PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

＊陶耀光 賈惠敏 張惟睿 劉江海

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

放射性廢物是指放射性強(qiáng)度超過(guò)一定限定值的任何氣、液、固態(tài)廢料[1]。人類在利用放射性物質(zhì)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生放射性廢物，核工業(yè)生產(chǎn)和研究活動(dòng)中產(chǎn)生量最大。核廢物來(lái)源廣泛，但主要產(chǎn)生在核燃料循環(huán)過(guò)程中，乏燃料后處理過(guò)程為甚。核電站乏燃料后處理過(guò)程中產(chǎn)生的放射性廢物體積約為總放射性廢物源體積的3%，而放射性活度占全部放射性廢物放射性活度總和的95%左右[2]。為保證核廢物安全處置，通常要對(duì)放射性廢物進(jìn)行處理。放射性廢物處理工藝涉及化工常用單元操作，如蒸發(fā)、吸收、精餾、沉淀、過(guò)濾、焚燒、固化等。但由于核廢物兼具高放射性的特點(diǎn)，放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)要保證足夠厚度防輻射屏蔽，較高的抗震要求和冗余的設(shè)備配置，保證核廢物處理設(shè)施安全運(yùn)行。為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，核電工程領(lǐng)域較早開展三維設(shè)計(jì)。目前中國(guó)核電工程公司新建核電項(xiàng)目已全部使用PDMS進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)非常成熟。借鑒核電工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，放射性廢物處理工程領(lǐng)域也逐步引入三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.PDMS軟件簡(jiǎn)介

1977年英國(guó)AVEVA公司推出PDMS（Plant Design Management System）商用工廠三維設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)專業(yè)在工程設(shè)計(jì)中的交互設(shè)計(jì)，一直備受業(yè)界好評(píng)。PDMS主要模塊包含ADMINISTRATION（項(xiàng)目管理）、PARAGON（數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)）、DESIGN（三維設(shè)計(jì)）、DRAFT（平剖面切圖）、ISODRAFT（ISO圖抽圖）和REVIEW（廠房漫游）。PDMS核心架構(gòu)是數(shù)據(jù)庫(kù)，包含元件庫(kù)和等級(jí)庫(kù)，設(shè)計(jì)信息儲(chǔ)存在元件庫(kù)和等級(jí)庫(kù)中。PDMS三維建模的本質(zhì)就是引用和修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。PDMS依托數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，以數(shù)據(jù)為中心，確保各專業(yè)設(shè)計(jì)的三維模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中完全同步，達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)的目的。施工圖出圖階段PDMS自動(dòng)智能生成平（剖）面布置圖、ISO圖、材料表、各類支吊架一覽表等成品文件，智能化和自動(dòng)化程度高。PDMS工程設(shè)計(jì)縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，提供涵蓋多行業(yè)的工程設(shè)計(jì)一體化解決方案。

2.放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)難點(diǎn)

為使放射性廢物最小化，必須對(duì)放射性廢物進(jìn)行處理，尤其是已產(chǎn)生的放射性廢物。放射性廢物處理屬于核化工領(lǐng)域，除具有一般化工行業(yè)的特征外，還要解決放射性的安全問題。放射性廢物具有高放射性和強(qiáng)腐蝕性，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮強(qiáng)度、密封、耐腐蝕和耐輻照[3]要求。放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）布置空間小，難度大。因?yàn)榉派湫詮U物的高放射性（濃縮后高放廢液放射性達(dá)1013Bq/L），所以放射性廢物處理廠房墻體必須保證足夠的混凝土防輻射屏蔽厚度，因此廠房建造成本高。放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮核設(shè)施退役時(shí)二次放射性污染廢物問題，減少退役放射性廢物。建造成本和廢物最小化因素，要求放射性廢物廠房面積盡可能小。工廠運(yùn)行過(guò)程中高放射性區(qū)域內(nèi)設(shè)備維修不方便，為保證放射性廢物處理設(shè)施正常運(yùn)行，閥門、儀表和管道等設(shè)備設(shè)施要設(shè)置備份，設(shè)備和管道數(shù)量龐大。有限廠房面積內(nèi)布置大量設(shè)備和復(fù)雜管道，二維平面邏輯設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員業(yè)務(wù)水平要求高。

