大型设备现场开孔放样新技术

1、大型设备现场开孔放样新技术卫建良 薛防震 杨 森中国石油天然气第一建设公司摘 要本文以大连石化公司350万吨/年催化裂化装置再生器为例，以常规投影展开放样理论为基础，详细介绍简易划规法、数学模型法和AutoCAD(计算机辅助)作图放样法等开孔放样新技术，并对这几种方法的优缺点和适用范围进行分析，实践证明，这几种开孔放样方法，不仅简便实用，而且计算、放样精度高，同时又在很大程度上提高了施工效率，具有一定的推广意义。关键词：设备接管；展开放样；划规；数学模型；AutoCAD1.前言石油化工设备开孔千差万别，生产制造中经常要进行开孔放样，传统方法一般采用投影展开法进行，这种方法对放样技工操作水平和放

2、样场地都有很高的要求，需要很多放样时间，成为影响产品质量的关键因素。大连石化新建350万吨/年催化裂化装置，炼油加工能力位居亚洲第一，其核心设备再生器最大直径15.6m，壳体高度42.4m，主体材质20R，设备总重1588.9吨。整个再生器设备开孔接管共150个，形状复杂多变，在设备开孔放样中极具代表性，涉及到的接管类型不仅有常规的圆柱体与圆柱体相交，还有顶封头（椭球）上的圆柱形接管、锥段上的圆锥、圆柱偏心斜交接管（俗称茶壶嘴）、圆柱形筒体上类似天圆地方的圆柱渐变接管（俗称塌鼻梁）等形式，最大接管重量30.9吨，设备开孔尺寸最大为4.2×1.9m，最大接管厚度100mm，开孔处器壁厚

3、度最大100mm，必须综合考虑设备壁厚影响，传统投影展开放样技术很难满足施工进度和质量要求，笔者以常规投影展开放样理论为基础，分别采用简易划规法、数学模型法以及AutoCAD作图放样法进行展开放样，摆脱实地放样过程，提高了放样精度和施工效率，节省工程成本，收到了良好效果，下面分别就这几种方法作简要介绍：2.简易划规法2.1 原理简易划规法是根据旋转体接管由母线紧贴被开孔体围绕其中心轴线旋转，且在轴线方向上能自由移动，最终直接形成相贯线的原理进行设计的。简易划规如图1所示，其中为固定中心轴线，为旋转母线，、轴线间距为接管半径（外半径）。设备开孔时，先根据开孔接管的实际尺寸制作简易划规，然后将划规

4、中心轴线的顶点放置在设备开孔的中心处，再按照接管与器壁的角度调整固定中心轴线的套管角度，完毕后用电焊点焊固定，通过固定套管保持中心轴线的角度，然后转动旋转母线，紧贴开孔体的母线即可在设备器壁上画出开孔的轨迹线。图1：划规示意图2.2 开孔实例再生器顶封头共有16个烟气集合管，需要在顶封头椭球面上垂直开设16个直径为990mm的孔。经过方案对比，在椭球形表面上开孔，无论是建立数学模型还是采用计算机辅助放样，都有很大的难度，而采用简易划规法则简便实用，而且划规可重复使用，仅用两人3个小时就完成了16个接管的开孔划线工作，划线切割后接管安装一次成功，大大提高了施工效率。2.3 适用范围简易划规法直接

5、在开孔体上划线，首先不需要展开放样材料，适用于圆柱形或圆锥形等旋转体接管开孔，制作简单，操作方便，特别对于同一规格的接管数量很多时，划规可以重复使用，施工效率的提高非常明显。同时简易划规法对于开孔处设备器壁的几何形状没有限制，设备器壁可以是圆柱体、圆锥体、球面或其它几何体形状，应用范围很广。但由于受划规刚度和最小尺寸限制，适用开孔接管范围也有限制，一般应控制在Ø400Ø2000mm范围内。3.数学模型法3.1 原理在再生器设备圆柱形筒体上有很多圆柱形接管，这些接管的数量单一，尺寸各不相同，如果采用划规法就需要对于每一个接管开孔都要制作划规，工作量很大。而利用计算机程序建立数

