Расчетное определение компенсационных возможностей трасс трубопроводов судовых систем

В работах [1–6] рассматривались и анализировались теоретические основы определения расчетной области компенсации и при необходимости пригоняемых участков с припусками на основе теоретических положений в рамках гипотезы о взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов ¹ .

Целью данной работы является подтверждение вышеизложенной гипотезы и проверка математических описаний компенсационных возможностей трасс трубопроводов.

Основными задачами являются:

• 1)    анализ трасс трубопроводов судовых систем;

• 2)    определение компенсационных возможностей трасс трубопроводов и при необходимости пригоняемых участков с припусками пригоняемой трубы; предложение методов компенсации отклонений во всех направлениях.

Материалы и методы

Экспериментальный расчет проводился на заводе Damen-SongCam (Вьетнам) при проектировании трасс трубопроводов судовых систем на судах типа Damen Platform Supply Vessel 3300 CD (рис. 1).

Рис. 1. Проект судов типа Damen Platform Supply Vessel 3300 CD

Fig. 1. The project of vessels "Damen Platform Supply Vessel 3300 CD"

Судно этого типа предназначено для обеспечения буровых платформ. Такие суда используются для снабжения платформ водой и топливом, для перевозки рефрижераторных контейнеров, различных смазочных материалов и химикатов, сыпучих и жидких грузов, необходимых для обеспечения буровых платформ, а также для транспортировки экипажей, эвакуации людей, сбора загрязненных нефтепродуктами вод. Основные характеристики судна указаны в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики судна

Table 1. The main characteristics of the vessel

Длина по КВЛ, м	80,10
Ширина, м	16,20
Высота борта, м	7,50
Осадка по КВЛ, м	6,15
Дедвейт, т	3 500
Скорость, уз	13,5
Мощность главного двигателя, кВт	2×1500

При разработке чертежей трубопроводных судовых систем проводился экспериментальный расчет в следующем порядке:

• –    выбор трасс трубопроводов и подготовка данных. Трасса выбиралась между двумя жестко фиксированными соединениями по чертежу. Для каждой трассы определялись положения погибов и номера точек свободного соединения;

• –    определение расчетной области компенсации на основе теоретических положений в рамках гипотезы об использовании пар параллельных участков трасс трубопроводов для компенсации суммарных отклонений;

• –    определение пригоняемого участка с назначаемым припуском (пригоняемый участок устанавливается для ответа на вопрос о том, в каком направлении необходимо назначить припуск). Пригоняемые участки обычно располагаются на одной трубе в одном направлении или в двух направлениях при необходимости;

• –    корректировка чертежей посредством изменения размеров пригоняемых участков припусками;

• –    изготовление труб трасс трубопроводов, размеры которых снимаются по проектам без уточнения по месту.

Результаты и обсуждение

Определение компенсационных возможностей трасс трубопроводов

На основании разработанных теоретических положений [1] составлена методика расчетов области компенсации трасс трубопроводов. Расчет проводился на базе программных сред Parametric Technology Corporation (PTC) MathCad и Maple. В качестве примера приведен расчет трассы трубопровода судовой водяной противопожарной системы (рис. 2).

Рис. 2. Расчетная трасса

Fig. 2. The calculated route

Координатные размеры расчетной трассы, состоящей из семи труб, показаны в табл. 2.

Таблица 2. Координатные размеры расчетной трассы Table 2. The coordinate sizes of the calculated route

Номер точек	X(FORE)	Y(PS)	Z(UP)
1	0	0	0
2	1800	0	0
3	1800	–2000	0
4	2310	–2000	0
5	2797	–2000	0
6	2956	–2000	0
7	2956	–3990	0
8	2956	–3990	159
9	2956	–3990	477
10	4956	–3990	477
11	6711	–3990	477
12	6711	–3990	1057
13	6711	–3990	2691
14	6711	–3990	3014
15	8869	–3990	3014
16	9021	–3990	3166
17	9021	–3340	3166

Номера точек свободного соединения: 1, 4, 5, 8, 10, 12, 13, 17. Точки 4 и 5 расположены на одном прямом участке трассы и равнозначны при выборе мест вращения. Чтобы не дублировать расчет, в качестве точки свободного соединения выбираем только одну точку 4; аналогично – для точек 12 и 13. Окончательно определяем номера точек свободного соединения: s = {1, 4, 8, 10, 12, 17}.

