Исследование компенсационных возможностей прямых труб в трассах с погибами

УДК 629.5.06.001.2.621.643

К. Н. Сахно, Нго Жа Вьет

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРЯМЫХ ТРУБ В ТРАССАХ С ПОГИБАМИ

Исследуется современное состояние вопроса проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов. 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. Рассматривается проблема компенсационных возможностей прямых труб в трассах с одним погибом и в трассах с двумя и более погибами. Установлено, что при одновременном вращении двух разных труб с параллельными концами конечная точка движется по некоторой поверхности (если оси этих труб не параллельны). При вращении трех и более труб с тремя некомпланарными осями (не лежащими в одной плоскости) область компенсации представляет собой трехмерное тело. Усовершенствована методика вычисления возможной области компенсации с целью сокращения объемов вычисления. В рамках гипотезы о взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов изложена идея использования прямых труб для перемещений трассы трубопровода с целью компенсации погрешностей изготовления труб и монтажа жёстко фиксированных соединений оборудования, изделий насыщения и т. п., что обеспечивает собираемость трассы без изменения конфигурации готовых труб.

Ключевые слова: трубопроводы, проектирование, изготовление, монтаж, погиб.

Введение

Развитие науки и применение новых технологий в судостроительной отрасли превратило судно в сложный технологический комплекс, состоящий из различного вида оборудования, механизмов и конструкций, работа которых обеспечивается системами трубопроводов.

Появление новых типов многофункциональных судов, усложнение применяемого оборудования влекут за собой увеличение количества труб различного назначения и конфигурации, которые необходимо компактно размещать на судне [1]. Протяженность трубопроводов судовых систем и систем энергетических установок на современных крупных судах составляет десятки километров [2]. Так, протяженность систем трубопроводов на танкере «British Progress» составляет 81 километр [3].

В современном судостроении доля изготавливаемых трубопроводов «в задел» составляет около 40 %. Оставшаяся часть труб может быть изготовлена только после снятия размеров на месте, что отрицательно сказывается как на сроках постройки судна, так и на конечной стоимости производимых работ [4].

В связи с вышеизложенным исследование компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов для повышения эффективности производства путем внедрения технологии изготовления труб по проектной информации является одной из важнейших отраслевых тенденций современного судостроения.

В проектах судов существуют прямые трассы, трассы параллельных участков и трассы с погибами. Установлено, что на практике монтаж трасс с погибами осуществляется с нарушением требований, предусмотренных действующими нормативами [5, 6]. Рассмотрим компенсационные возможности прямых труб в трассах с погибами.

Трассы с одним погибом

В трассах, имеющих только один погиб, как и в прямых трассах, нет параллельных участков по определению. При выборе в качестве забойной трубы с одним погибом имеется возможность, используя технологические припуски на её концах, компенсировать отклонения только в двух направлениях, в плоскости трубы. При этом остаётся некомпенсированным отклонение в направлении, перпендикулярном плоскости трубы. Компенсировать его путём установки соединений с перекосом на одной трубе невозможно из-за превышения допустимого угла переко-

са, что было показано при рассмотрении прямых трасс [1]. Допустимое перемещение при установке соединений с перекосом у трубы с погибом будет меньше, чем у прямой трубы. Развёрнутая длина трубы с погибом, так же как и длина прямой, будет составлять 1,5-2,5 м в зависимости от диаметра трубы: чем больше диаметр, тем короче труба. Величина смещения трубы с погибом за счёт допустимого перекоса зависит от длины участка трубы, примыкающего к прямой трубе, который по определению короче развёрнутой длины.

Используя тот же подход, что и в прямых трассах, отклонения можно компенсировать при использовании прямых труб со смещением соединений. Достаточно двух прямых труб, чтобы компенсировать любое отклонение величиной ± (А1 + А2) в любом направлении, перпендикулярном направлению этих труб. После поворота прямых труб на необходимые для компенсации отклонения углы достаточно назначить один припуск на участке, совпадающем с направлением прямых труб. Труба (прямая или с одним погибом), на которой будет назначен припуск, и является забойной (рис. 1).

Рис. 1. Область компенсации трассы с одним погибом: г = А • п - радиус цилиндра (А - величина смещения, п - количество прямых труб в трассе);

I - размер припуска; И = 21 - высота цилиндра

Рассмотрим возможность компенсации отклонений в трассах с одним погибом, состоящих из двух труб - прямой и трубы с погибом.

