Современные методы проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов судовых систем

УДК 629.5.06.001.2:621.643 ББК 39.459.9-022

К. Н. Сахно, А. С. Дьяков

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА ТРУБОПРОВОДОВ СУДОВЫХ СИСТЕМ

K. N. Sakhno, A. S. Diyakov

MODERN METHODS OF DESIGNING, MANUFACTURING AND MOUNTING OF MARINE SYSTEM PIPELINES

Рассмотрено современное состояние проблемы проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов. Представлен обзор исследований в области компенсации отклонений трубопроводных трасс. 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. Рассмотрены современные методы повышения технологичности трубопроводов судовых систем при проектировании, изготовлении и монтаже. Рассматриваются вопросы о необходимости снятия размеров по месту для изготовления труб и о повышении технологичности трубопроводов на стадии проектирования. Поставлены задачи по исследованию компенсационных возможностей трасс трубопроводов с учетом особенностей их конфигурации.

Ключевые слова: трубопроводы, проектирование, изготовление, монтаж.

The current state of designing, manufacturing and mounting of marine system pipelines is considered. The review of researches in the field of pipeline route deviation compensation is given.

The problem of manufacturability improvement of pipelines of ship systems at the stage of designing and providing the possibility of pipes manufacturing without taking sizes at the place, and its solution within the framework of the research of the configuration interrelation and compensation possibilities of pipeline routes are considered in the paper. The modern methods of improving processing pipelines of ship systems in the design, manufacture and installation are studied. The questions on the need for removal of the sizes locally for the manufacture of pipes, and the issue of increasing technological pipelines at the design stage are examined. The research problems of pipeline routes compensating taking into account the features of their configuration are stated.

Key words: pipelines, designing, manufacturing, mounting.

Введение

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, их сборкой с большим количеством дополнительных ручных операций по месту, а также применением специальных технологических шаблонов [1].

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 некоторых проектах рыбопромысловых судов - до 14-17 %. Многие операции по монтажу трубопроводов лежат на критическом пути и тем самым влияют на общую продолжительность постройки судна [2].

Именно поэтому важнейшей тенденцией современного судостроения является повышение эффективности производства путем внедрения новых технологий изготовления труб по проектной информации без пригонки по месту. Наличие в проектной документации достаточной информации для изготовления и монтажа труб позволяет совместить работы по постройке судна и сократить сроки выполнения судостроительных заказов. Кроме того, создаются предпосылки для формирования региональных центров, работающих в автоматизированном режиме изготовления труб.

Современное состояние вопроса и методов проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов

Среди наиболее перспективных направлений повышения эффективности трубообрабатывающего производства в настоящее время рассматривается перенос основных и наиболее трудоёмких работ по трассировке и пригонке труб с судна в цех. Решение проблемы связывается с совершенствованием технологической подготовки производства и обеспечением достоверности проектной информации, определяющей форму и размеры труб [3, 4].

Проблема выпуска достоверной информации на трубопроводы решается с конца 60-х гг. XX в. Разработан и применяется метод проектирования трубопроводов с использованием масштабного макетирования [5]. Для этого изготавливаются в масштабе 1 : 10 или 1 : 5 макеты наиболее насыщенных судовых помещений (например, машинных отделений, постов энергетики, надстроек и т. д.). На основе макета выпускаются монтажные чертежи трубопроводов (в нескольких проекциях), располагаемых в макетируемом помещении. На них наносятся координаты труб относительно реально существующих корпусных конструкций (например, от двойного дна, палубы, переборки и т. д.), а также координаты изгибов, начала отростков, клапанов, фильтров и т. п. Координат должно быть достаточно для однозначного определения размеров каждой трубы. Кроме того, указываются номера труб по спецификации [4].

Снятие шаблонов требует готового объекта монтажа и препятствует изготовлению труб в задел (заранее), что не позволяет запараллелить (совместить) работы по постройке судна и сократить сроки выполнения судостроительных заказов. При технологии изготовления труб по шаблонам [5] точность обеспечивается за счет большого объёма пригоночных работ, связанных с изменением размеров отдельных элементов трубы, ее сборкой с соединениями и ответвлениями. Использование аналитической информации при изготовлении труб позволит сократить объём пригоночных работ, составляющих в среднем до 28 % от общей трудоёмкости изготовления труб [6].

В работах Н. О. Гончара, К. М. Дойхена, А. Ф. Литвинова отмечается, что эффективному внедрению в производство технологии изготовления труб по чертежам (эскизам) (рис. 1) препятствует недостаточное исследование точности изготовления трубопроводов и необходимость совершенствования системы допусков [7].

Большинство существующих допусков на изготовление и монтаж трубопроводов представляет собой результат статистического обобщения практического опыта изготовления труб. Такой принцип назначения допусков используется нормативными документами и стандартами [5], регламентирующими основные требования к проектированию и изготовлению труб. Однако подобный подход к назначению допусков не может удовлетворить требования монтажа трубопроводов [5, 7].

