侯 旭

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

設計管理

儀表材料相關設計原則及成本控制

侯 旭*

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

介紹化工過程控制儀表設計原則，強調(diào)安裝材料相關設計工作合理性與成本控制方法。圍繞優(yōu)化設計過程，減少項目現(xiàn)場設計變更，節(jié)約總承包項目實施成本，結合實例分析，并提出改進的具體措施。

設計選型 機械竣工 儀表安裝材料 無線工廠架構

針對工程項目，設計與采購的過程控制是否科學有效，直接影響項目成本和效益。儀表工程技術是一門綜合技術，涉及面廣，運用廣泛，與許多專業(yè)學科密切相關?？偨Y從事過程控制儀表設計與采購工作的經(jīng)驗，要高質量的完成儀表設計及采購工作，必須了解儀表設計的相關基本原理與原則。

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

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

(3)過程控制儀表設計追求科學簡約的設計風格。

(4)儀表設備及材料種類多、規(guī)格雜，國內(nèi)外產(chǎn)品特性不同。注重設計的可行性分析，控制項目成本。

1 關注材料相關設計的必要性

1.1 設計與采購存在的問題

在工程項目中因設計選型不當，設計文件內(nèi)容深度不足，設計人員、采購人員、供貨商、業(yè)主之間溝通不暢等問題，造成到貨材料與現(xiàn)場工況要求不一致，施工或維護不便，甚至無法施工或使用。例如，儀表專業(yè)設計統(tǒng)一規(guī)定文件內(nèi)容與項目合同技術協(xié)議或業(yè)主專業(yè)的要求不一致。專業(yè)設計統(tǒng)一規(guī)定及設計文件對橋架梯邊結構形式未進行詳細描述，采購人員針對此項內(nèi)容未與設計人員進行澄清，待貨到現(xiàn)場后，業(yè)主對此提出異議，要求更換橋架。

儀表設計工作應服從本專業(yè)項目設計統(tǒng)一規(guī)定。例如，大型項目設計任務繁重，設計工作按主項進行分工。若設計人員未嚴格執(zhí)行設計統(tǒng)一規(guī)定，將造成不同主項間，同類型材料的接口與規(guī)格選型多樣，導致材料通用性差，不利于項目采購與施工的快速推進，亦增加了裝置運行維護的負擔。

1.2 產(chǎn)生上述問題的原因

儀表材料種類及規(guī)格繁多，使用數(shù)量龐大，要求設計科學合理、精益求精，采購工作事無巨細，實施過程難度較高。

設計及采購人員對材料的設計與采購過程不夠重視，不能辨識材料實物，對本專業(yè)施工關鍵流程內(nèi)容不了解，最終造成設計內(nèi)容與工況要求的偏差；設計理念與采購內(nèi)容的偏差；采購合同與實際供貨的偏差。

1.3 上述問題對EPC工程項目的影響

化工儀表材料安裝階段接近現(xiàn)場機械竣工節(jié)點，涉及材料的設計變更會拖延項目進度，影響項目機械竣工節(jié)點的完成?，F(xiàn)場設計變更消耗EPC項目承包商的純利潤。在EPC項目設計、采購、施工各環(huán)節(jié)中，涉及材料的負面問題，在項目現(xiàn)場具備普遍性，將影響項目整體安裝進程及成品質量。例如：橋架或電纜的敷設，若在施工后期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質量問題或設計問題，對施工進度和利潤影響較大。

2 改進儀表材料相關設計與采購實踐水平的要點

2.1 專業(yè)間科學分工及配合

在化工設計領域，過程控制儀表專業(yè)與工藝、設備、管道等相關專業(yè)聯(lián)系緊密。確定電氣接口、工藝接口相關信息是設計過程中專業(yè)配合的重點內(nèi)容。專業(yè)分工界面執(zhí)行項目專業(yè)設計統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定中未明確部分由相關專業(yè)負責人具體確定，例如，壓縮機與DCS系統(tǒng)I/O清單的編制，設備配套溫度儀表工藝接口形式及插入深度的確定，特殊材質管道儀表安裝方式的確定，上述問題的確定均需要主導專業(yè)與各相關專業(yè)的配合。

以機泵專業(yè)與儀表專業(yè)配合為例。根據(jù)工藝要求，機泵專業(yè)聯(lián)合儀表專業(yè)，在機泵設備技術規(guī)格書中，明確設備檢測與控制方案，請機泵設備廠家提供PLC配置、控制接線箱方案及I/O信號清單。在采購技術協(xié)議談判階段，由儀表專業(yè)主導，相關專業(yè)配合，共同與廠家確定設備自控要求；I/O信號類型、數(shù)量、量程及報警值；對應電氣接口規(guī)格及標準，由各相關專業(yè)對廠家返回資料進行審定和會簽。盡可能減少現(xiàn)場設計變更、緊急增補相關材料、DCS組態(tài)調(diào)整。任何補救措施都將增加采購成本、拖延工程進程、影響工程質量。

