基于Intergraph Smart3D的螺栓數據校驗方法研究

摘 要：隨著煉化企業持續推動數字化發展與轉型，企業對設計軟件的應用逐漸深入，對設計質量要求不斷提升。在采購與施工過程中，對螺栓數據，尤其是螺栓長度的準確性要求逐漸提高。螺栓長度不足會直接導致現場法蘭連接失敗，造成材料浪費；螺栓長度過長會增加采購成本及降低現場安裝精度。針對Intergraph Smart3D軟件中自動生成的螺栓數據進行分析，提出一種軟件螺栓數據的校驗方案，以達到降低采購施工過程中螺栓材料損耗的目的。

關鍵詞：Smart 3D；螺栓長度；螺栓數量；螺栓直徑；校驗標準

中圖分類號：TP319

近年來，隨著煉化企業逐步向數字化、信息化、智能化方向發展，設計行業對各個數字化工廠設計軟件的應用逐漸深入，對設計質量的把控更加嚴格。Intergraph Smart3D（簡稱Smart3D）是新一代數字化工廠智能三維布置設計系統，近年來廣泛應用于石化行業工程設計中，Smart3D可以實時監控模型質量，對不符合規范的設計給出警示清單，及時進行提示，比如元件連接處缺失墊片螺栓、元件屬性與等級庫不一致等錯誤，非常智能，但是對于模型中已經自動生成的螺栓，其中的螺栓長度、數量及螺栓直徑是否與標準一致則無法判別。在現場施工過程中，設計提供的螺栓數據不準確會產生諸多不良影響，例如螺栓長度不足、螺栓直徑和數量錯誤，會直接導致螺母與螺栓不匹配、法蘭端面無法連接等問題；螺栓長度過長可能會造成在空間緊張處無法裝配；外露過長螺柱造成生銹、碰撞等；螺栓過長也會造成耗材過多，增加經濟成本。

為進一步提高設計的準確性，減少材料浪費，經過與數字化專業、材料專業、管道設計專業等人士探討研究，提出了一種解決該問題的技術路線。首先，通過Microsoft .NET報表獲取模型中關于螺栓數據的一系列屬性值；然后，與材料專業明確項目執行的螺栓數據標準；最后，通Microsoft VBA處理對比模型中與相應標準中的螺栓數據，檢查與標準不一致的數據，根據結果修正Smart3D數據庫信息，以達到降低模型中螺栓數據錯誤的目的。

1 確定Smart3D中螺栓選用規則

Smart3D中螺栓長度由軟件根據基礎數據自動計算而來，螺栓直徑和數量也是軟件根據連接元件的基礎數據自動選出。

1.1 螺栓直徑和數量

螺栓直徑和數量來自PipingGenericDataBolted中的BoltDiameter（螺栓直徑）值和QuantityOfBoltsRequired（螺栓數量）值，數值是根據管道元件的公稱直徑、壓力磅級和端面類型查詢對應的端面標準（1409）而來。

1.2 螺栓長度

螺栓長度值是軟件根據規定的螺栓長度計算公式自動計算而來。下面以雙頭螺柱為例說明Smart3D中螺栓長度計算公式。

非對夾件（如圖1所示）的螺栓長度計算公式如下：

雙頭螺柱長度（非對夾面） = 2×（F+W+FT+RF+E+N）+G+R+nt

對于對夾連接的元件（如圖2所示），螺栓長度計算要考慮對夾件長度及對夾件兩側的墊片厚度，計算公式如下：

雙頭螺柱長度（對夾面） =2×（F+W+FT+RF+G+E+N）+J+R+nt

F為法蘭厚度，來自Piping Generic Data Bolted（螺栓通用端面數據表）；

FT為法蘭厚度公差值，來自Piping Generic Data Bolted（螺栓通用端面數據表）；

W為墊圈厚度，若等級中定義了墊圈，則要考慮墊圈厚度，若沒有定義墊圈，則為0；

G為墊片厚度，來自Gasket" Part Data（墊片數據表）；

RF為法蘭面凸臺高度，來自Piping" "Generic" Data Bolted（螺栓通用端面數據表）；

E為螺栓伸出長度，來自Bolt Extension（螺栓伸出長度表）；

R為凹槽深度，如果是環槽面法蘭，需要考慮凹槽深度，來自Piping Generic Data Bolted（螺栓通用端面數據表）；

N為螺母高度，若等級中定義了螺母，則要加上螺母高度，數值來自Nut Part Data（螺母數據表），若沒有，則為0；

J為對夾件長度；

nt為螺栓長度計算公差值，來自Stud" Bolt" LengthCaculation Tolerance Rule（雙頭螺柱計算公差表）。

2 提取三維模型中影響螺栓數據的參數

明確螺栓長度、直徑和數量的來源及計算方法后，需從Smart3D中提取相應參數以便檢查螺栓數值是否正確。

2.1 從Smart3D中提取參數

采用Microsoft .NET報表方式提取各參數，包括軟件計算及圓整后的螺栓長度、螺栓直徑和影響螺栓長度計算的公稱直徑、端面類型、壓力磅級、端面標準、法蘭厚度、墊片厚度、法蘭厚度公差、法蘭凸臺高度、對夾件長度等參數。

