（机械工程专业论文）海洋平台导管架建造cadcam技术研究.pdf

摘要 随着对近海油气资源开发力度的加大，近年来深水导管架建造成为海洋工程 中重点发展的项目之一。随着导管架结构日益复杂，工程建造规模也逐渐庞大起 来。为确保导管架工程在满足建造质量的前提下，在项目周期内顺利完工，有必 要对海洋工程现有的设计制造工艺进行技术提升，以提高生产作业效率。本课题 通过对海洋平台导管架的生产建造工艺进行分析，从管件切割图纸设计以及生产 加工入手，开发管件切割设计系统和切管机数控系统，实现从设计到制造整个生 产流程的技术提升。 以a u t o c a d 为系统设计平台，以导管架单线图为结构设计基础，开发管件 切割设计系统。系统自动判断管节点类型并计算各种管节点设计参数，然后进行 相贯线焊接坡口计算，依据所得数据绘制管件切割成型的单件图、样板图。同时 为满足后续焊接工艺要求，系统通过绘制脚印图，确定焊接管件之间的相对位置 关系，满足焊接装配的精度要求。在实现相贯线计算的基础上，进一步扩展系统 功能，实现重心、重量计算以及焊材统计。系统具有良好的操作性，可以有效提 升导管架平台生产设计效率。 为满足管件自动化切割的生产需求，基于对切管机割炬运动控制分析以及对 管件火焰切割工艺的理解，开发切管机数控系统。在数控系统中输入管件几何、 位置参数以及相关系统参数后，数控系统自动完成计算，并生成数控加工代码。 同时为实现数控代码的验证，在系统中绘制管件切割成型图，并通过仿真技术， 实现管件切割状态下的割炬位姿运动仿真。 两系统紧密配合实现系统功能，促使管件切割生产从设计到加工的整个制管 工艺流程向自动化、集成化方向转变。课题工作与导管架工程实际生产需要紧密 结合，研究成果直接应用在导管架管件生产加工中。实际应用表明，系统功能的 运用可以有效提高管件切割精度与加工效率，在保证导管架建造质量的基础之 上，促进了海洋工程建造技术水平的提升。 关键词：海洋工程，导管架，数控切管机，集成制造，相贯线 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n ge x p l o i t a t i o no fo f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c e s t h ec o n s t r u c t i o n o fd e e pw a t e rj a c k e th a sb e c o m eak e yp r o j e c ti no c e a ne n g i n e e r i n gi nr e c e n ty e a r s j a c k e ts t r u c t u r ei si n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d a sar e s u l t ，p r o j e c ts c a l ei sg r o w i n gt o o u n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gc o n s t r u c t i o nq u a l i t y i no r d e rt oe n s u r ec o m p l e t i o n o fc o n s t r u c t i o np r o j e c ti nc o n s t r u c t i o nc y c l e i ti sn e c e s s a r yt ot r a n s f o r mt h ec u r r e n t t e c h n o l o g yo fp r o d u c t i o nd e s i g n ，i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e a l i z et h e t e c h n o l o g yl e v e lo fa s c e n s i o n t h r o u g hs y s t e m i ca n a l y s i so f t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s o nt h ec o n s t r u c t i o no fo f f s h o r ej a c k e t ，t h i sp a p e rs t a r t e dw i t hp i p ec u t t i n gd e s i g na n d p r o d u c t i o np r o c e s s i n g ，d e v e l o p e dp i p ec u t t i n gd e s i g ns y s t e ma n dc n cp i p ec u t t i n g s y s t e m ，w h i c hr e a l i z e dc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yp r o m o t i o no f t h ew h o l e p r o d u c t i o n f l o w b a s e