ZWPD三維管道設計軟件在三元前驅體工程設計中的應用

伍學敏

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，長沙 410001）

0 引言

三元前驅體是鎳鈷錳氫氧化物，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料的三元復合正極材料。共沉淀法是制備三元材料前驅體的重要方式，通過將鎳鹽、鈷鹽、錳鹽配置成可溶性的混合溶液，然后與氨、堿混合，通過控制反應條件形成氫氧化物。

三元前驅體車間是一個有著成百上千條管道組成的濕法車間，設計三元前驅體車間是一項綜合性非常強的工作，其中管道設計是在設備工藝配置已完成的基礎上進行，其設計要求考慮設備、土建等相關因素，工作量和難度大，而利用三維管道設計軟件能有效地降低設計難度，既能滿足管道安裝規范，同時還能有效避免管道碰撞、管道材料量統計有誤等現象的發生，對指導工程設計及施工有著重要意義[1-2]。

1 軟件應用步驟

利用ZWPD軟件進行三維管道設計是在設備布置及土建結構已完成的基礎上進行的，在進行三維管道設計之前，工藝流程及管道走向、管徑等參數均應初定。其工作流程如下：

1）建立數據庫。軟件自帶例子工程項目庫，可以基于此項目庫生成新項目庫，然后再對新項目庫進行相應的編輯修改。主要對相關管道、管件的標準代號進行替換。此庫是管道設計過程中會用到的元件數據信息庫，包括三通、四通接頭和彎頭及管道、閥門等其他元件[3]。根據工藝流程及管道走向、管徑等參數設計管道管號表，其中管號表信息包含物料代號、物料序號、物料名稱、管線起點、管線終點等重點信息。根據軟件中的管號表清單，建議使用Excel編寫之后再導入至軟件。

2）建立圖形庫。同數據庫一樣，軟件自帶一些常規設備（如槽子、泵等）的模型數據，并可根據廠家樣本進行定制化尺寸參數修改。三元材料項目中大量應用到離心機、氣動隔膜泵、冷凝水回收裝置、盤式干燥機等圖形庫中沒有的設備，為了應對此類情況，可利用建立圖形庫的方式，根據設備樣本建立設備模型。此外，因為ZWPD是基于AutoCAD定制軟件，可引入AutoCAD中的參考文件命令，這樣便能將設備的CAD三維模型導入至三維管道設計文件中。

3）布置構筑物及設備。根據已完成的土建圖及工藝圖插入柱、梁、樓板和鋼平臺等構筑物及工藝設備。此步驟需注意設備管口標高、大小等重要連接參數。

4）布置管道及檢查。選擇管道標號及等級，軟件根據管道的位置自動增加法蘭、墊片等管件，然后再人工插入閥門等。在完成一根管道設計時，需要對其進行管道連續性檢查，并及時修改。在完成所有管道設計后，可用碰撞檢查命令，找到管道碰撞點并修改。

5）管道設計出圖。在完成三維管道設計之后，可通過抽取“中間文件”對三維管道模型完成管道設計出圖，根據需求可以生成管道軸測圖、平面圖及單管圖，同時還能生成管材管件的材料明細表，方便施工采購，大幅提高出圖效率和準確率。

2 應用實例

三元前驅體車間是將萃取后的硫酸鎳溶液、硫酸鈷溶液、硫酸錳溶液經反應、過濾、干燥等工序后生成三元前驅體正極材料。該車間管道共有將近800根，數量龐大，管徑類別多，且需要預留空間給諸多氣動調節閥、流量計等儀表，各種規格管道的配管比較復雜。利用ZWPD三維管道設計軟件設計能有效解決工作強度大、管線走向不清晰、二維圖交流閱讀不暢的問題。

2.1 數據庫建立

先依據例子工程中拷貝項目并生成新項目，并添加等級庫中相應管子管件、閥件、墊片、特殊件、螺栓螺母和壁厚等級表等標準。三元前驅體工藝對Fe元素含量有著特別嚴格的要求，故車間內主管道均為PPH塑料管。在開始三維管道設計之前，應先建立PPH管材管件數據庫，其數據庫來源參照GB/T 18742中之規定。

2.2 圖形庫建立

ZWPD軟件內置多種標準模型供選擇，其中包含設備、建筑及管架模型。在三元前驅體車間中有幾種特殊設備是沒有的，這就需要設計者自行繪制模型。洗滌壓濾機和盤式干燥機均是三元前驅體車間的重要設備，不合格產品經漿洗后通過氣動隔膜泵打入洗滌壓濾機中，經洗滌壓濾后與合格產品一起進入盤式干燥機進行干燥脫水生成產品。根據廠家提供的設備尺寸，采用ZWPD軟件中自帶的三維繪圖命令繪制出設備模型，如圖1所示。同時通過保存至數據庫再導出命令，可生成后綴名為*.GraDb的數據庫文件，通過此文件的交互，可實現一次繪制終身共享使用的功能，如圖2所示。

