袁慧(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

在大中型化工、石化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用三維制圖軟件進(jìn)行配管設(shè)計(jì)可以徹底改變以往二維平面配管設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)圖紙不夠直觀、準(zhǔn)確率低、效率低的問(wèn)題，通過(guò)建立一個(gè)包含建筑物或框架、設(shè)備、管道、儀表電氣橋架的三維模型，來(lái)立體、直觀的展現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，讓項(xiàng)目的管道設(shè)計(jì)人員更直接地看到設(shè)計(jì)效果，方便修改和調(diào)整，從而提高配管工作的準(zhǔn)確率和效率。同時(shí)，三維配管設(shè)計(jì)也能讓施工方更好地了解工程概況，從而加強(qiáng)進(jìn)度管理和施工管理，避免或減少材料浪費(fèi)和工程返工。本文以某精細(xì)化工項(xiàng)目酰氯裝置為例，詳細(xì)介紹了運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件(plant design system, PDS)進(jìn)行配管設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

1 PDS 簡(jiǎn)介

PDS 是美國(guó)Intergraph 公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款工廠三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，也是目前我公司應(yīng)用的兩款三維設(shè)計(jì)軟件之一，在很多精細(xì)化工和石化項(xiàng)目上取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。PDS 是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形學(xué)結(jié)合在一起的復(fù)雜軟件系統(tǒng)，它通過(guò)Bentley 公司開(kāi)發(fā)的Microstation 圖形平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形操縱，通過(guò)RIS 數(shù)據(jù)庫(kù)傳送設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到MSSQL 進(jìn)行管理、儲(chǔ)存。PDS 結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示[1]。使用該款三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)人員可以自行定義管道等級(jí)表和元件庫(kù)，并且在三維環(huán)境下進(jìn)行配管設(shè)計(jì)，所有的管道布置圖、管道軸測(cè)圖和管道材料表都可以自動(dòng)生成。

圖1 PDS結(jié)構(gòu)圖

2 PDS 在酰氯裝置配管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 建模前準(zhǔn)備

PDS 建模前的準(zhǔn)備工作分為兩個(gè)部分：一部分與傳統(tǒng)二維平面配管相同，即收集設(shè)計(jì)資料并根據(jù)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行設(shè)備布置和初步的配管研究；另一部分是在PDS 中建立設(shè)計(jì)項(xiàng)目以及與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。酰氯裝置內(nèi)各類(lèi)設(shè)備繁多、管線復(fù)雜，正式三維建模之前首先要仔細(xì)研究管道及儀表流程圖、管道命名表、管道等級(jí)規(guī)定、設(shè)備裝配圖、項(xiàng)目總平面布置圖等設(shè)計(jì)資料和相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，然后進(jìn)行設(shè)備布置和初步的配管研究，酰氯裝置EL±0.000 平面設(shè)備布置圖如圖2 所示。酰氯裝置為敞開(kāi)式框架結(jié)構(gòu)，分為6 層，包含原料混合、酰氯合成、趕光和尾氣處理幾個(gè)部分。整個(gè)酰氯裝置被東西方向的人行通道分為南北兩個(gè)部分，通道上方布置管廊。裝置東側(cè)布置混合系統(tǒng)和調(diào)溫水系統(tǒng)，中間五跨南半部分布置五套酰氯合成系統(tǒng)，因光氣屬極度危害介質(zhì)，酰氯合成系統(tǒng)設(shè)置在封閉房間內(nèi)，以減少光氣泄漏產(chǎn)生的人員傷害。裝置中間五跨北半部分布置五套趕光系統(tǒng)和活性炭處理區(qū)。尾氣處理部分布置在裝置的西側(cè)。酰氯裝置框架內(nèi)要布置近百臺(tái)各類(lèi)設(shè)備和700 多根管線，利用三維配管的模式可以更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備與管道的精確定位、碰撞檢查與合理布局。

在PDS 中建立設(shè)計(jì)項(xiàng)目及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。這部分工作通常是由PDS 系統(tǒng)管理員和數(shù)據(jù)庫(kù)管理員來(lái)完成。PDS 系統(tǒng)管理員通常具有豐富的PDS 相關(guān)知識(shí)和管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也非常熟悉管道、工藝系統(tǒng)、設(shè)備等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，可以為一個(gè)三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目的正常、平穩(wěn)運(yùn)行保駕護(hù)航。數(shù)據(jù)庫(kù)管理員一般由有管道材料專(zhuān)業(yè)相關(guān)背景的設(shè)計(jì)人員擔(dān)任，他們的工作是建立一個(gè)正確的參考數(shù)據(jù)庫(kù)。在上述準(zhǔn)備工作都完成之后就可以著手建立三維模型了。