Далее необходимо проверить параллельность участков трассы. Для этого найдем векторы прямых участков, которые начинаются с точек свободного соединения. В результате определены четыре пары параллельных участков: 1–2 и 5–5, 1–2 и 10–11, 4–5 и 10–11, 8–9 и 12–13.

Так как точка 10 лежит между двумя парами параллельных участков 8–9 и 12–13, вращение трассы в месте свободного соединения 10 будет нарушать параллельность пары участков 8–9 и 12–13. Вращения пар 1–2 и 5–6, 1–2 и 10–11, 5–6 и 10–11 совместно компенсируют отклонение в направлении Z, а вращение пары 8–9 и 12–13 компенсирует отклонение в направлении Y. Поэтому для данной трассы можно не рассматривать перемещение трассы в месте свободного соединения 10, т. е. самыми оптимальными парами параллельных участков будут 1–2 и 5–6, 8–9 и 12–13.

На основании математических описаний определяем расчетные параметры окружностей, полученных вращением труб с параллельными участками (табл. 3). Вращение этих пар параллельных участков на определенный угол поворота образует дуги 1 и 2, необходимые для построения области компенсации (рис. 3).

Таблица 3. Параметры окружностей, полученных вращением параллельных участков трассы Table 3. The parameters of the circles obtained by rotation of parallel sections of the route

№ п/п	Пара параллельных участков	R, мм	U	—— e
1	1–2 и 4–5	2000	(0; 0; –1)	(0; –1; 0)
2	8–9 и 12–13	3755	(0; 1; 0)	(1; 0; 0)

Дуга 1 перемещается посредством параллельного переноса по направлению дуги 2, образуя криволинейную поверхность S 2 (рис. 3):

x = 3 755cos(t2) - 3 755, y = -2 000cos(t1) + 3 755sin(t2) + 2 000, z = -2 000 sin(t1),

П      П     П      П

• < t <     , < t₂ ^     .

36 ¹ 36     36 ² 36

В результате расчета определяем координаты области компенсации (в мм):

x e { - 14 - 0}, y e { — 327 - 335}, z e { - 174 - 174}.

Область компенсационных возможностей трассы является изогнутой поверхностью, предоставляет возможность компенсации отклонений, возникающих в направлениях Y и Z. Значения поверхности в направлении X от –14 до 0 мм характеризуют кривизну дуги 2.

Рис. 3. Поверхность S 2 Fig. 3. The S ₂ surface

Для компенсации параллелепипеда отклонений следует расширять область S 2 в направлении X, чтобы область компенсации стала объемной. Необходимое расширение области S 2 в направлении X осуществляется посредством назначения припуска на участке трассы, лежащем в направлении X; появляется оптимальная возможность монтажа трасс трубопроводов. Для этой трассы можно назначить припуск на конце труб 221-630L0902.02, 221-630L0902.04 или 221-630L0902.05, и монтаж будет осуществляться с двух сторон, но самый оптимальный вариант – назначить припуск на концевом участке трубы 221-630L0902.01м и монтаж осуществлять со стороны трубы 225-630L0902.02.

После анализа и определения значения припусков необходимо скорректировать чертежи трасс трубопроводов с указанием значения и направления этих припусков, а также участков труб, на которых следует назначить припуски. Таким образом, трубы могут изготавливаться по чертежам, не требуется снимать размеры по месту.

В ходе экспериментальных исследований были определены и обработаны 107 трасс трубопроводов судовых систем. Результаты расчета трасс трубопровода водяной противопожарной системы представлены в табл. 4. Трубопровод состоит из 10 трасс, ограниченных жесткими соединениями.

Трассы 8, 9 имеют более трех прямых взаимно параллельных участков, обладающих возможностью полной компенсации вращением пар параллельных участков.

Трассы 1, 3, 4, 6, 7 обладают возможностью компенсации отклонений в двух направлениях; необходимо назначить припуск в оставшемся направлении для полной компенсации отклонений. При этом трассы 3, 4, 7 имеют две пары прямых взаимно параллельных участков, вращение которых образует две дуги, лежащие в плоскостях, параллельных двум координатным плоскостям. Область компенсации является изогнутой двухмерной поверхностью, обладающей возможностью компенсации только в двух направлениях. Трасса 1 имеет три пары прямых взаимно параллельных участков, вращение которых образует три дуги, лежащие в трех разных координатных плоскостях. Область компенсации является объемной, но не поглощает параллелепипед отклонений по направлению Z. Остальные трассы имеют более трех пар прямых взаимно параллельных участков, вращение которых образует дуги, лежащие в плоскостях с одинаковыми базисными векторами. Область компенсации таких трасс является сложной поверхностью, обладающей возможностью компенсации только в двух направлениях.

