侯 旭

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

設(shè)計(jì)管理

儀表材料相關(guān)設(shè)計(jì)原則及成本控制

侯 旭*

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

介紹化工過(guò)程控制儀表設(shè)計(jì)原則，強(qiáng)調(diào)安裝材料相關(guān)設(shè)計(jì)工作合理性與成本控制方法。圍繞優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，減少項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)變更，節(jié)約總承包項(xiàng)目實(shí)施成本，結(jié)合實(shí)例分析，并提出改進(jìn)的具體措施。

設(shè)計(jì)選型 機(jī)械竣工 儀表安裝材料 無(wú)線工廠架構(gòu)

針對(duì)工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)與采購(gòu)的過(guò)程控制是否科學(xué)有效，直接影響項(xiàng)目成本和效益。儀表工程技術(shù)是一門綜合技術(shù)，涉及面廣，運(yùn)用廣泛，與許多專業(yè)學(xué)科密切相關(guān)?？偨Y(jié)從事過(guò)程控制儀表設(shè)計(jì)與采購(gòu)工作的經(jīng)驗(yàn)，要高質(zhì)量的完成儀表設(shè)計(jì)及采購(gòu)工作，必須了解儀表設(shè)計(jì)的相關(guān)基本原理與原則。

(1)儀表服務(wù)于工廠日常生產(chǎn)，儀表設(shè)備安裝于工藝設(shè)備或管道之上，儀表專業(yè)與其它專業(yè)存在密切的關(guān)系。

(2)儀表行業(yè)快速發(fā)展，新技術(shù)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。

(3)過(guò)程控制儀表設(shè)計(jì)追求科學(xué)簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

(4)儀表設(shè)備及材料種類多、規(guī)格雜，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品特性不同。注重設(shè)計(jì)的可行性分析，控制項(xiàng)目成本。

1 關(guān)注材料相關(guān)設(shè)計(jì)的必要性

1.1 設(shè)計(jì)與采購(gòu)存在的問(wèn)題

在工程項(xiàng)目中因設(shè)計(jì)選型不當(dāng)，設(shè)計(jì)文件內(nèi)容深度不足，設(shè)計(jì)人員、采購(gòu)人員、供貨商、業(yè)主之間溝通不暢等問(wèn)題，造成到貨材料與現(xiàn)場(chǎng)工況要求不一致，施工或維護(hù)不便，甚至無(wú)法施工或使用。例如，儀表專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定文件內(nèi)容與項(xiàng)目合同技術(shù)協(xié)議或業(yè)主專業(yè)的要求不一致。專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定及設(shè)計(jì)文件對(duì)橋架梯邊結(jié)構(gòu)形式未進(jìn)行詳細(xì)描述，采購(gòu)人員針對(duì)此項(xiàng)內(nèi)容未與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行澄清，待貨到現(xiàn)場(chǎng)后，業(yè)主對(duì)此提出異議，要求更換橋架。

儀表設(shè)計(jì)工作應(yīng)服從本專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定。例如，大型項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)繁重，設(shè)計(jì)工作按主項(xiàng)進(jìn)行分工。若設(shè)計(jì)人員未嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定，將造成不同主項(xiàng)間，同類型材料的接口與規(guī)格選型多樣，導(dǎo)致材料通用性差，不利于項(xiàng)目采購(gòu)與施工的快速推進(jìn)，亦增加了裝置運(yùn)行維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

1.2 產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因

儀表材料種類及規(guī)格繁多，使用數(shù)量龐大，要求設(shè)計(jì)科學(xué)合理、精益求精，采購(gòu)工作事無(wú)巨細(xì)，實(shí)施過(guò)程難度較高。

設(shè)計(jì)及采購(gòu)人員對(duì)材料的設(shè)計(jì)與采購(gòu)過(guò)程不夠重視，不能辨識(shí)材料實(shí)物，對(duì)本專業(yè)施工關(guān)鍵流程內(nèi)容不了解，最終造成設(shè)計(jì)內(nèi)容與工況要求的偏差；設(shè)計(jì)理念與采購(gòu)內(nèi)容的偏差；采購(gòu)合同與實(shí)際供貨的偏差。

