大型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)開孔放樣新技術(shù)

1、大型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)開孔放樣新技術(shù)衛(wèi)建良 薛防震 楊 森中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)公司摘 要本文以大連石化公司350萬噸/年催化裂化裝置再生器為例，以常規(guī)投影展開放樣理論為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹簡(jiǎn)易劃規(guī)法、數(shù)學(xué)模型法和AutoCAD(計(jì)算機(jī)輔助)作圖放樣法等開孔放樣新技術(shù)，并對(duì)這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行分析，實(shí)踐證明，這幾種開孔放樣方法，不僅簡(jiǎn)便實(shí)用，而且計(jì)算、放樣精度高，同時(shí)又在很大程度上提高了施工效率，具有一定的推廣意義。關(guān)鍵詞：設(shè)備接管；展開放樣；劃規(guī)；數(shù)學(xué)模型；AutoCAD1.前言石油化工設(shè)備開孔千差萬別，生產(chǎn)制造中經(jīng)常要進(jìn)行開孔放樣，傳統(tǒng)方法一般采用投影展開法進(jìn)行，這種方法對(duì)放樣技工操作水平和放

2、樣場(chǎng)地都有很高的要求，需要很多放樣時(shí)間，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。大連石化新建350萬噸/年催化裂化裝置，煉油加工能力位居亞洲第一，其核心設(shè)備再生器最大直徑15.6m，殼體高度42.4m，主體材質(zhì)20R，設(shè)備總重1588.9噸。整個(gè)再生器設(shè)備開孔接管共150個(gè)，形狀復(fù)雜多變，在設(shè)備開孔放樣中極具代表性，涉及到的接管類型不僅有常規(guī)的圓柱體與圓柱體相交，還有頂封頭（橢球）上的圓柱形接管、錐段上的圓錐、圓柱偏心斜交接管（俗稱茶壺嘴）、圓柱形筒體上類似天圓地方的圓柱漸變接管（俗稱塌鼻梁）等形式，最大接管重量30.9噸，設(shè)備開孔尺寸最大為4.2×1.9m，最大接管厚度100mm，開孔處器壁厚

3、度最大100mm，必須綜合考慮設(shè)備壁厚影響，傳統(tǒng)投影展開放樣技術(shù)很難滿足施工進(jìn)度和質(zhì)量要求，筆者以常規(guī)投影展開放樣理論為基礎(chǔ)，分別采用簡(jiǎn)易劃規(guī)法、數(shù)學(xué)模型法以及AutoCAD作圖放樣法進(jìn)行展開放樣，擺脫實(shí)地放樣過程，提高了放樣精度和施工效率，節(jié)省工程成本，收到了良好效果，下面分別就這幾種方法作簡(jiǎn)要介紹：2.簡(jiǎn)易劃規(guī)法2.1 原理簡(jiǎn)易劃規(guī)法是根據(jù)旋轉(zhuǎn)體接管由母線緊貼被開孔體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)，且在軸線方向上能自由移動(dòng)，最終直接形成相貫線的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。簡(jiǎn)易劃規(guī)如圖1所示，其中為固定中心軸線，為旋轉(zhuǎn)母線，、軸線間距為接管半徑（外半徑）。設(shè)備開孔時(shí)，先根據(jù)開孔接管的實(shí)際尺寸制作簡(jiǎn)易劃規(guī)，然后將劃規(guī)

4、中心軸線的頂點(diǎn)放置在設(shè)備開孔的中心處，再按照接管與器壁的角度調(diào)整固定中心軸線的套管角度，完畢后用電焊點(diǎn)焊固定，通過固定套管保持中心軸線的角度，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)母線，緊貼開孔體的母線即可在設(shè)備器壁上畫出開孔的軌跡線。圖1：劃規(guī)示意圖2.2 開孔實(shí)例再生器頂封頭共有16個(gè)煙氣集合管，需要在頂封頭橢球面上垂直開設(shè)16個(gè)直徑為990mm的孔。經(jīng)過方案對(duì)比，在橢球形表面上開孔，無論是建立數(shù)學(xué)模型還是采用計(jì)算機(jī)輔助放樣，都有很大的難度，而采用簡(jiǎn)易劃規(guī)法則簡(jiǎn)便實(shí)用，而且劃規(guī)可重復(fù)使用，僅用兩人3個(gè)小時(shí)就完成了16個(gè)接管的開孔劃線工作，劃線切割后接管安裝一次成功，大大提高了施工效率。2.3 適用范圍簡(jiǎn)易劃規(guī)法直接

