仪表材料相关设计原则及成本控制

侯 旭

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

设计管理

仪表材料相关设计原则及成本控制

侯 旭*

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

介绍化工过程控制仪表设计原则，强调安装材料相关设计工作合理性与成本控制方法。围绕优化设计过程，减少项目现场设计变更，节约总承包项目实施成本，结合实例分析，并提出改进的具体措施。

设计选型 机械竣工 仪表安装材料 无线工厂架构

针对工程项目，设计与采购的过程控制是否科学有效，直接影响项目成本和效益。仪表工程技术是一门综合技术，涉及面广，运用广泛，与许多专业学科密切相关。总结从事过程控制仪表设计与采购工作的经验，要高质量的完成仪表设计及采购工作，必须了解仪表设计的相关基本原理与原则。

(1)仪表服务于工厂日常生产，仪表设备安装于工艺设备或管道之上，仪表专业与其它专业存在密切的关系。

(2)仪表行业快速发展，新技术新产品不断涌现。

(3)过程控制仪表设计追求科学简约的设计风格。

(4)仪表设备及材料种类多、规格杂，国内外产品特性不同。注重设计的可行性分析，控制项目成本。

1 关注材料相关设计的必要性

1.1 设计与采购存在的问题

在工程项目中因设计选型不当，设计文件内容深度不足，设计人员、采购人员、供货商、业主之间沟通不畅等问题，造成到货材料与现场工况要求不一致，施工或维护不便，甚至无法施工或使用。例如，仪表专业设计统一规定文件内容与项目合同技术协议或业主专业的要求不一致。专业设计统一规定及设计文件对桥架梯边结构形式未进行详细描述，采购人员针对此项内容未与设计人员进行澄清，待货到现场后，业主对此提出异议，要求更换桥架。

仪表设计工作应服从本专业项目设计统一规定。例如，大型项目设计任务繁重，设计工作按主项进行分工。若设计人员未严格执行设计统一规定，将造成不同主项间，同类型材料的接口与规格选型多样，导致材料通用性差，不利于项目采购与施工的快速推进，亦增加了装置运行维护的负担。

1.2 产生上述问题的原因

仪表材料种类及规格繁多，使用数量庞大，要求设计科学合理、精益求精，采购工作事无巨细，实施过程难度较高。

设计及采购人员对材料的设计与采购过程不够重视，不能辨识材料实物，对本专业施工关键流程内容不了解，最终造成设计内容与工况要求的偏差；设计理念与采购内容的偏差；采购合同与实际供货的偏差。

1.3 上述问题对EPC工程项目的影响

化工仪表材料安装阶段接近现场机械竣工节点，涉及材料的设计变更会拖延项目进度，影响项目机械竣工节点的完成。现场设计变更消耗EPC项目承包商的纯利润。在EPC项目设计、采购、施工各环节中，涉及材料的负面问题，在项目现场具备普遍性，将影响项目整体安装进程及成品质量。例如：桥架或电缆的敷设，若在施工后期发现产品质量问题或设计问题，对施工进度和利润影响较大。

2 改进仪表材料相关设计与采购实践水平的要点

2.1 专业间科学分工及配合

在化工设计领域，过程控制仪表专业与工艺、设备、管道等相关专业联系紧密。确定电气接口、工艺接口相关信息是设计过程中专业配合的重点内容。专业分工界面执行项目专业设计统一规定，规定中未明确部分由相关专业负责人具体确定，例如，压缩机与DCS系统I/O清单的编制，设备配套温度仪表工艺接口形式及插入深度的确定，特殊材质管道仪表安装方式的确定，上述问题的确定均需要主导专业与各相关专业的配合。

以机泵专业与仪表专业配合为例。根据工艺要求，机泵专业联合仪表专业，在机泵设备技术规格书中，明确设备检测与控制方案，请机泵设备厂家提供PLC配置、控制接线箱方案及I/O信号清单。在采购技术协议谈判阶段，由仪表专业主导，相关专业配合，共同与厂家确定设备自控要求；I/O信号类型、数量、量程及报警值；对应电气接口规格及标准，由各相关专业对厂家返回资料进行审定和会签。尽可能减少现场设计变更、紧急增补相关材料、DCS组态调整。任何补救措施都将增加采购成本、拖延工程进程、影响工程质量。

以管道专业与仪表专业配合为例。法兰式隔膜压力变送器用于易结晶工况，膜片前需配备冲洗环。在仪表管道安装条件文件中，仪表专业必须向管道专业提供冲洗环厚度尺寸，以便管道专业考虑螺栓长度余量。

