PDMS三維建模中螺栓的設(shè)計(jì)選擇及匯料統(tǒng)計(jì)

郭靜

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

在智能油田的發(fā)展建設(shè)中，PDMS（Plant Design Management System）三維設(shè)計(jì)軟件越來(lái)越受到高度重視，并被廣泛應(yīng)用到油氣田地面工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。隨著PDMS在油氣田地面工程三維設(shè)計(jì)中的深度應(yīng)用，一些細(xì)節(jié)問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，并在一定程度上影響著設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。有資料表明[1-2]，螺栓在整個(gè)管道材料中的費(fèi)用占比大約為3%，實(shí)際工程中，雖然螺栓在項(xiàng)目投資中的比例不大，而一旦出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)直接影響管道及設(shè)備的連接和安全運(yùn)行[3]，甚至造成材料報(bào)廢和工程成本增加。因此，在PDMS 中螺栓選擇準(zhǔn)確、高效，實(shí)現(xiàn)螺栓的智能化選擇，已成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的課題。

1 螺栓數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

螺栓數(shù)據(jù)庫(kù)包括螺栓元件庫(kù)和螺栓等級(jí)庫(kù)。

1.1 螺栓元件庫(kù)與螺栓等級(jí)庫(kù)

螺栓元件庫(kù)建立的步驟及內(nèi)容如表1所示。

表1 螺栓元件庫(kù)的建立步驟及內(nèi)容Tab.1 Steps and contents of bolt component library establishment

螺栓等級(jí)必須使用Specon（Specon 是PDMS 下的其中一個(gè)模塊，主要用來(lái)導(dǎo)入、導(dǎo)出及修改已經(jīng)建立的等級(jí)）建立和修改，而螺栓的等級(jí)要根據(jù)管道等級(jí)確定，每個(gè)管道等級(jí)關(guān)聯(lián)一個(gè)螺栓等級(jí)，一個(gè)螺栓等級(jí)可以應(yīng)用于多個(gè)管道等級(jí)，設(shè)置正確的列標(biāo)題Heading 和名字Name 是建設(shè)螺栓等級(jí)庫(kù)的關(guān)鍵，并且Name 不能重復(fù)。例如一個(gè)螺栓等級(jí)的Heading 為BOLT */M12x:S12 12 STUD=0/STUDD=0=0/SH-STUD-M12，Name 就是/M12x:S12。按照PDMS軟件中的規(guī)定，螺栓等級(jí)中必須有對(duì)應(yīng)的附加件類型，即配套的螺母、墊片等，否則螺栓不開(kāi)料。

1.2 螺栓數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程中的注意事項(xiàng)

在實(shí)際項(xiàng)目中，常見(jiàn)的關(guān)于螺栓的問(wèn)題主要有：螺栓規(guī)格的表達(dá)形式，即采用公制單位或英制單位；螺栓類型的選擇，即單頭螺栓或雙頭螺栓；在特殊情況下螺母及墊圈等厚度的變化會(huì)直接導(dǎo)致螺栓長(zhǎng)度的變化，有學(xué)者研究過(guò)安全閥入口法蘭的螺栓長(zhǎng)度[4]就屬于這類問(wèn)題；另外，在PDMS 軟件的應(yīng)用過(guò)程中還可能出現(xiàn)一些別的問(wèn)題[5]。

針對(duì)以上問(wèn)題，要求建庫(kù)人員在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）管道等級(jí)要指向螺栓等級(jí)。

（2）螺栓等級(jí)中螺栓類型的缺省設(shè)置要正確。

（3）螺栓等級(jí)中的直徑要完整。

（4）法蘭元件的螺栓集和數(shù)據(jù)集設(shè)置要完整。

（5）螺栓點(diǎn)的屬性設(shè)置要正確。

2 PDMS中螺栓的設(shè)計(jì)選擇過(guò)程

在具體工程設(shè)計(jì)中，螺栓類型選擇、螺栓標(biāo)準(zhǔn)的確定和螺栓長(zhǎng)度的取值是PDMS中螺栓三維設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 螺栓類型的選擇

螺栓類型常見(jiàn)的主要是六角頭螺栓和全螺紋螺柱兩種。螺栓示意圖如圖1所示。

圖1 螺栓示意圖Fig.1 Diagram of the bolt

在PDMS中，螺栓類型定義如下：

Mach——單頭螺栓；Stud——雙頭螺栓；Bolt——不指定的類型，螺栓類型由等級(jí)中的缺省螺栓類型確定，其他螺栓類型的級(jí)別都高于Bolt類型。

一般情況下，需要指定缺省螺栓類型，主要有下面幾種情況：

（1）如果兩個(gè)法蘭元件的螺栓類型都是Bolt，螺栓類型選擇等級(jí)中的缺省類型。

（2）如果兩個(gè)法蘭元件的螺栓類型都是Stud，則選擇等級(jí)的類型是Stud的螺栓。

（3）如果兩個(gè)法蘭元件的螺栓類型一個(gè)是Bolt，一個(gè)是Stud，則選擇等級(jí)的類型是Stud 的螺栓。

（4）如果兩個(gè)法蘭元件的螺栓類型不一樣，并且都不是Bolt，則選擇第一個(gè)法蘭元件的螺栓類型。

2.2 螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算原則

在PDMS軟件中，螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算由遇到的以法蘭連接或者松套連接的元件開(kāi)始計(jì)算，到第二個(gè)以法蘭連接或者松套連接的元件結(jié)束計(jì)算，再加上附加長(zhǎng)度——螺母、墊片的厚度，計(jì)算出實(shí)際厚度之后進(jìn)行圓整，得到螺栓的長(zhǎng)度。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)中螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算原則