do no f f s h o r ej a c k e ts i n g l el i n ed i a g r a m ，t h ep i p ec u t t i n gd e s i g ns y s t e m w a sd e v e l o p e du n d e rt h ea u t o c a dd e s i g np l a t f o r m t h es y s t e ma u t o m a t i c a l l y i m p l e m e n t st h ej u d g m e n to fp i p ej o i n t st y p e , c a l c u l a t i o no fn o d ed e s i g np a r a m e t e r s ， t h e nr e a l i z e sc a l c u l a t i o no fi n t e r s e c t i n gc u r v e sw i t hw e l d i n gg r o o v eo fm a n yt y p e so f i n t e r s e c t i n gj o i n t s o nt h eb a s i so ft h ec o m p u t a t i o n a ld a t a ，s y s t e ma u t o m a t i c a l l y g e n e r a t e sp i p ec u t t i n gs h e e ta n dt e m p l a t es h e e t m e a n w h i l e i 1 1o r d e rt om e e tw e l d i n g p r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，f o o t p r i n td r a w i n g sa r ed e s i g n e dt od e t e r m i n et h em u t u a l p o s i t i o no fw e l d i n gp i p e s a n dm e e tt h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n t so ft h ew e l d i n g a s s e m b l yd e s i g n o nt h eb a s i so f c a l c u l a t i o no f i n t e r s e c t i n gc u r v e s ，s y s t e mf u n c t i o ni s f u l t h e re x t e n d e d ，w h i c hi m p l e m e n t sc a l c u l a t i o no fc e n t e ro fg r a v i t ya n dw e i g h t ， s t a t i s t i c so fw e l d i n gm a t e r i a l s t h es y s t e mh a sg o o do p e r a b i l i t ya n di sh e l p f u lt o i m p r o v et h em a n u f a c t u r i n ga n dd e s i g ne f f i c i e n c yo f o f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r m t or e a l i z et h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t so fp i p ea u t o m a t i cc u t t i n gp r o c e s s i n g ，o n t h eb a s i so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r em o t i o na n a l y s i so fp i p ec u t t i n gm a c h i n ea n df l a m e c u t t i n gp r o c e s s ，c n cf l a m ep i p ec u t t i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d a f t e ri n p u t t i n go f c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gp i p e sg e o m e m cp a r a m e t e r s ，l o c a t i o np a r a m e t e r sa n d s y s t e mp a r a m e t e r s ，s y s t e ma u t o m a t i c a l l yc a l c u l a t e s a n d g e n e r a t e sn cc o d e m e a n w h