石油化工裝置模塊化技術(shù)應(yīng)用

王巖 南遠(yuǎn)方 呂忠 徐清華 馮春霞

摘 ?????要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)石油化工裝置現(xiàn)場(chǎng)施工的技術(shù)、質(zhì)量、安全和環(huán)境等方面的要求也越來(lái)越高，因此模塊化技術(shù)在施工生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。文章對(duì)比了模塊化施工與傳統(tǒng)施工的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)模塊化施工要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān) ?鍵 ?詞：石油化工;模塊化;技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 052 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1873-04

Abstract： With the development of science and technology， higher requirements have been put forward on the technique， quality， safety and environment aspects of on-site construction of petrochemical plants. Therefore， modular technology has been more and more widely used in construction and production. In this paper， the advantages and disadvantages of modular construction and traditional construction were compared， and the key points of modular construction were analyzed.Key words： Petrochemical industry; Modular; Technical points

近十年，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，石油化工裝置朝集成化發(fā)展，各裝置的處理量逐年增加，裝置中的大型設(shè)備及超大構(gòu)架數(shù)量愈來(lái)愈多，在新建裝置中廣泛應(yīng)用。但是，隨著環(huán)保、規(guī)劃的要求愈發(fā)嚴(yán)格，新建裝置的整體建筑面積卻逐年減少，同樣規(guī)模的裝置建筑面積相當(dāng)于20年前同規(guī)模裝置占地面積的三分之二。

而這些變化使現(xiàn)場(chǎng)安裝工作的難度越來(lái)越大，以施工中常見(jiàn)的設(shè)備焊接為例，設(shè)備的焊接空間必須在很小的區(qū)域里進(jìn)行。作業(yè)面減小，但是工期卻沒(méi)有增加，這無(wú)疑給施工帶來(lái)很大的困難。而在高處，風(fēng)荷載也會(huì)對(duì)焊接帶來(lái)困難和影響。空中作業(yè)的增加，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全保證提出了更高的要求。所以必須尋找一個(gè)新的施工方法，以適應(yīng)新時(shí)代的石油化工裝置建設(shè)要求。

施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)安全質(zhì)量要求越來(lái)越高，主要體現(xiàn)在最大程度的減少高空作業(yè)，使施工安全風(fēng)險(xiǎn)降低，此外還要在縮短工期的基礎(chǔ)上，保證施工質(zhì)量，并且縮短投資回收期，這些要求使傳統(tǒng)的施工方法受到質(zhì)疑。傳統(tǒng)的施工順序?yàn)?，首先是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制并安裝，隨后設(shè)備安裝，工藝管道的安裝，管道的水壓試驗(yàn)，最后是防腐保溫施工。傳統(tǒng)的施工方法使得施工負(fù)荷多數(shù)集中在后期，由于管道安裝量大，而與此相關(guān)的壓力試驗(yàn)、探傷、防腐保溫等工作必須在此之后才能進(jìn)行，導(dǎo)致人力及資源負(fù)荷不平均，多工種交叉作業(yè)導(dǎo)致工作效率降低，且容易出現(xiàn)施工安全及質(zhì)量問(wèn)題。所以，模塊化施工近年來(lái)越來(lái)越廣泛的被使用[1]。

1 ?模塊化技術(shù)及其發(fā)展

所謂模塊化技術(shù)，是指將大型裝置的生產(chǎn)單元按功能要求和運(yùn)輸限制條件分割成多個(gè)單元，分別設(shè)計(jì)，在預(yù)制工廠內(nèi)對(duì)每個(gè)模塊單元內(nèi)的設(shè)備、管道、儀表等進(jìn)行預(yù)制安裝，然后初步整合在一起進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)試，再將模塊進(jìn)行拆分，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)組裝復(fù)原，最后經(jīng)整體調(diào)試、試壓并投產(chǎn)運(yùn)行。

國(guó)外模塊化建造技術(shù)始于二戰(zhàn)期間，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代。包括所有的工藝設(shè)備、管道、80%以上的電氣設(shè)備和90%以上的儀表元件，所有涉及儀表和電氣的電纜均可集成在模塊單元中。而且管道、儀表及設(shè)備的安裝、調(diào)試、檢測(cè)都可以在模塊化裝配車(chē)間進(jìn)行。模塊化建造最多可以節(jié)省土地達(dá)70%。

石油領(lǐng)域模塊化建設(shè)最早在海洋鉆井平臺(tái)的建造中采用，逐漸被石油、化工和油氣田工程認(rèn)可和推廣。目前模塊化建造在國(guó)際項(xiàng)目上越來(lái)越廣泛的被各大石油公司使用，如?？松梨凇⒖捣?、殼牌等。模塊化單元從幾十噸的單臺(tái)設(shè)備到上千噸集成單元均被廣泛采用。國(guó)內(nèi)也陸續(xù)建成了一批模塊化裝置如塔里木100億m3/a凝析氣輕烴回收工程、長(zhǎng)慶油田慶四聯(lián)合站工程、長(zhǎng)慶200億m3/a天然氣輕烴回收工程等。

