水利工程Bentley OpenPlant軟件等級(jí)庫(kù)定制

鄒凱寧，陳 堃

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230088）

BIM（建筑信息模型）是工程設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的最前沿領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)BIM軟件處于發(fā)展起步階段，目前市場(chǎng)上用的較多的有國(guó)外的Bentley、Revit、CATIA等。以Bentley軟件為例，該軟件是工程建設(shè)行業(yè)應(yīng)用較多三維設(shè)計(jì)軟件，旗下Openlant Modeler是一款基于ISO 15926標(biāo)準(zhǔn)的管道三維工廠設(shè)計(jì)和建模軟件，與其他軟件比功能更多效率更高［5］。OpenPlant軟件提供等級(jí)庫(kù)模型數(shù)據(jù)構(gòu)架，使用Access工具可對(duì)工作空間的等級(jí)庫(kù)文件進(jìn)行直接編輯，與其他國(guó)外商業(yè)軟件一樣，軟件自身提供的等級(jí)模型數(shù)據(jù)不符合我國(guó)的國(guó)情和規(guī)范要求，盡而影響全生命周期應(yīng)用。使用國(guó)外軟件首先要實(shí)現(xiàn)本地化，建立起標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體系，才能不斷提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。本文以常見(jiàn)的水利工程大型泵站為例，從國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系出發(fā)，充分結(jié)合設(shè)計(jì)需求，探索定制符合國(guó)標(biāo)規(guī)范的企業(yè)等級(jí)庫(kù)。

國(guó)內(nèi)外管道組成的公稱壓力基本可以分為兩個(gè)系列，即美洲系列和歐洲系列。美洲體系是世界上通用的、系統(tǒng)性強(qiáng)的完整標(biāo)準(zhǔn)，歐洲系列在前蘇聯(lián)及東歐影響較大。國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織考慮現(xiàn)狀，制定了相應(yīng)折中的標(biāo)準(zhǔn)，以期與這兩個(gè)體系都能配伍。

國(guó)內(nèi)壓力管道及其元件有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、化工（HG）、石油（SH）、機(jī)械（JB）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)受兩大標(biāo)準(zhǔn)體系的影響較大，目前國(guó)內(nèi)許多標(biāo)準(zhǔn)還處于新舊交替階段。近些年國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布的一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）規(guī)范與國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)體系較貼近，石油化工行業(yè)全過(guò)程安全完整性基本框架已經(jīng)建立，因此相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較符合企業(yè)自身等級(jí)庫(kù)的定制要求。

1 公稱壓力

1.1 公稱壓力

管道系統(tǒng)等級(jí)庫(kù)定制首先要確定壓力等級(jí)。最新的管件元件編制GB／T 1048-2005《管道元件—PN（公稱壓力）的定義和選用》采用 ISO／CD 7268；1996，對(duì)于德標(biāo)和美標(biāo)class體系納入統(tǒng)一的公稱壓力PN定義和選用，同時(shí)明確PN與管道系統(tǒng)元件的力學(xué)性能相關(guān)、用于參考的字母和數(shù)字組合的標(biāo)識(shí)，公稱壓力詳見(jiàn)表1。

表1 管道元件公稱壓力系列

1.2 影響因素

除了標(biāo)準(zhǔn)體系外，影響公稱壓力的其他因素還有管道材料、操作介質(zhì)、介質(zhì)溫度及管系附加力等。水利工程管道系統(tǒng)介質(zhì)通常在常溫下工作，最高溫度油系統(tǒng)不超過(guò)100℃，在此溫度范圍內(nèi)的材料許用應(yīng)力影響很小，如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)材料許用壓力的影響

某大型泵站管道系統(tǒng)站內(nèi)設(shè)置多套輔助系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)壓力、公稱壓力、管道直徑見(jiàn)表2。

表2 某大型泵站管道系統(tǒng)

2 管子等級(jí)庫(kù)

管子等級(jí)庫(kù)需要完善管子材質(zhì)、工藝、外徑、壁厚等關(guān)鍵信息。使用Access軟件對(duì)OpenPlant工作空間下Specs Databases文件夾內(nèi)的mbd文件相關(guān)信息。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