圖1 設備模型繪制

圖2 圖形庫建立

除此之外，當遇到設備或其他模型相對復雜時，使用三維繪圖命令無法快速建立模型，可通過已有的三維模型轉化為CAD的三維模型圖樣，再通過ZWPD模型中的外部參照方式導入圖樣中。

2.3 構筑物繪制

三元前驅體車間為三層鋼框架+門式剛架結構廠房，一層主要設備為儲液槽、泵及板式換熱器，二層主要設備為精密過濾器和離心機等，三層主要為反應釜等設備。鋼結構梁柱主要使用H型鋼HM390、HW400和焊接H型鋼H500、H600。綜合車間工藝布置圖及土建結構圖建模如圖3所示。

圖3 車間工藝布置及土建結構軸側圖

2.4 實例

鑒于車間管道量非常大，合理分布管架層就顯得尤為重要。此車間一樓管層共分為3層，其標高分別為3.2、3.4、3.6 m。根據工藝要求，16臺三元配液輸送泵需要打液至8臺硫酸鎳鈷錳溶液精密過濾器。泵出口標高為0.725 m，公稱直徑為DN50，精密過濾器進口標高為2.3 m，公稱直徑為DN80，根據泵與精濾器的對應關系，2臺泵出口DN50匯合成DN80后再接入精濾器的入口，如圖4所示。利用ZWPD閥門插入功能，在泵出口及精濾器進口處均設置閘閥，以方便檢修維護。

圖4 泵與精濾器連接圖

位于三樓的反應釜是該車間最重要的設備之一，根據工藝要求，24臺反應釜需要自流進液至16臺陳化槽。反應釜合格液出口標高為10.925 m，公稱直徑為DN50；不合格液出口標高為8.625 m，公稱直徑為DN50；陳化槽進液標高為3.15 m，公稱直徑為DN100。反應釜6臺為一組對應陳化槽4臺一組。每2臺釜的合格液匯合進入一個陳化槽，而6臺釜的不合格液匯合之后進入一個陳化槽，如圖5所示。此對應關系比較復雜，對應的管道是該車間管道圖中最復雜的一環。為了應對該段管道的復雜情況，首先將反應釜和陳化槽之外的設備隱藏，并給反應釜和陳化槽標上序號。該段管道是由4個相似區塊組成，下面選取其中1個區塊詳細介紹設計過程。

圖5 反應釜與陳化槽對應關系

反應釜出液的管道位于三樓，需要穿樓板至一樓，故該管道應先匯合至墻邊。待管道匯合至墻邊后直下至一樓，并沿著二樓樓板下面的管架至陳化槽上方。將管路走向規劃好之后，通過ZWPD軟件內的CAD功能繪制輔助線。在繪制管道時，利用ZWPD軟件中的.x、.y、.z命令使某管段的終點坐標分別與輔助線的x坐標、y坐標、z坐標相同。由于該管段采用自流方式，在布管狀態設置時可進行坡度設置。繪制完畢一個區塊后，剩余的3個相似區塊可依據此法畫出。這樣可以使相同功能的管道布管相似，布局合理，易于識別，整體美觀，如圖6所示。

圖6 反應釜與陳化槽管道連接圖

2.5 出圖歸檔

實際施工中，由于管道高度集成，施工方為了更加快速地理解管道走向，往往需要采用平面圖與單管圖相結合的方式。在ZWPD中通過抽取中間文件，能夠輕松獲取平面圖和單管圖，同時還能準確獲取管道材料表，如圖7所示。在繪制單管圖時，可根據歸檔圖樣要求自行定義單管圖出圖區域、出圖圖幅、圖樣明細表及圖簽等。同樣，通過設置企業自身相關出圖參數，可將其導出生成后綴名為*.xml的配置文件，通過這個文件可實現企業員工共享使用的功能。

圖7 施工圖及材料明細表示例

三維可視化的發展，使管道可視化漫游成為了可能。ZWPD軟件可將模型導出至Autodesk Navisworks中，能夠實現此功能，如圖8所示。通過此法，結合VR技術，緊跟時代潮流，為智能工程建設添磚加瓦。

圖8 Navisworks演示智慧工廠

3 結語

本文詳細介紹了ZWPD三維管道設計軟件在工程設計中的應用。通過三維管道數據庫建立、圖形庫建立、繪制三維管道、自動繪制施工圖及材料統計表等功能，大幅減少了設計時間，提高管道設計的效率和準確性。實踐證明，通過該軟件統計材料能將準確率提高至95%以上，為企業采購決策提供依據，有效降低企業的損失。