Недостатки существующей системы допусков и возможные пути их устранения, отмеченные в [6], заключаются в следующем.

Отсутствует дифференцированный подход к оценке точности трубопроводов в зависимости от стеснённости помещений и жесткости трубопроводов. Стеснённость монтажа и жесткость трубопровода являются основными критериями, которые должны лежать в основе назначения точности труб. Величина отклонения труб должна быть такой, чтобы трасса трубопровода не выходила за пределы «монтажного коридора», размеры которого регламентируются степенью стеснённости помещений, кроме того, отклонения труб не должны вызывать дополнительных напряжений и снижать эксплуатационную надежность соединений трубопроводов [5, 6]. Для обеспечения сборки труб и снижения пригоночных работ при монтаже трубопроводов необходимо выполнить расчёты размерных цепей отклонений деталей корпусных конструкций, механического оборудования, предметов насыщения и составляющих звеньев трубопровода.

В настоящее время при проектировании трубопроводов, в соответствии с нормативной документацией [5], размерные цепи составляются по номинальным размерам. Такой подход не удовлетворяет требованиям монтажа, поэтому специалистами рассматривается возможность применения размерного анализа к расчёту отклонений трасс трубопроводов и составления цепи отклонений. Решение пространственной цепи выполняется разложением на три линейные цепи, расположенные взаимно перпендикулярно по трем координатным направлениям х, у, z. При расчёте, в качестве возможных отклонений труб, учитываются допускаемые отклонения координатных (строительных) размеров труб от размеров, указанных в технологических эскизах, принимаемые в соответствии с требованиями к изготовлению [8].

При трехмерном моделировании систем трубопроводов с использованием автоматизированных программных средств все трубы имеют проектную информацию о размерах и конфигурации. Некоторые проектные организации разрабатывают для гибки труб также и технологические эскизы.

Взаимосвязь конфигурации и компенсационных возможностей трубопроводных трасс

На судостроительных предприятиях по этой проектной информации изготавливается только 40 % труб. Это трубы трасс, расположенных в малонасыщенных помещениях, для которых нет сомнений, что изготовленные в пределах существующих допусков трубы не разместятся в отведённые коридоры из-за помех в виде соседних конструкций. В составе каждой трассы, ограниченной жёстко фиксированными соединениями, одна из труб - забойная - изготавливается по размерам, полученным по месту с пригонкой по месту. Эта труба должна компенсировать все неточности изготовления корпуса судна, установки оборудования и изготовленных в задел труб. Компенсация осуществляется за счёт её новых конфигураций и размеров, отличающихся от проектных на 30-120 мм и выявившихся после монтажа основных (незабойных) труб. Для того чтобы смонтировать трубопровод, несоосность трассы и жёстко фиксированного соединения должна быть в пределах 0,3-2,0 мм [5]. Это достигается по месту необходимой конфигурацией и размерами забойной трубы.

Если бы в качестве забойных труб можно было использовать прямые трубы, как это предлагалось первоначальными нормативами, или простые трубы с одним погибом, согласно уточнениям в действующих нормативных документах, то в этом случае они тоже могли бы изготавливаться заранее, но с припусками на торцах. Однако такие трубы не могут компенсировать возникающие при монтаже труб отклонения по всем трём координатным направлениям.

Для обеспечения такой возможности забойная труба всегда должна иметь не менее двух погибов. За счёт припусков на концах трубы можно компенсировать отклонения в двух координатных направлениях. Отклонение в третьем направлении уточняется по месту и компенсируется за счёт полученного размера для гибки трубы. Вследствие этого забойные трубы не могут быть изготовлены заранее, т. к. размер между погибами используется в качестве компенсации отклонений и будет известен только после монтажа основных труб каждой трассы.

С целью снижения трудоёмкости изготовления труб и расхода материалов, в соответствии с требованиями, заготовки труб, изготавливаемых по проектной информации, не имеют припусков для пригонки соединений, т. к. операция пригонки не предусмотрена, что обусловливает наличие отклонений после изготовления труб (рис. 2). Влияние погрешностей изготовления на отклонения смонтированной трассы трубопровода зависит от методов установки соединений при изготовлении труб.

Г)

Фактическое положение

с учётом компенсации

Теоретическое положение

гг

Фактическое положение

Рис. 2. Схема участка трубопровода

Для реализации данного подхода на стенде, имитирующем плоскости координат, необходимо поворачивать трубу в неподвижном соединении до совпадения центра торца трубы с осью одного из координатных направлений и передвигать подвижное соединение в выбранном координатном направлении до совмещения с трубой для сборки. В результате отклонения по двум другим координатным направлениям будут компенсированы. На стенде типа СГТ-160 необходимо поворачивать соединения, сохраняя их взаимное угловое положение, и одновременно передвигать одно из соединений по линии стенда до совмещения с торцом трубы для сборки.