1.3 上述問(wèn)題對(duì)EPC工程項(xiàng)目的影響

化工儀表材料安裝階段接近現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械竣工節(jié)點(diǎn)，涉及材料的設(shè)計(jì)變更會(huì)拖延項(xiàng)目進(jìn)度，影響項(xiàng)目機(jī)械竣工節(jié)點(diǎn)的完成。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)變更消耗EPC項(xiàng)目承包商的純利潤(rùn)。在EPC項(xiàng)目設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工各環(huán)節(jié)中，涉及材料的負(fù)面問(wèn)題，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)具備普遍性，將影響項(xiàng)目整體安裝進(jìn)程及成品質(zhì)量。例如：橋架或電纜的敷設(shè)，若在施工后期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題或設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)施工進(jìn)度和利潤(rùn)影響較大。

2 改進(jìn)儀表材料相關(guān)設(shè)計(jì)與采購(gòu)實(shí)踐水平的要點(diǎn)

2.1 專業(yè)間科學(xué)分工及配合

在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域，過(guò)程控制儀表專業(yè)與工藝、設(shè)備、管道等相關(guān)專業(yè)聯(lián)系緊密。確定電氣接口、工藝接口相關(guān)信息是設(shè)計(jì)過(guò)程中專業(yè)配合的重點(diǎn)內(nèi)容。專業(yè)分工界面執(zhí)行項(xiàng)目專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定中未明確部分由相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)人具體確定，例如，壓縮機(jī)與DCS系統(tǒng)I/O清單的編制，設(shè)備配套溫度儀表工藝接口形式及插入深度的確定，特殊材質(zhì)管道儀表安裝方式的確定，上述問(wèn)題的確定均需要主導(dǎo)專業(yè)與各相關(guān)專業(yè)的配合。

以機(jī)泵專業(yè)與儀表專業(yè)配合為例。根據(jù)工藝要求，機(jī)泵專業(yè)聯(lián)合儀表專業(yè)，在機(jī)泵設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)中，明確設(shè)備檢測(cè)與控制方案，請(qǐng)機(jī)泵設(shè)備廠家提供PLC配置、控制接線箱方案及I/O信號(hào)清單。在采購(gòu)技術(shù)協(xié)議談判階段，由儀表專業(yè)主導(dǎo)，相關(guān)專業(yè)配合，共同與廠家確定設(shè)備自控要求；I/O信號(hào)類型、數(shù)量、量程及報(bào)警值；對(duì)應(yīng)電氣接口規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)，由各相關(guān)專業(yè)對(duì)廠家返回資料進(jìn)行審定和會(huì)簽。盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)變更、緊急增補(bǔ)相關(guān)材料、DCS組態(tài)調(diào)整。任何補(bǔ)救措施都將增加采購(gòu)成本、拖延工程進(jìn)程、影響工程質(zhì)量。

以管道專業(yè)與儀表專業(yè)配合為例。法蘭式隔膜壓力變送器用于易結(jié)晶工況，膜片前需配備沖洗環(huán)。在儀表管道安裝條件文件中，儀表專業(yè)必須向管道專業(yè)提供沖洗環(huán)厚度尺寸，以便管道專業(yè)考慮螺栓長(zhǎng)度余量。

大口徑儀表蝶閥緊固件的統(tǒng)計(jì)，應(yīng)根據(jù)所選蝶閥的具體情況，由儀表專業(yè)配備合適的定位螺栓，必須通知管道專業(yè)，在統(tǒng)計(jì)閥門配套緊固件時(shí)，只需統(tǒng)計(jì)定位螺栓以外的緊固件。由于閥門定位螺栓配置情況與廠家配套閥體模具有關(guān)，故各廠家各規(guī)格閥門情況皆不同，儀表專業(yè)必須將每臺(tái)閥門的具體情況告知管道專業(yè)。在以往大型總承包項(xiàng)目中，由于管道專業(yè)未接到儀表專業(yè)設(shè)計(jì)條件，其設(shè)計(jì)的普通螺栓與閥門定位螺栓預(yù)留孔不匹配，導(dǎo)致重復(fù)購(gòu)買大量緊固件，造成經(jīng)濟(jì)損失，并影響項(xiàng)目進(jìn)度。