5、在開孔體上劃線，首先不需要展開放樣材料，適用于圓柱形或圓錐形等旋轉(zhuǎn)體接管開孔，制作簡(jiǎn)單，操作方便，特別對(duì)于同一規(guī)格的接管數(shù)量很多時(shí)，劃規(guī)可以重復(fù)使用，施工效率的提高非常明顯。同時(shí)簡(jiǎn)易劃規(guī)法對(duì)于開孔處設(shè)備器壁的幾何形狀沒有限制，設(shè)備器壁可以是圓柱體、圓錐體、球面或其它幾何體形狀，應(yīng)用范圍很廣。但由于受劃規(guī)剛度和最小尺寸限制，適用開孔接管范圍也有限制，一般應(yīng)控制在Ø400Ø2000mm范圍內(nèi)。3.數(shù)學(xué)模型法3.1 原理在再生器設(shè)備圓柱形筒體上有很多圓柱形接管，這些接管的數(shù)量單一，尺寸各不相同，如果采用劃規(guī)法就需要對(duì)于每一個(gè)接管開孔都要制作劃規(guī)，工作量很大。而利用計(jì)算機(jī)程序建立數(shù)

6、學(xué)模型法則解決了這一難題。數(shù)學(xué)模型法是針對(duì)圓柱形設(shè)備和圓柱形接管垂直或傾斜相交這一類型的開孔建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，并編譯成VB程序，使用時(shí)只要在VB程序界面中輸入每一個(gè)接管的參數(shù)，就可以快捷的打印出放樣所需的數(shù)據(jù)。3.2 數(shù)學(xué)模型如圖2所示，把接管n等分，只要計(jì)算出每一等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的h值和弧長(zhǎng)L值，并把這些點(diǎn)連起來，即可得到接管和設(shè)備的相交線。下面以圖3為例建立數(shù)學(xué)模型。 圖2 圖3設(shè)備半徑：R接管半徑：r 接管與設(shè)備相交角度：當(dāng)?shù)确志€順時(shí)針轉(zhuǎn)過角度時(shí)：h1 = (1-cos) × r / sinh2 = (R-(R2-(r × sin)2)0.5 ) × cos/

7、sinh = h1+h2L = 2 ×× R × arctan(r × sin / (R2-(r × sin)2)0.5) / 3603.3 利用編程語言將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成VB程序VB程序界面和源程序（略）3.4 應(yīng)用實(shí)例以再生器設(shè)備筒體上主裝卸孔為例，在VB程序界面中依次輸入設(shè)備半徑、接管半徑、放樣等分?jǐn)?shù)以及接管與設(shè)備夾角，然后執(zhí)行“打印數(shù)據(jù)”命令即可打印出展開放樣曲線等分點(diǎn)和對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)。按照上述計(jì)算結(jié)果，在開孔設(shè)備表面依次找出各點(diǎn)位置，再將這些點(diǎn)連接起來，就可獲得開孔切割線。3.5 適用范圍 建立數(shù)學(xué)模型法適用于圓柱形接管和圓柱形設(shè)備垂直或傾斜

8、同心相交時(shí)的設(shè)備開孔放樣。4.AutoCAD(計(jì)算機(jī)輔助)作圖放樣法4.1 原理在AutoCAD運(yùn)行時(shí)，一旦確定直線段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，運(yùn)行尺寸標(biāo)注命令，程序?qū)⒆詣?dòng)生成該線段的長(zhǎng)度，這樣就能省去繁雜的運(yùn)算，根據(jù)這一特征，我們只要按照1:1比例繪圖，通過適當(dāng)?shù)囊晥D轉(zhuǎn)換，找出相關(guān)線和能以直線表達(dá)的素線，運(yùn)行自動(dòng)標(biāo)注命令，就可獲得用于放樣的線段長(zhǎng)度。4.2 開孔實(shí)例再生器設(shè)備錐段外循環(huán)管入口管為類似斜天圓地方形的漸變接管，開孔處設(shè)備壁厚和接管厚度均為100mm，開孔尺寸為4.2×1.9m。該接管為非旋轉(zhuǎn)體接管，不適用簡(jiǎn)易劃規(guī)法，同時(shí)這種類型的接管建立數(shù)學(xué)模型也有很大的難度，宜利用AutoC

