油氣田地面工程模塊化建設(shè)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

魏濤 董姝妙 全本軍

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司；2.中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司）

0 引言

21世紀(jì)以來，石油天然氣需求不斷增加，勘探開發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步，油氣開采區(qū)域從陸地轉(zhuǎn)向海洋，從溫帶轉(zhuǎn)向極寒極熱等自然環(huán)境惡劣區(qū)域。隨著勘探范圍擴(kuò)展，對環(huán)保要求和安全保障條件提出挑戰(zhàn)，油氣田地面建設(shè)面臨的安全環(huán)保壓力越來越大。傳統(tǒng)的構(gòu)件式工程建設(shè)模式已經(jīng)難以滿足發(fā)展需要，模塊化正是在這一背景下發(fā)展起來的。

模塊化建設(shè)是指設(shè)計(jì)階段對工藝流程進(jìn)行模塊化分析，按功能單元或流程分為若干個(gè)模塊，將工藝設(shè)備、管道、電氣設(shè)備、儀表控制設(shè)備及電纜、管廊、橋架進(jìn)行高度集成化；然后，利用模塊化設(shè)計(jì)成果，在遠(yuǎn)離項(xiàng)目地點(diǎn)的建造廠內(nèi)平行建造多個(gè)模塊，在廠內(nèi)最大限度地完成預(yù)制、組裝、試壓和防腐等工作；最后，將模塊通過海運(yùn)、陸運(yùn)等形式運(yùn)往現(xiàn)場，進(jìn)行模塊間的安裝連接，完成項(xiàng)目試車投產(chǎn)的一種建設(shè)模式［1］。

油氣田地面工程的模塊化建設(shè)主要包含模塊化設(shè)計(jì)、工廠化建造、包裝運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝四個(gè)環(huán)節(jié)，其中模塊化設(shè)計(jì)的任務(wù)是將站廠設(shè)施劃分成若干模塊，并在三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行配管、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣儀表等的集成和綜合設(shè)計(jì)［2］。近年來，模塊化建設(shè)模式的研究和推廣應(yīng)用表明，模塊化設(shè)計(jì)是模塊化建設(shè)的核心和靈魂［3］，是模塊化實(shí)施過程的重中之重。

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本要求

模塊化設(shè)計(jì)的前提是設(shè)計(jì)人員對各種地面工程工藝流程透徹了解和具有模塊化思維，需要選擇工藝技術(shù)水平高且具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程公司進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和審查。

模塊化對設(shè)計(jì)人員提出了更高要求，模塊化設(shè)計(jì)人員除了應(yīng)當(dāng)具備模塊化專業(yè)技術(shù)，熟悉模塊的預(yù)制、組裝、拆分、包裝、運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝等各環(huán)節(jié)之外，還需要考慮各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系和配合，確保模塊的順利建造、安全運(yùn)輸及現(xiàn)場簡易安裝，實(shí)現(xiàn)最佳效果。

2 模塊化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

模塊的設(shè)計(jì)工作受眾多影響因素制約，需要統(tǒng)籌整個(gè)模塊化建設(shè)的全局，不但需要考慮裝置的安全生產(chǎn)、出現(xiàn)事故時(shí)的逃生路線、設(shè)備的可操作性及檢修的便利性，而且要從模塊裝置本身的特點(diǎn)出發(fā)，解決在實(shí)施過程中模塊化設(shè)計(jì)工作的問題。

模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)做好以下工作：

2.1 模塊劃分

模塊的劃分需要基于一定深度的三維模型，模塊劃分與設(shè)備、配管等專業(yè)交叉，是模塊化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