2.2 注重新技術(shù)新產(chǎn)品的運(yùn)用

儀表專業(yè)技術(shù)與產(chǎn)品的更新日新月異，新技術(shù)及新產(chǎn)品的合理運(yùn)用可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、節(jié)約建設(shè)成本、提高工廠效益。

以儀表橋架選型為例。安裝完畢的橋架，其承重能力決定于橋架本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和對(duì)橋架的支撐密度。由于鋁合金結(jié)構(gòu)重量輕，易于安裝施工操作，材料防腐性能好，抗電磁干擾，同時(shí)鋼制橋架熱浸鋅加工過(guò)程成本上升，故近年來(lái)鋁合金橋架的運(yùn)用逐漸增多。鋁合金橋架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定于兩個(gè)關(guān)鍵因素：梯邊與底板的接觸面積和梯邊與底邊的連接結(jié)構(gòu)。梯邊與底板的接觸面積越大，連接結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固，橋架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高。國(guó)外橋架產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明通常有詳細(xì)的負(fù)重實(shí)驗(yàn)結(jié)果可供設(shè)計(jì)人員參考，國(guó)內(nèi)橋架廠商在產(chǎn)品性能量化分析方面尚有差距。

以無(wú)線工廠技術(shù)的運(yùn)用為例。以往工廠檢測(cè)點(diǎn)與主機(jī)系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))間，針對(duì)長(zhǎng)距離信號(hào)通信工況的材料采購(gòu)與施工過(guò)程，存在成本較高、效費(fèi)比低的情況。如工廠碼頭計(jì)量系統(tǒng)、大型罐區(qū)液位檢測(cè)系統(tǒng)，上述系統(tǒng)存在相似的特點(diǎn)。① 儀表檢測(cè)點(diǎn)分散；② 各檢測(cè)點(diǎn)與主機(jī)系統(tǒng)的距離遙遠(yuǎn)；③ 各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)不參與控制過(guò)程；④ 各檢測(cè)點(diǎn)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)是工廠計(jì)量及統(tǒng)計(jì)工作的信息來(lái)源。

由于行業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)分散檢測(cè)點(diǎn)儀表與主機(jī)系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))距離遙遠(yuǎn)的工況，以往設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工過(guò)程必須克服的困難：① 必須選用四線制儀表，220VAC供電；② 儀表與主機(jī)間，橋架和電纜敷設(shè)距離較遠(yuǎn)；③ 系統(tǒng)需配備電源柜為現(xiàn)場(chǎng)儀表供電；④ 系統(tǒng)設(shè)備及材料的采購(gòu)與施工成本較高。

無(wú)線工廠架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線工廠架構(gòu)

該架構(gòu)分為兩層：第一層為現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備組成的自組織網(wǎng)絡(luò)(self organizing network)，采用全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(mesh topology)，設(shè)備間以自我組織、通過(guò)智能分配可靠的冗余路徑與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線通訊。設(shè)備配備無(wú)線發(fā)射裝置，由工業(yè)級(jí)本安認(rèn)證的鋰電池供電，刷新周期為60s時(shí)，電池壽命為10年。第二層為網(wǎng)關(guān)與主機(jī)系統(tǒng)的無(wú)縫集成。網(wǎng)關(guān)可安裝于控制室外墻，提供多種接口與不同主機(jī)系統(tǒng)連接。

無(wú)線工廠技術(shù)的運(yùn)用在解決現(xiàn)場(chǎng)儀表供電及通訊問(wèn)題的同時(shí)，回避采購(gòu)和敷設(shè)橋架與電纜成本，減少系統(tǒng)電源柜的配置。無(wú)線工廠技術(shù)具備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可將檢測(cè)點(diǎn)的參數(shù)和設(shè)備診斷信息遠(yuǎn)程送至中控主機(jī)。如可將質(zhì)量流量、體積流量、累計(jì)流量、過(guò)程介質(zhì)密度、溫度，同時(shí)送至中控主機(jī)，采用軟件進(jìn)行顯示及管理，并能自動(dòng)生成表格文件，對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2.3 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程合理控制成本