Установлено, что трубы всех конфигураций (за исключением труб, у которых линия, соединяющая концы трубы, совпадает с направлением одного из концевых участков) можно поворачивать до совпадения конечной точки оси трубы с осью любого координатного направления. Угол поворота - это угол неперпендикулярности оси трубы к плоскости соединения, который ограничен требованиями стандартов. Вследствие этого поворачивать трубу можно только в направлении той оси, при совпадении центра торца трубы с которой угол поворота не превысит регламентируемого значения угла неперпендикулярности. Чтобы контролировать выполнение этого условия, необходимо определить взаимосвязь между углом, образующимся при повороте трубы до совмещения центра торца трубы с выбранной для компенсации осью координат, и величиной необходимого перемещения соединения по этой оси до совмещения с торцом трубы [1].

Величина перемещения соединения для выбранного координатного направления (а, Ь или с) определяется следующими соотношениями:

где Хт, Ут, ZT - координаты отрезка-вектора NT - расстояния между торцами трубы, совпадающего с направлением нормального вектора N к плоскости /abcD/, в которой перемещается конец трубы; D(Хп, Г , Zn) - одна из восьми вершин параллелепипеда отклонений координатных размеров труб под влиянием погрешностей изготовления; OD - максимальная величина отклонения.

Величина предельно возможного (допускаемого) перемещения трубы, для анализа компенсационных возможностей при установке соединений с допустимым перекосом, определяется соотношением

R = Ыт • tg ф ,

где ф - допускаемое угловое отклонение от перпендикулярности.

Величина перемещения трубы до оси выбранного координатного направления (Da, Db или Dc) (рис. 3) определяется следующими соотношениями:

Da 2^ХП^;

Db = д/Ь2 + X„2 + Ув2 + 21 - 2 • Ь  Уп ;

Dc = ^1 с2 + X2 + У„2 + 22 - 2 • с • 2п .

Если выполняется условие

Я > Da, Я > Db, Я > Dc,

то для компенсации можно использовать любую ось координат.

Если одно из неравенств (1) не соблюдается, например Я < Db , то соответствующую ось

(У) нельзя использовать для компенсации. В этом случае при повороте трубы до совпадения

центра её торца с соответствующей осью регламентируемый угол неперпендикулярности будет превышен, что недопустимо.

В соответствии с действующей технологией по проектной информации окончательно (в задел) изготавливаются только три трубы; монтируются на судне; определяются по месту размеры четвёртой трубы и только после этого начинается её изготовление. Это значительно затягивает строительство судна.

Новый концептуальный подход к проектированию, изготовлению и монтажу трасс трубопроводов, основанный на взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей проектной трассировки, предусматривает одновременное изготовление и последующий монтаж всех четырёх труб (рис. 3).

а б в

д

е

г

з

и

Рис. 3. Моделирование процесса компенсации

В рассмотренной в качестве примера трассе для компенсации использованы параллельные участки в пределах каждой из труб. В трассе имеются и другие пары параллельных участков: первый участок первой трубы и средний участок последней трубы; второй участок первой тру-

бы и средний участок третьей трубы; последний участок трассы параллелен двум параллельным участкам третьей трубы. Повороты с использованием указанных участков будут иметь другие направления дуг и величины радиусов окружностей компенсации.

Заключение и постановка задач исследования

В подавляющем большинстве трасс судовых трубопроводов имеются параллельные участки, и при правильной расстановке соединений возможно перемещение трассы в процессе монтажа труб с целью приведения рассматриваемой (конечной) точки оси трубопровода (точки трассы) к точке жёстко фиксированного соединения (точке компенсации) и совмещения направлений рассматриваемого (конечного) прямого участка трассы и нормали плоскости жёстко фиксированного соединения [1, 2].

Решению данных проблем посвящены работы Б. А. Горелика, Н. О. Гончара, К. М. Дой-хена, А. Ф. Литвинова, А. Б. Маслова, А. И. Рыбалова, М. И. Чугаевского, В. А. Синицкого, В. И. Кучмеля, А. А. Бендицкого, А. Н. Авласенко, А. Н. Беркова, И. М. Рыбаченко и др. Однако, несмотря на большой объём выполненных исследований, сохраняется необходимость снятия размеров по месту для изготовления труб (в насыщенных помещениях - до 70 % от общего количества труб), и проблема повышения технологичности трубопроводов на стадии проектирования остаётся весьма актуальной.