模塊劃分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：1）滿足工藝流程和操作要求。合理劃分設(shè)備和管道位置，滿足工藝流程要求，同時(shí)兼顧操作及維檢修的需求。2）結(jié)合運(yùn)輸線路、重量和尺寸等運(yùn)輸限制條件，確定模塊大小，同時(shí)考慮現(xiàn)場機(jī)械吊裝能力。3）考慮模塊的功能完整性，每個(gè)模塊盡可能包含所對應(yīng)的P&ID（Piping and Instrument Diagram）上的主要系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，并盡量以閥門、儀表等法蘭連接件的法蘭作為模塊分界面。4）模塊內(nèi)的設(shè)備、管道及其他部件應(yīng)該緊湊布置，同時(shí)考慮模塊的平衡性，確保模塊中心與幾何重心偏離在合理范圍內(nèi)，確保模塊運(yùn)輸和安裝過程中的穩(wěn)定性［4］。5）相鄰模塊間設(shè)置公用操作、檢維修通道，減小模塊尺寸。

2.2 設(shè)備布置與總體布局

設(shè)備布置的基本原則是滿足工藝設(shè)計(jì)、日常生產(chǎn)操作和維檢修的要求；模塊總體布局應(yīng)當(dāng)符合全廠總體規(guī)劃的要求，適應(yīng)所在地區(qū)的自然條件等。

2.2.1 按工藝流程順序布置

設(shè)備按照工藝流程順序進(jìn)行左右先后、高低上下的布置，確保工藝流體的順序流動(dòng)，避免因管道多次折返繞行增加壓降，損耗動(dòng)力；同時(shí)，設(shè)備布置按照工藝流程順序，可以大量減少管材用量。

2.2.2 同類設(shè)備集中布置

同類設(shè)備集中布置有利于對特性相近的設(shè)備采取統(tǒng)一措施，進(jìn)行防護(hù)。

2.2.3 設(shè)備布置應(yīng)當(dāng)滿足操作及維修需要

模塊建成后，需要為日常生產(chǎn)管理提供方便，確保正常生產(chǎn)中巡檢、操作所需的空間。設(shè)備布置不能過于密集，必須滿足維修維護(hù)的要求，確保大型設(shè)備拆裝、調(diào)運(yùn)及檢修所需要的場地和大型吊機(jī)到達(dá)設(shè)備附近的通道。

2.2.4 總體布局適應(yīng)總體規(guī)劃

模塊化總體布局需要遵循全廠總體規(guī)劃。設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮后續(xù)開發(fā)的可能，不影響二期、三期工程的施工。根據(jù)全廠總流程設(shè)計(jì)的要求，將一些模塊集中緊湊布置，組成聯(lián)合裝置，并合用一個(gè)儀表控制系統(tǒng)。

2.2.5 總體布局應(yīng)當(dāng)滿足安全生產(chǎn)

危險(xiǎn)區(qū)域的模塊與含有火源和引爆源區(qū)域的模塊分隔布置，確保安全距離。降低危險(xiǎn)區(qū)域泄漏的可燃?xì)怏w進(jìn)入防爆區(qū)域的可能性。救生設(shè)備放置在安全且容易到達(dá)的位置，以便險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，人員能夠利用它快速撤離［5］。

2.2.6 總體布局應(yīng)當(dāng)適應(yīng)自然條件

模塊化總體布局設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)所在地區(qū)的自然條件，包括：氣候、風(fēng)向、地形和地質(zhì)等。根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣溫、降雨量、風(fēng)沙等氣候條件和某些設(shè)備的屬性要求，確定設(shè)備是露天布置還是放置在室內(nèi)。對于占地面積大的超大模塊，根據(jù)裝置內(nèi)可能出現(xiàn)地質(zhì)條件好壞不同的地段，考慮將重載荷設(shè)備和有振動(dòng)的設(shè)備布置在地質(zhì)條件好的地段，使其基礎(chǔ)牢固可靠，確保裝置安全生產(chǎn)操作。為避免事故出現(xiàn)后的次生危險(xiǎn)，模塊的布置應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)向影響。