Трассы 2, 5, 10 обладают возможностью компенсации отклонений в одном направлении; необходимо назначить припуски в двух оставшихся направлениях для полной компенсации отклонений.

Таблица 4. Компенсационные возможности трасс трубопроводов Table 4. The compensation capabilities of pipeline routes

Обозначение трассы	Координаты конца трассы, мм		Количество пар параллельных участков	Расчетная область компенсации, мм	Назначение припусков, мм
1-313L0101	X	–3 021	3	–165 ÷ 193	0
	Y	583		–335 ÷ 321	0
	Z	9082		0	50
2-313L0116	X	6330	4	–76 ÷ 16	34
	Y	8624		0	50
	Z	5 050		–488 ÷ 488	0
3-313L0130	X	1 333	2	–136 ÷ 140	0
	Y	1 783		–50 ÷ 58	0
	Z	4837		0	50
4-313L0123	X	–9649	6	0	100
	Y	5 024		–138 ÷ 116	0
	Z	358		–107 ÷ 107	0
5-313L0113	X	16600	2	0
	Y	320		–34 ÷ 34
	Z	1 200		–28 ÷ 28
6-313L0121	X	–5 092	4	0	50
	Y	1 905		–109 ÷ 108	0
	Z	1 796		–336 ÷ 329	0
7-313L0122	X	–5 000	2	0	100
	Y	176		–161 ÷ 156	0
	Z	1 335		–86 ÷ 86	0
8-313L0128	X	3 086	5	–400 ÷ 387	0
	Y	4270		–891 ÷ 844	0
	Z	3 681		–847 ÷ 785	0
9-313L0137	X	1 048	4	–526 ÷ 533	0
	Y	6005		–229 ÷ 136	0
	Z	–3 279		–53 ÷ 53	0
10-330L1077	X	1 520	1	0	50
	Y	3 756		0	50
	Z	1 200		–22 ÷ 22	28

По результатам теоретических расчетов в зависимости от компенсационных возможностей можно разделить 107 трасс на 5 групп (рис. 4):

• 1)    11 трасс имеют возможность полной компенсации отклонений в трех координатных направлениях, что составляет 10,3 % от общего количества трасс трубопроводов;

• 2)    43 трассы имеют возможность компенсации отклонений в двух направлениях; необходимо назначить припуск в оставшемся направлении для полной компенсации отклонений, что составляет 40,2 % от общего количества трасс трубопроводов;

• 3)    30 трасс имеют возможность компенсации отклонений только в одном направлении; следует назначить припуски в остальных двух направлениях для полной компенсации отклонений, что составляет 28,1 % от общего количества трасс трубопроводов;

• 4)    2 трассы, что составляет 1,8 % от общего количества трасс трубопроводов, не имеют возможность компенсации отклонений ни в одном направлении, но имеют более двух погибов, которые дают возможность назначения припусков в трех координатных направлениях;

• 5)    21 трасса не имеет возможности компенсации отклонений, что составляет 19,6 % от общего количества трасс трубопроводов. Область компенсации этих трасс не образовалась или не поглотила параллелепипед отклонений и не имеет возможности расшириться назначением припусков.

■ трассы первой группы

■ трассы второй группы

■ трассы третьей группы

■ трассы четвертой группы

■ трассы пятой группы

Рис. 4. Классификация трасс трубопроводов по компенсационным возможностям Fig. 4. The classification of pipelines by the compensation capabilities

Заключение

В ходе расчета определены цель, задачи и разработан план эксперимента, а также подготовлены необходимые исходные данные.

По результатам экспериментального расчета можно сделать следующие выводы:

– подтверждены теоретические прогнозы компенсационных возможностей трасс трубопроводов на этапе проектирования;

– подтверждены концептуальные основы компенсации суммарных отклонений посредством перемещения трасс трубопроводов;

– разработан порядок компенсации отклонений трасс трубопроводов с использованием взаимно параллельных участков с соединениями труб и дополнительными припусками;

– созданы предпосылки для разработки методики повышения технологичности трубопроводов на стадии проектирования.