i l ei no r d e rt oc h e c kn cc o d e c u t t i n gm o l d i n gf i g u r ei sd r e wi nt h es y s t e m t h r o u g hs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，p i p ec u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ni sr e a l i z e d c o o p e r a t i n gt o g e t h e rt i g h t l y ，s y s t e mf u n c t i o ni si m p l e m e n t e d ，w h i c hp r o m o t e s t h ew h o l e p i p ec u t t i n gp r o c e s s f r o md e s i g nt om a n u f a c t u r ed e v e l o p i n g i n t o a u t o m a t i o na n di n t e g r a t i o n t h er e s e a r c hi sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ep r o d u c t i o n d e m a n do fo c e a ne n g i n e e r i n g ，a n dr e s e a r c hr e s u l ti sa p p l i e dd i r e c t l yi nj a c k e tp i p e s p r o d u c t i o n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w e dt h a ts y s t e mf u n c t i o n si m p l e m e n t a t i o n e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ep i p ep r o c e s s i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y ，w h i c hp r o m o t e st h e a s c e n s i o no fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yl e v e lo nt h eb a s i so fg u a r a n t e ec o n s t r u c t i o n q u a l i t yo f o f f s h o r ej a c k e t k e yw o r d s ：o c e a ne n g i n e e r i n g ，j a c k e t ，n cp i p ec u t t i n gm a c h i n e ， i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，i n t e r s e c t i n gc u r v e i i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 随着人类社会的发展，对能源的需求量逐渐增大，能源危机日渐成为人类社 会可持续发展的一个重大障碍。随着全球对石油、天然气等能源的持续开发，陆 上油气资源的开采量日渐萎缩，海洋石油的开采已经逐渐成为全球石油开发的重 点目标【1 。我国拥有丰富的海洋资源，海洋石油资源量估计为2 4 0 亿吨左右，天 然气资源量1 4 万亿立方米，其中已探明的油气资源7 0 以上都在5 0 0 m 深度以 内的海域，因此近海石油开发极具有开发潜力【2 - 3 1 。 图1 - 1 番禺3 0 一l 深水导管架平台 进行海洋油气资源的开发，需要根据海洋环境以及开采条件建设海洋平台 【4 。导管架平台是在近海石油勘探开发中应用最广泛的平台结构之一，它具有适 用范围广、应用性强，维护费用低等特点，十分符合我国对近海领域油气资源进 行开发的需要【5 】。我国于1 9 6 6 年将第一座固定式导管架平台在渤海湾成功安装， 此后我国固定式平台经过4 0 多年的发展，先后在渤海湾水深6 - 2 5 m 范围设计和 安装了1 0 0 多座固定式平台，目前我国己具有设计和建造浅海固定式平台的能力 【6 】。随着近年来对近海石油开采程度加大，开采区域逐渐向l o o m 到2 0 0 m 以上 水深发展，在该水深范围使用的导管架平台称为深水导管架平台。与浅水域导管 架相比，深水导管架所处的海洋环境更为恶劣，对平台结构的安全性与耐久性产 第一章绪论 生更加不利影响。为保证深海导管架平台的可靠性、耐久性，深水平台导管架结 构更为庞大、复裂7 1 。2 0 0 8 年6 月，中国石油工程股份有限公司( c o o e c ) 青岛场 地建成番禺3 0 。1 导管架，导管架总重1 6 2 1 3 吨，高2 1 2 3 2 m ，适应海域水深平均 为1 9 9 0 2 m 。