Наиболее очевидной является компенсация с использованием поворота прямой трубы в сочетании с перекосом установки соединения на участке, примыкающем к прямой трубе, и припуском, назначенным на этом участке забойной трубы (трубы с погибом). Недостатком такого способа компенсации является наличие «мёртвой зоны», которая будет возникать в большинстве случаев в связи с тем, что длина прямой трубы больше длины одного участка трубы с погибом, поэтому величина допускаемого смещения у прямой трубы А2 больше величины допускаемого смещения трубы с погибом А1 [1]. Величины смещений могут отличаться значительно, что увеличивает размер «мёртвой зоны» и делает применение такого способа компенсации проблематичным.

Рассмотрим возможность компенсации отклонений с помощью поворота прямой трубы и назначения двух припусков на забойной трубе с погибом. При таком способе «мёртвая зона» отсутствует, но максимальная величина компенсации г - радиуса основания цилиндра (рис. 1) будет ограничена величиной смещения прямой трубы А, что может оказаться недостаточным для выполнения компенсации (рис. 2). Область компенсации - это цилиндр, разрезанный по диаметру со вставленным параллелепипедом (рис. 3).

Рис. 2. Вид области компенсации без смещения соединений забойной трубы

Рис. 3. Область компенсации трассы с одним погибом, состоящей из двух труб, без смещения соединений забойной трубы: И = 2/ь И2 = 2А + 212; г3 = А

Если при пригонке забойной трубы дополнительно использовать установку соединений с необходимым перекосом, то радиус полуокружностей увеличится на величину Я (рис. 4) и область компенсации расширится до необходимых значений (рис. 5).

Рис. 4. Вид области компенсации трассы с одним погибом, состоящей из двух труб

Рис. 5. Область компенсации с использованием прямой трубы и двух дополнительных припусков:

h = 2l,

1 +

R

Л

+12

; h 2 = 2

А + l.

1 +

R

Л

+12

; r3 = А + R

Таким образом, для трасс с одним погибом область компенсации образуется при сочетании прямой трубы со второй прямой трубой или с трубой, имеющей участок, не параллельный направлению прямой трубы.

В результате исследований компенсационных возможностей трасс с одним погибом установлено следующее:

— трасса с одним погибом, в которой имеются две прямые трубы и более, может собираться с использованием тех же приёмов, что и трасса, состоящая только из прямых труб;

— трасса, состоящая из двух труб, - прямой и трубы с погибом - может собираться с использованием разворотов прямой трубы, припусков на обоих концах трубы с погибом и установки на этой трубе соединений с допустимым перекосом в процессе пригонки.

Трассы с двумя и более погибами

Рассмотрим возможность применения разработанного метода компенсации с использованием прямых труб в обычных трассах - трассах с двумя и более погибами. Соединения на прямые трубы устанавливаются взаимно параллельно, но с допустимым перекосом к оси трубы, что обеспечивает смещение трассы при монтаже.

При наличии в трассе двух прямых труб, расположенных на одной линии, компенсация осуществляется, как и в прямых трассах [1]. При этом в процессе поворота прямых труб необходимо контролировать, чтобы направления всех участков трассы, расположенных по ходу монтажа за прямыми трубами, сохранялись параллельными их первоначальному положению.

При наличии в трассе двух прямых труб, расположенных параллельно, компенсация осуществляется поэтапно. На первом этапе смещение трассы от прямой трубы 1 компенсируется второй прямой трубой 3, и конечный участок трассы занимает теоретическое положение (рис. 6).

Рис. 6. Монтаж трассы в теоретическом положении конечного участка

На втором этапе компенсируется отклонение Р взаимного положения жёстко фиксированных соединений, ограничивающих трассу (рис. 7). С помощью прямых труб 1 и 3 и приёмов, использованных в прямых трассах, компенсируются отклонения в направлениях, перпендикулярных осям этих труб. При повороте в соединениях трубы 1 необходимо контролировать, чтобы направления всех участков трассы, расположенных по ходу монтажа за прямой трубой 1, сохранялись параллельными их первоначальному положению. В результате последний участок трассы займёт положение I.