（2）非標(biāo)設(shè)備多，規(guī)范要求高。核化工行業(yè)區(qū)別于一般民用化工行業(yè)，首要保證安全。為此，核工業(yè)明確規(guī)范涉核工程中設(shè)備設(shè)施的安全分級(jí)、抗震分級(jí)和質(zhì)量保證等級(jí)[4]。放射性廢物處理設(shè)備，如蒸發(fā)器、吸收塔、精餾塔、混合澄清槽、過(guò)濾器、各類貯槽、空氣提升器、RFD泵、萃取柱等，都需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足核化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）設(shè)計(jì)校核復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)。核電站乏燃料后處理一般在硝酸溶液體系內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致放射性廢物腐蝕性強(qiáng)。工藝方面，在腐蝕性和放射性條件下設(shè)備、管道和閥門的材質(zhì)、等級(jí)、選型等要求較多。布置方面，管道頭尾、三通、閥門、儀表連接次序，設(shè)備管嘴、支吊耳、支腿的定位等都需要注意。工藝和布置校驗(yàn)項(xiàng)目多，二維設(shè)計(jì)人工校核耗時(shí)長(zhǎng)。

（4）各專業(yè)協(xié)同困難。放射性廢物處理要考慮輻射防護(hù)，還要考慮設(shè)備和管道中放射性物質(zhì)臨界風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中除涉及民用化工行業(yè)中工藝、力學(xué)、土建、結(jié)構(gòu)、暖通、儀控、電氣、給排水、氣體、消防等專業(yè)外，還需要臨界、輻射防護(hù)等專業(yè)配合。各專業(yè)的設(shè)計(jì)工具和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，二維設(shè)計(jì)各專業(yè)各司其職，不能實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)。

放射性廢物處理工程延用二維設(shè)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易產(chǎn)生紕漏，影響工程設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)進(jìn)度。

3.放射性廢物廠房設(shè)計(jì)中PDMS建模過(guò)程

PDMS初期主要面向管道配管設(shè)計(jì)，逐漸發(fā)展成為工廠設(shè)計(jì)平臺(tái)。利用PDMS進(jìn)行工廠設(shè)計(jì)，必須要統(tǒng)籌考慮整個(gè)工程，有總體設(shè)計(jì)思想。個(gè)人設(shè)計(jì)思想要服從總體設(shè)計(jì)思想，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，這是PDMS交互設(shè)計(jì)的精髓。放射性廢物廠房設(shè)計(jì)中，從三維模型到實(shí)體，從圖紙到施工，PDMS串聯(lián)整個(gè)項(xiàng)目所有專業(yè)。各專業(yè)要在總體設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，開展建模工作。

(1)廠房建模

總圖專業(yè)根據(jù)總圖設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合工程總體規(guī)劃、地形、水文、地質(zhì)、施工條件等完成總圖。結(jié)構(gòu)和建筑布置人員根據(jù)總圖條件和廠房平面布置圖，利用PDMS搭建軸線和建筑模型。合理布置軸線，確定廠房參考點(diǎn)，準(zhǔn)確定位廠房各房間位置和標(biāo)高。根據(jù)力學(xué)條件，結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)墻、梁、柱）建模，建筑專業(yè)進(jìn)行廠房建筑墻、門、窗等建模。

(2)設(shè)備建模

設(shè)備專業(yè)根據(jù)工藝專業(yè)提資條件，進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)。設(shè)備布置人員根據(jù)設(shè)備圖紙按1:1比例建模，并按設(shè)備平面布置圖進(jìn)行設(shè)備布置。布置時(shí)結(jié)合工藝專業(yè)提供的P&ID圖管道走向流程，詳細(xì)定位管嘴方位，確定設(shè)備定位。設(shè)備建模必須保證管嘴、支吊耳、支腿等設(shè)備定位點(diǎn)的尺寸、方位和設(shè)備圖紙一致。設(shè)備其他部位可模糊細(xì)節(jié)，但外形尺寸必須保持一致。

(3)管道建模

根據(jù)工藝專業(yè)繪制的P&ID圖紙和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)人員建立的管閥件數(shù)據(jù)庫(kù)（包含元件模型、材質(zhì)、等級(jí)等），管道布置人員進(jìn)行配管設(shè)計(jì)，完成管道及儀表的布置。管道布置是廠房設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)，配管時(shí)結(jié)合管道設(shè)計(jì)規(guī)格、走向以及廠房模型實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。建模時(shí)要遵循配管原則，先布置大管徑管線，再布置小管徑管線。壓力流管線避讓重力流管線，普通管線避讓動(dòng)力管線，檢修頻次低的管線避讓檢修頻次高的管線。高放射性房間管線進(jìn)入低放射性房間，管道穿墻點(diǎn)要做屏蔽防護(hù)措施。輸送放射性廢物的管道減少?gòu)濐^使用量，減少焊縫數(shù)量防泄漏，管道變向盡量采用彎管處理。配管實(shí)時(shí)檢查碰撞，配管坡向設(shè)置注意低點(diǎn)積液和高點(diǎn)排空問題。管道要滿足儀表的使用要求，儀表前后布置設(shè)計(jì)要求的直管段長(zhǎng)度，保證儀表運(yùn)行時(shí)測(cè)量精度。