平台的成功建造标志着海油工程在2 0 0 m 水深以内油气田导管架自 主设计、采办、建造和项目管理水平等方面有了质的飞跃。番禺3 0 1 是目前亚 洲最大的深水导管架，总重为1 9 2 0 0 吨，平台使用最大直径5 m 的钢管，用了2 0 0 多吨，直径3 8 m 的钢管用去3 0 0 多吨，最厚管壁为1 2 0 m m 峭j 。 建设如此大型的钢结构，一方面平台的设计工作更为复杂，另一方面建造周 期随之增长。建造周期的增长不仅会迅速提升了整个工程项目的成本，而且对整 个平台建造项目的顺利交付带来更加不利因素。因此，如何能够在保证建造质量 的前提下，并在现有的生产条件下缩短导管架的设计建造周期，是海洋工程建造 技术发展中进一步需要解决的问题。 导管架是大型的钢制桁架结构，是由大直径、厚壁的钢管焊接而成 9 。在导 管架的建造过程中，管件卷制、切割、焊接等作业时间在整个建造周期中占有较 大比例 】0 1 。在管件设计中，设计部门目前采用自动图纸设计系统，该系统可以实 现相贯切头的管件切割图纸设计，根据设计图纸信息，制造部f - j n 用自动化数控 设备完成管件的切割加工。但是由于该系统功能较为单一，仅能够完成管管、管 板相贯类型的管件切割图纸设计。当前导管架结构日益复杂庞大，管节点设计形 式由原来的管管、管板结构扩展到大量的k 、t 、y 接头、管锥相贯、管环相贯、 混合类型等多种复杂节点】。原有的图纸设计系统无法完成导管架的新的图纸设 计要求，迫切需要进行系统功能升级。 在管件切割加工方面，制造部门利用现有的数控切管机来实现管件的自动化 切割。切管机的机械结构形式不同，所采用的运动控制形式也不同。c o o e c 曾 引进v e r n o nt o o l 公司的五轴数控切管机 12 1 ，但是由于系统故障，目前已经 不能正常工作。为恢复该切管机的管件加工功能，需要在对该切管机运动控制分 析的基础上，重新开发该切管机专用的数控系统，实现对切管机的加工运动控制， 恢复其加工能力。 无论是在对管件加工设计以及切割生产中，相关的理论都是以管件相贯线以 及焊接坡口成型计算模型为基础。我国在这方面已经有了不少的研究，比如对管 管、管板相贯，管锥相贯、管环相贯，开孔、开槽等相贯线计算已经建立相应的 数学模型，为各种相贯线软件设计以及管件切割设备开发提供了理论依据【l3 。1 5 。 在现有的生产条件下，为提高导管架生产设计水平，以相贯线成型数学模型 作为理论基础，进行管件切割图纸设计系统的开发，可以有效提高设计效率与质 量。与此同时，为实现加工制造水平的提升，还要根据切管机的加工应用，开发 第一章绪论 相应的切管机数控系统，配套切管机数控机床，实现对导管架管件制造过程中多 种相贯类型的管件的切割。从管件设计到对管件切割加工，进行c a d c a m 相 关技术的研究，可以进一步提升导管架生产技术水平，提高海洋工程设计制造企 业的竞争力。 1 2 导管架制造c a d c a m 技术发展现状与分析 1 2 1 导管架设计技术发展现状 海洋工程领域是计算机辅助技术应用较早的领域之一。在早期的海洋平台结 构设计中，a u t o c a d 在二维设计中一直发挥主导作用。随着海洋工程发展的需 求以及c a d 技术的发展，三维结构设计逐渐成为海洋工程设计的主流【l6 。 。目 前在国际工程界应用到该领域最为广泛的三维设计软件有p d s 、x s t e e l 和p d m s 。 其中x s t e e l 是由芬兰t e 村a 公司开发的钢结构详图设计软件，是世界通用的钢结 构设计软件。用户使用该软件可以在虚拟的空间中搭建一个完整的钢结构模型， 模型中不仅包括零部件的几何尺寸，也包括了材料规格、横截面、节点类型、材 质、用户注释等在内的所有信息。x s t e e l 中包含了6 0 0 多个常用节点，在创建节 点时只需点取某节点，填写其中的参数，然后选主部件次部件即可，并可以随时 查询相关的制造及安装信息【l8 1 。例如从模型中出结构设计的平面图、立面图、节 点详图、局部剖面图和车间施工用的构件图及零件图等，还可以给出结构物的整 体或任何局部的重量统计报告和重心位置。该软件已经在我国海洋钢结构设计中 得到应用，提高了加工设计水平以及加工质量与效率，完善了设计手段，使加工 设计能够适应结构平台日益大型化、复杂化的发展趋势【19 1 。但是该软件无法根据 具体的加工制造进行针对性的加工设计，许多功能无法得到深入应用，需要进一 步开发才能适应具体的生产应用。 在导管架平台设计领域我国也有自主研发的c a d 系统，中国船舶及海洋工 程设计研究院研发了c a m i s - - i 子集( 桩基式导管架平台计算机辅助设计系统) 。 系统可以实现导管架平台( 钢结构，包括圆管、工字钢、槽钢、角钢等组成) 的构 造三维实体模型，采用实体建模图形支撑软件的基本功能，在结构的连接部分进 行布尔运算、求相贯线、图形处理等，完成导管架平台结构的真实模型。系统可 以实现三维实体结构模型生成，三维实体结构模型的剖、切，数据库的文件管理， 二维结构绘图子系统，管系、设备布置子系统，电气计算和绘图子系统等功能【2 0 1 。 该系统在一些平台设计中得到应用，但是随着平台设计的发展，该系统的功能设 计相对简单，难以完全满足日益复杂化的结构设计以及生产设计要求。 