淺談展開放樣在導管架防沉板中的應用

陳松貴,陳陽,李繼奎,谷德虎,張治金,楊國偉

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

導管架是固定于海底的鋼質桁架結構,它主要由大量厚度不一的管材焊接組成,由于導管架為海洋平臺等上部結構物的主要承力結構,因此組成導管架的管材通常由不同厚度的鋼板按照設計圖紙卷制成不同管徑后進行縱縫焊接及接長而成。其主管通常稱為導管,可以為三根呈正三角形均勻布設,也可以為四根、六根、八根成矩形布設,具體根據平臺上部模塊尺寸大小、重量及服役水域水深而定,以四腿和八腿形式較為常見。導管架是由豎向立柱和橫向、斜向連接管材焊接成的空間桁架結構,橫向和斜向的管材分別叫水平拉筋和斜拉筋,在導管架中主要起傳遞負荷及加強強度的作用。而防沉板的主要作用是保證導管架底部的穩定性,增加導管架與海洋底部表面的接觸面積,以防止導管架在安裝時發生不均勻沉降或傾斜度過大,一般布置在導管架底部。所以防沉板是導管架中非常重要的構件,但是它需要一定的支撐管來進行固定,支撐管的放樣展開無疑是防沉板工作的首道工序,它在生產建造過程中起著非常重要的作用。其中正確繪制支撐管展開圖,不僅可以保證支撐管零件的質量,同時也可以降低材料消耗、提高勞動效率,因此熟練地掌握防沉板支撐管展開放樣的方法是鉚工必須具備的基本技能[1-3]。

1 導管架防沉板支撐管放樣的定義

防沉板支撐管的放樣就是將施工圖樣上立體構件兩端與其他管材相交的相貫線展開成1∶1的平面圖形,然后將展開的平面圖形圍在支撐管兩端,將切割線畫在施工材料上,依據樣板劃出支撐拉筋與相交拉筋的相貫線,然后依據相貫線切割出所需的口型,通常稱為馬鞍口。防沉板支撐管示意圖參見圖1。

圖1 防沉板支撐管示意圖

2 導管架防沉板支撐管放樣的分類

放樣展開有多種方法,但在實際施工過程中,防沉板支撐管放樣的分類按照放樣方法來劃分常用的方法分為兩種,一種為作圖法,一種為計算法。

2.1 作圖法對支撐管的放樣

以下圖結構形式為例,對支撐管作圖法放樣進行分析和說明,導管架防沉板支撐管結構示意圖見圖2。

令D1=450 mm;D2=360 mm;D3=200 mm;D4=580 mm;D5=760 mm;D6=120 mm;D7=180 mm;D8=380 mm;D9=740 mm;D10=740 mm;D11=380 mm;D12=180 mm;D13=740 mm;D14=360 mm;D15=450 mm;D16=140 mm;D17=160 mm;D18=360 mm;D19=580 mm。圖2 導管架防沉板支撐管結構示意圖

作圖法放樣總體步驟如下:

(1)分析支撐管:由于A管和B管都是空間位置,所以視圖中支撐管C不是它的真實形狀,需要求出它的真實形狀。要想求出真實形狀需要的尺寸有節點長度,上下口與AB管段的真實夾角、上下口的扭轉角、上下口的偏心值及錯心值。

(2)求所需尺寸及角度:要想用作圖法求支撐管的實形,需要用換面法,換面法就是空間幾何元素的位置保持不動,用新的投影面來代替舊的投影面,使新投影面的相對位置變成有利解題的位置,然后找出其在新投影面上的投影。而此圖需要進行多次換面才可以求出實形。

(3)具體作圖步驟:

① 先將主視圖和俯視圖畫出來,畫圖時可以將管段想象成一條線,求出所有尺寸之后再將管徑添加上去。

② 以AB線為基準進行第一次換面,做AB線的平行線,投影軸為X1。相對應的新投影到新投影軸的距離等于被代替的投影到原投影軸的距離。即求出AB線的實長。

③ 做AB線的垂線進行第二次換面,投影軸為X2。作圖方法和第一次換面一樣,此處不再贅述。經過第二次換面可以求出EF和AB的偏心值。

④ 做EF線的平行線進行第三次換面,投影軸為X3。將AB線放倒同時求出EF線的實長。又因為AB線和EF線同為實長,所以它兩個的夾角為真實夾角。同時還求出了EF相對AB的錯心值。