所以，越來(lái)越多的實(shí)例表明模塊化施工技術(shù)，在工程的安全、環(huán)保、進(jìn)度、成本、質(zhì)量等方面，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這也符合了新時(shí)代石油化工建設(shè)工程各參與方的期望及目標(biāo)。

2 ?模塊化施工與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工優(yōu)勢(shì)對(duì)比

2.1 ?工期縮短

傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工：施工環(huán)境惡劣，比如沙塵，嚴(yán)寒等極端氣候條件的影響，使得施工不得不暫?！，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間主要為白天施工，施工要按照一定的順序，不能任意調(diào)換，比如，要先完成土建基礎(chǔ)，再施工鋼結(jié)構(gòu)，然后是工藝設(shè)備就位，之后進(jìn)行工藝管道的安裝，儀表安裝，之后是水壓試驗(yàn)，氣密性試驗(yàn)，最后進(jìn)行保溫絕熱施工。而且在工期緊時(shí)，還會(huì)存在各專業(yè)交叉施工，這樣難免會(huì)相互影響，使得工作效率低下。由于存在施工誤差，使得部分管道必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組焊的效率也會(huì)隨之降低，這樣對(duì)現(xiàn)場(chǎng)“三通一平”的要求較高。土建的工期如果拖延，直接影響整個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度。

模塊化建造：無(wú)需考慮氣候，如暴雨、降雪、炎熱、寒冷、大風(fēng)等環(huán)境的影響。如需要，可以全天24 h不間斷進(jìn)行生產(chǎn)。在工廠內(nèi)施工，人員組織便捷，只需后勤的充分保障，即可進(jìn)行輪班施工。而且鋼結(jié)構(gòu)、工藝管道、工藝設(shè)備的施工完全可以交叉在多個(gè)分開(kāi)的場(chǎng)地同時(shí)進(jìn)行，這樣就避免交叉作業(yè)的干擾。管道的預(yù)制及安裝不受外界環(huán)境影響可以批量生產(chǎn)，采用流水線的作業(yè)可以事半功倍，提高產(chǎn)能，縮短工期。所以，土建基礎(chǔ)與工廠模塊化建造同時(shí)施工，大大減少施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備要求。圖1用橫道圖直觀地體現(xiàn)模塊化施工的優(yōu)勢(shì)。

2.2 ?質(zhì)量提高

傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)：原料檢驗(yàn)設(shè)施缺乏不完善。焊接容易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等多方面因素影響，探傷不便，探傷環(huán)境不好;熱處理難度大;施工組織管理難度相對(duì)較大，留給土建施工、基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)的時(shí)間有限。

模塊化建造：進(jìn)廠原料檢驗(yàn)嚴(yán)格，檢驗(yàn)設(shè)施措施齊備，工廠屬于室內(nèi)環(huán)境，避免了風(fēng)雨等環(huán)境對(duì)焊接作業(yè)的影響，減少了焊口的缺陷，提高焊接質(zhì)量;專門(mén)設(shè)立探傷檢測(cè)中心，結(jié)果更專業(yè)，質(zhì)量更有保證;專業(yè)的熱處理中心，可對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行整體焊后熱處理;工廠管理及人員組織水平相對(duì)較高，流水化作業(yè);土建基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)時(shí)間充足，這樣的產(chǎn)品才有高質(zhì)量。

2.3 ?費(fèi)用降低

傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工：由于施工機(jī)械價(jià)格較昂貴，施工單位不能面面俱到，大部分的施工機(jī)械需要購(gòu)買(mǎi)，租賃，購(gòu)買(mǎi)或租賃的設(shè)備就需要轉(zhuǎn)運(yùn)及現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。這就使得其中的費(fèi)用大大增加。而現(xiàn)場(chǎng)施工人員需求量大，都是外包雇傭，也使得人力費(fèi)用增加，再加上高溫補(bǔ)貼，夜間施工補(bǔ)貼等，不但工作時(shí)間較工廠施工少，效率還不高，成本必然增加。

現(xiàn)場(chǎng)食宿、HSE、安保成本高?，F(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)試驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋，設(shè)備資源缺少，需要額外設(shè)置，這就使得項(xiàng)目措施費(fèi)增加，比如占用土地、搭設(shè)臨時(shí)的防雨設(shè)施，保溫設(shè)施，腳手架等等。搭建這些設(shè)施又需要現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)材料，需要吊車(chē)安裝，不但增加了費(fèi)用，占用了資金，還使得工期延長(zhǎng)。

