СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА ТРУБОПРОВОДОВ СУДОВЫХ СИСТЕМ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрено современное состояние вопроса проектирования, изготовления и монтажа судовых трубопроводов. Представлен обзор исследований в области компенсации отклонений трубопроводных трасс. Поставлены задачи исследования компенсационных возможностей трасс трубопроводов с учетом особенностей их конфигурации

Ключевые слова:
трубопроводы, проектирование, изготовление, монтаж
Текст
Появление новых многофункциональных типов судов, усложнение применяемого оборудования влекут за собой увеличение количества труб различной конфигурации, которые необходимо компактно размещать на судне. На современном среднем рыбопромысловом судне с функциями рыбообработки размещается более 5 тыс. труб 60 типоразмеров с диапазоном диаметров от 14 до 219 мм, изготовленных из материалов 10 марок. Традиционные технологии изготовления и монтажа систем трубопроводов предусматривают их трассировку на месте на строящемся объекте с учетом размещения оборудования, корпусных конструкций и различных судовых систем. При этом необходимая точность достигается значительным объемом пригоночных работ, связанных с изменением размеров отдельных элементов труб, их сборкой с большим количеством дополнительных операций по месту, а также с применением специальных технологических шаблонов [1]. В настоящее время доля изготавливаемых «в задел» трубопроводов составляет порядка 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. Именно поэтому наиболее важной тенденцией современного судостроения является разработка прогрессивных направлений повышения технологичности трубопроводов, обеспечивающих сокращение циклов и снижение трудоемкости трубопроводных работ при выполнении судостроительных заказов и повышение на этой основе эффективности судостроительного производства. Протяженность трубопроводов судовых систем и систем энергетических установок на современных крупных судах составляет десятки километров. Во всех судовых помещениях проходят трубопроводы различного назначения и конфигурации. Их рациональное размещение, увязанное с расположением всего оборудования судна, представляет собой сложную техническую задачу. Наиболее современным методом отработки оптимального расположения трубопроводов при проектировании является метод математического моделирования трубопроводов на ЭВМ, применяемый специалистами фирм Финляндии, Японии, Швеции, Англии, США и других стран. Этот метод с использованием компьютерной техники предусматривает трассировку трубопроводов при помощи коридоров, выделяемых в рассматриваемом помещении [1]. Японская фирма Hitachi Zosen по аналогам финской фирмы Wartsila разработала систему автоматизированного проектирования судовых трубопроводов HICAS-P, которая содержит функцию расчета оптимального маршрута, используя выделенные коридоры. В расчёте оптимального маршрута используются координаты трубного коридора и конечных точек линии трубопровода [1]. Широкое применение получили разработки шведской фирмы Kockums Computer Systems, в частности семейство программных продуктов TRIBON. Прокладка трубопроводов является главным приложением данного пакета. На основании выбранных стандартных элементов выполняется интерактивное трехмерное моделирование элементов трубопроводов, с проверкой возможных наложений и технологических ограничений, связанных с возможностями оборудования верфи [1]. Модули АЕС программного комплекса CATIA обеспечивают создание принципиальных монтажно-технологических схем, интерактивную трехмерную трассировку трубопроводов с динамическим размещением и модификацией компонентов, автоматическую проверку соответствия трехмерных моделей предварительно сформированным технологическим схемам, контроль пересечений и зазоров элементов конструкций, автоматическую генерацию изометрических монтажных чертежей трубопроводов со спецификацией компонентов, визуальный пространственный контроль модели в режиме реального времени, проверку выполнения корпоративных правил проектирования, создание пользовательской базы конструктивных элементов и многие другие функции. Проектирование выполняется на основе унифицированных элементов конструкций, структурированных в развитой системе каталогов и отвечающих требованиям используемых стандартов (международных – DIN, ANSI и др.; отраслевых или собственных стандартов предприятия). В рамках внедрения зарубежных автоматизированных систем (CAD/CAM) в Центральном морском конструкторском бюро «Алмаз» используется САПР Autodesk Inventor, которая позволяет создавать реалистичные