管道現(xiàn)存小外徑系列和大外徑系列公制管。大外徑、小外徑是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)體系影響的結(jié)果，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME 10M、ASME 19M、國(guó)際ISO均采用大外徑的尺寸。定制等級(jí)庫(kù)采用的國(guó)家質(zhì)檢總局與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB），采用大外徑系列，采用的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)鋼管標(biāo)準(zhǔn)體系配伍

2.2 材質(zhì)與工藝

工程上以常用的碳素鋼、合金鋼為主，比如Q235。高合金材料雖然具有良好的綜合性能，但價(jià)格較高。管道常用的材質(zhì)信息見(jiàn)表4。

表4 常用鋼材及使用溫度

有縫管一般用于輸水、煤氣、壓縮空氣等低壓流體，能夠承受的最大使用壓力在1.6MPa以內(nèi)。無(wú)縫管可以承受超高壓，其壁厚也會(huì)隨之增加當(dāng)然價(jià)格也要高些，對(duì)于使用的高壓管道系統(tǒng)采用無(wú)縫鋼管。工程上對(duì)于使用壓力可以選擇有縫鋼管。

2.3 壁厚

2.3.1 計(jì)算方法

（1）根據(jù) SH／T 3059-2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》提供的方法確定壁厚

式中，S0—直管的計(jì)算壁厚，mm；P—設(shè)計(jì)壓力，MPa；D0—直管外徑，mm；［σ］t—設(shè)計(jì)溫度下直管拆料的許用應(yīng)力，MPa；φ—焊縫系數(shù)，對(duì)無(wú)縫管，φ＝1。

選用的直管的壁厚為

式中，S—包括附加裕量在內(nèi)的直管壁厚力，mm；C—直管壁厚的附加裕量，mm；Y—溫度修正系數(shù)。

（2）根據(jù)美標(biāo)計(jì)算壁厚式中，Sch—管子標(biāo)號(hào)，經(jīng)過(guò)圓整的數(shù)值；P—設(shè)計(jì)壓力，MPa；［σ］t—設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

表5 美標(biāo)ASME鋼壁厚標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 表示方法

管道壁厚的表示方法有3種，分別以管子表號(hào)（如Sch）、管子重量（如STD）、鋼管壁厚值表示，詳見(jiàn)表5。新的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)石油化工鋼管尺寸系列SH／T 3405-2013《石油化工鋼管尺寸系列》使用Sch，等級(jí)庫(kù)信息上采用“Sch+壁厚值”形式來(lái)表示公稱壁厚，錄入的部分信息如圖2所示。

2.4 連接形式

壓力管道常用的連接方式有焊接連接、法蘭連接、螺紋連接、熱熔連接等。焊接連接是金屬壓力管道過(guò)程中應(yīng)用最廣泛最可靠的連接方式。因此定制本地等級(jí)庫(kù)連接方式以焊接為主，低于DN50采用螺紋連接。

3 法蘭等級(jí)庫(kù)

3.1 法蘭體系

目前國(guó)際上有兩大通用鋼制法蘭體系，見(jiàn)表6，一是以EN 1092為代表的歐洲管法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系、二是以ANSI／ASME為代表的美洲管法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系。這兩大系列的法蘭在材料、尺寸、壓力—溫度等級(jí)等各方面都有明顯差異，在實(shí)際應(yīng)用中不能互換使用。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）法蘭體系包含美洲體系，歐洲體系兩個(gè)體系，因而適應(yīng)性較好。

表6 法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系

3.2 法蘭形式

按照法蘭與管子連接形式分螺紋法蘭、平焊法蘭、對(duì)焊法蘭、承插焊法蘭、松套法蘭。其中平焊法蘭、對(duì)焊法蘭較為方便。平焊法蘭又分為板式平焊鋼制法蘭、帶頸平焊法蘭，板式平焊鋼制法蘭宜用在1.0MPa以下低壓管道。帶頸平焊法蘭公稱壓力可以由低到高，范圍較廣，不適用溫度循環(huán)的管道。對(duì)焊法蘭則承載條件更好，適合壓力溫度波動(dòng)大、高壓、低溫管道。定制的等級(jí)庫(kù)依照板式平焊鋼制法蘭。

