電站配管設計中的旋轉角度分析及計算

段勤學

（河南華電金源管道有限公司，鄭州　451162）

電站配管設計中的旋轉角度分析及計算

段勤學

（河南華電金源管道有限公司，鄭州451162）

旋轉角度對電站管道工廠化預制及工地組裝施工至關重要，但是如何找到正確的旋轉角度一直是個難點。通過分析不同結構形式管道中隱藏的旋轉角度，對此問題進行詳細說明，得出管段上的旋轉角度即是管段旋轉前后所在平面間的二面角、管段間的旋轉角度即是管段間的二面角的結論，并給出三角函數計算和CAD輔助計算2種具體數值計算方法，且CAD輔助計算方法更簡單準確。

電站配管設計；管段；旋轉角度；二面角；計算方法

0　引言

在電站配管管道工廠化預制過程中，通過旋轉角度可以計算出管段與管段、管段與管座、支吊架卡塊等附件之間在圓周上的距離［1］，從而按照該距離進行畫線、組對，以保證附件之間的相對位置正確。另外，在電站配管工地管道安裝過程中［2］，利用旋轉角度可準確地找到兩兩相接的管段在空間中的位置，并旋轉到位使其相接，從而達到節省管道安裝時間的目的。所以，電站配管設計中的旋轉角度對管道工廠化預制及工地組裝施工至關重要［3］。

通常，當管段以及管段之間有旋轉時，圖紙中只是給出整體管道的投影尺寸，并無管段之間的旋轉角度，要想得到正確的旋轉角度，只能在配管設計時通過分析計算得到，但是通過三維投影尺寸計算得出的角度不止一個，很難找到正確的。本文通過實例分析不同結構形式、不同走向的管段中隱藏的旋轉角度，得出了找到正確旋轉角度的方法，同時也給出了計算其具體數值的方法。

1　旋轉角度分析

以下將舉例分析幾種不同結構形式、不同走向的管段中的旋轉角度，以便清晰地說明旋轉角度，得到找出正確旋轉角度的方法。

1.1管段上有旋轉角度

管段結構形式［4-5］：管件（彎頭、三通、或者單彎管）+直管+管座，因彎頭、三通、單彎管有類似性，本文僅舉例說明彎頭+直管+管座這種結構形式的旋轉角度，管段詳細結構及走向示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看到，管段在空間并未完全沿坐標軸方向走，而是在空間有旋轉、與坐標軸有夾角。另外，包括彎頭自身角度在內共有4個角度，分別是圖中α（58.5°）、β（37°）、γ（40.4°）和彎頭的自身角度45°。找出正確的旋轉角度，分析如下。

1.1.1管段的旋轉角度

首先分析管段的旋轉角度，然后再分析管段上管座的旋轉角度。為了便于分析，采用立體幾何的方法先進行標記。將#1焊口端標記為A點，將彎頭彎曲處切線的交點標記為B點，將#2焊口端標記為C點，將#3焊口端標記為D點，將#1焊口端A點在yOz平面內的投影標記為G點（如圖1所示）；可以將管段看成線，那么，A，B，D三點連線就構成了A01管段，同時A，B點連線和B，C，D點連線相交又形成了一個平面，將該平面稱作ABD平面，A01管段就在該平面內；同理，GB點連線和B，C，D點連線相交也形成了一個平面，將該平面稱作GBD平面，實際上就是yOz平面。

當A01管段被吊起、放置在空中開始安裝時，為了安裝方便，選擇先固定好#3焊口端，將A01管段放置豎直，然后再旋轉#1焊口端，將#1焊口端從G點旋轉到A點，完成安裝。安裝過程中產生了旋轉角度。旋轉前，A01管段是在GBD平面內；當#1焊口端從G點旋轉到A點時，A01管段是在ABD平面內，GBD平面和ABD平面并不是一個平面，所以，旋轉時，并非單純是#1焊口端從G點旋轉到A點，而是A01管段也從GBD平面內旋轉到了ABD平面內。所以，要找的旋轉角度不是簡單的線與線的夾角37°，而是GBD平面和ABD平面所成的二面角。

知道了旋轉角度是二面角后，找到旋轉角度及計算出數值就變得相對簡單。把管子看成線，并作出管子在空間投影所組成的立方體，然后，就不難看出，當A01管段從GBD平面內旋轉到ABD平面內時，實際上是繞B，C，D點連線旋轉的，所以B，C，D連線就是GBD平面和ABD平面的公共邊，B，C，D點連線又和立方體的一條邊是同一條線，所以B，C，D點連線垂直于立方體的側面，A點和G點向B，C，D點連線作的垂線就在立方體的側面內，α就是要找的二面角（如圖1所示）。然后再通過三角形函數計算出α數值，α=arctan（489/300）=58.5°。

圖1　管段詳細結構及走向示意

1.1.2管段上管座的旋轉角度

從圖1中可以看到，A01管段上有個管座，當A01管段在空間旋轉時，管座也會旋轉，為了保證A01旋轉到位后，管座也能旋轉到位，就需要在工廠預制階段提前將管座向反方向進行旋轉。有旋轉就有旋轉角度，下面對其進行分析。