2.3 各專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同

相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，模塊化的設(shè)計(jì)內(nèi)容和工作量有所增加，設(shè)計(jì)精度和制造準(zhǔn)確度要求更高。做好模塊化設(shè)計(jì)，需要各專業(yè)緊密聯(lián)系，協(xié)同設(shè)計(jì)。

設(shè)備選型時(shí)，設(shè)備專業(yè)應(yīng)當(dāng)首先考慮臥式設(shè)備，其有利于設(shè)備成模塊及運(yùn)輸；其次考慮避免模塊內(nèi)設(shè)備的頂部平臺(tái)、配管等出現(xiàn)超高問題；不考慮大型立式設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，避免增加運(yùn)輸難度。

配管專業(yè)的主要工作是布置設(shè)備和管道，在P&ID的指導(dǎo)下，將工藝設(shè)備通過管道、管件、閥門和儀表等聯(lián)系起來，組成一個(gè)模塊整體［6］，需要其與各專業(yè)進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)。管道布置必須滿足安全逃生的需要，模塊與外界管道的布局和形式應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一設(shè)置，同時(shí)，注意管道與設(shè)備位置的協(xié)調(diào)性。工藝設(shè)備布置與電儀設(shè)備相結(jié)合，避免管道與電纜橋架、穿線管、信號變送器等位置相沖突。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［7］，鋼結(jié)構(gòu)必須確保設(shè)備安全運(yùn)行。結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)當(dāng)做好一般工況下的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行模塊吊裝分析，驗(yàn)證吊裝過程中的撓度和形變，分析是否會(huì)發(fā)生傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算過程中，既要考慮靜載荷要求，又要考慮模塊運(yùn)輸過程中的動(dòng)載荷［8］。模塊重要節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如：柱腳節(jié)點(diǎn)、模塊的連接點(diǎn)、臨時(shí)支撐點(diǎn)和吊耳節(jié)點(diǎn)等的設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)專業(yè)的重點(diǎn)。

電氣專業(yè)分配的空間需要滿足區(qū)域劃分的要求；儀表專業(yè)要對儀器儀表位置、信號輸入和輸出點(diǎn)一級控制柜的大小進(jìn)行確定［9］。電儀和外界的連接應(yīng)當(dāng)考慮統(tǒng)一的連接形式，電儀接線箱適宜布置在模塊靠近主橋架一端，確保儀表流量計(jì)前后直管段的要求，如：某些流量計(jì)要求前后直管道長度一般不小于20D和5D（D為管道直徑）［10］。

2.4 三維設(shè)計(jì)與審查

模塊化設(shè)計(jì)采用三維設(shè)計(jì)，具有直觀性和形象性。在三維模型建立完畢后，圖紙和設(shè)備材料表可以直接從三維模型生成，用于原材料采購和現(xiàn)場施工。可以通過實(shí)景模擬，用三維模型指導(dǎo)碰撞檢查、安全逃生、檢測維修和可操作性等方面的設(shè)計(jì)，為模塊的預(yù)制、組裝、拆分、包裝、吊裝和運(yùn)輸提供幫助［11］。

2.4.1 三維設(shè)計(jì)軟件選擇

目前主流的三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)主要包括PDMS（Plant Design Management System）和PDS（Plant Design System）系統(tǒng)。PDMS源于英國劍橋計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中心開發(fā)的集成設(shè)計(jì)布置數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，PDMS三維設(shè)計(jì)可以通過數(shù)據(jù)傳遞，最大程度地滲透到EPC（Engineering Procurement Construction）項(xiàng)目整個(gè)過程，提高EPC項(xiàng)目整體水平，是目前應(yīng)用最為廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件［12］。

2.4.2 三維協(xié)同建模

利用PDMS軟件，管道專業(yè)可以通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備和管道的建模，土建專業(yè)可以進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、房屋和地坪等的建模。PDMS軟件展示立體模型，可以直接、方便地對模型進(jìn)行校對和修改［13］。