Все вышеизложенное будет учтено в ходе диссертационного исследования (диссертант-исследователь А. С. Дьяков, научный руководитель К. Н. Сахно) при решении следующих задач:

- изучение возможностей компенсации погрешностей изготовления с использованием новых методов сборки труб;

- создание математической модели спроектированной трассы с учетом компенсации возможных отклонений;

- разработка методики определения оптимальной конфигурации труб, трасс трубопроводов с учетом технологических особенностей изготовления труб;

- разработка предложений по конструктивным и технологическим методам компенсации отклонений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сахно К. Н. Научные основы повышения технологичности трубопроводов судовых систем на стадии проектирования: дис. ... д-ра техн. наук / К. Н. Сахно. Астрахань, 2012. 301 с.

2. Сахно К. Н. Современное состояние вопроса проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов судовых систем. Постановка задач исследования К. Н. Сахно, П. Ю. Сергеев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 54-60.

3. Кучмель В. И. Автоматизация процессов бесшаблонной технологии изготовления и монтажа судовых трубопроводов / В. И. Кучмель, А. И. Рыбалов, В. В. Надеинский // Вестн. технологии судостроения. 1999. № 5.

4. Рыбалов А. И. Трассировка, изготовление и монтаж судовых трубопроводов / А. И. Рыбалов // Вестн. технологии судостроения. 2005. № 13. С. 64-66.

5. ОСТ 5.95057-90. Системы судовые и системы судовых энергетических установок. Типовой технологический процесс изготовления и монтажа трубопроводов. Взамен ОСТ 5.9810-80, ОСТ 5.9190-81. Введен с 01.07.1991 г. [Электронный ресурс]: http://www.twirpx.com.

6. Рыбалов А. И. Трассировка, изготовление и монтаж судовых трубопроводов / А. И. Рыбалов //

Вестн. технологии судостроения. 2005. № 13. С. 64-66.

7. Литвинов А. Ф. Повышение точности изготовления труб по эскизам / А. Ф. Литвинов, К. М. Дойхен, Н. О. Гончар // Технология судостроения. 1986. № 4. С. 48-52.

8. Горелик Б. А. Общая технология специальных соединений судовых трубопроводов: дис. ... д-ра техн. наук / Б. А. Горелик. СПб., 2000. 268 с.

REFERENCES

1. Sakhno K. N. Nauchnye osnovy povysheniia tekhnologichnosti truboprovodov sudovykh sistem na stadii proektirovaniia. Dis. dokt. tekhn. nauk [Scientific basis of increase in technology of marine pipelines at the stage of designing. Diss. doct. tech. sci.]. Astrakhan, 2012. 301 p.

2. Sakhno K. N., Sergeev P. Iu. Sovremennoe sostoianie voprosa proektirovaniia, izgotovleniia i montazha

truboprovodov sudovykh sistem. Postanovka zadach issledovaniia [Modern state of the problem of designing, manufacturing and mounting of the marine vessel systems]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo

tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2013, no. 1, pp. 54-60.

3. Kuchmel' V. I., Rybalov A. I., Nadeinskii V. V. Avtomatizatsiia protsessov besshablonnoi tekhnologii izgotovleniia i montazha sudovykh truboprovodov [Automation of the processes of no-sample technology of manufacturing and mounting the marine pipelinesy. Vestnik tekhnologii sudostroeniia, 1999, no. 5.

4. Rybalov A. I. Trassirovka, izgotovlenie i montazh sudovykh truboprovodov [Tracing, manufacturing and mounting the marine pipelines]. Vestnik tekhnologii sudostroeniia, 2005, no. 13, pp. 64-66.

5. OST 5.95057-90. Sistemy sudovye i sistemy sudovykh energeticheskikh ustanovok. Tipovoi tekhnologicheskii protsess izgotovleniia i montazha truboprovodov [The marine systems and the systems of marine power installations]. Vzamen OST 5.9810-80, OST 5.9190-81. Vveden s 01.07.1991 g. Available at: http://www.twirpx.com.

6. Rybalov A. I. Trassirovka, izgotovlenie i montazh sudovykh truboprovodov [Tracing, manufacturing and mounting the marine pipelines]. Vestnik tekhnologii sudostroeniia, 2005, no. 13, pp. 64-66.

7. Litvinov A. F., Doikhen K. M., Gonchar N. O. Povyshenie tochnosti izgotovleniia trub po eskizam [Increase in accuracy of pipe manufacture by the schemes]. Tekhnologiia sudostroeniia, 1986, no. 4, pp. 48-52.

8. Gorelik B. A. Obshchaia tekhnologiia spetsial’nykh soedinenii sudovykh truboprovodov. Dis. dokt. tekhn. nauk [General technology of special joints of marine pipelines. Diss. doct. tech. sci.]. Saint Petersburg, 2000. 268 p.

Статья поступила в редакцию 21.01.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

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

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

Дьяков Артем Сергеевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; rereac@mail.ru.

Diyakov Artyom Sergeevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Marine Equipment"; rereac@mail.ru.