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)考慮螺栓長度余量。

大口徑儀表蝶閥緊固件的統(tǒng)計，應根據(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)計閥門配套緊固件時，只需統(tǒng)計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，故各廠家各規(guī)格閥門情況皆不同，儀表專業(yè)必須將每臺閥門的具體情況告知管道專業(yè)。在以往大型總承包項目中，由于管道專業(yè)未接到儀表專業(yè)設計條件，其設計的普通螺栓與閥門定位螺栓預留孔不匹配，導致重復購買大量緊固件，造成經(jīng)濟損失，并影響項目進度。

2.2 注重新技術新產(chǎn)品的運用

儀表專業(yè)技術與產(chǎn)品的更新日新月異，新技術及新產(chǎn)品的合理運用可以優(yōu)化設計方案、節(jié)約建設成本、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構強度和對橋架的支撐密度。由于鋁合金結構重量輕，易于安裝施工操作，材料防腐性能好，抗電磁干擾，同時鋼制橋架熱浸鋅加工過程成本上升，故近年來鋁合金橋架的運用逐漸增多。鋁合金橋架結構強度決定于兩個關鍵因素：梯邊與底板的接觸面積和梯邊與底邊的連接結構。梯邊與底板的接觸面積越大，連接結構越堅固，橋架結構強度越高。國外橋架產(chǎn)品技術說明通常有詳細的負重實驗結果可供設計人員參考，國內(nèi)橋架廠商在產(chǎn)品性能量化分析方面尚有差距。

以無線工廠技術的運用為例。以往工廠檢測點與主機系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))間，針對長距離信號通信工況的材料采購與施工過程，存在成本較高、效費比低的情況。如工廠碼頭計量系統(tǒng)、大型罐區(qū)液位檢測系統(tǒng)，上述系統(tǒng)存在相似的特點。① 儀表檢測點分散；② 各檢測點與主機系統(tǒng)的距離遙遠；③ 各檢測點信號不參與控制過程；④ 各檢測點儀表測量數(shù)據(jù)是工廠計量及統(tǒng)計工作的信息來源。

由于行業(yè)及標準要求，針對分散檢測點儀表與主機系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))距離遙遠的工況，以往設計、采購、施工過程必須克服的困難：① 必須選用四線制儀表，220VAC供電；② 儀表與主機間，橋架和電纜敷設距離較遠；③ 系統(tǒng)需配備電源柜為現(xiàn)場儀表供電；④ 系統(tǒng)設備及材料的采購與施工成本較高。

無線工廠架構見圖1。

圖1 無線工廠架構

該架構分為兩層：第一層為現(xiàn)場無線設備組成的自組織網(wǎng)絡(self organizing network)，采用全網(wǎng)格拓撲結構(mesh topology)，設備間以自我組織、通過智能分配可靠的冗余路徑與網(wǎng)關進行無線通訊。設備配備無線發(fā)射裝置，由工業(yè)級本安認證的鋰電池供電，刷新周期為60s時，電池壽命為10年。第二層為網(wǎng)關與主機系統(tǒng)的無縫集成。網(wǎng)關可安裝于控制室外墻，提供多種接口與不同主機系統(tǒng)連接。

無線工廠技術的運用在解決現(xiàn)場儀表供電及通訊問題的同時，回避采購和敷設橋架與電纜成本，減少系統(tǒng)電源柜的配置。無線工廠技術具備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可將檢測點的參數(shù)和設備診斷信息遠程送至中控主機。如可將質量流量、體積流量、累計流量、過程介質密度、溫度，同時送至中控主機，采用軟件進行顯示及管理，并能自動生成表格文件，對計量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。

2.3 簡化設計過程合理控制成本

科學簡化設計過程是提高設計可行性與可靠性，同時降低工程建設與維護成本的捷徑。以ASME壓力等級劃分規(guī)則為例，ASME B16.5對壓力等級的劃分較為簡約，Class150至Class2500僅包含七個等級。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圖的設計為例。現(xiàn)場儀表至控制系統(tǒng)機柜間電纜通常分為兩段?，F(xiàn)場儀表至接線箱分支電纜及接線箱至機柜間主電纜，少數(shù)布置分散的現(xiàn)場儀表將單獨與機柜間直接相連。爆炸與火災危險環(huán)境的儀表裝置施工，除應符合《自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》GB 50093-2002規(guī)定外，還應符合國家現(xiàn)行的有關標準、規(guī)范的規(guī)定。在電纜敷設途中，所有電氣接口必須滿足現(xiàn)場防爆等級要求，在非防爆區(qū)域，電纜敷設過程中相關電氣接口也應與電纜規(guī)格相匹配。

