Введение Современное судно представляет собой сложный технологический комплекс, состоящий из различного вида оборудования, механизмов и других конструкций, для обеспечения работы которых служат системы трубопроводов. Появление новых многофункциональных типов судов, усложнение применяемого оборудования влекут за собой увеличение количества труб различной конфигурации, которые необходимо компактно размещать на судне. Форма и размеры, необходимые для изготовления отдельных труб, определяются пространственным расположением всей трассы трубопровода. 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 с применением специальных технологических шаблонов. 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. В связи с вышеизложенным 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. 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. Наиболее современным методом отработки оптимального расположения трубопроводов при проектировании является метод математического моделирования трубопроводов на ЭВМ, применяемый фирмами Финляндии, Японии, Швеции, Англии, США и др. Этот метод с использованием компьютерной техники предусматривает трассировку трубопроводов при помощи коридоров, выделяемых в рассматриваемом помещении. 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. 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. 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 система автоматизированного проектирования Autodesk Inventor, которая позволяет создавать реалистичные и точные 3D-модели. 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 проектирования и производства трубопроводов. 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 изготовление труб выполняется по шаблонам; - документация в соответствии с ОСТ 5.0005-81/РД 5Р.0005-93 / с разработкой чертежей и карт-эскизов труб на ЭВМ. В настоящее время, как в российской промышленности, так и за рубежом, для компенсации погрешностей изготовления и монтажа труб, установленных в линии, а также конструкций корпуса, механизмов и оборудования традиционно применяются забойные трубы. Компенсация отклонений осуществляется изменением конфигурации забойных труб по месту. Величины отклонений с учётом рекомендаций по назначению припусков на забойных трубах составляют 50-100 мм. С целью разработки альтернативных путей компенсации в [1] выдвинута и обоснована гипотеза о взаимосвязи конфигурации и компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов. Её основополагающей идеей является использование взаимно параллельных участков с соединениями 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. Разработанный концептуальный и методологический подход к компенсации отклонений предусматривает при монтаже трасс трубопроводов приведение рассматриваемой (конечной) точки оси трубопровода к допускаемым монтажным отклонениям и совмещение направлений соединяемых участков перемещением трассы путем поворотов труб в соединениях, расположенных на её параллельных участках. Схема трассы в процессе компенсации отклонения k представлена на рис. 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 между двумя параллельными участками), образованной перемещением второго параллельного участка относительно первого. Таким образом, чтобы компенсировать отклонениеk , поворачивают 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 (рис. 1). а б Рис. 1. Графическое представление процесса компенсации: а - трасса в двух видах до первого разворота; б - трасса после второго разворота При использовании различных пар параллельных участков трассу можно перемещать в необходимых для осуществления компенсации направлениях на величины отклонений, выявленных при сборке. По результатам теоретических расчётов и экспериментального подтверждения трассы, в зависимости от их компенсационных возможностей, разделены на три группы: - 1 - трассы, допускающие возможность полной компенсации с использованием параллельных участков (нет забойных труб); - 2 - трассы, допускающие возможность компенсации с использованием параллельных участков и дополнительным припуском (достаточно прямой забойной трубы с расчётным припуском); 3 - трассы, допускающие возможность компенсации с использованием параллельных участков и двумя дополнительными припусками (достаточно забойной трубы с одним погибом). 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 [1-7]. Рассмотрим ситуацию, когда трубопровод надо проложить вдоль борта, под зашивкой, так, чтобы расстояние до зашивки было минимальным (рис. 2). Рис. 2. Расположение трубопровода под зашивкой Высота набора 200 мм. Диаметр трубопровода 76 мм. Диаметр фланцев 100 мм. Величина А складывается из высоты набора (200 мм), половины диаметра трубы (38 мм, т. е. размер установки стакана должен быть 238 мм от борта) и половины диаметра фланца (50 мм). Итого: 288 мм. Однако этот расчёт неверен. Поясним. Допуск на установку стакана составляет ±10 мм. Если стакан будет установлен с минусовым допуском (228 мм), то труба при монтаже упрётся в набор (228 - 38 = 190 мм, а набор 200 мм). Если стакан фактически окажется с плюсовым допуском (248 мм), то фланец трубы войдёт в зашивку (248 + 50 = 298, а до зашивки только 288 мм). Получается, что теоретический размер установки стакана должен быть не 238 мм, а 248 мм, тогда его фактический размер установки может оказаться как 238 мм, так и 258 мм, поэтому размер до зашивки надо увеличить до 308 мм (258 + 50 = 308). Конструктивные размеры труб также имеют допуски изготовления и для данного диаметра составляют ±10 мм. В связи с этим, чтобы труба не упёрлась в набор, стакан надо отодвинуть от борта ещё на 10 мм, т. е. его размер от борта надо сделать 258 мм. Тогда, при его фактической установке с размером 268 мм, край фланца стакана окажется от борта на величине 318 мм (268 + 50 = 318), а второй фланец трубы, при плюсовом допуске изготовления трубы, окажется на расстоянии от борта 328 мм (268 + 50 + 10 = 328). Таким образом, размер А - расстояние от борта до зашивки - должно быть не менее чем 328 мм. Если в конфигурацию первой трубы ввести взаимно параллельные участки (рис. 3) и применить свободные соединения - это все резьбовые (штуцерные, муфтовые) соединения на сварке или соединения на свободных фланцах, то размер от борта до зашивки можно уменьшить до 288 мм. Это станет возможным потому, что такая конструкция, за счёт поворота трубы в соединении со стаканом, позволяет перемещать трубопровод, отодвигая или прижимая его к набору в зависимости от фактического положения установки стакана и отклонений размеров изготовления труб. Приварной стакан надо установить от борта на 228 мм с учётом того, что при плюсовом отклонении фактический размер может стать 238 мм. Тогда 238 мм + 50 мм (размер от оси до края соединения) и составят 288 мм. Данный пример показывает, что за счёт введения взаимно параллельных участков размер А может быть уменьшен на 40 мм (328 - 288 = 40). При зашиваемом помещении длиной между переборками 10 м и высотой 3 м объем помещения только с одного борта будет увеличен на 1,2 м3 (10 x 3 x 0,04 = 1,2 м3). Рис. 3. Вид на борт: в конфигурации первой трубы есть взаимнопараллельные участки Освободившееся пространство может быть полезно использовано в зависимости от функционального назначения судна. Заключение С учетом вышеизложенного нами были определены задачи предстоящего диссертационного исследования: - исследовать влияние особенностей конфигурации (наличие взаимно параллельных участков) на компенсацию отклонений трасс трубопроводов; - разработать математическое описание компенсационных возможностей трасс трубопроводов различных конфигураций; - создать автоматизированную компьютерную программу расчета и определения компенсационных возможностей трассы трубопровода; - предложить методы повышения технологичности трубопроводов судовых систем. Решение поставленных задач по исследованию компенсационных возможностей проектной трассировки трубопроводов будет способствовать повышению эффективности судостроительного производства путем совершенствования технологий изготовления и монтажа труб, ориентированных на сокращение циклов постройки и снижение трудоемкости трубопроводных работ при выполнении судостроительных заказов.