PDMS三维建模中螺栓的设计选择及汇料统计

郭静

大庆油田设计院有限公司

在智能油田的发展建设中，PDMS（Plant Design Management System）三维设计软件越来越受到高度重视，并被广泛应用到油气田地面工程设计领域。随着PDMS在油气田地面工程三维设计中的深度应用，一些细节问题越来越受到关注，并在一定程度上影响着设计质量和设计效率。有资料表明[1-2]，螺栓在整个管道材料中的费用占比大约为3%，实际工程中，虽然螺栓在项目投资中的比例不大，而一旦出现问题，则会直接影响管道及设备的连接和安全运行[3]，甚至造成材料报废和工程成本增加。因此，在PDMS 中螺栓选择准确、高效，实现螺栓的智能化选择，已成为业内普遍关注的课题。

1 螺栓数据库的建立

螺栓数据库包括螺栓元件库和螺栓等级库。

1.1 螺栓元件库与螺栓等级库

螺栓元件库建立的步骤及内容如表1所示。

表1 螺栓元件库的建立步骤及内容Tab.1 Steps and contents of bolt component library establishment

螺栓等级必须使用Specon（Specon 是PDMS 下的其中一个模块，主要用来导入、导出及修改已经建立的等级）建立和修改，而螺栓的等级要根据管道等级确定，每个管道等级关联一个螺栓等级，一个螺栓等级可以应用于多个管道等级，设置正确的列标题Heading 和名字Name 是建设螺栓等级库的关键，并且Name 不能重复。例如一个螺栓等级的Heading 为BOLT */M12x:S12 12 STUD=0/STUDD=0=0/SH-STUD-M12，Name 就是/M12x:S12。按照PDMS软件中的规定，螺栓等级中必须有对应的附加件类型，即配套的螺母、垫片等，否则螺栓不开料。

1.2 螺栓数据库建立过程中的注意事项

在实际项目中，常见的关于螺栓的问题主要有：螺栓规格的表达形式，即采用公制单位或英制单位；螺栓类型的选择，即单头螺栓或双头螺栓；在特殊情况下螺母及垫圈等厚度的变化会直接导致螺栓长度的变化，有学者研究过安全阀入口法兰的螺栓长度[4]就属于这类问题；另外，在PDMS 软件的应用过程中还可能出现一些别的问题[5]。

针对以上问题，要求建库人员在建立数据库时应注意以下几点：

（1）管道等级要指向螺栓等级。

（2）螺栓等级中螺栓类型的缺省设置要正确。

（3）螺栓等级中的直径要完整。

（4）法兰元件的螺栓集和数据集设置要完整。

（5）螺栓点的属性设置要正确。

2 PDMS中螺栓的设计选择过程

在具体工程设计中，螺栓类型选择、螺栓标准的确定和螺栓长度的取值是PDMS中螺栓三维设计的关键环节。

2.1 螺栓类型的选择

螺栓类型常见的主要是六角头螺栓和全螺纹螺柱两种。螺栓示意图如图1所示。

图1 螺栓示意图Fig.1 Diagram of the bolt

在PDMS中，螺栓类型定义如下：

Mach——单头螺栓；Stud——双头螺栓；Bolt——不指定的类型，螺栓类型由等级中的缺省螺栓类型确定，其他螺栓类型的级别都高于Bolt类型。

一般情况下，需要指定缺省螺栓类型，主要有下面几种情况：

（1）如果两个法兰元件的螺栓类型都是Bolt，螺栓类型选择等级中的缺省类型。

（2）如果两个法兰元件的螺栓类型都是Stud，则选择等级的类型是Stud的螺栓。

（3）如果两个法兰元件的螺栓类型一个是Bolt，一个是Stud，则选择等级的类型是Stud 的螺栓。

（4）如果两个法兰元件的螺栓类型不一样，并且都不是Bolt，则选择第一个法兰元件的螺栓类型。

2.2 螺栓长度的计算原则

在PDMS软件中，螺栓长度的计算由遇到的以法兰连接或者松套连接的元件开始计算，到第二个以法兰连接或者松套连接的元件结束计算，再加上附加长度——螺母、垫片的厚度，计算出实际厚度之后进行圆整，得到螺栓的长度。

2.3 标准中螺栓长度的计算原则

目前，国内外有关螺栓的标准体系主要有美国机械工程师协会标准（ASME）、石油化工行业标准（SH）和化工行业标准（HG）。

2.3.1 SH/T3406螺栓长度的计算原则

该标准详细介绍了螺栓长度的计算方法。

法兰连接的六角头螺栓的长度计算公式为

式中：LM为六角头螺栓长度，mm；Q为法兰厚度，mm；ΔQ为法兰厚度正偏差，mm；F为密封面高度或环槽面深度，mm；d为螺纹尺寸，mm；G为垫片厚度，环槽面法兰连接时，G为两法兰间近似距离，mm；n为螺栓长度负偏差，mm；c为螺栓倒角端长度，mm；

法兰连接的全螺纹螺柱的长度计算公式为

式中：Ls为螺柱长度，mm。

2.3.2 HG/T20613螺栓长度的计算原则

HG标准体系法兰紧固件（PN系列）中六角头螺栓仅适用于公称压力≤PN16的场合，在公称压力≥PN40 或高温工况下，应采用全螺纹螺柱。HG 标准体系没有对螺栓长度的计算方法进行介绍，而是以表格的形式给出了螺栓或螺柱的长度作为参考。已有数据显示[2]，HG体系标准推荐的螺栓长度介于ASME标准体系与SH标准体系之间。

2.3.3 HG/T20634螺栓长度的计算原则

HG标准体系法兰紧固件（Class系列）也以表格的形式直接给出了螺栓或螺柱的长度。标准中给出的关于对环焊松套法兰所配用的六角头螺栓或螺柱的长度，应为相应的突面法兰用螺栓长度减去2倍的突台高度再加上2倍的对焊环厚度。

在工程实际中，螺栓长度的选择需要根据实际情况，在ASME B16.5 标准中推荐长度[6-7]的基础上适当增加一定的余量来满足工程需要。

2.4 螺栓长度的选择过程

在PDMS软件中，螺栓长度是在相应的模块中计算出来的，若设置不当将导致材料表中不能显示螺栓长度或是显示长度有误。因此，在计算螺栓长度时首先要明确螺栓的计算规则。在计算螺栓长度时，需要将法兰的厚度、垫片的厚度以及附加长度进行融合，并将三者设置为一个整体。图2 是以“法兰—垫片—法兰”连接为例螺栓长度的选择过程。

图2 螺栓长度的选择过程Fig.2 Selection of bolt length

3 螺栓材料统计

图3 是法兰的连接尺寸，螺栓孔的数量n即是螺栓汇料关键。以油田某项目为例，在螺栓出料前，通过对螺栓库的一系列设置，应用螺栓汇料工具，直接在设计界面一键生成螺栓料单（图4），保证了螺栓汇料的精确性，同时使工作效率极大提高。

图3 法兰连接尺寸Fig.3 Flange connection size

图4 螺栓材料统计结果示意图Fig.4 Schematic diagram of bolt material statistical results

4 结论

在应用PDMS软件进行工程三维设计时，建立比较完善的螺栓库并且正确设置相关要素，将会使螺栓的选择与应用更加精准，便于螺栓材料的汇料统计，保证工程项目的设计质量及工程进度，同时在材料管理方面减少不必要的浪费。