石油天然氣裝置模塊化設計關鍵概念解析

王輝 王佩紅 高威

1.中石油華東設計院有限公司 2.中國石油集團工程股份有限公司

自20世紀60年代開始，模塊化技術在造船業(yè)發(fā)達的美國、蘇聯(lián)、韓國和日本等國得到了迅速發(fā)展，被視為模塊化技術的起源；20世紀70年代，此技術被美國、歐洲多國應用在海上油氣鉆井平臺工程項目中，即模塊化技術進入了油氣行業(yè)；到了20世紀80年代，隨著高精度的設計手段和現(xiàn)代化大型裝備的出現(xiàn)，西方發(fā)達國家將模塊化技術陸續(xù)應用于油田地面工程、天然氣處理廠、煉油化工廠、礦業(yè)加工廠等陸上項目的建造中，模塊化技術的應用由海洋發(fā)展到陸地。

陸上石油化工及天然氣處理裝置的模塊化建造可以克服項目建設地勞動力短缺、人力成本過高、環(huán)保要求苛刻等諸多不利因素的影響，因此，該技術在福陸(Fluor)、?？松梨?Exxon Mobil)、康菲(Conoco Phillips)、殼牌(Shell)等國際知名跨國石油公司的工程項目中已經(jīng)得到大量應用，取得了豐富的工程經(jīng)驗。

對我國而言，雖然一些油田地面工程、中小型天然氣處理工程項目中采用了模塊化設計建造技術，但由于未能從理論層面形成科學、系統(tǒng)的技術體系，使得在國外經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)大型石油化工及天然氣處理工程項目中仍然采用傳統(tǒng)建造方式，即便部分制造廠商承接的大型模/橇塊制造項目也均由國外工程公司設計。

基于此，中國石油天然氣集團公司“300億方/年天然氣處理工程裝置模塊化設計制造技術研究”課題組依托某300×108m3/a天然氣處理廠項目，深入研究了模塊化設計技術，編制了《石油天然氣裝置模塊化設計導則》[1](以下簡稱《導則》)，并順利通過專家評審。該導則是我國第1部關于石油天然氣裝置模塊化設計的技術文件，以下旨在對其中的關鍵概念進行解析，以利于廣大設計人員準確理解模塊化設計的相關概念，把握模塊化設計的方向。

1 模塊化建造的實質

模塊化建造的優(yōu)缺點見表1。從表1可以看出，由于項目現(xiàn)場存在一些經(jīng)濟、人文、氣候、環(huán)境及工程保障等難以克服的制約因素，故采用模塊、橇塊的型式把盡量多的工作從不具備條件的項目現(xiàn)場轉移到條件良好的制造廠，可實現(xiàn)施工量“工廠最大化，現(xiàn)場最小化”[2]。因此，模塊化的實質是轉移工作。

2 概念解析

2.1 橇塊與模塊

橇塊與模塊是模塊化設計中最基本的概念，但國內外對于橇塊與模塊均沒有清晰明確的定義，往往將兩者混為一談，不加區(qū)分，給工程實踐和人員交流帶來極大的不便，所以在《導則》中首先對這兩個概念進行了定義。

《導則》中明確：橇塊(skid)是在特定大小的鋼制底框上將設備、管道、保溫、伴熱、儀表、電氣、平臺、梯子等集中布置并可以整體吊裝、運輸和裝配的集合體。

結合模塊化建造的實質可以看出，橇塊的定義包含兩層意思：一是轉移工作，二是高度集成。

把工作從不具備條件的現(xiàn)場轉移到條件良好的制造廠，屬于項目策劃的范疇；把工作以一定的型式從制造廠轉移到現(xiàn)場，屬于項目實施的范疇。如果不能把轉移到制造廠的工作以一定的型式轉移到現(xiàn)場，那么模塊化就失敗了，這個“型式”就是橇塊，它通過“特定大小的鋼制底框”、以“整體吊裝、運輸和裝配”的方式實現(xiàn)“轉移工作”。