同時(shí)，各專業(yè)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)：總圖專業(yè)在模型中建立軸網(wǎng)坐標(biāo)，規(guī)劃道路、埋地管道、管溝、路燈和管廊的位置；配管專業(yè)組織各專業(yè)開展建模，統(tǒng)籌考慮各專業(yè)的需求；結(jié)構(gòu)專業(yè)開展鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物設(shè)計(jì)；電氣自控專業(yè)完成電氣儀表、電纜槽體建模；暖通專業(yè)負(fù)責(zé)暖通設(shè)施建模，供各專業(yè)參考避讓；依托其他專業(yè)設(shè)施，通信、防腐專業(yè)進(jìn)行本專業(yè)三維布置，確定重要設(shè)施位置。

2.4.3 三維模型審查

三維模型的設(shè)計(jì)不但要做好模型搭建、管道和設(shè)備布置，而且各專業(yè)對三維模型的審查也極為重要。三維模型審查通常按照階段劃分，從三維設(shè)計(jì)開始到完成，按照30%、60%和90%三個(gè)節(jié)點(diǎn)分階段審查。30%階段審查模塊設(shè)計(jì)的總體方案；60%階段審查設(shè)備供應(yīng)商資料與整體的沖突，需要各專業(yè)詳細(xì)逐條審查確認(rèn)，避免設(shè)計(jì)返工；90%階段審查各專業(yè)協(xié)作與分工的合理性，重點(diǎn)檢查專業(yè)間的碰撞及生產(chǎn)操作界面的合理性，需要具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的人員參與。

2.5 模塊包裝及防護(hù)

模塊到達(dá)施工現(xiàn)場前需要經(jīng)過長距離運(yùn)輸、多次吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)，因而出廠前需要對其進(jìn)行有效包裝防護(hù)。包裝防護(hù)應(yīng)當(dāng)牢固、美觀，模塊包裝的具體要求如下：

1）選擇包裝方式

首先根據(jù)項(xiàng)目所在地的自然條件和模塊類型，選用適合的包裝方式。不同項(xiàng)目實(shí)施地到模塊化工廠的距離不同，所采用的包裝方式也不同。單體模塊常見的包裝防護(hù)方式有裸裝、木箱、雨布、鐵皮和熱收縮膜等。

2）適應(yīng)運(yùn)輸條件及天氣

模塊的包裝應(yīng)當(dāng)適應(yīng)運(yùn)輸條件和天氣條件。運(yùn)輸條件主要是指運(yùn)輸工具和路線對模塊的重量和尺寸的限定，模塊的包裝需要滿足運(yùn)輸條件的限制；天氣條件會(huì)對路況產(chǎn)生影響，雨雪等天氣會(huì)對模塊中的設(shè)備和儀器儀表產(chǎn)生腐蝕、進(jìn)水等危害，模塊包裝應(yīng)當(dāng)能夠防護(hù)惡劣天氣帶來的危害。

3）滿足倉儲(chǔ)要求

模塊到達(dá)目的地后有可能存放一段時(shí)間，因此，其外包裝應(yīng)當(dāng)滿足倉儲(chǔ)要求［14］。

2.6 吊裝及運(yùn)輸

模塊運(yùn)輸是模塊化實(shí)施過程的重要環(huán)節(jié)，模塊的裝車或裝船、轉(zhuǎn)運(yùn)、卸車等過程需要緊密結(jié)合［15］。模塊的運(yùn)輸及裝卸方式直接影響模塊設(shè)計(jì)，正確合理的運(yùn)輸和吊裝方案，可以確保模塊安全、順利地運(yùn)抵目的地［16］。

2.6.1 確定運(yùn)輸方式

在模塊設(shè)計(jì)之初，需要在對不同運(yùn)輸方式、運(yùn)輸路徑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研及考察后，確定模塊安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸工具。目前大型模塊的運(yùn)輸多采用自行式模塊運(yùn)輸車（SPMT，即Self-propelled modular transporter），可用于高、大、重的貨物的運(yùn)輸，靈活方便，車載質(zhì)量可達(dá)數(shù)萬噸。