第一章绪论 综上分析，导管架的生产设计要与生产部门的实际的加工能力、生产工艺以 及管理模式紧密关联，在分析实际应用的基础上，才能开发工程中所能配套使用 的设计系统。为提高海洋工程生产设计领域的技术发展，有必要设计开发与海洋 工程生产工艺相配套的生产设计系统，系统应考虑到整个生产流程中的具体应 用，并满足生产设计中的各种功能需求2 1 1 。 1 2 2 导管架生产加工技术发展现状 导管架的制造工艺以切割、焊接为主，具体包括管件的卷制，管件、板材、 型钢的切割，管件焊接、管件组装焊接、型钢焊接等工艺( 如图1 2 所示) 。海洋 工程建造中所用到的工件材料一般为板材、钢管以及型钢，由于一般构件尺寸较 大，常规制造领域的先进的加工工艺、设备难以应用到海洋工程生产工艺中来， 为实现海洋工程领域的自动化加工生产，需要利用专用的自动化设备来实现各种 产品的制造。 图1 2 导管架建造过程中相关制造工艺 在导管架上部平台结构建造时，需要用到大量的型材。在加工设计中要对型 材进行单件图设计，其中型钢与管相交的图纸设计最为复杂，根据该设计需求， 设计开发了基于a u t o c a d 平台下的型材切割自动绘图系统，实现型钢单件图自 动绘制。与手工设计相比，该系统极大地提到了设计速度，而且图纸设计精确高， 4 第一章绪论 设计质量也得到提升【2 刭。 而在型钢加工过程中，型钢的切割一般采用人工完成，人工切割不仅效率低， 而且切割质量差。为满足海洋平台建造对型钢切割端头多样性的要求，并且改变 现有手工切割的落后工艺，c o o e c 联合天津大学开发设计了型钢多机器人切割 系统。机器人控制系统采用典型的开放式数控系统模式，采用i p c ( t 控机) 作为 上位机，用来管理数据以及资源分配，并实现人机交互，同时对下位机进行程序 调试与控制；以d m c ( 运动控制板卡) 作为下位机系统主体，用于负责切割机器 人执行部件的运动控制。系统采用参数化编程设计，将型钢类型以及尺寸数据作 为设计参数，通过软件系统内部计算，实现机器人割炬终端运动轨迹自动化编程。 运动控制器读取数控指令，并将指令转化成为对机器人手臂的运动控制，割炬按 照设计路径运动，实现型钢的自动化切割加工 2 3 - 2 4 1 。 在管件加工方面，由于在管件焊接作业前要对管件端头进行相贯线坡口切 割，火焰数控切管机作为管件切割的关键设备，在海洋导管架建造以及钢结构生 产中发挥重要作用【2 5 1 。我国在该领域的研发起步较晚，但是随着市场需求的发展 壮大，相关技术快速发展，目前国内已经有2 0 多家企业具有设备制造能力。目 前不同的结构设计形式的切管机主要有：管子定长切割机，该切管机借鉴了金属 车削加工的原理，利用切刀来实现工件的切断或倒角 2 6 】：上海宝业机电科技有限 公司生产的六轴火焰数控切管机，采用卡盘或摩擦轮带动管件旋转，利用连杆机 构割炬实现相贯线焊接坡v i 的n - l 2 7 】：天津焊接研究所研制的数控管子相贯线切 割机，其坡口切割装置包括圆弧形轨道、摆动驱动装置、割炬夹持装置以及割炬， 该切管机可以实现对割炬的五轴四联动控制【2 8 1 。目前各种类型的火焰数控切管机 已经广泛应用于建筑钢结构、造船、采油平台等钢结构制造领域。 由于相贯线计算复杂，实现为实现管件的切割加工，必须配套专业的数控软 件系统 2 9 1 ，数控系统开发的难点是对相贯线焊接坡口的计算。在该领域，f a s t c a m 软件公司的f a s t f r a m e 软件可以实现多种类型相贯线的计算，配套五轴联动数 控切管机，并可以根据管件切割样图自动生成数控代码【3 们。上海交通大学开发的 海洋石油平台数控切割系统可以在a u t o c a d 环境下，依据三维导管架结构，通 过人机交互实现数控加工代码生成，并实现管件自动套料设计【3 1 1 。 总体分析以上海洋工程技术的发展应用，由于导管架建造工程是典型的大 型、单件、小批量的生产作业形式，其物料准备、图纸设计、建造工艺以及相关 技术环节复杂繁多，并且由于结构尺寸较大，常规机械制造领域的先进制造技术 不能完全满足海洋工程制造的应用需求。为实现海洋工程制造技术的提升，应针 对具体的加工应用，设计专用的数控加工设备，以及开发配套的数控系统，利用 现代制造技术来推动海洋工程领域生产力的发展【3 1 1 。 第一章绪论 1 3 课题主要研究内容 本文通过分析海洋工程领域c a d c a m 技术应用，针对现有的生产设计方 式以及加工生产现状，以实现管件切割图纸设计以及管件自动切割加工为目标， 进行管件切割设计系统与切管机数控系统的开发，将相贯线成型数学模型理论应 用到导管架的生成设计加工中来。 全文内容编排如下： 第一章，阐述海洋工程中导管架平台发展背景，介绍现阶段导管架建造领域 c a d c a m 技术的发展趋势，并对相关技术进行分析，根据导管架生产设计需求， 提出本文主要研究内容。 第二章，对导管架生产设计流程进行分析，阐述导管架结构设计理论基础， 建立导管架结构整体坐标系以及管节点局部坐标系，分析管节点几何模型设计参 数，构建相贯线成型数学模型。 第三章，基于对计算机辅助设计技术在导管架生产设计中的应用分析，以 a u t o c a d 为系统功能平台，开发管件切割设计系统。对该系统进行模块功能划 分，设计模块流程，对各个模块功能实现进行详细分析。 