模塊化建造：工廠施工機(jī)具完備，包括焊接、探傷、熱處理、吊裝等方面的儀器和設(shè)備，大大降低了施工機(jī)具費(fèi)。工廠施工勞動(dòng)力成本較低，現(xiàn)成的食宿措施，后勤保證降低成本，完善的倉(cāng)儲(chǔ)和吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施，費(fèi)用低，減少了管道及鋼結(jié)構(gòu)露天堆料的損耗，與傳統(tǒng)施工相比費(fèi)用至少節(jié)約25%;集中運(yùn)輸?shù)截洠M(fèi)用大幅降低，縮短工期，降低資金成本。

2.4 ?安全環(huán)保

傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工：現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差，安全風(fēng)險(xiǎn)高，后勤保障（食宿安全）不完善?，F(xiàn)場(chǎng)施工安全體系不完善，且不易執(zhí)行到位，勞動(dòng)防護(hù)措施不完善，施工、生活垃圾任意丟棄，對(duì)環(huán)境破壞。

模塊化建造：工廠作業(yè)環(huán)境良好，安全健康優(yōu)勢(shì)明顯。工廠具備現(xiàn)成的后勤保障措施，工廠有成熟的安全管理體系，良好的執(zhí)行，完善的勞動(dòng)防護(hù)措施和勞保用品，成熟的處理措施，不會(huì)造成環(huán)境破壞。

3 ?模塊化技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 ?基于三維軟件的模塊化設(shè)計(jì)

（1）所謂的模塊是將鋼結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)備、電氣儀表、工藝管道以及防腐絕熱集合在一起的實(shí)體單元，要想高效高質(zhì)量地完成，達(dá)到精確預(yù)制、施工，必須采取三維軟件建模，各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。

（2）采用三維軟件設(shè)計(jì)，可以直觀立體地對(duì)模塊內(nèi)的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效避免組件之間的碰撞，優(yōu)化操作和檢維修環(huán)境，減少安全隱患。此外三維模型自動(dòng)生成材料表、管道平面及軸測(cè)圖等，大大減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，也有利于造價(jià)編制[2]。

（3）為便于多專業(yè)異地協(xié)同設(shè)計(jì)，預(yù)制工廠和其他參建單位的異地協(xié)同溝通，采用共享數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，實(shí)現(xiàn)多地之間的三維協(xié)同辦公。

（4）要實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)，就要規(guī)范材料數(shù)據(jù)庫(kù)，在庫(kù)中形成標(biāo)準(zhǔn)材料代碼，編制模塊索引目錄這樣可以將不同專業(yè)之間的設(shè)計(jì)有效串聯(lián)[3]。

（5）三維模型設(shè)計(jì)可以為工廠預(yù)制提供最大化的便利，提高整體預(yù)制的效率，為高完成度的模塊單元提供基礎(chǔ)。

（6）為建設(shè)單位提供數(shù)字化交付平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、運(yùn)行的全周期管理，形成一套完整的數(shù)字化資料。

3.2 ?模塊單元規(guī)劃技術(shù)

規(guī)劃原則：

（1）根據(jù)工藝流程PFD做好模塊單元的布局和劃分。

（2）根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型及模塊化難度考慮不同模塊中設(shè)備的布置和擺放。

（3）在規(guī)劃時(shí)還要考慮國(guó)家、行業(yè)及地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，做到布局合理合規(guī)。

例如，模塊中設(shè)備排列應(yīng)力求整齊，成條成塊;工藝管道與儀表、電氣槽盒布置格局協(xié)調(diào);塔群布置應(yīng)高低排列協(xié)調(diào)，人孔盡可能排齊朝向一側(cè)。管道要減少不必要的往返，以減少能耗[4]。

3.3 ?模塊單元的安全評(píng)估

根據(jù)危險(xiǎn)與可操作性分析結(jié)果，做好模塊化裝置的安全布局設(shè)計(jì)。嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，符合設(shè)備布置，防火防爆的要求。如對(duì)模塊單元內(nèi)的樓梯及安全通道進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，保證既便于操作又符合安全要求。

模塊單元設(shè)計(jì)好后，還要對(duì)其結(jié)構(gòu)、管道及運(yùn)輸?shù)确矫孀霭踩u(píng)估，如模塊框架的強(qiáng)度是否滿足吊裝要求，管道在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮應(yīng)力補(bǔ)償，模塊整體運(yùn)輸時(shí)的震動(dòng)是否會(huì)對(duì)模塊內(nèi)的單元造成影響等。