⑤ 做EF線的垂線進行第四次換面,投影軸為X4。將EF線立起來求出支撐管上下口的扭轉角。

⑥ 在第二次換面所得到的圖形中,做CD線的平行線進行第五次換面,投影軸為X5。所求出的視圖中CD線為實長。

⑦ 做CD線的垂線進行第六次換面,投影軸為X6。經過第六次換面可以求出EF和CD的偏心值。

⑧ 做CD線的平行線進行第七次換面,投影軸為X7。將CD線放倒同時求出EF線的實長。又因為CD線和EF線同為實長,所以它兩個的夾角為真實夾角。同時還求出了CD相對AB的錯心值。

通過以上步驟,可以將所需的長度、角度等數據一一展現出來,導管架防沉板支撐管作圖法展開示意圖見圖3。

圖3 導管架防沉板支撐管作圖法展開示意圖

2.2 計算法對支撐管的放樣

本文講的計算法采用的是向量法,在幾何上向量用有向線段來表示,有向線段長度表示向量的大小,有向線段的方向表示向量的方向,導管架防沉板支撐管計算法示意圖見圖4。仍然以圖2中導管架防沉板支撐管結構形式為例,采用計算法進行放樣,具體步驟如下:

圖4 導管架防沉板支撐管計算法示意圖

1)根據尺寸建立坐標系并寫出各點坐標:

寫出各點的坐標:A(450;580;760)B(0;740;0)C(180;0;200)D(740;380;0)E(360;600;580)F(380;160;120)。

求出各線段的向量AB(-450;160;-760)CD(560;380;-200)EF(20;-440;-460)。

2)計算所需尺寸:

AB與EF的真實夾角:

(1)

AB與EF的真實夾角:

(2)

EF的節點長度:

(3)

求AB與EF和CD與EF的法向量:

法向量的求法有好幾種,“十字交叉法”就是把兩個向量的第一列數分別挪到兩個數列最后的數,然后交叉相乘,再相減。

AB與EF的法向量為:

(4)

CD與EF的法向量為:

=(-262 800;253 600;-254 000)=(-2 628;2 536;-2 540)

(5)

EF上下口的扭轉角:

(6)

扭轉弧長:

L=(114×π/360)×89.64=89.177

(7)

求AB與EF和CD與EF的偏心值Z:

AB和EF的偏心值:

BE(360;-140;580)

(8)

CD和EF的偏心值:

CF(200;160;-80)

(9)

求AB與EF和CD與EF的錯心值S:

AB和EF的錯心值,要先求出AB與ā的法向量:

=(-1 377 040;3 977 400;1 652 700)

(10)

sin61.79°=-23.59

(11)

CD和EF的錯心值,要先求出CD與ē的法向量:

2 628);(-2 628×380-560×2 536)] =(458 000;-1 948 000;

-2 418 800)

(12)

(13)

3 根據放樣結果展開繪圖

通過兩種方法均可得到繪制支撐管端部口型樣板所需的具體數據,根據數據便可快速得完成樣板圖的繪制,主要步驟如下:

1)根據上面作圖法或計算法求出的桿件參數,畫出1:1的放樣圖。

2)求出相貫線,相貫線應考慮皮厚,按照內皮去求相貫線。

3)畫C管兩個端頭的展開圖,展開圖總長度應按照外皮展開,導管架防沉板支撐管展開圖見圖5。

圖5 導管架防沉板支撐管展開圖

4)判斷扭轉方向,以管材的任一端180點位置判斷另一端在180點位置。

5)根據扭轉弧長和扭轉方向將樣板合印。

導管架防沉板支撐管展開樣板圖見圖6。

圖6 導管架防沉板支撐管展開樣板圖

4 總結

管材的展開放樣是導管架下料的基礎,也是十分重要的工序。作圖法和計算法展開放樣相比較的話,作圖法步驟相對來說操作不夠方便,但較為直觀,過程中有錯誤能夠及時發現,而計算法相對來說速度更快,但需要較高的計算基礎,而且其中一步出現錯誤就會導致整個結果出錯。總的來說作圖法和計算法相比各有優缺點,但隨著現代電子計算機的普遍使用,計算法可以更加容易與程序和軟件相結合,變成計算機語言,使放樣過程中復雜的、多位數的計算工作能夠快速準確的完成。