大口径仪表蝶阀紧固件的统计，应根据所选蝶阀的具体情况，由仪表专业配备合适的定位螺栓，必须通知管道专业，在统计阀门配套紧固件时，只需统计定位螺栓以外的紧固件。由于阀门定位螺栓配置情况与厂家配套阀体模具有关，故各厂家各规格阀门情况皆不同，仪表专业必须将每台阀门的具体情况告知管道专业。在以往大型总承包项目中，由于管道专业未接到仪表专业设计条件，其设计的普通螺栓与阀门定位螺栓预留孔不匹配，导致重复购买大量紧固件，造成经济损失，并影响项目进度。

2.2 注重新技术新产品的运用

仪表专业技术与产品的更新日新月异，新技术及新产品的合理运用可以优化设计方案、节约建设成本、提高工厂效益。

以仪表桥架选型为例。安装完毕的桥架，其承重能力决定于桥架本身的结构强度和对桥架的支撑密度。由于铝合金结构重量轻，易于安装施工操作，材料防腐性能好，抗电磁干扰，同时钢制桥架热浸锌加工过程成本上升，故近年来铝合金桥架的运用逐渐增多。铝合金桥架结构强度决定于两个关键因素：梯边与底板的接触面积和梯边与底边的连接结构。梯边与底板的接触面积越大，连接结构越坚固，桥架结构强度越高。国外桥架产品技术说明通常有详细的负重实验结果可供设计人员参考，国内桥架厂商在产品性能量化分析方面尚有差距。

以无线工厂技术的运用为例。以往工厂检测点与主机系统(如DCS系统)间，针对长距离信号通信工况的材料采购与施工过程，存在成本较高、效费比低的情况。如工厂码头计量系统、大型罐区液位检测系统，上述系统存在相似的特点。① 仪表检测点分散；② 各检测点与主机系统的距离遥远；③ 各检测点信号不参与控制过程；④ 各检测点仪表测量数据是工厂计量及统计工作的信息来源。

由于行业及标准要求，针对分散检测点仪表与主机系统(如DCS系统)距离遥远的工况，以往设计、采购、施工过程必须克服的困难：① 必须选用四线制仪表，220VAC供电；② 仪表与主机间，桥架和电缆敷设距离较远；③ 系统需配备电源柜为现场仪表供电；④ 系统设备及材料的采购与施工成本较高。

无线工厂架构见图1。

图1 无线工厂架构

该架构分为两层：第一层为现场无线设备组成的自组织网络(self organizing network)，采用全网格拓扑结构(mesh topology)，设备间以自我组织、通过智能分配可靠的冗余路径与网关进行无线通讯。设备配备无线发射装置，由工业级本安认证的锂电池供电，刷新周期为60s时，电池寿命为10年。第二层为网关与主机系统的无缝集成。网关可安装于控制室外墙，提供多种接口与不同主机系统连接。

无线工厂技术的运用在解决现场仪表供电及通讯问题的同时，回避采购和敷设桥架与电缆成本，减少系统电源柜的配置。无线工厂技术具备数据管理系统，可将检测点的参数和设备诊断信息远程送至中控主机。如可将质量流量、体积流量、累计流量、过程介质密度、温度，同时送至中控主机，采用软件进行显示及管理，并能自动生成表格文件，对计量数据进行统计与分析。

2.3 简化设计过程合理控制成本

科学简化设计过程是提高设计可行性与可靠性，同时降低工程建设与维护成本的捷径。以ASME压力等级划分规则为例，ASME B16.5对压力等级的划分较为简约，Class150至Class2500仅包含七个等级。其目的为减少材料规格，排除不确定因素，提高管道系统的可靠性及密封性能，确保法兰与管道连接的准确性，提高管道系统各类配件间的兼容性。

以仪表电缆连接图与仪表敷设图的设计为例。现场仪表至控制系统机柜间电缆通常分为两段。现场仪表至接线箱分支电缆及接线箱至机柜间主电缆，少数布置分散的现场仪表将单独与机柜间直接相连。爆炸与火灾危险环境的仪表装置施工，除应符合《自动化仪表工程施工及验收规范》GB 50093-2002规定外，还应符合国家现行的有关标准、规范的规定。在电缆敷设途中，所有电气接口必须满足现场防爆等级要求，在非防爆区域，电缆敷设过程中相关电气接口也应与电缆规格相匹配。