2.2 建立三維模型

首先根據(jù)酰氯裝置設(shè)備布置圖和建筑圖在結(jié)構(gòu)模型中構(gòu)造出酰氯裝置的6 層敞開(kāi)式框架。構(gòu)造出的酰氯結(jié)構(gòu)模型包括軸網(wǎng)、梁、柱、地面、樓面、墻等的圖形和數(shù)據(jù)信息。之后是設(shè)備建模，主要是依據(jù)酰氯裝置設(shè)備布置圖和設(shè)備裝配圖紙、參考結(jié)構(gòu)模型中的軸網(wǎng)，將一臺(tái)臺(tái)設(shè)備按實(shí)際尺寸精確地畫(huà)出來(lái)并放在準(zhǔn)確的位置。除此之外，光化循環(huán)泵和過(guò)濾機(jī)等需要檢修的設(shè)備附近要畫(huà)出檢修的空間。酰氯裝置過(guò)濾工序的過(guò)濾機(jī)和過(guò)濾器需要定時(shí)更換濾袋或者是清理濾渣需要設(shè)置平臺(tái)方便工人操作，光化循環(huán)泵為立式泵也需要支撐在設(shè)備平臺(tái)上，這些平臺(tái)和爬梯也需要表示在設(shè)備模型中。堿吸收塔和混合釜、光化反應(yīng)釜、趕光釜等尺寸較大的設(shè)備和反應(yīng)換熱器等長(zhǎng)度較長(zhǎng)的設(shè)備需要預(yù)留吊裝孔和檢修孔，以方便設(shè)備安裝就位和未來(lái)檢修維護(hù)。這些吊裝孔和檢修孔的位置和大小在經(jīng)過(guò)詳細(xì)的吊裝方案討論之后才能確定并最終體現(xiàn)在三維模型中。

結(jié)構(gòu)建模和設(shè)備建模完成之后是管道建模，這是整個(gè)三維建模過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)也最為重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員需要參考已經(jīng)建好的結(jié)構(gòu)模型和設(shè)備模型進(jìn)行三維管道布置，最終構(gòu)建出完整的裝置三維設(shè)計(jì)模型。對(duì)于酰氯裝置的三維配管來(lái)說(shuō)，除了符合工藝原則和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、方便操作和施工、整潔美觀、布局合理這些通用的設(shè)計(jì)要求之外，還有一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)需要注意。酰氯裝置的主要生產(chǎn)原料脂肪酸有近十種，相應(yīng)的酰氯產(chǎn)品也有近十種，而酰氯生產(chǎn)線只有3 條，所以原料和產(chǎn)品與設(shè)備之間都是通過(guò)金屬軟管連接以方便操作人員可以根據(jù)訂單信息快速地切換不同的原料和相應(yīng)的產(chǎn)品管線，配管設(shè)計(jì)中要特別注意此處人員操作的需求。另外，酰氯合成工序有部分哈氏合金管道，這種管道價(jià)格昂貴需要在滿足工藝要求的情況下盡量減少管道長(zhǎng)度。3 條酰氯生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備全都是互為備用的，所以3 條生產(chǎn)線中的管道也是相互連接在一起的，連接點(diǎn)處有很多的閥門(mén)，這部分的配管也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。運(yùn)用三維管道建模可以很好地解決上述問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以邊配管邊瀏覽實(shí)時(shí)更新的三維模型，立體、直觀的感受有助于優(yōu)化這部分的設(shè)計(jì)。酰氯裝置三維模型如圖3 所示、酰氯原料管線模型如圖4 所示。

圖2 酰氯裝置EL±0.000平面設(shè)備布置圖

圖3 酰氯裝置三維模型

圖4 酰氯原料管線模型

2.3 三維模型審查

模型審查是三維配管設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的質(zhì)量把控環(huán)節(jié)。酰氯裝置配管設(shè)計(jì)的不同階段中穿插進(jìn)行了3 次模型審查—30%、60%、90%模型審查，審查會(huì)上，酰氯裝置校審人員、公司專(zhuān)家以及項(xiàng)目業(yè)主方技術(shù)負(fù)責(zé)人通過(guò)瀏覽模型配合設(shè)計(jì)人員的講解可以更快速、更直觀地了解整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)概況，針對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題也能提出更優(yōu)的解決方案。

2.4 生成設(shè)計(jì)成品文件

利用三維設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)生成管道軸測(cè)圖、管道平面布置圖等設(shè)計(jì)成品文件。其中，管道軸測(cè)圖可以直接從三維模型中抽取，而管道平面布置圖需要輸入相應(yīng)的坐標(biāo)范圍以后從模型中切出來(lái)，再運(yùn)用標(biāo)注軟件進(jìn)行標(biāo)注最終生成符合要求的圖紙。除此之外，很多設(shè)計(jì)中間過(guò)程的條件圖也可以從三維模型中方便的抽取出來(lái)，如：提給自控專(zhuān)業(yè)的儀表位置布置圖、提給建筑、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的樓面預(yù)留洞條件圖、墻面預(yù)留洞條件圖等，三維設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用也極大地提高了管道專(zhuān)業(yè)條件提資的效率和準(zhǔn)確率。

管道材料表、管口方位圖、管道保溫一覽表、管道涂漆一覽表等設(shè)計(jì)成品文件無(wú)法直接利用三維設(shè)計(jì)軟件生成，這時(shí)就需要對(duì)PDS 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行“二次開(kāi)發(fā)”。二次開(kāi)發(fā)是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上利用MDL 等高級(jí)編程語(yǔ)言制作出能滿足不同項(xiàng)目需求的、個(gè)性化的實(shí)用工具。我公司在三維設(shè)計(jì)軟件二次開(kāi)發(fā)方面也投入了大量的人力、物力，在這些實(shí)用工具的幫助下，可以針對(duì)項(xiàng)目業(yè)主方不同的需求，快速、準(zhǔn)確地生成各種設(shè)計(jì)成品文件。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)在各個(gè)大中型工程公司得到了大規(guī)模的運(yùn)用，越來(lái)越多的使用三維軟件設(shè)計(jì)的化工、石化項(xiàng)目成功的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)了。這些實(shí)例充分說(shuō)明，三維配管設(shè)計(jì)可以大幅提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率，同時(shí)也有利于進(jìn)度管理和成本控制，尤其是對(duì)于酰氯裝置這樣的精細(xì)化工項(xiàng)目，三維配管設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得更為明顯。