“轉移工作”的“型式”問題明確后，緊接著便是“轉移多少”的問題。比如，當建設地現(xiàn)場施工條件不佳時，可考慮其保溫、伴熱在制造廠完成，將該項工作由條件不好的項目建設地轉移到條件好的制造廠，進而避免了現(xiàn)場不利因素對項目的影響，符合模塊化建造實質的要求。因此，應將設備、管道、保溫、伴熱、儀表、電氣、平臺、梯子等盡量多的裝置組成元素集中布置在橇內，從而使模塊化建造的優(yōu)勢最大化。

表1 模塊化建造的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of modular construction優(yōu)點缺點人工時成本(1) 大量安裝、檢測、調試等工作在制造廠完成,減少了施工現(xiàn)場對勞動力的需求。(2) 雖然模塊現(xiàn)場安裝仍然需要大量的勞動力,但通過合理的現(xiàn)場施工順序和周密的運輸調度,可使模塊分批分時段到達施工現(xiàn)場,既可以避免現(xiàn)場出現(xiàn)用工高峰,又可以避免大量勞動力閑置,而且可以提高勞動力的利用率和勞動效率。(3) 大量焊接工作在制造廠完成,模塊與外界連接時(管道、結構等)采用有效的機械連接代替部分焊接方式可以減少勞動力和人工時。(4) 當項目處于人口較少、面積較小、欠發(fā)達等國家或地區(qū)時,能有效解決當?shù)丶夹g工人數(shù)量不足、外籍勞工輸入數(shù)量受限等難題。(5) 施工現(xiàn)場勞動力的大量減少,可有效降低對當?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活的影響。(6) 當施工地人力成本比制造廠高時,可有效降低人力成本。固定成本(1) 可有效減少現(xiàn)場臨時生活設施。(2) 可有效減少現(xiàn)場材料臨時儲存用地。(3) 可有效減少現(xiàn)場施工量。(4) 可有效減少現(xiàn)場施工機具的數(shù)量,尤其是大型起重機數(shù)量。(5) 可有效減少現(xiàn)場腳手架的使用。(6) 可有效降低現(xiàn)場潛在的交通壓力,尤其是對人口較少、面積較小的島嶼型國家更為明顯。(7) 可有效降低因氣候、政策(如環(huán)境保護等)等原因產(chǎn)生的費用。質量控制(1) 模塊制造廠管理規(guī)范、工人技術水平高、設施先進,質量易于保證。(2) 模塊制造廠作業(yè)環(huán)境好,避免了惡劣條件對工程質量的影響。(3) 模塊制造廠集中建造,工序固定,合格率高。工期控制(1) 實現(xiàn)了現(xiàn)場、模塊制造廠多場地同步作業(yè),節(jié)省工期。(2) 模塊可由多個制造廠同時制造,將有效縮短工期。(3) 模塊制造廠作業(yè)環(huán)境好,可有效降低惡劣天氣及其他不可控因素對項目工期的影響。(4) 模塊制造廠工人技術水平高、設施先進、工序固定,勞動效率高,從而縮短工期。(5) 采用模塊化后,現(xiàn)場人均作業(yè)空間增大,有利于提高現(xiàn)場施工效率。安全管理(1) 模塊制造廠安全設施齊全,作業(yè)風險較小。(2) 現(xiàn)場人員、機具、交叉作業(yè)減少,降低了事故發(fā)生的概率。(3) 現(xiàn)場腳手架減少,降低了作業(yè)風險。(1) 模/橇塊化項目管理難度較大,尤其是在關鍵模塊出現(xiàn)延誤時對項目工期會產(chǎn)生較大影響。(2) 設計前期需要對運輸路線進行踏勘并根據(jù)有關法律、法規(guī)確定模塊大小、質量及重心高度限制。(3) 模/橇塊大小和質量的限制給設計帶來不便。(4) 一般情況下,模塊化會使用鋼量增加10%～15%,這包括模塊鋼結構和在運輸、安裝中起防護、加固作用而增加的額外用鋼量。(5) 由于用鋼量的增加,導致吊裝、運輸和安裝時荷載的增加。(6) 增加了運輸成本、物流規(guī)劃工作量和相關操作費用。(7) 模/橇塊長途運輸?shù)臅r間和過程增加了工期、成本的不確定性和其他風險。(8) 模/橇塊之間及其與外界連接界面多,制造和安裝公差要求高。(9) 模塊化將管道、結構、設備、電氣、儀表等集中在橇塊內,在運輸與現(xiàn)場安裝時需要更大起重能力的設備。