圖1中，管座所在的位置是安裝后的位置，旋轉前、當A01管段放豎直時，管座所在的位置未標出，但能確定該管座還是在A01管段上，這點不會變。管子是圓的，管座只能沿圓周徑向旋轉，而圓周徑向又是隨管子軸向旋轉的。因此，A01管段軸向旋轉了多少度，圓周徑向就旋轉了多少度，圓周徑向旋轉了多少度，管座就旋轉了多少度，所以，找到了A01管段軸向旋轉角度就找到了管座旋轉角度。如圖1所示，A01管段是在B，C，D點連線上，但實際上并不是這樣，畫圖時只是用單線圖代表了管子，實際上該線正是管子的軸線，因此，B，C，D點連線就是A01管段的軸線，而B，C，D點連線又是GBD平面和ABD平面的公共邊，GBD平面旋轉至ABD平面時是繞著公共邊旋轉的，旋轉了58.5°，所以，公共邊即B，C，D點連線也旋轉了58.5°，那么，管座也就旋轉了58.5°，即A01管段軸向旋轉角度。

找到了管座的旋轉角度，就能在工廠預制階段通過旋轉角度計算出弧長，從而進行畫線并找到管座的準確位置，以便組裝。管段上卡塊的旋轉角度分析方法跟管座旋轉角度分析方法相同，在這，將不做分析。

1.2管段間有旋轉角度

上面只分析了管段上的旋轉角度，在實際中還會遇到管段之間有旋轉角度的情況，下面舉例說明。

管段結構形式：管段A01，管件（彎頭、三通、或者單彎管）+直管；管段A02，管件（彎頭、三通、或者單彎管）+直管，因彎頭、三通、單彎管有類似性，本文僅舉例說明彎頭+直管與彎頭+直管間旋轉角度，管段詳細結構及走向示意圖如圖2所示。

從圖2中可以看到，管段在空間并未完全沿坐標軸方向走，而是在空間有旋轉、與坐標軸有夾角，A01管段和A02管段都不在水平面內，A01管段和A02管段在組裝時會產生旋轉角度，分析如下。

為了便于分析，同樣采用立體幾何的方法進行標記。將#1焊口端標記為A點，將編號為2的彎頭彎曲處切線的交點標記為B點，將#2焊口端標記為C點，將#3焊口端標記為D點，將編號為3的彎頭彎曲處切線的交點標記為E點，將#4焊口端標記為F點，將#5焊口端標記為G點。將管段看成線，A，B，D三點連線構成了A01管段，D，E，G三點連線構成了A02管段，同時A，B點連線和B，C，D點連線相交又形成了一個平面，將該平面稱作ABD平面，A01管段就在該平面內。同理，D，E點連線和E，F，G點連線相交也形成了一個平面，將該平面稱作DEG平面，A02管段就在該平面內。

標記完后，按照1.1.1節的方法分析，就可以得出ABD平面和DEG平面所成的二面角就是我們要找的旋轉角度。

知道了旋轉角度是二面角之后，當按照1.1.1節的方法做出二面角并計算其數值時，會發現并不那么簡單，要構造輔助線，找出二面角所在的三角形，并要一步一步地算直線長度，最后算出三角形三邊長，再根據邊長及余玄定理，算出二面角數值，很麻煩還易算錯，因此，就要找一個簡單的方法來做出二面角并得出其數值，下面就將介紹一種CAD輔助計算二面角的方法。

圖2　管段詳細結構及走向示意

2　旋轉角度計算

CAD輔助計算管段間的旋轉角度的方法步驟如下。

（1）在CAD里新建一個三維視圖（西南等軸測圖），并1∶1放樣做出A01，A02管段組裝后的整體樣式，如圖3中的1，2，3所示。

（2）用CAD里的構造線工具，做出公共邊的延長線，由兩端向公共邊做垂線，如圖3中的4，5，6所示。

（3）將一端的垂線平移至另一端，使兩條垂線相交，做出二面角，如圖3中的6，7所示。

（4）在“工具”里選擇“新建”，選擇“三點”，并依此點擊二面角的三個端點，建立一個新的坐標系，坐標系建完后，用CAD里的角度標注工具，直接標出二面角，如圖3所示。

這樣，采用CAD輔助計算的方法就得出了A01管段和A02管段之間的旋轉角度為89.008°，然后再從A向看過去，用示意圖標示出A01和A02管段之間的相對位置（如圖3所示）。

圖3　二面角標注

至此，A01和A02管段之間的旋轉角度計算、標注完畢，組裝時就可以根據此旋轉角度計算出弧長，從而進行畫線并旋轉到位使其相接，達到事半功倍的效果。

3　結論

（1）管段上的旋轉角度就是管段旋轉前后所在平面間的二面角；管段間的旋轉角度就是管段間的二面角；（2）計算旋轉角度的方法有2種，一種是通過立體幾何作圖及三角函數進行計算，另一種是通過CAD輔助計算，CAD輔助計算方法要比三角函數計算方法簡單。

［1］電廠動力管道設計規范：GB50764—2012［S］.

［2］電力建設施工及驗收技術規范（管道篇）：DL5031—1994［S］.

［3］電站配管：DL/T850—2004［S］.

［4］火力發電廠焊接技術規程：DL/T869—2012［S］.

［5］吳忠仁.影響壓力管道安裝焊接質量的原因及其控制措施探究［J］.廣東科技，2011（14）：183-184.

（本文責編：齊琳）

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1674-1951（2016）09-0030-03

2016-05-09；

2016-08-17

段勤學（1983—），男，河南洛陽人，工程師，從事熱電廠四大管道及鍋爐管道配管設計方面的工作（E-mail：dqx20021016@126.com）。