某项目中，设计人员本意为节约电缆成本，根据现场仪表布置情况，尽可能精确选择接线箱至机柜间主电缆芯数，造成电缆规格甚多，衍生出十多种接线箱进出线方案。采购人员需对每个接线箱进出线情况进行统计，以计算所需电缆密封接头、挠性管、接线箱堵头的规格和数量，导致接线箱底板无法批量生产，各类材料规格多样，降低了材料的通用性，给材料采购、现场施工、后期维护带来不便。

实践证明，现场仪表电缆规格不宜过多。在进行电缆连接图及电缆敷设图设计时，需考虑各电气接口与材料规格的配合，整合相似情况化繁为简，提高材料的通用性，降低材料统计的难度，缩短材料的生产周期，加快现场施工进度。

2.4 强调现场实践及对国内外产品的了解

仪表专业标准安装图册是由国家有关部门统一组织、制定颁发且在全国或某行业内执行的标准图册，它有一定的通用性。设计人员应关注现场具体情况，避免盲目照搬标准安装方案，造成设计施工图不适用于现场实际情况。

仪表专业相关材料种类及规格多样，在长期工程设计实践与行业发展过程中，由于市场理念、设计习惯、用户要求的差异，相似类型仪表材料，国内与国外不同品牌，产品性能、规格、用法存在较大差异。

以仪表供气管线设计为例。现场仪表供气系统管路设计存在两种方式，即单线供气与支干式供气。供气方式的选用决定于现场用气的负荷布置和单点的用气量。单线供气方式针对分散布置或耗气量波动较大的供气点，尽可能在干线上取源；支干式供气方式针对多个用气点比较集中的场合。

仪表空气总管旁路工艺阀上游管道系统由管道专业完成设计。仪表专业负责总管旁路工艺阀下游的管线设计，其管线主要包含干线管道与支干线管道。仪表空气经干线管道，被送至装置内部，再经支干线管道送至各用气区域，最后经接气源球阀送入用气单元。

当前性能与成本兼顾的气源管线配备方案为仪表空气干线管道和支干线管道选用相应管径的不锈钢Pipe管。2"规格以下管道，壁厚代号可选用Sch40S，2"及以上规格，壁厚代号可选用Sch10S，所有管件选用对焊形式(承插焊管件价格较高)。气源球阀上游采用对焊式直通螺纹终端接头(配外套螺母及接管)将Pipe管与气源球阀相连，气源球阀下游配Tube管，与用气单元相连。因相似规格的Pipe管材的采购成本明显低于Tube管材，同规格Pipe管在工艺管道系统中也有大量使用，故上述气源系统配管形式将减少Tube管材的使用量，同时提高材料的兼容性。

国内外品牌仪表管阀件产品系列存在较大差异，如国外品牌产品系列中无气源球阀。若业主要求选用某国外品牌产品，设计人员可用内螺纹全通球阀配卡套式直通终端接头代替气源球阀。在采购仪表供气管线用球阀时，应明确标注为全通球阀，供气管线用球阀不允许缩颈。虽然某些仪表供气管线标准安装图中有设置截止阀的情况，由于公称直径相同的截止阀与全通球阀相比，流道曲折且截面积小，故不推荐在仪表供气管线使用截止阀。

对于大口径气动仪表阀门，供气管线设计需参考阀门厂家最终设计返回资料，根据阀门用气量与阀门气源接口规格，确定供气管线的口径及供气管线与阀门气源接口的连接形式。如针对GE煤气化工艺气化装置的特点，高磅级、大口径仪表气动蝶阀与球阀较多的情况，阀门气源接口与供气管线末端球阀之间，应采用两端活接头金属软管连接，克服大口径气源管线配管困难，避免仪表阀门本体震动，造成气源接口管道应力集中，损坏稳压减压装置工艺接口的情况。

3 结语

仪表专业相关材料的设计工作在仪表专业设计中占据重要地位，其设计和采购的实践结果与项目质量、进度、成本控制密切相关。长期以来，对材料的设计和采购过程并不受各专业和岗位人员的重视。在实践中，因材料相关设计或采购问题，对项目质量、进度、成本带来负面影响的实例并不少见，理应引起仪表专业和相关专业人员的高度重视。

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*侯 旭：工程师。2008年毕业于西安石油大学测控技术与仪器专业。从事总承包项目工程采购工作。联系电话：18629198681，E-mail:hx2303@chinahualueng.com。

2017-08-02)