第四章，对切管机进行切割运动分析，针对不同类型的割炬结构设计，对割 炬进行位姿控制运动分析。为满足管件相贯线自动化加工的需求，基于对相贯线 模型以及对管件切割工艺的理解，开发切管机数控系统。为满足系统功能需求， 利用o p e n g l 技术开发管件加工仿真系统。 第五章，基于对导管架管件切割设计系统以及切管机数控系统的理解，通过 管件加工实例，探讨导管架建造中c a d c a m 技术的综合运用。 第六章，对全文工作进行总结，并提出后续工作展望。 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 2 1 引言 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 本章通过对导管架生产设计需求分析，研究导管架平台结构设计，建立导管 架总体坐标系和局部管节点坐标系，在此基础上，对管节点设计参数获取方式进 行具体阐述；基于对管件焊接规范的理解，建立管管相贯线焊接坡口数学模型， 并通过编程实例对相贯线计算流程进行分析。 2 2 导管架韵设计流程分析 在导管架平台施工建造前，相关的设计工作分为三个步骤：总体设计、详细 结构设计以及生产设计。 总体设计是在深入理解任务书和调查研究的基础上，根据设计依据、使用要 求、水文环境资料和地基等方面的内容进行规划，以便分析平台结构形式；进而 确定设计载荷，对结构进行强度和稳定校核【3 2 】。 详细结构设计是根据总体设计阶段确定的结构形式，选择各部分的结构形 式，确定其尺寸，进行构件布置，绘制结构图；然后进行结构计算，编写结构计 算计算书和说明书；结构设计包括整体结构设计和各部分结构设计。 生产设计是在确定总的建造方针前提下，以详细设计结果为依据，划分建造 工艺阶段、施工区域，管理工作图表和施工图纸，提供生产信息文件。生产设计 是连接设计与制造的桥梁，既要反映施工工艺要求，又要反映组织建造的生产管 理过程。不仅使详细设计描述的产品具有可制造性，而且要改正前面设计阶段可 能存在的错误 3 3 1 。 在导管架制造领域，要实现的高水平的生产设计，需要充分理解导管架设计 建造规范以及生产部门的加工制造能力，并且需要掌握计算机程序应用的多方面 的知识。一个导管架项目的生产设计任务量很大，具体的设计步骤复杂繁多，生 产设计的水平则主要体现在设计的速度以及设计质量等方面 3 4 1 。 导管架是大型的管构件桁架结构，导管架结构设计的关键是对管节点的设 计，管节点的设计形式、尺寸位置以及焊接质量等因素直接影响整个导管架平台 的建造精度以及平台结构的安全性。导管架的管节点是由管件焊接组合而成，根 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 据导管架设计建造要求，对管节点焊接时要对相交管件端头进行焊接坡口切割。 因而管件加工设计主要是绘制管件切割成型的单件图、样板图以及其他相应的图 纸，以满足管件加工制造的要求35 1 。为实现管件d e t t _ 设计，应根据管件在管节点 和分段结构中的位置，按照焊接设计要求，绘制管件切割成型图纸。 2 3 导管架生产设计基础 2 3 1 平台整体坐标系的建立 海洋平台导管架结构是由柱体或圆管组成的，导管架的结构设计关键在于管 节点的设计。一座l o o m 高的固定式海洋平台，其管节点多达3 0 0 个。为完成导 管架的建造，需要对每一个管件进行放样展开，以完成后续的加工、焊装作业流 程。要完成如此大量而复杂的工作，一定要有整体的设计规划，按照一定的基准 定位，将每一个管件结构按照一定的规则编号。最为简单而科学的方法是将整个 结构和构件纳入一个统一的坐标系中 10 1 。 建立导管架整体结构坐标系，其原点取在平台底平面的中心。彳、y 轴取在 底平面上，z 轴垂直于该平面，为导管架高度方向，向上为正，x 、j ，、z 三轴顺 序按照右手法则取向。导管架结构坐标系以及管节点编号如图2 1 所示： 2 0 1 0 1 z 4 0 14 0 2 心 ：n ， | 蔷 弋n l 迥 fj 蠼 杆件 加工图纸 左节点 右节点 4 0 11 0 1 4 0 21 0 2 3 0 11 0 2 2 0 13 0 2 4 0 13 0 2 iy 加工图纸 杆件 左节点右节点 2 0 12 0 2 2 0 22 0 8 2 0 12 0 7 2 0 32 0 2 2 0 52 0 8 ( a ) 斜拉筋与导管( b ) 水平拉筋 图2 1 导管架结构坐标系的建立以及管节点编号 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 2 3 2 管节点坐标系的建立 导管架结构是由很多圆柱体或圆管相互连接构成，要确定管件之间相互位置 关系，需要建立每一个管节点的局部坐标系。在确定管节点坐标系时，一般以主 管为基准来确定。 如图2 2 所示，主管坐标系用x 、y 、z 表示，支管坐标系用x 、y 、z 表示； 主管坐标系的坐标原点取在主管与支管轴心线的交点上，支管坐标系原点与相贯 主管的坐标原点重合；支管的轴心线为x 轴，以指向支管另一相贯节点方向为正， z 轴方向竖直向上，y 轴通过右手定则来确定；主管轴心线为x 轴，去与x 轴相 交成钝角的方向为x 轴的正方向，z 轴方向垂直于x 、x 两轴线形成的平面并指 向视图平面外，l ，轴按右手定则取向。 