3.4 ?模塊分割設(shè)計(jì)方案

模塊分割方案需要綜合考慮，包括工藝流程、設(shè)備布置、操作檢修、運(yùn)輸條件、限高限重等多種因素;此外管道及儀表電器的布置，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具的吊裝環(huán)境及能力也需要一并考慮。

如在實(shí)際項(xiàng)目中：

（1）充分考察各模塊從制造廠到項(xiàng)目地點(diǎn)的運(yùn)輸路徑和限制條件。

（2）考察項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的模塊運(yùn)輸限制條件。

（3）結(jié)合運(yùn)輸車(chē)輛的情況和施工單位的現(xiàn)場(chǎng)吊裝機(jī)具情況。

（4）最終確定模塊制造廠至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的汽車(chē)運(yùn)輸限制尺寸：一般為長(zhǎng)15 m×寬4.5 m×高4.5 m。

3.5 ?土建基礎(chǔ)及鋼構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

模塊單元以鋼結(jié)構(gòu)為大框架，將設(shè)備、管道、儀表等元件集成在內(nèi)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，又要考慮鋼結(jié)構(gòu)與土建基礎(chǔ)的適配性。這就要求工廠預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)施工的精度必須在可控范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少基礎(chǔ)的類(lèi)型，使現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)一化，既能提高施工速度，又滿足了安裝要求。此外，還應(yīng)對(duì)每個(gè)模塊單元內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝分析設(shè)計(jì)。

例如對(duì)模塊單元的吊裝分析基礎(chǔ)上進(jìn)行吊裝設(shè)計(jì)，應(yīng)合理設(shè)置吊點(diǎn)、平衡梁，考慮吊車(chē)選型及行走路線。

由于單個(gè)模塊的重量很大，在吊裝中可能會(huì)發(fā)生變形，為了避免變形，用專業(yè)軟件進(jìn)行吊裝力學(xué)形變分析，預(yù)先判斷可能存在的形變點(diǎn)，并采取必要的保護(hù)措施，比如增加形變梁的強(qiáng)度，或者增加臨時(shí)吊裝結(jié)構(gòu)橫梁立柱。這都是在需要設(shè)計(jì)過(guò)程中整體考慮的[5]。

3.6 ?模塊包裝及防護(hù)

包裝包括雨布包裹、托盤(pán)包裝、木箱包裝、鐵皮包裝。防潮防腐保護(hù)：錫箔袋、干燥劑、抽真空;防撞、防傾覆保護(hù); 防松脫保護(hù)等。

3.7 ?模塊的運(yùn)輸

首先要對(duì)從工廠到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的路線進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)模塊的尺寸及重量確定適合的路線，其中還要綜合考慮陸運(yùn)和船運(yùn)兩種不同的運(yùn)輸方式。如果選擇陸運(yùn)，還要對(duì)運(yùn)輸路線的限制條件進(jìn)行調(diào)研，在確保滿足限制條件的情況下，對(duì)確定好的模塊單元進(jìn)行吊裝方案編制。

如運(yùn)輸限制條件是模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)前提條件，必須預(yù)先確定，并應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸方式、限高限重、路面情況及行車(chē)速度，進(jìn)行運(yùn)輸過(guò)程中模塊防側(cè)滑、防傾覆的受力分析及加固防護(hù)設(shè)計(jì)如圖2。

如模塊鋼結(jié)構(gòu)拆分高度不超過(guò)4.5 m，拆分點(diǎn)位于模塊底板H型鋼下翼緣0.5m處，拆分處采用螺栓連接[6]。

管道拆分充分利用原有法蘭，或在上下層原有法蘭處進(jìn)行拆分或在模塊最近焊口處加拆分法蘭。

模塊設(shè)計(jì)考慮了重大設(shè)備和異形預(yù)制管段的安裝方式相結(jié)合。

在進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計(jì)及布局時(shí)，提前考慮工廠化預(yù)制階段設(shè)備對(duì)安裝空間的要求，提前考慮設(shè)備安裝是側(cè)進(jìn)安裝或垂直安裝。

4 ?總 結(jié)

模塊化設(shè)計(jì)需要體現(xiàn)出與傳統(tǒng)模式石油化工裝置建設(shè)的共性與特殊性。工藝流程，安全保障，操作檢修，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要保持共性;而在模塊的組合、分割、包裝、運(yùn)輸、連接、吊裝、調(diào)試等要體現(xiàn)特殊性。

模塊化設(shè)計(jì)需縱覽整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程，這些技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中互相關(guān)聯(lián)，環(huán)環(huán)相扣;只有在這些技術(shù)充分結(jié)合靈活運(yùn)用的基礎(chǔ)上，才能保證模塊化建設(shè)項(xiàng)目的成功實(shí)施。

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