伍學(xué)敏

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，長沙 410001）

0 引言

三元前驅(qū)體是鎳鈷錳氫氧化物，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料的三元復(fù)合正極材料。共沉淀法是制備三元材料前驅(qū)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(yīng)條件形成氫氧化物。

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

1 軟件應(yīng)用步驟

利用ZWPD軟件進行三維管道設(shè)計是在設(shè)備布置及土建結(jié)構(gòu)已完成的基礎(chǔ)上進行的，在進行三維管道設(shè)計之前，工藝流程及管道走向、管徑等參數(shù)均應(yīng)初定。其工作流程如下：

1）建立數(shù)據(jù)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(yīng)的編輯修改。主要對相關(guān)管道、管件的標(biāo)準(zhǔn)代號進行替換。此庫是管道設(shè)計過程中會用到的元件數(shù)據(jù)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(jù)工藝流程及管道走向、管徑等參數(shù)設(shè)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(jù)軟件中的管號表清單，建議使用Excel編寫之后再導(dǎo)入至軟件。

2）建立圖形庫。同數(shù)據(jù)庫一樣，軟件自帶一些常規(guī)設(shè)備（如槽子、泵等）的模型數(shù)據(jù)，并可根據(jù)廠家樣本進行定制化尺寸參數(shù)修改。三元材料項目中大量應(yīng)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(shè)備，為了應(yīng)對此類情況，可利用建立圖形庫的方式，根據(jù)設(shè)備樣本建立設(shè)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(shè)備的CAD三維模型導(dǎo)入至三維管道設(shè)計文件中。

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

4）布置管道及檢查。選擇管道標(biāo)號及等級，軟件根據(jù)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(shè)計時，需要對其進行管道連續(xù)性檢查，并及時修改。在完成所有管道設(shè)計后，可用碰撞檢查命令，找到管道碰撞點并修改。

5）管道設(shè)計出圖。在完成三維管道設(shè)計之后，可通過抽取“中間文件”對三維管道模型完成管道設(shè)計出圖，根據(jù)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(zhǔn)確率。

2 應(yīng)用實例

三元前驅(qū)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(jīng)反應(yīng)、過濾、干燥等工序后生成三元前驅(qū)體正極材料。該車間管道共有將近800根，數(shù)量龐大，管徑類別多，且需要預(yù)留空間給諸多氣動調(diào)節(jié)閥、流量計等儀表，各種規(guī)格管道的配管比較復(fù)雜。利用ZWPD三維管道設(shè)計軟件設(shè)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(shù)據(jù)庫建立

先依據(jù)例子工程中拷貝項目并生成新項目，并添加等級庫中相應(yīng)管子管件、閥件、墊片、特殊件、螺栓螺母和壁厚等級表等標(biāo)準(zhǔn)。三元前驅(qū)體工藝對Fe元素含量有著特別嚴(yán)格的要求，故車間內(nèi)主管道均為PPH塑料管。在開始三維管道設(shè)計之前，應(yīng)先建立PPH管材管件數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)庫來源參照GB/T 18742中之規(guī)定。

2.2 圖形庫建立

ZWPD軟件內(nèi)置多種標(biāo)準(zhǔn)模型供選擇，其中包含設(shè)備、建筑及管架模型。在三元前驅(qū)體車間中有幾種特殊設(shè)備是沒有的，這就需要設(shè)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(qū)體車間的重要設(shè)備，不合格產(chǎn)品經(jīng)漿洗后通過氣動隔膜泵打入洗滌壓濾機中，經(jīng)洗滌壓濾后與合格產(chǎn)品一起進入盤式干燥機進行干燥脫水生成產(chǎn)品。根據(jù)廠家提供的設(shè)備尺寸，采用ZWPD軟件中自帶的三維繪圖命令繪制出設(shè)備模型，如圖1所示。同時通過保存至數(shù)據(jù)庫再導(dǎo)出命令，可生成后綴名為*.GraDb的數(shù)據(jù)庫文件，通過此文件的交互，可實現(xiàn)一次繪制終身共享使用的功能，如圖2所示。