2 3 3 管件位置关系参数 图2 - 2 管节点坐标系定义 目前在导管架管件m - r 中，大多数管件可以实现数控切割，在数控切管机上 配套专用的相贯线计算软件，在软件中输入管件几何、位置参数后，软件完成计 算后即可生成数控加工程序。由于在一个导管架中有很多的管节点，计算每一个 管节点中管件的几何位置参数就是一个非常复杂的工作，为实现管件几何、位置 参数自动计算，在此对各参数的定义与获取方式进行分析。 1 、轴交角口 主管与支管轴线之间的夹角为轴交角。若两轴线不相交，即存在偏心的情况 时，将主管轴线沿两管轴线的公垂线进行平移而使轴线相交，得到两轴线的交角。 轴交角一般取钝角( 如图2 3 所示) 。 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 主管 ix ( ：) tz a 1 有偏心情况 主管 iz ( b ) 无偏心情况 图2 - 3 两管相贯示意图 2 、偏心值e 即在主管与支管轴线不相交情况时，两轴线公垂线的距离，如图2 - 3 ( a ) 所示， 即为p 、q 两点之间的距离，此时支、主坐标系两坐标原点不重合。偏心方向有 正负之分，方向不同则管节点相贯类型不同，后续焊接工艺也不同。此时建立支 管坐标系时，y 轴与公垂线重合，p 、q 分别是公垂线与支管、主管轴线的交点。 沿公垂线移动主管轴心线，使q 点靠近p 点，当偏移方向为y 轴正方向时，偏 心值为正，反之为负。 3 、支管0 。与1 8 0 。母线位置 以支管左节点为基准，即在支管左端确定支管的0 。与1 8 0 。母线。如图2 3 所示，1 8 0 。母线在轴交角口的一侧，0 。母线在对应锐角的一侧。当轴交角角度 为9 0 。时，支管坐标系z 轴的正方向为0 。母线点，负方向为1 8 0 。母线点。支 管0 。母线是作为设计切割管件的单件图、样板图的展开母线，同时也是支管相 贯线在主管投影的脚印图0 。点，同样可以确定脚印图1 8 0 。点。在焊接装配时 确定母线使管节点吻合，以保证焊接装配精度。 4 、错心值5 导管架结构中，有些节点包含多个管件，如图2 4 所示为一次搭接类型的管 节点，在这种条件下，管节点模型的设计需要考虑错心值。错心值是以主管与支 管的交点为基准来确定的，错心值大小即为该交点到搭接管与支管交点的距离， 当搭接管与支管交点偏向支管x 轴方向时取值为正，反之为负。图2 - 4 中标注万 即为错一t 3 值，二次搭接以及多次搭接均依据该方法计算错心值。 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 主管 ( a ) 无错心值 主管 ( b ) 正错心值( c ) 负错心值 图2 4 错心值定义 5 、扭转角 如图2 - 5 ( a ) 所示，当支管两端分别与主管相贯时，如三个管件轴心线在同一 平面内，则管件两端的0 。母线重合，管件两端无扭转量；如图2 - 5 ( b ) 所示，当 三个管件轴心线不在同一平面内，管件两端的0 。母线不重合，此时管件两端存 在一个扭转量。以管件左端1 8 0 。母线为基准，左端扭转量为0 ，右端1 8 0 。母 线与该基准在圆周方向的夹角即为其扭转量，用夕表示。当右端1 8 0 。母线在支 管圆周角0 。到1 8 0 。之问时，值为负；当右端1 8 0 。母线在支管圆周角1 8 0 。 到3 6 0 。之间时，值取正。在支管一端与多个管件相贯的情况下，若搭接管轴 心线不在支管、左端主管轴心线所成的平面上，则以左端主管为基准，按照上述 方式获取搭接管的扭转角。 ( a ) 无扭转角( b ) 存在扭转角 图2 - 5 支管两端与主管相贯 6 、管件长度定义 在绘制管件切割单件图时，需要在图中标注如图2 - 6 所示的各种长度尺寸， 各长度定义如下： 三：管件两端节点距离； r o ：相贯线右端0 。点到右端最远点的距离； l o ：相贯线左端0 。点到左端最远点的距离； l 0 0 相贯线左右两端0 。点间的距离； r 8 ：相贯线右端1 8 0 。点到右端最远点间的距离； 一 q川川刘刀叫科蚓 一 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 _ 一 三8 ：相贯线左端1 8 0 。点到左端最远点间的距离； l 8 8 ：相贯线左右两端1 8 0 。点间的距离： l m a x ：相贯线左右两端最远点之间的距离。 图2 - 6 管件切割设计长度尺寸定义 2 4 相贯线计算模型舶建立 管件数学放样展开的基础是相贯线数学模型，这同时也是实现管件切割计算 机辅助设计和自动切割加工的理论依据1 0 】。基于对管节点参数化设计分析，本节 推导相贯线焊接坡口数学模型。 2 4 1 相贯线数学模型建立 在导管架设计中，应用到管节点类型有很多种。要实现管件切割设计，应针 对不同的相贯节点，利用相应的数学模型完成相贯线的计算。限于篇幅，本文仅 对管管相贯类型的相贯线数学模型的建模过程进行分析。在开发相贯线相关应用 程序中，各种类型的相贯线数学模型组成模型库，为方便调用与扩展，建模时各 种参数定义一致、规范。在建立数学模型以及设计加工图纸中，采用的各术语、 数据定义要根据石油工程中常用的术语来确定。 为实现相贯线数学模型的计算推导，首先定义与相贯线几何建模相关的参考 平面p 引，如图2 7 所示： ( 1 ) 支轴剖面：过相贯线上任一点并包含支管轴线的平面。 ( 2 ) 主切面：过相贯线上任一点并切于主管表面的平面。 ( 3 ) 支切面：过相贯线上任一点并切于支管内表面的平面。 ( 4 ) 法剖面：过相贯线上任一点并垂直于相贯线的平面。 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 计算模型中使用的参数定义如下： ( 1 ) 坡口角妒：过相贯线上任一点的法剖面与坡e l 曲面的交线之间的夹角。 ( 2 ) 两面角l f ，：过相贯线上任一点的支切面与主切面之间的夹角。 ( 3 ) 理论切割倾角p ：在法剖面内割炬实现坡口角切割的倾角。 ( 4 ) 实际切割倾角0 9 ：为在图纸上绘制坡口切割线，割炬在支轴剖面内的倾 角，割炬处于垂直位置时其角度为0 度。 ( 5 ) 割炬扭转角r ：相贯线上任意一点上，支切面与法切面之间的夹角。 ( 6 ) 旋转角臼：切割时，管件沿轴线方向旋转的角度增量，图2 8 中所示的 割炬位置为割炬开始切割的起始点，该点设为0 。 ( 7 ) 管件几何参数以及管管之问存在的位置参数，例如管径、壁厚、轴交角、 偏一t l , 、错心、扭转角等在前面己作说明，在此不再赘述。 图2 7 参考面及参数定义 如图2 8 所示，以主管轴线与支管轴线交点为坐标原点o ，建立彳、】，轴方 向相贯线方程。相贯线在】，轴的坐标值表示为j 7 ： y 一1 s m ( z +r c o s ( o - f 1 ) + 万 t a n 口 ( 2 1 ) 式中，0 为x 轴方向的角度增量；t 为支管壁厚；r 为支管内壁半径，r = ( d - 2 0 2 ， d 为支管外径：a 为轴交角：为扭转角：p 为偏，t 3 ；d 为主管直径；万为错心值。 相贯线轴方向的坐标可表示为： 彳= ( 詈一0 孟曰 陋2 ， 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 彳 1 一2 7 0 。 图2 8 管管相贯几何模型 在图2 7 中，割炬此时置于支管的相贯线0 。点处，割炬开始进行相贯线切 割加工时，被切管件旋转，同时割炬依据相贯线参量方程所定义的运动轨迹沿支 管轴线方向往返运动，实现相贯线切割。 2 4 2 焊接坡口数学模型的建立 根据海洋平台焊接工艺要求，厚壁管件的焊接接头一般都要开坡口处理。焊 接坡口的质量越高，则在后续的焊接作业中焊材用量及作业时间消耗地就越少 p 引。因此在加工焊接管材时，要在切割相贯线的同时完成焊接坡口的切割。 在焊接工艺设计时，参考石油天然气行业标准( s y f r 4 8 0 2 9 2 ) 美国石油协会 标准( a p ip i2 a ) e 3 9 】或美国国家标准美国焊接学会标准业标准( a n s i a w s ) a o ，焊 接坡口角的大小是根据两面角来确定的。管构件局部两面角妒( l o c a ld i h e d r a l a n g l e ) 是两相贯管( 或板与管) 外表面的切平面之间的夹角，即取管管相交相贯线 任一点，过该点做两圆柱切平面的垂线，两垂线之间的交角即为二面角，图2 - 9 为管节点两面角示意图。 主管 图2 - 9 管管相贯两面角示意图 根据a w s 标准要求，并根据实际工程应用，坡口角取值为： 炉9 0 0 ，妒= 4 5 0 ： 旷6 0 。9 0 。，9 = 昨； 1 4 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 | | f ， 1 3 5 。；b ：l f ，= 9 0 1 3 5 。；c ：l t t = 3 0 - 9 0 。；实际工程应用根据a p i 规范选择管管 相贯节点类型中坡口角的范围： l f ，= 2 0 。3 0 。，q ，= 1 5 。； l l u = 3 0 。9 0 。，9 = 2 ； 炉9 0 。，妒= 4 5 0 ； 以图2 1 0 ( a ) 中所示b - b 区的焊接要求为例，焊接坡口角设计要求如图 2 1 0 ( b ) 焊缝剖面所示： ( a ) 管管相贯示意图( b ) 相贯焊缝剖面 图2 1 0 管节点局部焊缝设计要求 即b b 区两面角区间限制在9 0 。到1 3 5 。之间，对应的坡口角取值为妒4 5 。， 同时对焊缝根部间隙做出具体要求，查表得g 取值范围在1 6 m m - 4 8 m m 。根据 图2 1 0 建立管管相贯两面角数学模型： = a r c c o s c o s 妒c o s a c o s ( o 一) 一s i n 矽s i n p 一) ( 2 3 ) 式中妒为主管圆周角： = a r c s i n 2 r c o s ( o - f 1 ) + 2 e ( 2 - 4 ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 割炬切割倾角由两面角、坡口角来决定的，如图2 1 1 所示得到： p ：奢q - 一审七9 5 ( 2 - 5 )2一+ 妒 图2 1 1 两面角、坡口角和理论切割角 1 5 第二章导管架生产设计需求分析及理论基础 坡口角、两面角、切割角的定义均是在法剖面内，由于相贯线是一个空间曲 线，各个采样点对应的法剖面不断变化，为实现焊接坡口的准确加工，应不断调