(4)檢修平臺(tái)建模

設(shè)備和管道建模完成后，部分因高度和空間等原因造成不易檢修的設(shè)備、閥門、管道、儀表等，搭建檢修平臺(tái)模型。檢修平臺(tái)建模時(shí)注意考慮保溫厚度、設(shè)備支吊耳位置、管道支吊架、設(shè)備焊縫、儀表預(yù)留安裝位置等因素。

(5)橋架建模

電氣和儀控專業(yè)提供橋架平面布置圖，進(jìn)行橋架建模。橋架建模時(shí)按照各專業(yè)管道綜合意見，合理布置，避免與其他專業(yè)產(chǎn)生碰撞。多專業(yè)共架時(shí)協(xié)調(diào)溝通，順序建模，預(yù)留其他專業(yè)建?？臻g?？刂乒駭[放時(shí)注意其他設(shè)備和避免占用通道。

(6)暖通設(shè)備布置

暖通專業(yè)設(shè)備體積一般占用空間較大。風(fēng)管管徑一般較粗，布置時(shí)極易與其他專業(yè)設(shè)備和管道發(fā)生碰撞。風(fēng)管穿墻預(yù)留穿墻孔洞一般較粗，其他專業(yè)及時(shí)查看，避免本專業(yè)布置空間不足。暖通專業(yè)布置時(shí)，需搭建完整的設(shè)備和管道模型，便于其他專業(yè)檢查。發(fā)生碰撞及時(shí)溝通，協(xié)商修改布置設(shè)計(jì)。

(7)埋板、支吊架、穿墻點(diǎn)建模

根據(jù)埋板、支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范要求，數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)人員制定不同形式的埋板和支吊架模型，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。各專業(yè)根據(jù)不同需求，選擇調(diào)用合適的埋板和支吊架。合理布置支吊架，碰撞檢查更精確。

各專業(yè)完成建模后，通過(guò)碰撞檢查暴露設(shè)計(jì)中存在的問題，各專業(yè)協(xié)調(diào)解決，減少現(xiàn)場(chǎng)施工安裝問題，提高施工效率，避免誤工返工等。

4.PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)

PDMS以核心數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，直觀三維圖形作為輸出，最終表現(xiàn)成果為圖紙、各類報(bào)表等。PDMS實(shí)現(xiàn)三維模型直觀、立體的審核與檢查[5]。PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同交互設(shè)計(jì)

各專業(yè)二維設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在問題或調(diào)整需要整理設(shè)計(jì)資料傳遞給相關(guān)專業(yè)，溝通協(xié)調(diào)做出修改調(diào)整，甚至一個(gè)變更要多次相互提資，設(shè)計(jì)效率低下。利用PDMS設(shè)計(jì)過(guò)程中，各專業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工具統(tǒng)一、總體設(shè)計(jì)思想統(tǒng)一、設(shè)計(jì)模型信息統(tǒng)一，協(xié)同設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。各專業(yè)建立1:1比例三維模型保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)輸出設(shè)備直觀呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)二維邏輯設(shè)計(jì)到三維實(shí)體模型的轉(zhuǎn)變[6]。各專業(yè)設(shè)計(jì)者可隨時(shí)查看其它專業(yè)的模型，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的問題實(shí)時(shí)溝通，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中還可以配合Navisworks軟件，支持項(xiàng)目所有相關(guān)方審閱三維設(shè)計(jì)模型，提高設(shè)計(jì)施工的一致性、協(xié)調(diào)性，提升效率，減少設(shè)計(jì)變更。

(2)校核方便

PDMS大大節(jié)省了二維平面設(shè)計(jì)校核工作量和校核時(shí)間。設(shè)備和管道連接信息校核，配合其他工藝設(shè)計(jì)軟件如Diagrams、EB等，自動(dòng)校核三維布置連接是否正確，設(shè)備管嘴、管道頭尾、三通、閥門、儀表等連接順序是否和P&ID一致。除連接信息校核，PDMS同時(shí)可實(shí)現(xiàn)材料校核、等級(jí)校核，尤其放射性廢物輸送管線安全分級(jí)較多，管線材質(zhì)、分級(jí)是否合規(guī)。PDMS項(xiàng)目管理校核中，儀表、閥門、法蘭、墊片、螺栓、保溫等可以和工藝材料清單對(duì)比，查漏補(bǔ)缺，減少多重采購(gòu)的損失。針對(duì)放射性廢物廠房面積小、設(shè)備多、管道復(fù)雜等引起各專業(yè)管道之間、管道和建筑、設(shè)備和建筑等產(chǎn)生的碰撞，可實(shí)時(shí)校核調(diào)整。