某項目中，設計人員本意為節(jié)約電纜成本，根據(jù)現(xiàn)場儀表布置情況，盡可能精確選擇接線箱至機柜間主電纜芯數(shù)，造成電纜規(guī)格甚多，衍生出十多種接線箱進出線方案。采購人員需對每個接線箱進出線情況進行統(tǒng)計，以計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，導致接線箱底板無法批量生產(chǎn)，各類材料規(guī)格多樣，降低了材料的通用性，給材料采購、現(xiàn)場施工、后期維護帶來不便。

實踐證明，現(xiàn)場儀表電纜規(guī)格不宜過多。在進行電纜連接圖及電纜敷設圖設計時，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，提高材料的通用性，降低材料統(tǒng)計的難度，縮短材料的生產(chǎn)周期，加快現(xiàn)場施工進度。

2.4 強調(diào)現(xiàn)場實踐及對國內(nèi)外產(chǎn)品的了解

儀表專業(yè)標準安裝圖冊是由國家有關部門統(tǒng)一組織、制定頒發(fā)且在全國或某行業(yè)內(nèi)執(zhí)行的標準圖冊，它有一定的通用性。設計人員應關注現(xiàn)場具體情況，避免盲目照搬標準安裝方案，造成設計施工圖不適用于現(xiàn)場實際情況。

儀表專業(yè)相關材料種類及規(guī)格多樣，在長期工程設計實踐與行業(yè)發(fā)展過程中，由于市場理念、設計習慣、用戶要求的差異，相似類型儀表材料，國內(nèi)與國外不同品牌，產(chǎn)品性能、規(guī)格、用法存在較大差異。

以儀表供氣管線設計為例?，F(xiàn)場儀表供氣系統(tǒng)管路設計存在兩種方式，即單線供氣與支干式供氣。供氣方式的選用決定于現(xiàn)場用氣的負荷布置和單點的用氣量。單線供氣方式針對分散布置或耗氣量波動較大的供氣點，盡可能在干線上取源；支干式供氣方式針對多個用氣點比較集中的場合。

儀表空氣總管旁路工藝閥上游管道系統(tǒng)由管道專業(yè)完成設計。儀表專業(yè)負責總管旁路工藝閥下游的管線設計，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管徑的不銹鋼Pipe管。2"規(guī)格以下管道，壁厚代號可選用Sch40S，2"及以上規(guī)格，壁厚代號可選用Sch10S，所有管件選用對焊形式(承插焊管件價格較高)。氣源球閥上游采用對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，同時提高材料的兼容性。

國內(nèi)外品牌儀表管閥件產(chǎn)品系列存在較大差異，如國外品牌產(chǎn)品系列中無氣源球閥。若業(yè)主要求選用某國外品牌產(chǎn)品，設計人員可用內(nèi)螺紋全通球閥配卡套式直通終端接頭代替氣源球閥。在采購儀表供氣管線用球閥時，應明確標注為全通球閥，供氣管線用球閥不允許縮頸。雖然某些儀表供氣管線標準安裝圖中有設置截止閥的情況，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。

對于大口徑氣動儀表閥門，供氣管線設計需參考閥門廠家最終設計返回資料，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GE煤氣化工藝氣化裝置的特點，高磅級、大口徑儀表氣動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，造成氣源接口管道應力集中，損壞穩(wěn)壓減壓裝置工藝接口的情況。

3 結語

儀表專業(yè)相關材料的設計工作在儀表專業(yè)設計中占據(jù)重要地位，其設計和采購的實踐結果與項目質量、進度、成本控制密切相關。長期以來，對材料的設計和采購過程并不受各專業(yè)和崗位人員的重視。在實踐中，因材料相關設計或采購問題，對項目質量、進度、成本帶來負面影響的實例并不少見，理應引起儀表專業(yè)和相關專業(yè)人員的高度重視。

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4 劉 哲，陳逢陽.石油化工自動控制設計手冊(第三版)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：1111-1123.

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6 蔡爾輔，陳樹輝.化工廠系統(tǒng)設計(第二版)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：61-65.

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

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

2017-08-02)