科學(xué)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程是提高設(shè)計(jì)可行性與可靠性，同時(shí)降低工程建設(shè)與維護(hù)成本的捷徑。以ASME壓力等級(jí)劃分規(guī)則為例，ASME B16.5對(duì)壓力等級(jí)的劃分較為簡(jiǎn)約，Class150至Class2500僅包含七個(gè)等級(jí)。其目的為減少材料規(guī)格，排除不確定因素，提高管道系統(tǒng)的可靠性及密封性能，確保法蘭與管道連接的準(zhǔn)確性，提高管道系統(tǒng)各類配件間的兼容性。

以儀表電纜連接圖與儀表敷設(shè)圖的設(shè)計(jì)為例?，F(xiàn)場(chǎng)儀表至控制系統(tǒng)機(jī)柜間電纜通常分為兩段。現(xiàn)場(chǎng)儀表至接線箱分支電纜及接線箱至機(jī)柜間主電纜，少數(shù)布置分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表將單獨(dú)與機(jī)柜間直接相連。爆炸與火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境的儀表裝置施工，除應(yīng)符合《自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50093-2002規(guī)定外，還應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定。在電纜敷設(shè)途中，所有電氣接口必須滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆等級(jí)要求，在非防爆區(qū)域，電纜敷設(shè)過(guò)程中相關(guān)電氣接口也應(yīng)與電纜規(guī)格相匹配。

某項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員本意為節(jié)約電纜成本，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表布置情況，盡可能精確選擇接線箱至機(jī)柜間主電纜芯數(shù)，造成電纜規(guī)格甚多，衍生出十多種接線箱進(jìn)出線方案。采購(gòu)人員需對(duì)每個(gè)接線箱進(jìn)出線情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以計(jì)算所需電纜密封接頭、撓性管、接線箱堵頭的規(guī)格和數(shù)量，導(dǎo)致接線箱底板無(wú)法批量生產(chǎn)，各類材料規(guī)格多樣，降低了材料的通用性，給材料采購(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)施工、后期維護(hù)帶來(lái)不便。

實(shí)踐證明，現(xiàn)場(chǎng)儀表電纜規(guī)格不宜過(guò)多。在進(jìn)行電纜連接圖及電纜敷設(shè)圖設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮各電氣接口與材料規(guī)格的配合，整合相似情況化繁為簡(jiǎn)，提高材料的通用性，降低材料統(tǒng)計(jì)的難度，縮短材料的生產(chǎn)周期，加快現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

2.4 強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的了解

儀表專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安裝圖冊(cè)是由國(guó)家有關(guān)部門統(tǒng)一組織、制定頒發(fā)且在全國(guó)或某行業(yè)內(nèi)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)，它有一定的通用性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)具體情況，避免盲目照搬標(biāo)準(zhǔn)安裝方案，造成設(shè)計(jì)施工圖不適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

儀表專業(yè)相關(guān)材料種類及規(guī)格多樣，在長(zhǎng)期工程設(shè)計(jì)實(shí)踐與行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，由于市場(chǎng)理念、設(shè)計(jì)習(xí)慣、用戶要求的差異，相似類型儀表材料，國(guó)內(nèi)與國(guó)外不同品牌，產(chǎn)品性能、規(guī)格、用法存在較大差異。

以儀表供氣管線設(shè)計(jì)為例?，F(xiàn)場(chǎng)儀表供氣系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)存在兩種方式，即單線供氣與支干式供氣。供氣方式的選用決定于現(xiàn)場(chǎng)用氣的負(fù)荷布置和單點(diǎn)的用氣量。單線供氣方式針對(duì)分散布置或耗氣量波動(dòng)較大的供氣點(diǎn)，盡可能在干線上取源；支干式供氣方式針對(duì)多個(gè)用氣點(diǎn)比較集中的場(chǎng)合。