и точные 3D-модели [1]. Современное состояние проектирования трубопроводов характеризуется определенными успехами по внедрению отечественных автоматизированных систем, в частности системы «Ритм-Судно», в рамках которой разработана сквозная автоматизированная система «Ритм-Т», решающая комплекс задач по проектированию и производству трубопроводов. Следует также отметить еще одну российскую разработку – программный комплекс «Model Studio CS Трубопроводы», который предназначен для трехмерного проектирования, компоновки и выпуска проектной/рабочей документации по технологическим установкам и трубопроводам на проектируемых или реконструируемых объектах. Однако невозможность монтажа значительной части спроектированных труб создала ситуацию, при которой проектные организации разрабатывают два вида принципиально отличной документации: - документация в виде безразмерных монтажных схем трубопроводов, по которым трубы изготавливаются по шаблонам; - документация в соответствии с ОСТ 5.0005-81 (РД 5Р.0005-93) с разработкой чертежей и карт-эскизов труб на ЭВМ [1]. В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом, для компенсации погрешности изготовления и монтажа труб, установленных в линии, а также конструкций корпуса, механизмов и оборудования традиционно применяются забойные трубы. Способ изготовления таких труб крайне сложен, трудоемок и влечет значительные затраты энергетических и материальных ресурсов (табл.) [1]. Трудоёмкость изготовления труб, н /ч * Тип труб Диаметр труб 3848577689108133 Забойные2,793,13,54,55,26,16,4 Незабойные0,771,021,482,22,63,44,4 * По данным ОАО «Адмиралтейские верфи». В [2] описывается типовой процесс изготовления забойной трубы, устанавливаемой между двумя жестко фиксированными плоскостями фланцев смежных труб. Вначале изготавливают жесткий макет (для труб больших диаметров) и жесткий шаблон (для труб небольших диаметров – до 57 мм), состоящий из промежуточных связей (угольники, отрезки труб, прутки и т. п.), соединенных между собой. К концам такой металлоконструкции приваривают технологические фланцы. Затем макет устанавливают на технологических болтах, присоединяя их к штатным фланцам смежных труб, между которыми его размещают, после чего снимают гибочный шаблон, по которому затем гнут штатную трубу необходимой конфигурации. Прямые забойные трубы встречаются крайне редко по причине сложности выхода с разных сторон двух веток магистрального трубопровода в заданные точки (плоскости). После этого на макетировочной плите производят пригонку штатных фланцев к концам забойной трубы, предварительно согнутой на трубогибочном станке по шаблону, при этом расстояние между позиционерами должно быть равно фактическому расстоянию между базовыми плоскостями трубопровода. Однако одноразовой подгонкой такого соответствия размеров достичь практически не удается, поэтому при помощи «прихваток» фланцы приваривают к металлоконструкции макета и вновь транспортируют к основному трубопроводу (на судно) для повторной пригонки. Потом выверяют совпадения отверстий во фланцах на макете с отверстиями во фланцах смежных труб. Одними из последних операций являются окончательная приварка фланцев к макетируемой трубе, установка трубы в цепочку основного трубопровода и окончательная подгонка. В процессе подгонки может возникнуть необходимость обработки уплотнительных поверхностей фланцев с целью обеспечения требуемого зазора между соединяемыми фланцами забойной трубы и фланцами смежных труб по причине возникшего перекоса фланца в процессе его приварки к трубе [2]. Отличительной особенностью забойных труб является то, что изготавливать их возможно только после монтажа основных труб трассы трубопровода. Забойные трубы, изготовленные на основании проектной информации, будут непригодными. Это связано с установкой оборудования с определенными допусками, а также неточностями изготовления труб, поэтому возникает необходимость уточнения фактических размеров и положения корпусных конструкций и элементов систем на основании измерений фактического положения труб на судне [1]. Еще больше проблему забойных труб обостряет тот факт, что их изготовление обычно разбито на партии, соответствующие этапам постройки судна. Это повышает трудоемкость этих работ за счет увеличения количества подготовительно-заключительных операций (доставка соединений, арматуры, заготовок труб, сварочного и режущего оборудования и др.), а также гибки труб малыми партиями. С увеличением количества труб в партии трудоемкость их изготовления снижается. Монтаж труб, изготовленных по проектной информации, будет производиться