9、AD軟件繪制立體模型進(jìn)行放樣。4.2.1按照設(shè)備錐段幾何尺寸及接管幾何尺寸分別繪制出立體模型如圖4、圖5所示，繪圖比例為1：1。 圖4：設(shè)備立體模型 圖5：接管立體模型4.2.2在接管和設(shè)備立體模型上分別確定出接管中心線與設(shè)備器壁相交點(diǎn)的位置。4.2.3將接管的立體模型移動(dòng)到設(shè)備立體模型上，相交點(diǎn)要重合。然后按照設(shè)計(jì)圖紙要求調(diào)整接管和設(shè)備器壁在水平方向上的角度，如圖6所示： 圖6: 調(diào)整水平角度位置后的俯視圖4.2.4按照設(shè)計(jì)圖紙要求調(diào)整接管和設(shè)備器壁在豎直方向上的角度，如圖7所示： 圖7：調(diào)整立面位置角度后的主視圖4.2.5利用軟件的布爾運(yùn)算功能將接管和設(shè)備的立體模型合并，即可得到接管與設(shè)備

10、器壁的相貫線，如圖8所示： 圖8：獲得相貫線 4.2.6在設(shè)備器壁上畫一條水平線作為基準(zhǔn)線，然后將設(shè)備器壁在開孔處90°范圍內(nèi)32等分，并畫出等分線如圖9所示：圖9：繪制等分線4.2.7將接管與設(shè)備器壁相交線以外的等分線全部剪切掉，然后利用軟件的自動(dòng)標(biāo)注功能，標(biāo)出各等分線端點(diǎn)與基準(zhǔn)線的垂直距離，并轉(zhuǎn)化成素線長(zhǎng)度，如圖10所示： 圖10：尺寸標(biāo)注后的圖形4.2.8將放樣得到的數(shù)據(jù)反饋到設(shè)備器壁上進(jìn)行開孔。4.2.9考慮到開孔接管處設(shè)備器壁厚度的影響，可按設(shè)備的內(nèi)壁和外壁繪制兩個(gè)立體模型，分別與接管相交，得到兩組數(shù)據(jù)，然后將兩組數(shù)據(jù)分別反饋到設(shè)備內(nèi)壁和外壁上，開孔切割時(shí)上部按照外部相貫線

11、切割，下部按照內(nèi)部相貫線切割，參照內(nèi)外相貫線進(jìn)行坡口切割，最后安裝接管。4.3 適用范圍 計(jì)算機(jī)輔助放樣法主要適用于非旋轉(zhuǎn)體不規(guī)則形狀的接管，設(shè)備器壁可以是圓柱體、圓錐體、球面或其它幾何體形狀，應(yīng)用范圍很廣。5.結(jié)束語在大連石化公司350萬噸/年催化裂化裝置再生器設(shè)備施工中，利用上述3種開孔方法，使許多形狀復(fù)雜、角度特殊的開孔接管問題迎刃而解，取得了良好效果。參考文獻(xiàn)：1 瞿洪緒. 鈑金展開計(jì)算法. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20002 蔣德軍. 宗子安. 曲面展開CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.湖南工程學(xué)院報(bào).2003年3期 37頁39頁 作者介紹：衛(wèi)建良 男 1968年8月出生，籍貫：河南省孟津縣，高級(jí)工程師，1990年7月畢業(yè)于大慶石油學(xué)院機(jī)械系機(jī)制專業(yè)，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)公司南海石化項(xiàng)目總工程師，主要承擔(dān)丁二烯儲(chǔ)罐和原料油罐區(qū)以及150米塔架式火炬三項(xiàng)EPC項(xiàng)目設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量管理工作，先后參加了呼和浩特?zé)捰蛷S、獨(dú)山子乙烯、塔