儀表空氣總管旁路工藝閥上游管道系統(tǒng)由管道專業(yè)完成設(shè)計(jì)。儀表專業(yè)負(fù)責(zé)總管旁路工藝閥下游的管線設(shè)計(jì)，其管線主要包含干線管道與支干線管道。儀表空氣經(jīng)干線管道，被送至裝置內(nèi)部，再經(jīng)支干線管道送至各用氣區(qū)域，最后經(jīng)接氣源球閥送入用氣單元。

當(dāng)前性能與成本兼顧的氣源管線配備方案為儀表空氣干線管道和支干線管道選用相應(yīng)管徑的不銹鋼P(yáng)ipe管。2"規(guī)格以下管道，壁厚代號(hào)可選用Sch40S，2"及以上規(guī)格，壁厚代號(hào)可選用Sch10S，所有管件選用對(duì)焊形式(承插焊管件價(jià)格較高)。氣源球閥上游采用對(duì)焊式直通螺紋終端接頭(配外套螺母及接管)將Pipe管與氣源球閥相連，氣源球閥下游配Tube管，與用氣單元相連。因相似規(guī)格的Pipe管材的采購(gòu)成本明顯低于Tube管材，同規(guī)格Pipe管在工藝管道系統(tǒng)中也有大量使用，故上述氣源系統(tǒng)配管形式將減少Tube管材的使用量，同時(shí)提高材料的兼容性。

國(guó)內(nèi)外品牌儀表管閥件產(chǎn)品系列存在較大差異，如國(guó)外品牌產(chǎn)品系列中無(wú)氣源球閥。若業(yè)主要求選用某國(guó)外品牌產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員可用內(nèi)螺紋全通球閥配卡套式直通終端接頭代替氣源球閥。在采購(gòu)儀表供氣管線用球閥時(shí)，應(yīng)明確標(biāo)注為全通球閥，供氣管線用球閥不允許縮頸。雖然某些儀表供氣管線標(biāo)準(zhǔn)安裝圖中有設(shè)置截止閥的情況，由于公稱直徑相同的截止閥與全通球閥相比，流道曲折且截面積小，故不推薦在儀表供氣管線使用截止閥。

對(duì)于大口徑氣動(dòng)儀表閥門，供氣管線設(shè)計(jì)需參考閥門廠家最終設(shè)計(jì)返回資料，根據(jù)閥門用氣量與閥門氣源接口規(guī)格，確定供氣管線的口徑及供氣管線與閥門氣源接口的連接形式。如針對(duì)GE煤氣化工藝氣化裝置的特點(diǎn)，高磅級(jí)、大口徑儀表氣動(dòng)蝶閥與球閥較多的情況，閥門氣源接口與供氣管線末端球閥之間，應(yīng)采用兩端活接頭金屬軟管連接，克服大口徑氣源管線配管困難，避免儀表閥門本體震動(dòng)，造成氣源接口管道應(yīng)力集中，損壞穩(wěn)壓減壓裝置工藝接口的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

儀表專業(yè)相關(guān)材料的設(shè)計(jì)工作在儀表專業(yè)設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，其設(shè)計(jì)和采購(gòu)的實(shí)踐結(jié)果與項(xiàng)目質(zhì)量、進(jìn)度、成本控制密切相關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)材料的設(shè)計(jì)和采購(gòu)過(guò)程并不受各專業(yè)和崗位人員的重視。在實(shí)踐中，因材料相關(guān)設(shè)計(jì)或采購(gòu)問(wèn)題，對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量、進(jìn)度、成本帶來(lái)負(fù)面影響的實(shí)例并不少見(jiàn)，理應(yīng)引起儀表專業(yè)和相關(guān)專業(yè)人員的高度重視。

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6 蔡爾輔，陳樹(shù)輝.化工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：61-65.

7 張金和.管道安裝工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：1432-1440.

*侯 旭：工程師。2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。從事總承包項(xiàng)目工程采購(gòu)工作。聯(lián)系電話：18629198681，E-mail:hx2303@chinahualueng.com。

2017-08-02)