не одновременно, а отдельными частями в соответствии с разработанной технологией и графиком строительства судна, поэтому и информацию для изготовления забойных труб можно будет определить только для части трасс [3]. Забойная труба, изготавливаемая вместе с основными трубами, конструктивные размеры которых меняются только за счет припусков на её концах, может компенсировать отклонения не более чем в двух направлениях – первого и последнего прямых участков (концов трубы), поэтому изготовление забойных труб наряду с основными, «в задел», при используемых в настоящее время технологиях, на стадиях проектирования, изготовления и монтажа нецелесообразно. В связи с этим исследование компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов с целью решения проблемы технологичности забойных труб получением на стадии проектирования информации об их конфигурации с последующей разработкой соответствующих методов проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов без уточнения размеров по месту, является крайне актуальным. Взаимное положение жестко фиксированных соединений, ограничивающих трассу, всегда имеет отклонение от теоретического положения в определенных пределах и в неизвестном направлении; конкретная величина отклонения также неизвестна. Отсутствие данных по величине и направлению означает, что отклонение может иметь проекции на все оси координат и фактическая величина проекций отклонения неизвестна. В связи с вышеизложенным, для успешного монтажа трасс из труб, изготовленных окончательно по проектной информации, «в задел», необходимо в процессе монтажа иметь возможность перемещать трассу в направлениях, не совпадающих с направлениями концевых участков забойной трубы. Исследованию данного вопроса посвящена работа [1], в которой проведен обширный анализ по определению условий и возможностей компенсации отклонений координатных размеров во взаиморасположении элементов, соединяемых трассами трубопроводов, с учетом погрешностей изготовления труб. В результате, на основе гипотезы о взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов, предложена методика использования взаимно параллельных участков с соединениями труб для перемещений трассы трубопровода с целью компенсации суммарных отклонений жестко фиксированных соединений, ограничивающих данную трассу, а также погрешностей изготовления и монтажа труб, что обеспечивает собираемость трассы без изменения конфигурации готовых труб [1, 4]. Трассу можно представить теоретической осью – ломаной, состоящей из прямых участков, расположенных в разных направлениях. Трассы состоят из отдельных труб, соединенных фланцами. В результате определенные участки ломаной содержат точки соединения двух соседних труб. Если представить, что начало каждой следующей трубы жестко закреплено по направлению первого участка этой трубы, то вращением вокруг осей этих участков на конце трассы образуется ряд дуг окружностей. В зависимости от количества параллельных участков конечная точка трассы в результате поворота соединений может перемещаться либо по дуге, либо по плоскости, либо в пределах пространственной фигуры. Схема трассы в процессе компенсации отклонения k изображена на рис. 1. 1 R1 R3 5 2 k 5 4 3 3 5 1 1 R2 R2 R1 R3 R3 а б Рис. 1. Графическое представление процесса компенсации: трасса в двух видах – до первого поворота и после второго поворота [1] При развороте трассы вокруг оси её первого участка (1-2) рассматриваемая (конечная) точка трассы 5 перемещается по дуге окружности радиусом R1 (R1 – это перпендикуляр из конечной точки трассы на направление первого участка) на величину, равную дуге соответствующего угла разворота. Если в трассе имеется участок, параллельный первому, то после разворота части трассы, расположенной за вторым параллельным участком 3-4, на тот же угол, но в обратном направлении, конечная точка трассы переместится по дуге окружности радиусом R2 (R2 – это перпендикуляр из конечной точки трассы на направление второго параллельного участка). Все участки этой части трассы останутся параллельными своему первоначальному направлению. В результате этих двух разворотов положение конечной точки оси трубопровода будет соответствовать результату её перемещения по дуге окружности радиусом R3 (R3 – это перпендикуляр (кратчайшее расстояние) между двумя параллельными участками), образованной перемещением второго параллельного участка относительно первого. Таким образом, чтобы компенсировать отклонение k, разворачивают второй параллельный участок относительно оси первого на такой угол, чтобы ось второго параллельного участка переместилась на