《導則》中明確：模塊(module)是由兩個或兩個以上橇塊裝配而成并具有一定工藝功能的組合體。

如圖1所示，在課題的依托項目中，MD-3110101A、MD-3110101B、MD-3110101C、MD-3110101D和MD-3110101E共5個橇塊組成了1個名為MD-3110101的模塊。

近年來，在油田地面工程、天然氣處理工程項目中探索了定型化、標準化、系列化的設計、施工方法，為了滿足這一方法與模塊化建造有機結合，在模塊的定義中增加了“具有一定工藝功能”的要求，以達到“預先制造”、“可替換”的定型化、標準化、系列化要求，但這并不是強制性要求。例如，中石油蘇丹油田地面工程中常見的功能模/橇塊見表2。

從表2可以看出，在油田地面工程中，不僅模塊具有一定的工藝功能，有些橇塊也具有一定的工藝功能。但考慮到位于內陸的天然氣處理工程項目常采用汽車運輸?shù)姆绞剑翂K的規(guī)格一般都很小，很難實現(xiàn)“具有一定的工藝功能”。因此，橇塊的定義中沒有此項要求。

需注意，由于煉油和化工裝置工藝復雜，流程長，設備、管道尺寸大，介質種類多，操作溫度高，所以大多數(shù)煉油和化工裝置的模塊化僅適用于“海(制造廠)對海(現(xiàn)場)”的情況，其模塊質量一般都在5000噸級左右甚至上萬噸級。在設計過程中，一般是以滿足“模塊規(guī)格”為前提，以“一定工藝功能”為范圍，劃分成一個或者多個模塊而沒有橇塊。橇塊是在模塊的制造階段，由制造廠根據(jù)自身車間、場地、機具等限制因素劃分的。

表2 蘇丹油田地面工程中常見的功能模/橇塊[3]Table 2 Common function modules and skids in Sudan oilfield surface engineering序號單元功能模塊1井口單元輕油井模塊、重油井模塊、注水井模塊、注汽井模塊、氣舉井模塊2計量站單元原油計量站模塊、配水計量站模塊、配氣計量站模塊3油氣集輸處理站、聯(lián)合站單元收球筒模塊、換熱器模塊、分離器模塊、加藥橇、儀表風橇、制氮機模塊、水處理模塊、加熱爐模塊、電脫水器模塊、輸油泵模塊、計量橇、發(fā)球筒模塊4注水站單元浮選機模塊、過濾器模塊、注水泵模塊5發(fā)電站單元發(fā)電機組模塊、空冷模塊、注油模塊、水處理模塊、儀表風橇、制氮機模塊

2.2 模/橇塊最大規(guī)格

《導則》中明確：模/橇塊最大規(guī)格(the maximum size of module/skid)是指在模/橇塊的制造、運輸和安裝過程中，最不利條件下模/橇塊的最大長、寬、高、質量和重心位置等的限制性數(shù)值。

把工作從制造廠轉移至項目現(xiàn)場是裝置模塊化建造和傳統(tǒng)建造方式最大的區(qū)別，也是模塊化建造的關鍵環(huán)節(jié)。而要使這一過程能夠順利完成，模/橇塊最大規(guī)格是最根本的保障，不超過模/橇塊最大規(guī)格的限制是實現(xiàn)“工作轉移”的先決條件。