(3)智能生成設(shè)計(jì)成品文件

各專業(yè)完成設(shè)計(jì)建模，且審核通過(guò)后，可智能生成設(shè)計(jì)成品文件。廠房各層平面布置圖、剖面圖、局部剖面圖、設(shè)備結(jié)構(gòu)詳圖等可根據(jù)需要在Draft模塊自由切圖，產(chǎn)生三維模型的二維投影平面圖。PDMS內(nèi)置的ISO Draft模塊可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽取單線圖。除此之外，PDMS還自動(dòng)標(biāo)注尺寸以及設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)等其他元件的標(biāo)簽，并自動(dòng)產(chǎn)生的各類報(bào)表。

5.PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中的不足

PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中帶來(lái)諸多便利，但也存在一些不足。PDMS從國(guó)外引進(jìn)，貼合國(guó)外工程公司設(shè)計(jì)思維，引入國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)模塊有些“水土不服”。這就需要國(guó)內(nèi)工程公司投入相應(yīng)人力，制定設(shè)計(jì)流程規(guī)范，軟件二次開發(fā)，體現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。PDMS應(yīng)用于放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)，存在以下不足。

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)工作量大

由于放射性廢物處理廠房的特殊性，所以PDMS自身的數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)不足以支撐放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)工作。放射性廢物處理涉及的設(shè)備和管閥件等，PDMS數(shù)據(jù)庫(kù)不能即取即用，需要數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)人員定期更新數(shù)據(jù)庫(kù)滿足設(shè)計(jì)的多元化需求。PDMS開放的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境模式，可以很方便地建立和修改數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。但是基于放射性廢物處理設(shè)施非標(biāo)設(shè)備和閥門多，材料材質(zhì)和等級(jí)要求高，利用PDMS進(jìn)行放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)，需要專業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，根據(jù)工程需求制定滿足放射性廢物處理廠房的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)。前期數(shù)據(jù)庫(kù)新建數(shù)據(jù)工作量大，包括所有的非標(biāo)元件庫(kù)和特殊設(shè)備元件的數(shù)據(jù)建立。項(xiàng)目初期需要投入較多的人力資源對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)。

(2)施工圖出圖不完備

PDMS施工圖出圖時(shí)，由于放射性廢物處理廠房?jī)?nèi)部各類元素較多，三維模型的平面投影切平（剖）圖布置圖時(shí)，圖面設(shè)備和管線重疊、標(biāo)注不清。抽取ISO圖時(shí)，長(zhǎng)管線和復(fù)雜管線的單線圖支吊架、穿墻點(diǎn)、標(biāo)注混雜、錯(cuò)位，甚至較長(zhǎng)復(fù)雜管線抽ISO圖時(shí)自動(dòng)分段不均，沒有平均切割一根管線，各張圖紙上局部單線圖有長(zhǎng)有短。自動(dòng)生成的各類報(bào)表內(nèi)容不夠齊全，不滿足工程需求。這些錯(cuò)誤需要人工校對(duì)、修改，保證施工出圖的正確率。出圖之前數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)人員根據(jù)出圖規(guī)范需求進(jìn)行二次設(shè)置，可減少或避免此類問題。

軟件二次開發(fā)投入不足時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)感覺利用PDMS進(jìn)行設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著利用PDMS設(shè)計(jì)放射性廢物處理設(shè)施項(xiàng)目累積，積累的元件數(shù)量越多，就可以很方便新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)或復(fù)制一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，后期維護(hù)成本大大降低。從三維設(shè)計(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，需要公司上層積極推動(dòng)，體現(xiàn)PDMS平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

6.結(jié)語(yǔ)

三維設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)咨詢行業(yè)廣泛應(yīng)用和核電工程三維設(shè)計(jì)的前車之鑒，放射性廢物處理領(lǐng)域采用三維設(shè)計(jì)也是趨勢(shì)化選擇。PDMS作為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的代表，其開放性的數(shù)據(jù)庫(kù)模式特性，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)交互設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)、直觀呈現(xiàn)、自動(dòng)生成設(shè)計(jì)成品文件的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足放射性廢物處理廠房的設(shè)計(jì)需求。針對(duì)PDMS在放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)，進(jìn)行軟件二次開發(fā)以及數(shù)據(jù)庫(kù)更新維護(hù)工作，即可彌補(bǔ)PDMS的短板。PDMS在放射性廢物處理工程中應(yīng)用范圍越廣，更多設(shè)計(jì)人員在使用中參與優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化程度，才能充分發(fā)揮PDMS的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，更好服務(wù)放射性廢物處理廠房設(shè)計(jì)工作。