沈延顺,李雅翔,高妍

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司,甘肃 兰州 730060)

针对聚丙烯装置而言,精制单元是整个装置的重要单元,原料丙烯的纯度影响聚合反应中催化剂的活性,降低产品的等规度,为了提高聚合反应活性,增加聚合反应催化剂使用寿命及减少生产成本,需要将原料中的杂质降低到一定含量,这就是精制单元在聚丙烯装置中起到的作用。精制单元通常采用分子筛吸附塔,其工作原理利用了分子筛具有表面吸附分子的作用,以及可根据分子的大小、极性而进行选择性吸附的特殊功能,达到脱除原料中杂质的目的,通过再生工况,可将分子筛循环利用。

CADWorx是由Intergraph公司研发,基于AutoCAD平台的一款完全兼容AutoCAD命令的三维工厂设计软件[1]。通过使用CADWorx进行精制单元的模型建立,由软件自动生成管道专业各种施工图图纸,不仅能让设计人员直观了解设计模型中的细节,而且节省大量的时间[2]。但在设计过程中CADWorx软件会出现一些局限性,本文阐述了CADWorx在聚丙烯装置精制单元配管中遇到的问题及相应的解决方法。

1 设备管口无法建立及设备管口尺寸底层文件修改

在新建设备管口时,有时会出现无法添加设备管口的问题,如图1。

图1 无法添加设备管口对话框

针对无法添加设备管口的问题,笔者通过软件在具体工程项目中的使用中发现,问题原因为CADWorx软件默认设置新建管口的尺寸大小为DN 100,因此若是被添加的父系实体的直径大小小于该管口尺寸,就会出现此错误提示。仅针对此问题的解决方法是:将被添加的父系实体的直径大小先做增大修改,然后增加相应的管口并修改管口尺寸后,再将父系实体的直径大小修改为真实的设备尺寸。

添加管口时,会发现因CADWorx软件的默认设置新建管口不仅是尺寸大小为DN100,并且管口壁厚、管口法兰型式、管口法兰压力等级的一系列选项有时候并不是想要的,都需要在模型建立的时候进行修改, CADWrox软件默认新建管口相关尺寸如表1及图2所示。

表1 CADWorx软件新建管口默认设置

但实际工程项目中某些管口壁厚、管口法兰型式、管口法兰等级在一个项目中是比较常用的,而其他选项并不常用;如在聚丙烯装置精制单元中,一般管口壁厚为STD,管口法兰型式为WNRF,管口法兰压力等级为CL300。针对此情况和本节第一段所提到的管口无法添加的问题,可以直接修改CADWorx软件的默认设计选项解决此类问题。CADWrox软件新增管口默认设置文件通过“.dat”文件的格式存放在:安装目录CADWorx2015EquipmentSystem文件夹中(本文以2015版CADWorx软件论述)。

在聚丙烯装置精制单元管道设计时,将新增管口默认设置修改为:DN50-STD-WNRF-CL300,如图3所示,当新项目常用设计发生变化时,可根据项目重新设置,从而提高设计速度。

图3 聚丙烯装置精制单元CADWorx软件新增管口默认设置

2 仪表建模及管道特殊件建模

管道专业在工程项目设计中,需要将管道上的仪表体现在模型中及最终的管道轴测图上也要体现仪表及其位号,针对此设计需要,显然CADWorx软件在此问题上没有很好的根据工程经验而充分考虑,CADWrox只能通过添加ISO标识来完成此工作,但此功能只能表示出管道端部仪表(如:温度计、压力表等),并且ISO标识为虚拟体,非实体仪表,不能体现模型的占位功能,如图4所示。

图4 ISO标识

使用ISO标识为虚拟体,不能检查仪表是否能够操作情况,聚丙烯装置精制单元中包含很多种仪表,在聚丙烯装置精制单元管道的设计过程中,管道专业在设计之前与仪表专业沟通后,通过仪表专业提供的仪表外形图提前在建立管道数据库时,通过建立自定义管道特殊件完成仪表实体的建模(自定义管道特殊件在CADWorx软件Plant 1模块的MISC下,具体格式如图5所示)。这样的方法不仅能够使仪表以实体的方式体现在模型中,而且此方法在ISO图中也能够很好的表达,如图6所示。

