в этом случае диапазон компенсации обычно маленький (в зависимости от длин прямых труб). Для того, чтобы увеличить область компенсации, необходимо увеличить количество прямых труб в трассе. Чем больше количество прямых труб, тем больше смещение конечной точки трассы.

Проблема совершенствования технологий судостроения в процессе изготовления и монтажа трубопроводов остается актуальной. Предыдущие исследования также были направлены на решение этой проблемы. В общем, предлагаемые подходы обычно оптимизируются при проектировании трубопровода [9] - [11], а также улучшается точность изготовления и сборки труб. В сочетании с предложенным в данной работе исследовательским направлением в будущем можно будет достигнуть важного этапа в процессе проектирования, изготовления и монтажа системы трубопроводов.

Заключение

В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:

- выполнено математическое описание компенсационных возможностей трасс трубопроводов путём использования прямых труб;

- построены трехмерные модели области компенсации;

- разработана теоретическая основа для создания автоматизированной программы, которая позволит определить области компенсационных возможностей для трасс трубопроводов;

- открывается возможность замены забойных труб на поставляемые трубы, что способствует сокращению сроков постройки судов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2

1. Сахно К. Н. Научные основы повышения технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования: дис. ... д-ра техн. наук: 05.08.04 / К. Н. Сахно. — Астрахань: АГТУ, 2012. — 353 с.

2. Сахно К. Н. Исследование возможностей создания обобщенного метода использования параллельных участков и прямых труб для компенсации отклонений судовых трубопроводных трасс / К. Н. Сахно, Т. М. До, Ч. К. Во // Молодой ученый. — 2016. — № 6 (110). — С. 181-184.

3. Дженкова Р. В. Анализ экономической эффективности новых технологий при изготовлении труб судовых систем / Р. В. Дженкова, Т. М. До, К. Н. Сахно // Инженерный вестник Дона. — 2016. — Т. 40. — № 1 (40). — С. 26.

4. Safa M. Automating measurement process to improve quality management for piping fabrication/ M. Safa, A. Shahi, M. Nahangi, C. Haas, H. Noori // Structures. — 2015. — Vol. 3. — Pp. 71-80. DOI: 10.1016/j. _ istruc.2015.03.003. S

5. Haiteng S. Pipe-assembly approach for ships using modified NSGA-II algorithm / S. Haiteng, N. Wentie, . N. Yaxiao, Z. Chongkai, G. Weigao // Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing. — 2016. — Vol. 26 О (2). — Pp. 34-42. Ы

6. Dang V. T. Giao trinh tho ong tau thuy / V. T. Dang. — Hai Phong: Dai Hoc Hang Hai Viet Nam, 2005. — 45 p. С

7. Cao N. V. Nghien cuu ung dung phan mem ship constructor vao thiet ke cong nghe he thong duong ong tau 4 thuy bang mo hinh 3D tren may vi tinh / N. V. Cao // Tap chi: Khoa hoc cong nghe hang hai. — 2007. — № 10. —

С. 84-86.

8. ОСТ 5.95057-90. Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов. — РТП НПО «Ритм». — 207 с.

9. Park J. H. Pipe-routing algorithm development: case study of a ship engine room design / J. H. Park, R. L. Storch // Expert Systems with Application. — 2002. — Vol. 23. — Is. 3. — Pp. 299-309. DOI: 10.1016/S0957-4174(02)00049-0.

TJ »ВЕСТНИК

............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

VjyiOPCKOrO И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О.

МАКАРОВА

10. Jiang W. Y. A co-evolutionary improved multi-ant colony optimization for ship multiple and branch pipe route design / W. Y. Jiang, Y. Lin, M. Chen, Y. Y. Yu // Ocean Engineering. — 2015. — Vol. 102. — Pp. 63-70. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2015.04.028.

11. Lee D. M. Layout design optimization of pipe system in ship engine room for space efficiency / D. M. Lee, S. Y. Kim, B. Y. Moon, G. J. Kang // Journal of the Korean Society of Marine Engineering. — 2013. — Vol. 37. — Is. 7. — Pp. 784-791. DOI: 10.5916/jkosme.2013.37.7.784.