2.6.2 考察運(yùn)輸條件

需要充分考察、確認(rèn)模塊制造廠與項(xiàng)目現(xiàn)場之間的運(yùn)輸條件限制，主要是對貨物重量和尺寸的限制。運(yùn)輸路由和運(yùn)輸工具會(huì)限制貨物長、寬、高的最大尺寸及貨物最大重量，模塊運(yùn)輸需要滿足這些條件，并以此計(jì)算各模塊的最終尺寸和重量。

2.6.3 模塊的拆分

在確定了運(yùn)輸路徑、運(yùn)輸方式和相應(yīng)的運(yùn)輸條件后，需要開展模塊的整體布局及模塊劃分與拆分的設(shè)計(jì)，滿足運(yùn)輸要求。模塊拆分要盡量確保裝置的完整性，減少拆分工作量；結(jié)合設(shè)備、管道等布置形式進(jìn)行拆分，減少臨時(shí)支架等外設(shè)。

2.6.4 模塊的吊裝

由于模塊的重量和尺寸較大，其吊裝高空作業(yè)量大，具有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。模塊整體吊裝需要做好前期設(shè)計(jì)：完成模塊總圖后，根據(jù)整體吊裝構(gòu)想，合理確定主、副吊耳位置；模塊圖紙完備后，對模塊整體進(jìn)行建模，進(jìn)行受力校核計(jì)算，確定模塊吊裝過程中的受力狀況、穩(wěn)定性和形變量，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬分析，確保吊裝作業(yè)期間模塊吊裝按照分析結(jié)果安全進(jìn)行［17］。

2.7 現(xiàn)場復(fù)位安裝

模塊化的設(shè)計(jì)原則是工廠預(yù)制最大化，將項(xiàng)目現(xiàn)場的工作量盡量在制造廠內(nèi)完成，減少現(xiàn)場復(fù)位安裝的工作量［18］，特別是焊接工作量。模塊連接應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成插件式安裝，采用法蘭連接，螺栓螺母固定，實(shí)現(xiàn)快速復(fù)位安裝［19］。模塊現(xiàn)場復(fù)位安裝工作包括鋼結(jié)構(gòu)安裝、單個(gè)模塊安裝、設(shè)備和電纜安裝、模塊間的鋼結(jié)構(gòu)及管道連接，以及保溫、電伴熱等施工。

模塊的現(xiàn)場復(fù)位安裝與傳統(tǒng)建造的現(xiàn)場施工差別較大。模塊的現(xiàn)場復(fù)位安裝需要在制造廠的指導(dǎo)下，按照制造廠制定的復(fù)裝手冊進(jìn)行。在模塊出廠包裝過程中，需要做好復(fù)位安裝順序的標(biāo)識(shí)和說明，確保復(fù)位安裝順利進(jìn)行［20］。

項(xiàng)目施工現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)較高。為減少現(xiàn)場高空作業(yè)，有效控制安全隱患，模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能地實(shí)現(xiàn)地面安裝，避免高空施工帶來的安全和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)［21］。

3 結(jié)束語

模塊化技術(shù)優(yōu)勢明顯，已經(jīng)成為大型油氣田工程建設(shè)高效施工的關(guān)鍵手段。模塊化設(shè)計(jì)上的問題對模塊化的順利實(shí)施和成功應(yīng)用影響很大，如何做好模塊化設(shè)計(jì)工作，是模塊化發(fā)展過程中的關(guān)鍵課題。在模塊化設(shè)計(jì)過程中，需要從模塊劃分、設(shè)備布置與總體布局、各專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同、三維設(shè)計(jì)與審查、包裝及防護(hù)、吊裝及運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝等多方面進(jìn)行考慮，才能確保模塊化的順利實(shí)施。