PDMS三維建模中螺栓的設計選擇及匯料統計

郭靜

大慶油田設計院有限公司

在智能油田的發展建設中，PDMS（Plant Design Management System）三維設計軟件越來越受到高度重視，并被廣泛應用到油氣田地面工程設計領域。隨著PDMS在油氣田地面工程三維設計中的深度應用，一些細節問題越來越受到關注，并在一定程度上影響著設計質量和設計效率。有資料表明[1-2]，螺栓在整個管道材料中的費用占比大約為3%，實際工程中，雖然螺栓在項目投資中的比例不大，而一旦出現問題，則會直接影響管道及設備的連接和安全運行[3]，甚至造成材料報廢和工程成本增加。因此，在PDMS 中螺栓選擇準確、高效，實現螺栓的智能化選擇，已成為業內普遍關注的課題。

1 螺栓數據庫的建立

螺栓數據庫包括螺栓元件庫和螺栓等級庫。

1.1 螺栓元件庫與螺栓等級庫

螺栓元件庫建立的步驟及內容如表1所示。

表1 螺栓元件庫的建立步驟及內容Tab.1 Steps and contents of bolt component library establishment

螺栓等級必須使用Specon（Specon 是PDMS 下的其中一個模塊，主要用來導入、導出及修改已經建立的等級）建立和修改，而螺栓的等級要根據管道等級確定，每個管道等級關聯一個螺栓等級，一個螺栓等級可以應用于多個管道等級，設置正確的列標題Heading 和名字Name 是建設螺栓等級庫的關鍵，并且Name 不能重復。例如一個螺栓等級的Heading 為BOLT */M12x:S12 12 STUD=0/STUDD=0=0/SH-STUD-M12，Name 就是/M12x:S12。按照PDMS軟件中的規定，螺栓等級中必須有對應的附加件類型，即配套的螺母、墊片等，否則螺栓不開料。

1.2 螺栓數據庫建立過程中的注意事項

在實際項目中，常見的關于螺栓的問題主要有：螺栓規格的表達形式，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直接導致螺栓長度的變化，有學者研究過安全閥入口法蘭的螺栓長度[4]就屬于這類問題；另外，在PDMS 軟件的應用過程中還可能出現一些別的問題[5]。

針對以上問題，要求建庫人員在建立數據庫時應注意以下幾點：

（1）管道等級要指向螺栓等級。

（2）螺栓等級中螺栓類型的缺省設置要正確。

（3）螺栓等級中的直徑要完整。

（4）法蘭元件的螺栓集和數據集設置要完整。

（5）螺栓點的屬性設置要正確。

2 PDMS中螺栓的設計選擇過程

在具體工程設計中，螺栓類型選擇、螺栓標準的確定和螺栓長度的取值是PDMS中螺栓三維設計的關鍵環節。

2.1 螺栓類型的選擇

螺栓類型常見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，螺栓類型由等級中的缺省螺栓類型確定，其他螺栓類型的級別都高于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）如果兩個法蘭元件的螺栓類型都是Bolt，螺栓類型選擇等級中的缺省類型。

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

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

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

2.2 螺栓長度的計算原則

在PDMS軟件中，螺栓長度的計算由遇到的以法蘭連接或者松套連接的元件開始計算，到第二個以法蘭連接或者松套連接的元件結束計算，再加上附加長度——螺母、墊片的厚度，計算出實際厚度之后進行圓整，得到螺栓的長度。

2.3 標準中螺栓長度的計算原則

目前，國內外有關螺栓的標準體系主要有美國機械工程師協會標準（ASME）、石油化工行業標準（SH）和化工行業標準（HG）。

2.3.1 SH/T3406螺栓長度的計算原則

該標準詳細介紹了螺栓長度的計算方法。

法蘭連接的六角頭螺栓的長度計算公式為

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

法蘭連接的全螺紋螺柱的長度計算公式為

式中：Ls為螺柱長度，mm。

2.3.2 HG/T20613螺栓長度的計算原則

HG標準體系法蘭緊固件（PN系列）中六角頭螺栓僅適用于公稱壓力≤PN16的場合，在公稱壓力≥PN40 或高溫工況下，應采用全螺紋螺柱。HG 標準體系沒有對螺栓長度的計算方法進行介紹，而是以表格的形式給出了螺栓或螺柱的長度作為參考。已有數據顯示[2]，HG體系標準推薦的螺栓長度介于ASME標準體系與SH標準體系之間。

2.3.3 HG/T20634螺栓長度的計算原則

HG標準體系法蘭緊固件（Class系列）也以表格的形式直接給出了螺栓或螺柱的長度。標準中給出的關于對環焊松套法蘭所配用的六角頭螺栓或螺柱的長度，應為相應的突面法蘭用螺栓長度減去2倍的突臺高度再加上2倍的對焊環厚度。

在工程實際中，螺栓長度的選擇需要根據實際情況，在ASME B16.5 標準中推薦長度[6-7]的基礎上適當增加一定的余量來滿足工程需要。

2.4 螺栓長度的選擇過程

在PDMS軟件中，螺栓長度是在相應的模塊中計算出來的，若設置不當將導致材料表中不能顯示螺栓長度或是顯示長度有誤。因此，在計算螺栓長度時首先要明確螺栓的計算規則。在計算螺栓長度時，需要將法蘭的厚度、墊片的厚度以及附加長度進行融合，并將三者設置為一個整體。圖2 是以“法蘭—墊片—法蘭”連接為例螺栓長度的選擇過程。

圖2 螺栓長度的選擇過程Fig.2 Selection of bolt length

3 螺栓材料統計

圖3 是法蘭的連接尺寸，螺栓孔的數量n即是螺栓匯料關鍵。以油田某項目為例，在螺栓出料前，通過對螺栓庫的一系列設置，應用螺栓匯料工具，直接在設計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 螺栓材料統計結果示意圖Fig.4 Schematic diagram of bolt material statistical results

4 結論

在應用PDMS軟件進行工程三維設計時，建立比較完善的螺栓庫并且正確設置相關要素，將會使螺栓的選擇與應用更加精準，便于螺栓材料的匯料統計，保證工程項目的設計質量及工程進度，同時在材料管理方面減少不必要的浪費。