1. Sakhno, K.N. Nauchnye osnovy povysheniya tekhnologichnosti truboprovodov sudovykh sistem na stadii proektirovaniya: Dr. diss. Astrakhan': AGTU, 2012.

2. Sakhno, K.N., T.M. Do, and Ch.K. Vo. "Issledovanie vozmozhnostei sozdaniya obobshchennogo metoda ispol'zovaniya parallel'nykh uchastkov i pryamykh trub dlya kompensatsii otklonenii sudovykh truboprovodnykh trass." Molodoi uchenyi 6(110) (2016): 181-184.

3. Dzhenkova, R.V., T.M. Do, and K.N. Sakhno. "Cost-effectiveness analysis of new technologies in the production of ship piping systems." Engineering journal of Don 40.1(40) (2016): 26.

4. Safa, Mahdi, Arash Shahi, Mohammad Nahangi, Carl Haas, and Hamid Noori. "Automating measurement process to improve quality management for piping fabrication." Structures 3 (2015): 71-80. DOI: 10.1016/j. istruc.2015.03.003.

5. Haiteng, S., N. Wentie, N. Yaxiao, Z. Chongkai, and G. Weigao. "Pipe-assembly approach for ships using modified NSGA-II algorithm." Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing 26(2) (2016): 34-42.

6. Dang, V.T. Giao trinh tho ong tau thuy. Hai Phong: Dai Hoc Hang Hai Viet Nam, 2005.

7. Cao, N.V. "Nghien cuu ung dung phan mem ship constructor vao thiet ke cong nghe he thong duong ong tau thuy bang mo hinh 3D tren may vi tinh." Tap chi: Khoa hoc cong nghe hang hai. - Hai Phong 10 (2007): 84-86.

8. Russian Federation. OST 5.95057-90. Sistemy sudovyye i sistemy sudovykh energeticheskikh ustanovok. Tipovoy tekhnologicheskiy protsess izgotovleniya i montazha truboprovodov. RTP NPO «Ritm».

9. Park, Jin-Hyung, and Richard L. Storch. "Pipe-routing algorithm development: case study of a ship engine room design." Expert Systems with Applications 23.3 (2002): 299-309. DOI: 10.1016/S0957-4174(02)00049-0.

10. Jiang, Wen-Ying, Yan Lin, Ming Chen, and Yan-Yun Yu. "A co-evolutionary improved multi-ant colony optimization for ship multiple and branch pipe route design." Ocean Engineering 102 (2015): 63-70. DOI: 10.1016/j. oceaneng.2015.04.028.

11. Lee, Dong-Myung, Soo-Young Kim, Byung-Young Moon, Gyung-Ju Kang. "Layout design optimization of pipe system in ship engine room for space efficiency." Journal of the Korean Society of Marine Engineering 37.7 (2013): 784-791. DOI: 10.5916/jkosme.2013.37.7.784.

REFERENCES

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

До Тат Мань — преподаватель Вьетнамский морской университет

Do, Tat Manh — Lecturer Vietnam Maritime University

Социалистическая Республика Вьетнам, Хайфон, 484 Lach Tray, Le Chan, Hai Phong,

Ле Чан, 484 Лач Чаи

e-mail: dotatmanh@gmail.com

Сахно Константин Николаевич —

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «Астраханский государственный

технический университет»

414056, Российская Федерация, Астрахань, ул.

Татищева, 16

e-mail: k.sakhno@mail.ru

Socialist Republic of Vietnam e-mail: dotatmanh@gmail.com Sakhno, Konstantin N. — Doctor of Technical Sciences, professor

Astrakhan State Technical University 414056, 16 Tatisheva Str., Astrakhan, 414056, Russian Federation e-mail: k.sakhno@mail.ru

Статья поступила в редакцию 21 февраля 2018 г.

Received: February 21, 2018.