图5 自定义管道特殊件窗口

图6 聚丙烯装置精制单元中的仪表特殊件

在建立仪表特殊件时,管道专业首先可以根据仪表类型(例如:温度计、压力表、流量计等等)分成不同的自定义文件目录,如图7所示,其次,对于不同类型的仪表,可以根据使用情况建立不同尺寸仪表,如图8所示。

图7 聚丙烯装置精制单元中的仪表特殊件分类

图8 不同尺寸的涡街流量计

用自定义管道特殊件的方法建立仪表时,软件默认的连接方式是焊接方式,可以在建立完仪表元件后,在CADWorx Specification Editor软件中修改仪表元件的连接放置(例如:法兰形式、承插焊形式),连接方式的修改是在元件库中的CONNENDTYPE单元格中修改,具体对应的连接方式代码,如表2所示。

表2 CADWorx软件仪表特殊件连接方式

3 CADWorx软件的Tap connection及Offset Tap的使用

管道设计过程中,由于工艺专业或者仪表专业的要求,会遇到不同的连接方式,在聚丙烯装置精制单元中就会遇到工艺专业要求火炬线(BDL线)需要45°斜插至火炬总管,当主管与支管管径相近时有斜三通元件,当支管为DN15至DN40时有斜接支管座,但是除这些范围外,支管就无法与主管真实连接,这样管道不连续,ISO图就无法出图。另外在聚丙烯装置精制单元中,仪表专业的压力变送器经常需要管道在末端采用盲法兰,现场使用开孔连接引压管的型式连接压力变送器,但CADWorx的盲法兰是单连接元件,无法实现仪表上述操作,这样ISO图也会无法出图。在软件使用过程中,通过CADWorx软件Plant 1模式自带的Tap connection连接方式完成各种各样的特殊性连接,保证软件ISO图的成功出图,更好的实现设计到施工的无缝连接,如图9及图10所示。

图9 盲法兰通过Tap connection连接增加压力变送器

图10 火炬线(BDL线)通过Tap connection连接完成斜45°管道连接设计

CADWorx软件在管道元件库的局限性,所以无法在建立管道元件库与管道等级库中建立管道加强板,但在聚丙烯装置精制单元中经常会有管道加强板的使用,通过CADWorx软件Plant 1模式自带的Offset Tap连接方式使用完成管道加强板的设计。

4 聚丙烯装置精制单元工艺密闭取样器及分析仪表设计

在聚丙烯装置精制单元中,工艺专业会设计各种工艺密闭取样器及分析仪表来保证工艺性能,但工艺密闭取样器及分析仪表通常是取样箱或分析柜型式存在,一方面工艺密闭取样器及分析仪表体积较大,另一方面工艺密闭取样器及分析仪表并不是直接连接在管道中间或者管道末端,而本文第二节“仪表建模及管道特殊件建模”所述方法——建立管道特殊件形式已经不能满足设计要求,因此,为完成工艺专业及仪表专业一方面更好的体现工艺密闭取样器及分析仪表的实体占位要求,另一方面满足管道专业ISO图出图要求,对于工艺密闭取样器及分析仪表,在CADWorx软件管道建模设计中,管道专业会将它们通过设备型式(设备位号采用工艺密闭取样器及分析仪表的位号)来建立。

不同的是,工艺密闭取样器通过支管从主管中连接至取样器的入口,取样器的出口通过BDL支管连接至火炬总管;而分析仪表的操作特殊性(需要仪表采用Tube管取样),只需要在分析主管的支管上加入本文第二节“仪表建模及管道特殊件建模”所述方法——建立管道特殊件形式作为仪表符号占位,而BDL线从分析仪表柜附件直接引出,引出端也放置管道特殊件,最后汇入BDL总管,而两个管道特殊件至分析仪表柜之间的管路属于仪表设计方位,如图11所示。