После поворота трубы 3 на необходимый для компенсации отклонений угол и поворота трубы 4 на тот же угол, но в обратном направлении, последний участок трассы займёт необходимое для сборки положение - фактическое положение трассы после монтажа (рис. 7).

Если сначала повернуть трубу 3, то после обратного поворота трубы 4 последний участок трассы займёт положение II (рис. 7). При повороте трубы 1 и расположенной за ней части трассы на необходимый для компенсации в обратном направлении угол, последний участок трассы займёт необходимое для сборки положение - фактическое положение трассы после монтажа (рис. 7).

в

Рис. 7. Компенсация отклонений трассы с использованием двух взаимно параллельных прямых труб

Таким образом, если в трассе имеются две и более прямые трубы, расположенные на одной линии или взаимно параллельно, то путём их поворотов в соединениях можно осуществлять компенсацию отклонений трассы любой конфигурации так же, как компенсацию отклонений в прямых трассах.

Если в трассе только одна прямая труба 1, т. е. трубы 3 нет (см. рис. 6), то за счёт припуска на участке трубы 4, параллельном направлению прямой трубы, устраняется отклонение трассы от фактического положения второго жёстко фиксированного соединения в указанном направлении.

Труба 1 поворачивается для компенсации отклонения в направлении, перпендикулярном плоскости трассы (см. рис. 6), и часть трассы, расположенная за прямой трубой возвращается в положение, параллельное первоначальному. Направление последнего участка трассы совпадёт с направлением фактического положения второго жёстко фиксированного соединения, и, за счёт припуска на последнем участке трубы, 4 трасса занимает необходимое для сборки положение - фактическое положение трассы после монтажа (рис. 7). Необходимая величина компенсации в направлении, перпендикулярном плоскости трассы (см. рис. 6), достигается путём установки соединений на забойную трубу 4 с допустимым перекосом.

Если трасса состоит из двух труб - прямой 1 и трубы с параллельными участками 2 (труб 3 и 4 нет, см. рис. 6), то сочетаниями их разворотов в соединениях достигается компенсация отклонений в плоскости, перпендикулярной плоскости прямой трубы. Для компенсации отклонений в направлении прямой трубы назначается припуск на трубе с параллельными участками (забойной трубе). Действия по компенсации аналогичны рассмотренным выше для трассы с одной прямой трубой. Второй припуск не требуется - его роль выполняет дуга компенсации, образованная трубой с параллельными участками.

Таким образом, перемещение трасс для компенсации отклонений, возникающих в процессе их монтажа из готовых труб, можно осуществлять с использованием прямых труб, изготавливаемых со смещением осей соединений.

Необходимым условием полной компенсации отклонений, без применения забойных труб, является наличие в трассе двух пар прямых труб некомпланарных направлений (рис. 8, 9).

Для компенсации отклонений АХ и АХ используются развороты первой пары прямых труб 1 и 2. Путём обратных поворотов трубы 3 в соединении с трубой 2 сохраняется необходимое направление конечного участка трассы.

Рис. 8. Компенсация отклонений трассы с двумя парами прямых труб

Для компенсации отклонения АУ используются повороты второй пары прямых труб 4 и 5 (рис. 8). В результате трасса переместится в необходимое для сборки положение при сохранении необходимого направления последнего участка. Припуск (забойная труба) для создания области компенсации не требуется. Области компенсации каждой пары прямых труб - плоские, ограниченные окружностями радиусом, равным сумме смещений пары прямых труб. Для создания объёмной области компенсации используется последовательное сочетание двух плоских областей компенсации (рис. 9).

I

Рис. 9. Область компенсации с использованием двух пар прямых труб

Таким образом, в ходе монтажа трасс с погибами при установке соединений труб можно компенсировать отклонение жёстко фиксированных соединений, ограничивающих трассу, перемещая конец трассы путём поворотов труб.

Заключение

В ходе исследований компенсационных возможностей трасс различной конфигурации с двумя и более погибами установлено:

— перемещение трасс, не имеющих параллельных участков, для компенсации отклонений можно осуществлять, используя прямые трубы, изготовленные со смещением осей соединений;

— определены минимально необходимые сочетания элементов конфигурации трасс трубопроводов для возможности компенсации отклонений при монтаже систем из готовых труб - это две прямые трубы, прямая труба и труба с одним погибом (или с погибами и разнонаправленными концевыми участками), а также прямая труба и труба с параллельными концевыми участками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сахно К. Н. Актуальность использования компенсационных возможностей прямых труб при проектировании, изготовлении и монтаже трубопроводных систем / К. Н. Сахно, Нго Жа Вьет, Во Чунг Ку-анг // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2015. № 2. С. 22-26.