做報表過程中注意根據連接類型區分是否為對夾件，并分別提取對夾件和非對夾件的參數。

2.2 利用Microsoft" VBA計算螺栓長度

從Smart3D中提取的報表包含第一端面和第二端面的各參數、連接點信息、對夾件信息、軟件計算的螺栓長度和直徑等信息，見表1。

通過表1中所得數據可根據螺栓長度計算公式計算出螺栓長度值，注意區分對夾件和非對夾件。然后利用Microsoft VBA對比設計人員用公式計算出的螺栓長度值和軟件自動計算的螺栓長度值，可以檢查出模型中由于移動操作導致的連接點被拉長造成螺栓長度值偏大的情況，該情形常見于設備管嘴處：設備專業在項目運行后期經常需要調整管嘴位置，當直接移動管嘴調整位置時，與管嘴連接的法蘭面元件或者對夾元件時常會出現不跟隨管嘴移動的情況，但是此時法蘭元件或者對夾件與管嘴的連接關系依然存在，就會導致軟件自動計算的螺栓長度值偏大，當移動位移較小時，模型中肉眼觀察模型不容易發現，錯誤列表通常也沒有報錯，很容易忽略該類型錯誤，通過在報表中對比設計人員計算的螺栓長度和軟件自動計算螺栓長度的方式，可以檢測出該類型錯誤。

3 確定螺栓校驗標準

Smart3D模型中的螺栓數據提取出來之后，要與螺栓標準數據進行對比校驗。國內外螺栓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，這些標準體系對螺栓長度計算方式不盡相同，不能相互替換[1]。不同企業不同項目執行的螺栓標準可能不同[2]。在摘錄螺栓標注數據前，先確認該項目的螺栓執行標準，例如美標等級元件的螺栓標準參照“HG/T 20634—2009 鋼制管法蘭用緊固件（Class系列）”校驗[3]；歐標等級元件參照“HG/T 20613—2009 鋼制管法蘭用緊固件（PN系列）”校驗[4]；其他標準元件要參照對應標準中數據或者用標準中公式手動計算螺栓長度。

標準中具體螺栓數據需要根據元件對應的公稱直徑、端面類型、壓力磅級等條件查找。將上述標準的螺栓數據以表格方式全部摘錄出來并找不同人員檢查數據，從而保證數據與標準中一致。

4 校驗螺栓數據并自動修正螺栓伸出長度值

通過上述步驟已經得到從軟件中提取出的螺栓數據和從標準中摘錄出的螺栓數據，下對2組數據進行對比校驗。

4.1 對比模型與標準螺栓數量和直徑

螺栓數量和直徑可通過連接元件的公稱直徑、壓力磅級、端面類型和端面標準幾個條件判斷是否與標準中數據一致，若不一致則將對應的單元格標紅，然后檢查對應元件的通用數據表是否填寫錯誤或者模型是否有錯誤。

4.2 對比模型與標準螺栓長度并修正螺栓伸出長度值

螺栓長度值也通過連接元件的公稱直徑、壓力磅級、端面類型和端面標準幾個條件檢索出對應的標準螺栓長度，將軟件圓整后的螺栓長度與標準螺栓長度對比并得出差值，注意對夾件的螺栓長度要減去對夾件長度和一個墊片的厚度后再與標準螺栓長度對比。

Smart3D中通過增減螺栓伸出長度的值來調整軟件自動計算出的螺栓長度，因此根據螺栓長度計算公式及上述條件所得螺栓長度差值，可用Microsoft VBA計算出最新的螺栓伸出長度值，自動修正螺栓伸出長度的數值。最后將最新的螺栓伸出長度值導入Smart3D即可。

5 結語

由于Smart3D對螺栓數據的正確性沒有自動校驗功能，傳統螺栓校驗方案是從Smart3D中導出數據進行人工校驗，當等級數量較多時，工作量巨大，且容易造成人為失誤。文章提出的自動對比模型與標準螺栓數據的方案可大大提升校驗螺栓數據的速度及準確率。

該方案可以在項目啟動前使用，利用Smart3D等級自動放置工具放置所有等級元件，通過該方案檢測等級中螺栓數據的準確性并進行修正，避免后期模型出現螺栓數據錯誤。該方案也可用于項目存檔出料前使用，用來檢測正式模型中的螺栓數據是否準確，及時修正錯誤數據，避免造成采購損耗，提升設計質量。

參考文獻：

[1]" 劉欣玉，鄒培軒，姜智文. 淺析各標準法蘭用螺栓長度[J]. 山東化工，2019，48（7）：89-91.

[2]" 李軍民. 在PDS三維設計中螺栓常見問題及解決方法[J].化工設備與管道，2008，45（5）：55-57.

[3]" 中國石油和化學工業協會. 鋼制管法蘭用緊固件（Class 系列）：HG/T 20634—2009[S]. 北京：中國計劃出版社，2009： 431-457.

[4]" 中國石油和化學工業協會. 鋼制管法蘭用緊固件（PN系列）：HG/T 20613—2009[S]. 北京：中國計劃出版社，2009： 183-216.