3.3 密封形式

凸面密封面（RF）使用最廣的，為美式法蘭、歐式法蘭；凹凸面（MF）密封面用在歐式法蘭PN40以上。榫槽面（TG）密封面，使用在高溫、高壓或者兩者均高的條件。等級(jí)庫(kù)內(nèi)法蘭密封面采用凸面密封面（RF），錄入的部分信息如圖3所示。

3.4 螺栓、螺母、墊片

等級(jí)庫(kù)選用的螺栓、螺母、墊片的材質(zhì)、使用范圍見(jiàn)表7，法蘭錄入的信息如圖3所示。

圖2 管子等級(jí)庫(kù)錄入部分信息

表7 材質(zhì)規(guī)格信息

4 管件等級(jí)庫(kù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

等級(jí)庫(kù)采用的鋼制管件標(biāo)準(zhǔn)體系配伍見(jiàn)表8。

表8 管件應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系配伍

4.2 連接形式

對(duì)焊管件通常用于管徑≥DN50mm，對(duì)焊管件包括彎頭、三通、異徑管、管帽等，有連接可靠、施工方便、價(jià)格便宜、沒(méi)有泄露的特點(diǎn)。

承插焊管件通常用于≤DN40以上，管壁較薄的管子和管件，有連接可靠、施工方便、價(jià)格便宜、沒(méi)有泄露的特點(diǎn)。承插焊是插口與承口之間的連接，使用時(shí)考慮搭配組合及所需空間

螺紋管件多應(yīng)用于DN40以下，管壁較薄的管子和管件，常用于不宜焊接或需要可拆卸的場(chǎng)合，與焊接比，接頭強(qiáng)度低，密封性差。有連接可靠、施工方便、價(jià)格便宜、沒(méi)有泄露的特點(diǎn)。

等級(jí)庫(kù)依照設(shè)計(jì)常用通用做法DN50以上的管道多采用對(duì)焊連接管件，小于DN50采用螺紋連接。

4.3 管件類型

主要的管件類別和規(guī)格見(jiàn)表9。

5 其他元件

泵站管道系統(tǒng)還包括閥門、伸縮節(jié)、儀表儀器等，詳細(xì)見(jiàn)表10，等級(jí)庫(kù)的后期建模應(yīng)用如圖4所示。

表9 閥門等其他規(guī)格信息

表10 管件類型及規(guī)格

圖4 大型泵站管道系統(tǒng)建模圖

6 結(jié)論

（1）當(dāng)今國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)與美國(guó)、歐盟、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系接軌，OpenPlant軟件本地化等級(jí)庫(kù)定制應(yīng)重視規(guī)范體系建設(shè)，參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際各大標(biāo)準(zhǔn)體系的關(guān)系。

（2）等級(jí)庫(kù)定制過(guò)程應(yīng)與實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)合，等級(jí)庫(kù)應(yīng)充分反映管道選型原則、管道工藝、計(jì)算方法等，方便設(shè)計(jì)人員后續(xù)使用。

（3）國(guó)內(nèi)石油化工等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)企業(yè)管道等級(jí)庫(kù)的定制具有重要的借鑒意義。

隨著工程領(lǐng)域的發(fā)展，越來(lái)越多企業(yè)會(huì)走出自身行業(yè)跨領(lǐng)域發(fā)展，并走出國(guó)門參與世界工程。標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)跨行、走出國(guó)門的企業(yè)發(fā)展影響十分重大。BIM技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景，國(guó)外設(shè)計(jì)軟件的本地化定制過(guò)程要充分考慮這一問(wèn)題，不斷探索嘗試，吸收其他先進(jìn)的成果，才能促進(jìn)BIM技術(shù)在多領(lǐng)域的進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。

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