2. OSHA (Occupational Safety and Healf Administration). Shipyard Industry Standards. U. S. Department of Labor, 2014. 312 p.

3. Lingwood J. Significant Ships of 2000 / J. Lingwood, T. Knaggs, Ch. Brown. London: The Royal Institution of Naval Architects, 2001. 95 p.

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

5. ОСТ 5.95057-90. Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов.

6. 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.

Статья поступила в редакцию 29.12.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Сахно Константин Николаевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, доцент; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; k.sakhno@mail.ru.

Нго Вьет Жа — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; ngogiaviet.ast@gmail.com.

K. N. Sakhno, Ngo Gia Viet

STUDY OF COMPENSATORY POSSIBILITIES OF STRAIGHT PIPES IN PIPELINE ROUTES WITH DEFLECTIONS

Abstract. The current state of the design, manufacture and installation of marine pipelines is studied. The paper considers the problem of manufacturability improvement of pipelines of marine systems at the stage of designing, providing the possibility of manufacturing the pipes without taking actual sizes and its solution within the framework of the research of the interrelation of configuration and compensation possibilities of the pipeline routes. The problem of compensatory possibilities of straight pipes on pipeline routes with a deflection, or with two and more deflections is examined. It is stated that at simultaneous rotation of two different pipes with parallel ends, the terminal point moves along the surface (if the axes of these pipes are not parallel). At rotation of three or more pipes with three non-coplanar axes (i. e. not coplanar) the compensation range is a three-dimensional body. The methods of calculation of the possible area of compensation is presented in order to reduce the amount of computations. According to the hypothesis on the relationship of configuration and compensation opportunities of project tracing of pipelines there has been set an idea of using straight pipes to move the pipeline in order to compensate the errors in the manufacture of pipes and installation of the fixed joints of equipment, saturation products and etc. that provides a assemblability of tracks without reconfiguration of the finished pipes.

Key words: pipelines, design, manufacture, mounting, deflection.

REFERENCES

1. Sakhno K. N., Ngo Zha V'et, Vo Chung Kuang Aktual'nost' ispol'zovaniia kompensatsionnykh vozmozhnostei priamykh trub pri proektirovanii, izgotovlenii i montazhe truboprovodnykh sistem [Urgency of using the compensatory possibilities of straight pipes while designing, manufacturing and mounting of the pipeline routes]. Vestnik Astrakhan-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2015, no. 2, pp. 22-26.

2. OSHA (Occupational Safety and Health Administration). Shipyard Industry Standards. U. S. Department of Labor, 2014. 312 pp.

3. Lingwood J., Knaggs T., Brown Ch. Significant Ships of 2000. London: The Royal Institution of Naval Architects, 2001. 95 p.

4. Sakhno K. N. Nauchnye osnovy povysheniia tekhnologichnosti truboprovodov sudovykh sistem na stadii proektirovaniia: dis. d-ra tekhn. nauk [Scientific bases of improvement of the manufacturability of the pipelines of the marine systems at the stage of designing: dis. doc. tech. sci.]. Astrakhan, 2012. 353 p.

5. OST 5.95057-90. Sistemy sudovye i sistemy sudovykh energeticheskikh ustanovok. Tipovoi tekhno-logicheskii protsess izgotovleniia i montazha truboprovodov [Marine systems and systems of marine power installations. Typical technology of manufacturing and mounting the pipelines].

6. RD 5R.0005-93. Sistemy sudovye i sistemy sudovykh energeticheskikh ustanovok. Trebovaniia k pro-ektirovaniiu, izgotovleniiu i montazhu trub po eskizam i chertezham s koordinatami trass truboprovodov [Marine systems and systems of marine power installations. Requirements to designing, manufacturing and mounting the pipes using the sketches and schemes with coordinates of the pipeline routes].

The article submitted to the editors 29.12.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Sakhno Konstantin Nickolaevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Power Complexes of Marine Technological Equipment"; k.sakhno@mail.ru.

Ngo Viet Gia — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Power Complexes of Marine Technological Equipment"; ngogiaviet.ast@gmail.com.