величину k. Затем возвращают часть трассы, расположенную за вторым параллельным участком, на тот же угол, но в обратном направлении [1]. В [1] предложены математические основы анализа и определения компенсационных возможностей проектной трассировки. Разработаны системы уравнений, определяющие одно-, двух- и многоповерхностные объемные области компенсации [1, 5]. Помимо трасс, состоящих из параллельных трубопроводов, где использование компенсационных возможностей таких участков позволяет изготовлять забойные трубы без снятия размеров на месте, в проектах судов существуют прямые трассы и трассы с одним погибом. В настоящее время проблема компенсации отклонений в таких трубопроводах решается следующим образом. Фактически прямые трассы монтируются, а отклонения устраняются с помощью механического воздействия, образуя недопустимые напряжения в соединениях; при этом неперпендикулярность установки соединений на прямой забойной трубе обычно превышает регламентируемые значения [6, 7]. В [1] изложен также подход к компенсации отклонений трасс трубопроводов с использованием поворотов прямых труб. Как и в случае с параллельными участками трубопроводов, предлагается использовать повороты труб в свободных соединениях, а сами соединения устанавливаются не перпендикулярно оси трубы, но взаимно параллельно, что позволяет перемещать трассу, состоящую только из прямых труб, для компенсации возможных отклонений жёстко фиксированных соединений на фактически требуемую величину [1]. В качестве примера на рис. 2 представлено положение труб и их соединений в трассе. Первое соединение трубы 1 имеет перекос, что приводит к отклонению трассы. Второе соединение не имеет явного перекоса – трасса отклоняется ещё больше. Явный перекос имеется в соединении труб 2 и 3, поэтому дальнейшее отклонение трассы прекращается. В результате величина отклонения трассы от теоретического положения Δ = А1 + А2. Припуск 1 2 3 4 А1 А2 Трасса после поворота трубы 1 на 180° Рис. 2. Влияние точности установки соединений на отклонения трассы трубопровода [1] Если поворачивать трассу в первом соединении трубы 1, трасса будет менять направление отклонения (рис. 2). Если на обеих трубах 1 и 2 соединения установлены с явным перекосом, но взаимно параллельно, то конечный участок трассы может быть возвращен в теоретическое положение (рис. 3). Это достигается последовательно поворотом трубы 2 на 180° и, для сохранения направления отростка, поворотом трубы 3 на 180° в обратном направлении. Таким образом, для прямой трассы, состоящей из двух труб и более, при установке соединений не перпендикулярно оси трубы, но взаимно параллельно, можно компенсировать отклонение жёстко фиксированных соединений, ограничивающих трассу, перемещая конец трассы путём поворотов труб [1]. Припуск 1 2 3 4 B Рис. 3. Компенсация отклонений с использованием поворотов прямых труб Для трасс с параллельными участками и прямыми трубами необходимо определить компенсационные возможности с учетом совместного влияния указанных особенностей конфигурации трубопровода. В связи с этим в основу предстоящего исследования закладываются следующие задачи: 1. Исследовать компенсационные возможности трасс с учетом особенностей конфигурации трубопровода. 2. Выполнить математическое описание компенсационных возможностей трассы трубопровода при совместном использовании параллельных участков и прямых труб. 3. Создать расчетный программный комплекс для применения результатов исследований в автоматизированных (CAD/CAM) системах проектирования и технологической подготовки производства трубопроводов. 4. Разработать методику определения компенсационных возможностей трасс трубопроводов с учетом конструктивно-технологических особенностей судовых систем, повышающую эффективность производственных процессов в судостроении.
Список литературы

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

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

3. Сахно К. Н. Разработка технологий изготовления и монтажа судовых трубопроводов и их экономическое обоснование // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. – 2011. – № 3. – С. 22–29.

4. Сахно К. Н. Методика проектирования (технологической проработки) трасс трубопроводов для изготовления труб без измерения размеров по месту // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. – 2012. – № 2. – С. 35–40.

5. Сахно К. Н. Научные основы проектирования трасс судовых трубопроводных систем // Судостроение. – 2009. – № 6. – С. 60–63.

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.

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