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)螺栓的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASME）、石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SH）和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HG）。

2.3.1 SH/T3406螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算原則

該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

法蘭連接的六角頭螺栓的長(zhǎng)度計(jì)算公式為

式中：LM為六角頭螺栓長(zhǎng)度，mm；Q為法蘭厚度，mm；ΔQ為法蘭厚度正偏差，mm；F為密封面高度或環(huán)槽面深度，mm；d為螺紋尺寸，mm；G為墊片厚度，環(huán)槽面法蘭連接時(shí)，G為兩法蘭間近似距離，mm；n為螺栓長(zhǎng)度負(fù)偏差，mm；c為螺栓倒角端長(zhǎng)度，mm；

法蘭連接的全螺紋螺柱的長(zhǎng)度計(jì)算公式為

式中：Ls為螺柱長(zhǎng)度，mm。

2.3.2 HG/T20613螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算原則

HG標(biāo)準(zhǔn)體系法蘭緊固件（PN系列）中六角頭螺栓僅適用于公稱壓力≤PN16的場(chǎng)合，在公稱壓力≥PN40 或高溫工況下，應(yīng)采用全螺紋螺柱。HG 標(biāo)準(zhǔn)體系沒(méi)有對(duì)螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算方法進(jìn)行介紹，而是以表格的形式給出了螺栓或螺柱的長(zhǎng)度作為參考。已有數(shù)據(jù)顯示[2]，HG體系標(biāo)準(zhǔn)推薦的螺栓長(zhǎng)度介于ASME標(biāo)準(zhǔn)體系與SH標(biāo)準(zhǔn)體系之間。

2.3.3 HG/T20634螺栓長(zhǎng)度的計(jì)算原則

HG標(biāo)準(zhǔn)體系法蘭緊固件（Class系列）也以表格的形式直接給出了螺栓或螺柱的長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)中給出的關(guān)于對(duì)環(huán)焊松套法蘭所配用的六角頭螺栓或螺柱的長(zhǎng)度，應(yīng)為相應(yīng)的突面法蘭用螺栓長(zhǎng)度減去2倍的突臺(tái)高度再加上2倍的對(duì)焊環(huán)厚度。

在工程實(shí)際中，螺栓長(zhǎng)度的選擇需要根據(jù)實(shí)際情況，在ASME B16.5 標(biāo)準(zhǔn)中推薦長(zhǎng)度[6-7]的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加一定的余量來(lái)滿足工程需要。

2.4 螺栓長(zhǎng)度的選擇過(guò)程

在PDMS軟件中，螺栓長(zhǎng)度是在相應(yīng)的模塊中計(jì)算出來(lái)的，若設(shè)置不當(dāng)將導(dǎo)致材料表中不能顯示螺栓長(zhǎng)度或是顯示長(zhǎng)度有誤。因此，在計(jì)算螺栓長(zhǎng)度時(shí)首先要明確螺栓的計(jì)算規(guī)則。在計(jì)算螺栓長(zhǎng)度時(shí)，需要將法蘭的厚度、墊片的厚度以及附加長(zhǎng)度進(jìn)行融合，并將三者設(shè)置為一個(gè)整體。圖2 是以“法蘭—墊片—法蘭”連接為例螺栓長(zhǎng)度的選擇過(guò)程。

圖2 螺栓長(zhǎng)度的選擇過(guò)程Fig.2 Selection of bolt length

3 螺栓材料統(tǒng)計(jì)

圖3 是法蘭的連接尺寸，螺栓孔的數(shù)量n即是螺栓匯料關(guān)鍵。以油田某項(xiàng)目為例，在螺栓出料前，通過(guò)對(duì)螺栓庫(kù)的一系列設(shè)置，應(yīng)用螺栓匯料工具，直接在設(shè)計(jì)界面一鍵生成螺栓料單（圖4），保證了螺栓匯料的精確性，同時(shí)使工作效率極大提高。

圖3 法蘭連接尺寸Fig.3 Flange connection size

圖4 螺栓材料統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意圖Fig.4 Schematic diagram of bolt material statistical results

4 結(jié)論

在應(yīng)用PDMS軟件進(jìn)行工程三維設(shè)計(jì)時(shí)，建立比較完善的螺栓庫(kù)并且正確設(shè)置相關(guān)要素，將會(huì)使螺栓的選擇與應(yīng)用更加精準(zhǔn)，便于螺栓材料的匯料統(tǒng)計(jì)，保證工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量及工程進(jìn)度，同時(shí)在材料管理方面減少不必要的浪費(fèi)。