在具體的項目中，要限制橇塊的最大規(guī)格還是模塊的最大規(guī)格需要具體問題具體分析。從運輸?shù)姆绞絹砜?，最不利運輸條件如果是公路運輸或鐵路運輸，則一般限制的是“橇塊最大規(guī)格”；如果是水路運輸，則一般限制的是“模塊最大規(guī)格”。從裝置的類型來看，處于內陸的油田地面工程、中小型天然氣處理工程項目的“最不利條件”通常出現(xiàn)在以汽車運輸為主的運輸環(huán)節(jié)，所以一般限制的是“橇塊最大規(guī)格”，通常也稱為“運輸規(guī)格”；大型天然氣處理和煉油、化工項目的“最不利條件”往往是由制造、運輸和安裝等多個環(huán)節(jié)綜合決定的，且一般以水路運輸為主，所以一般限制的是“模塊最大規(guī)格”。以下主要闡述運輸環(huán)節(jié)對模/橇塊最大規(guī)格的限制。

大多數(shù)模塊化項目在同一條線路上的運輸方式不是單一的，而是公路、鐵路、水路等多種方式聯(lián)運的形式，這就存在因運輸工具的不同而產(chǎn)生的“最不利運輸條件”，而運輸規(guī)格就是要確保貨物在最不利條件下能夠順利通過，從而保證貨物在整條線路上暢通無阻。因此，運輸規(guī)格是根據(jù)同一條線路中“最不利運輸條件”確定的。應當注意，在多種方式聯(lián)運的條件下，“最不利條件”并不是某一段或某一種運輸工具決定的，它很可能是由多種運輸工具“最不利條件”疊加而成。例如，采用公路與鐵路聯(lián)運的運輸方式時，鐵路運輸貨物的寬、高和重心高度都比公路運輸小，但長度和質量卻比公路運輸大，所以，運輸規(guī)格的寬、高和重心高度由鐵路運輸決定，而長度和質量由公路運輸決定。

同一條運輸線路上的運輸規(guī)格一般只有一個；而一個項目可能有多條運輸線路，從而會有多個運輸規(guī)格，以便滿足多種貨物的運輸。表3所示的是依托項目的運輸規(guī)格表，其中A類用于運輸模/橇塊散件，B類用于運輸橇塊，C類用于運輸裝置散件。

表3 某300×108 m3/a天然氣處理廠項目運輸規(guī)格Table 3 Transportation size of a 300×108 m3/a natural gas processing plant project運輸類型寬/m長/m高/m質量/t備注Class-A<2.55<13.6<2.8<22.0普通物資,無需運輸許可Class-B2.55～4.013.6～17.02.8～4.022.0～62.0超限輕量大重件,需要辦理運輸許可Class-C>4.00>17.0>4.0>62.0超限大重件,需要辦理運輸許可及警察護衛(wèi)

需注意，以汽車運輸為“最不利條件”的油田地面工程和中、小型天然氣處理裝置的“橇塊最大規(guī)格”一般是在項目前期由物流公司通過詳細的路勘直接確定的，并且不允許有所突破，否則有可能需要更換運輸車輛甚至無法通行；以船舶運輸為“最不利條件”的大型天然氣處理和煉油、化工項目的“模塊最大規(guī)格”通常在項目前期由物流公司根據(jù)制造場地、船舶、航道、氣象、現(xiàn)場等制約因素確定一個理論的“模塊最大規(guī)格”，然后在項目運行過程中以此為基準，與模/橇塊設計、制造單位通過結構和運輸?shù)牧W穩(wěn)定性計算、制造可行性和經(jīng)濟性對比分析，不斷優(yōu)化模塊的大小、質量和重心高度。也就是說，汽車運輸?shù)摹扒翂K最大規(guī)格”是一個定數(shù)，不允許突破；船舶運輸?shù)摹澳K最大規(guī)格”是一個參考數(shù)，需要針對每個模塊進行計算、分析，才能做到最優(yōu)化。

2.3 模塊化與散件

《導則》中明確：模塊化(modularization)，又稱裝置成橇或裝置的橇裝化,就是將一套裝置的部分或全部劃分成若干模塊、橇塊進行設計、制造、運輸和裝配的建造方式。散件(ship loose)，就是采用模塊化設計的裝置中無法成模、成橇或模塊、橇塊因運輸需要而拆卸的部分。