圖1 設(shè)備模型繪制

圖2 圖形庫建立

除此之外，當(dāng)遇到設(shè)備或其他模型相對復(fù)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(zhuǎn)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(dǎo)入圖樣中。

2.3 構(gòu)筑物繪制

三元前驅(qū)體車間為三層鋼框架+門式剛架結(jié)構(gòu)廠房，一層主要設(shè)備為儲液槽、泵及板式換熱器，二層主要設(shè)備為精密過濾器和離心機等，三層主要為反應(yīng)釜等設(shè)備。鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖建模如圖3所示。

圖3 車間工藝布置及土建結(jié)構(gòu)軸側(cè)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(biāo)高分別為3.2、3.4、3.6 m。根據(jù)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(biāo)高為0.725 m，公稱直徑為DN50，精密過濾器進口標(biāo)高為2.3 m，公稱直徑為DN80，根據(jù)泵與精濾器的對應(yīng)關(guān)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(shè)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(yīng)釜是該車間最重要的設(shè)備之一，根據(jù)工藝要求，24臺反應(yīng)釜需要自流進液至16臺陳化槽。反應(yīng)釜合格液出口標(biāo)高為10.925 m，公稱直徑為DN50；不合格液出口標(biāo)高為8.625 m，公稱直徑為DN50；陳化槽進液標(biāo)高為3.15 m，公稱直徑為DN100。反應(yīng)釜6臺為一組對應(yīng)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(yīng)關(guān)系比較復(fù)雜，對應(yīng)的管道是該車間管道圖中最復(fù)雜的一環(huán)。為了應(yīng)對該段管道的復(fù)雜情況，首先將反應(yīng)釜和陳化槽之外的設(shè)備隱藏，并給反應(yīng)釜和陳化槽標(biāo)上序號。該段管道是由4個相似區(qū)塊組成，下面選取其中1個區(qū)塊詳細介紹設(shè)計過程。

圖5 反應(yīng)釜與陳化槽對應(yīng)關(guān)系

反應(yīng)釜出液的管道位于三樓，需要穿樓板至一樓，故該管道應(yīng)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(guī)劃好之后，通過ZWPD軟件內(nèi)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(biāo)分別與輔助線的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)相同。由于該管段采用自流方式，在布管狀態(tài)設(shè)置時可進行坡度設(shè)置。繪制完畢一個區(qū)塊后，剩余的3個相似區(qū)塊可依據(jù)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(yīng)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(jié)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(zhǔn)確獲取管道材料表，如圖7所示。在繪制單管圖時，可根據(jù)歸檔圖樣要求自行定義單管圖出圖區(qū)域、出圖圖幅、圖樣明細表及圖簽等。同樣，通過設(shè)置企業(yè)自身相關(guān)出圖參數(shù)，可將其導(dǎo)出生成后綴名為*.xml的配置文件，通過這個文件可實現(xiàn)企業(yè)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(fā)展，使管道可視化漫游成為了可能。ZWPD軟件可將模型導(dǎo)出至Autodesk Navisworks中，能夠?qū)崿F(xiàn)此功能，如圖8所示。通過此法，結(jié)合VR技術(shù)，緊跟時代潮流，為智能工程建設(shè)添磚加瓦。

圖8 Navisworks演示智慧工廠

3 結(jié)語

本文詳細介紹了ZWPD三維管道設(shè)計軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用。通過三維管道數(shù)據(jù)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(tǒng)計表等功能，大幅減少了設(shè)計時間，提高管道設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。實踐證明，通過該軟件統(tǒng)計材料能將準(zhǔn)確率提高至95%以上，為企業(yè)采購決策提供依據(jù)，有效降低企業(yè)的損失。