图11 工艺密闭取样器及其管路设计

5 仪表控制阀门可修改长度,不用完全建库

工艺专业向管道专业与仪表专业提出条件几乎是同一时间段,这样管道专业在设计的过程中,会出现仪表阀门(控制阀、两位切断阀等等)不能提前收到仪表专业的返回文件,因此没有仪表阀门的相关尺寸,这种问题在聚丙烯装置精制单元中更加明显,由于聚丙烯装置精制单元工艺的特殊性,在一段正常工况后会出现高温再生的情况,同一管道中会出现走高温氮气或常温丙烯、乙烯、丁烯甚至是氢气的工况,这样这些阀门不仅需要能够承受高低温的交变环境,更需要防止泄露等要求,这样阀门的可选厂家更加稀少,所以阀门能够提前拿到外形尺寸的情况更少。

在聚丙烯装置精制单元采用CADWorx软件建模设计期间,巧妙的通过软件将此问题解决,先在管道等级建立的时候,建立control阀门(可以不用在乎具体阀门的长度等尺寸),然后设计建模期间,再用固定的阀门长度建立仪表阀门,等到仪表专业返回阀门尺寸后,再将仪表阀门删除,增加control阀门,会发现control阀门增加时,会出现输入长度等尺寸的选项,如图12所示,再将仪表专业返回的阀门具体尺寸相应的填写,完成二次设计,既保证了不用在建立管道材料等级库时浪费大量的时间,又能保证所有阀门的尺寸完全正确。

图12 Control阀门建立时提示输入长度

6 CADWorx软件各种支吊架的符号使用

管道专业设计中会使用到各种型式的支吊架,根据支吊架使用的不同,其大致的性质分为导向支吊架、固定支吊架、滑动支吊架、弹簧支吊架等。CADWorx软件也将这些不同性质的支吊架对应的管道轴测图符号采用了不同的型式加以区分,用以满足设计的需要。修改支吊架性质的操作如下:单击支吊架元件,在跳出的“元件属性编辑”对话框中,单击“ISOGEN”按钮,然后在跳出的“ISOGEN 数据”对话框中,将“SEKY”的属性改为需要的值,支吊架的管道轴测图符号就更改为需要的符号。具体支吊架性质及对应的SKEY值见表3所示。

表3 支吊架性质与管道轴测图符号SKEY值对应表

7 CADWorx软件支吊架模型建立的两种方式

CADWorx软件的管道支吊架的设计有两种方式:ISO图逻辑支吊架和实体三维支吊架。

ISO图逻辑支吊架的设计通过Plant II标题栏中的“约束”单元完成,如图13所示。ISO图逻辑支吊架的设计,需要在管道的中心找到确切的位置增加,这样就需要绘制各种辅助线, ISO图逻辑支吊架的符号不能像管道元件绘制一样的移动位置,需要找到确切点新增或者采用CAD的move命令移动。并且对于管道任何的修改,ISO图逻辑支吊架都不能相应的自行变动,因此当管道设计变动后,ISO图逻辑支吊架完全需要重新设计。

图13 Plant II标题栏中的“约束”单元

实体三维支吊架能够随着管道的变动相应的变动,并且能够类似其他管道元件一样的进行修改、移动等操作,很好的满足设计需求。但由于CADWorx软件自身的局限性,实体三维支吊架的数量较少,并且只是一些支吊架元件,没有型钢类支吊架,这些支吊架元件不能完成支吊架组合,这些问题与实际工程项目设计并不相符。

结合三维实体支吊架的优点,在聚丙烯装置精制单元的管道设计中,仅建立了U型管卡三维实体支吊架,用三维实体支吊架方便设计的优点,完成支吊架的定位,在设计时将U型管卡三维实体支吊架的“详细描述”改为想要的支吊架名称,如图14所示。用这种方法既能快速完成设计,又能正常出材料报表和管道轴测图。

图14 U型管卡三维实体支吊架与详细描述

8 特殊管道号的命名(即VZ代号的使用)

根据化工行业标准《自控专业设计管理规定(HG/T 20636)》中的第三篇《自控专业与管道专业的设计分工(HG/T 20636.3)》的规定,仪表与管道专业之间的分界的要求,连接面的垫片、紧固件(螺栓、螺母)等属于管道设计范围,对于管道上的仪表,此分支连接面的所有管件都属于此管道的管道号,但是根据此标准要求,设备上连接的仪表,例如温度计使用的垫片及紧固件,压力仪表使用的根部阀门、垫片及紧固件的管道元件,若没有管段号,CADWorx软件将无法出图,因此,与工艺专业讨论后,在工艺专业的首页图中特别做了设备附属件的管段号命名规则:

管道尺寸-VZ-设备位号 设备管口号-管道等级-保温代号

通过此命名规则的增加,使上述的问题完全得以解决,一方面给与这些与设备连接的仪表的所有连接元件一个管段号,使CADWorx软件可以完成管道轴测图图出图,这些管道轴测图作为现场施工依据,另一方面也能保证CADWorx软件导出的管道综合材料表中将上述情况中的所有管道材料得以统计,不会导致现场施工缺少材料的情况。

9 CADWorx软件三维模型的导出

CADWorx软件作为管道专业工程模型设计软件,所有的模型都为可编辑版本,这些模型文件包含了大量的各个专业的设计信息,例如设备的直径、壁厚、材料等属性,管道的管段号、管道大小、组成管道的各类元件属性等各个专业的设计内部信息,有了这些设计内部信息后,专业设计人员可以反推或反算一些重要的工艺、管道、设备,甚至仪表等其他专业的重要数据。另外为保证CADWorx软件设计文件的管理,CADWorx的各个模型是通过各个文件进行储存的,所以对于一个工程模型,CADWorx软件的可编辑版文件是有几十个文件组成,对于业主或者施工方,这些文件太过复杂。但随着工程项目数字化的进展,一般业主和施工方,都需要三维模型文件,一方面有利于数字化文件的交付,另一方面可以帮助业主对工厂的管理,并且三维模型能帮助施工方更好的施工,因此CADWorx软件内置了三维模型的导出,导出的文件需要Intergraph公司的CADWorx Review软件打开浏览,但此CADWorx Review软件在设计行业中不太流通,在业主和施工方几乎是没人使用。

因为CADWorx软件是基于AutoCAD平台的一款完全兼容AutoCAD命令的三维工厂设计软件,Autodesk公司给AutoCAD软件提供了导出三维模型的功能,但此功能需要安装Autodesk Navisworks Export插件(插件可在Autodesk公司的官网上免费下载,前提是购买了AutoCAD软件)。安装完Autodesk Navisworks Export插件后的CADWorx软件,在命令行中输入NWCOUT后,就可以将需要导出三维模型的文件导出“.nwc”格式的三维模型文件,此三维模型文件可以用Autodesk公司的Navisworks软件打开,并且在软件的“数状结构”栏中可以清晰看见工程项目的组成;选择模型中任意的元件,在“特性”一栏中能够看到相应元件的各个属性。

将设计文件导出三维模型文件,一方面由于导出的三维模型文件的不可编辑的特性,能够充分保护设计方的设计内容泄露;另一方面导出后的三维模型文件,能够帮助业主和施工方充分了解整个工程项目,用于指导后续的项目施工及运行。

10 特殊管口的使用

无法在父系元件上建立管口时,CADWorx软件为设计人员设立了“特殊管口”,位置在Plant I标题栏中“其他”单元的左下角处。特殊管口的使用,如图15所示,描述栏中填写管口号,再填写设备名称,并尺寸和连接方式等属性,就能建立特殊的管口。

图15 特殊管口及其属性工具

在聚丙烯装置精制单元的管道设计,与其他设计单位的交接或各装置之间的连接点,都需要反映在图纸中,在实际操作中,将交接点全部使用了“特殊管口”的形式处理(此处描述栏填写交接点号,设备名称处填写交接装置名称),这样管道轴测图中就能清晰反映管道后续的去处,如图16所示。

图16 装置交接点处特殊管口的应用

11 结语

在使用CADWorx软件进行管道专业三维模型设计的过程中,会遇到各种设计、软件使用等问题,本文论述了几种在聚丙烯装置精制单元管道设计中的问题及解决或优化方法,这些方法可以沿用到CADWorx软件在各个领域中的管道设计过程中。只有认真识别和分析这些问题,灵活运用各种解决方法,才能处理好各式各样的错误报告,生成正确的管道轴测图和综合材料表[3]。