近年來，由于大型施工機具的出現(xiàn)，使得中、小型天然氣處理裝置的模塊化率達到了相當高的程度，但對于大型天然氣處理裝置和煉油、化工裝置，尚無法完全實現(xiàn)模塊化。因此，在進行此類裝置的模塊化設計時，應遵循“宜橇則橇、宜散則散”的原則，所以，在模塊化的定義中著重強調了“一套裝置的部分或全部”這一深度范圍。

散件通?？煞譃橐韵聝煞N情況：①當一套裝置只有部分可以實現(xiàn)模塊化時，“無法成模、成橇”的部分；②無論一套裝置的全部還是部分成模、成橇，模塊內有些穿橇大口徑、高等級材質的管道，模/橇塊內的精密儀表、控制閥、電纜槽盒、外掛平臺梯子等“因運輸需要而拆卸的部分”。其中，前者通常稱為裝置散件，一般采用深度預制的方法；后者通常稱為模/橇塊散件，與模/橇塊同步制造，隨模/橇塊一起運輸。

由此可見，大型天然氣處理裝置和煉油、化工裝置的模塊化布置一般包括模/橇塊內設備的布置和模/橇塊外設備的布置兩大部分，其一般過程為：工藝專業(yè)在工藝流程圖上將每個工藝單元劃分成若干具有完整工藝處理功能的區(qū)塊，但并不需要考慮區(qū)塊內哪些設備在模/橇塊內、哪些設備在模/橇塊外，這需要配管專業(yè)根據(jù)設備、管道、儀表、電氣、操作、檢修、防火、防爆等的空間布置要求，結合模/橇塊運輸規(guī)格限制加以確定。在考慮了上述布置空間后，能夠布置在模/橇塊內的設備即按照模/橇塊內設備布置的要求進行布置，這就是裝置的模塊、橇塊；若設備過大，無論采用何種布置方式均超出模/橇塊運輸規(guī)格限制，或對設備進行切割后雖能滿足模/橇塊運輸規(guī)格限制，但成本過高或在現(xiàn)場難以復原時，便不能布置在模/橇塊內，而應該布置在模/橇塊外，這就是裝置散件，但其配套的工藝管道可按模塊化進行設計。裝置模塊化布置的一般步驟如圖2所示。

圖3為依托項目脫硫脫碳裝置的三維模型，該項目中共有脫硫脫碳裝置6套，此為其中的1套。圖中①為模塊，②為橇塊，其他則為裝置散件。

值得注意的是，在大型天然氣處理裝置和煉油、化工裝置的模塊化布置過程中，“具有完整工藝處理功能”的一個區(qū)塊應盡量布置成一個模塊或多個模/橇塊相鄰布置，從而盡可能減少敞口管道，為制造廠對模/橇塊的水壓試驗、氣密性試驗和調試等工作帶來極大的便利。

2.4 模塊拆分點與管道拆分點

《導則》中明確：模塊拆分點(module splice)是將模塊拆分成橇塊或由橇塊組裝成模塊的鋼結構連接節(jié)點。管道拆分點(piping splice)則是用于管道拆卸與回裝的連接節(jié)點。

模塊與管道的拆分，目的都是為了滿足運輸規(guī)格的限制，從而實現(xiàn)“工作轉移”。

從橇塊和模塊的定義可以看出，橇塊是不需要拆分的，所以橇塊沒有拆分點，只有模塊才有拆分點。模塊拆分點宜優(yōu)先選用非焊接的連接方式，主要包括全螺栓拼接(見圖4(a))和法蘭盤式連接兩種，法蘭盤連接又分為有腿型法蘭盤連接(見圖4(b))和無腿型法蘭盤連接(見圖4(c))兩種。

如果運輸規(guī)格限制的是橇塊，則模塊制造完成后需要拆分成橇塊運抵現(xiàn)場后再組裝模塊；如果限制的是模塊，則將橇塊制造完成組裝成模塊后運抵現(xiàn)場直接就位即可。