6、学模型法则解决了这一难题。数学模型法是针对圆柱形设备和圆柱形接管垂直或倾斜相交这一类型的开孔建立统一的数学模型，并编译成VB程序，使用时只要在VB程序界面中输入每一个接管的参数，就可以快捷的打印出放样所需的数据。3.2 数学模型如图2所示，把接管n等分，只要计算出每一等分点对应的h值和弧长L值，并把这些点连起来，即可得到接管和设备的相交线。下面以图3为例建立数学模型。 图2 图3设备半径：R接管半径：r 接管与设备相交角度：当等分线顺时针转过角度时：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 利用编程语言将数学模型转化成VB程序VB程序界面和源程序（略）3.4 应用实例以再生器设备筒体上主装卸孔为例，在VB程序界面中依次输入设备半径、接管半径、放样等分数以及接管与设备夹角，然后执行“打印数据”命令即可打印出展开放样曲线等分点和对应弧长。按照上述计算结果，在开孔设备表面依次找出各点位置，再将这些点连接起来，就可获得开孔切割线。3.5 适用范围 建立数学模型法适用于圆柱形接管和圆柱形设备垂直或倾斜

8、同心相交时的设备开孔放样。4.AutoCAD(计算机辅助)作图放样法4.1 原理在AutoCAD运行时，一旦确定直线段的起始点和终止点，运行尺寸标注命令，程序将自动生成该线段的长度，这样就能省去繁杂的运算，根据这一特征，我们只要按照1:1比例绘图，通过适当的视图转换，找出相关线和能以直线表达的素线，运行自动标注命令，就可获得用于放样的线段长度。4.2 开孔实例再生器设备锥段外循环管入口管为类似斜天圆地方形的渐变接管，开孔处设备壁厚和接管厚度均为100mm，开孔尺寸为4.2×1.9m。该接管为非旋转体接管，不适用简易划规法，同时这种类型的接管建立数学模型也有很大的难度，宜利用AutoC

9、AD软件绘制立体模型进行放样。4.2.1按照设备锥段几何尺寸及接管几何尺寸分别绘制出立体模型如图4、图5所示，绘图比例为1：1。 图4：设备立体模型 图5：接管立体模型4.2.2在接管和设备立体模型上分别确定出接管中心线与设备器壁相交点的位置。4.2.3将接管的立体模型移动到设备立体模型上，相交点要重合。然后按照设计图纸要求调整接管和设备器壁在水平方向上的角度，如图6所示： 图6: 调整水平角度位置后的俯视图4.2.4按照设计图纸要求调整接管和设备器壁在竖直方向上的角度，如图7所示： 图7：调整立面位置角度后的主视图4.2.5利用软件的布尔运算功能将接管和设备的立体模型合并，即可得到接管与设备

10、器壁的相贯线，如图8所示： 图8：获得相贯线 4.2.6在设备器壁上画一条水平线作为基准线，然后将设备器壁在开孔处90°范围内32等分，并画出等分线如图9所示：图9：绘制等分线4.2.7将接管与设备器壁相交线以外的等分线全部剪切掉，然后利用软件的自动标注功能，标出各等分线端点与基准线的垂直距离，并转化成素线长度，如图10所示： 图10：尺寸标注后的图形4.2.8将放样得到的数据反馈到设备器壁上进行开孔。4.2.9考虑到开孔接管处设备器壁厚度的影响，可按设备的内壁和外壁绘制两个立体模型，分别与接管相交，得到两组数据，然后将两组数据分别反馈到设备内壁和外壁上，开孔切割时上部按照外部相贯线

11、切割，下部按照内部相贯线切割，参照内外相贯线进行坡口切割，最后安装接管。4.3 适用范围 计算机辅助放样法主要适用于非旋转体不规则形状的接管，设备器壁可以是圆柱体、圆锥体、球面或其它几何体形状，应用范围很广。5.结束语在大连石化公司350万吨/年催化裂化装置再生器设备施工中，利用上述3种开孔方法，使许多形状复杂、角度特殊的开孔接管问题迎刃而解，取得了良好效果。参考文献：1 瞿洪绪. 钣金展开计算法. 北京：机械工业出版社.20002 蒋德军. 宗子安. 曲面展开CAD系统的设计与研究.湖南工程学院报.2003年3期 37页39页 作者介绍：卫建良 男 1968年8月出生，籍贯：河南省孟津县，高级工程师，1990年7月毕业于大庆石油学院机械系机制专业，工学学士学位，现任中国石油天然气第一建设公司南海石化项目总工程师，主要承担丁二烯储罐和原料油罐区以及150米塔架式火炬三项EPC项目设计、技术、质量管理工作，先后参加了呼和浩特炼油厂、独山子乙烯、塔