由于模塊拆卸和模/橇塊與外界連接的需要，大多數(shù)穿越橇塊界面的管道需要在橇塊界面處設置用于管道拆卸與回裝的管道拆分點。管道拆分點按連接形式可分為螺紋連接、法蘭連接和焊接3種；按位置可分為兩端都在模/橇塊內和一端在模/橇塊內、另一端在模/橇塊邊界處兩種情況。其中，位于模/橇塊內的一端應盡可能在不增加法蘭、焊口情況下利用位于不同橇塊內的閥門和設備的法蘭面連接作為拆分點，但當管線長、寬、高任一維度超過運輸限制時，需進行再拆分，以滿足運輸要求。

圖5所示的是某天然氣處理廠項目中的一個模塊，運輸規(guī)格限制的是橇塊。圖中①為模塊拆分點，②、③為管道拆分點，④為設備接管口法蘭。在③處所設的管道拆分點低于模塊拆分點①，立管部分在運輸過程中需要拆卸下來作為上層橇塊的散件來運輸，這也是較為常規(guī)的管道拆分點設置方法。為了盡可能不增加法蘭作為管道拆分點，可以以設備接管口④作為一個拆分點，但此拆分點高于模塊拆分點①，即在高度上超過了運輸限制。因此，需要在②處再設一個管道拆分點，②與④之間的管段作為橇塊散件運輸，這樣便可以滿足運輸規(guī)格的要求。圖5中其他拆分點設置原理與上述方法相同，不再贅述。

需注意，在大型天然氣處理裝置和煉油、化工裝置中存在大量高溫、高壓管道，盡量減少法蘭連接是確保裝置安全運行的必要手段。前已述及，此類裝置的運輸對象一般是模塊，在制造廠分橇制造完成組裝成模塊后不需要再拆分，所以其內部橇間管道拆分點通常采用焊接連接方式。出于安全考慮，模塊與裝置散件或模塊與模塊之間的管道拆分點也采用焊接的型式，通常有一道焊口和兩道焊口兩種方式，因一道焊口需要更高的制造和現(xiàn)場安裝精度、更寬的管道間距和更小的調節(jié)裕量，制造和現(xiàn)場安裝難度大，所以一般采用兩道焊口的型式，如圖6所示。

3 結論

(1) 目前，由于經(jīng)濟、人文、氣候、環(huán)境及工程保障等因素，石油天然氣裝置采用模塊化方式建造主要應用在海外欠發(fā)達、氣候、環(huán)境條件苛刻的國家或地區(qū)。這種建造方式可以有效降低項目運行風險，規(guī)避制約因素，縮短項目工期，提高項目質量。

(2) 橇塊、模塊的定義是模塊化設計的基礎性概念，深入理解和準確把握定義的內涵和外延是確保裝置模塊化設計方向正確的關鍵。

(3)模/橇塊最大規(guī)格是實現(xiàn)裝置模塊化建造的關鍵，科學合理的模/橇塊最大規(guī)格可以大大降低項目投資和風險。模/橇塊最大規(guī)格一般由專業(yè)的物流公司與設計、制造單位共同確定，以汽車運輸確定的規(guī)格在設計開始后一般不允許再調整，以船舶運輸確定的規(guī)格需要不斷進行計算、分析，以達到最優(yōu)化。

(4) 模塊化的定義既表明了裝置模塊化建造的基本流程，又指明了裝置模塊化布置的大方向。

(5) 模塊拆分點和管道拆分點的設置與運輸規(guī)格直接相關，是模塊、橇塊設計的關鍵，它關系到制造、運輸和現(xiàn)場裝配的各個環(huán)節(jié)，需要在設計過程中仔細推敲、不斷優(yōu)化，并與制造廠、物流公司緊密結合。

(6) 裝置的模塊化建造涉及到設計、采購、制造、運輸、調試、運行的各個環(huán)節(jié)，在今后的工作中，需要對上述各個環(huán)節(jié)不斷進行優(yōu)化和創(chuàng)新，才能不斷提高裝置模塊化建造水平，更好地為石油天然氣工程項目服務。