石油化工裝置鋼結(jié)構(gòu)模塊吊裝設(shè)計(jì)常見問題及探討

趙春俠

摘 要：隨著國(guó)家提出“一帶一路”政策，國(guó)際化EPC工程日益走向成熟。石油化工裝置模塊因?yàn)槠渲芷诙蹋杀镜偷莫?dú)特優(yōu)勢(shì)受到業(yè)主的一致青睞，裝置模塊化也將是未來石化工程項(xiàng)目發(fā)展的必然趨勢(shì)。文中以鋼結(jié)構(gòu)管廊模塊為例，著重闡述模塊在吊裝中存在的一些實(shí)際問題和改進(jìn)措施探討。為此類鋼結(jié)構(gòu)模塊吊裝設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：石油化工裝置;鋼結(jié)構(gòu)模塊;吊裝工況;吊耳

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，越來越多的國(guó)內(nèi)工程公司“走出去”承接大型的海外石油化工裝置項(xiàng)目，其中模塊化裝置項(xiàng)目因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)被各大業(yè)主客戶追捧，模塊化設(shè)計(jì)能力已經(jīng)成為衡量一個(gè)工程公司海外項(xiàng)目承接能力的一個(gè)決定性指標(biāo)。

1 石油化工裝置模塊化概念

工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)管廊模塊是將管廊按照工藝功能，管道，橋架布置，設(shè)備尺寸及道路限高，車載噸位限制等條件將管廊劃分為若干模塊單元，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工組裝，管道的安裝試壓，電氣儀表的初步調(diào)試都放在施工條件較好的國(guó)內(nèi)工廠里完成。每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊的最終安裝就位完成都經(jīng)過了施工圖設(shè)計(jì)--材料--預(yù)制工廠建造—吊裝/滾裝裝船--海運(yùn)--國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)就位安裝的一系列流程?？傊菏突ぱb置模塊就是一個(gè)個(gè)按照工藝要求被在國(guó)內(nèi)搭接好的完美積木，漂洋過海運(yùn)往海外安裝就位，投產(chǎn)使用。

2 石油化工裝置模塊特點(diǎn)

依據(jù)實(shí)際工程造價(jià)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，北美等海外地區(qū)工程材料，建造人工時(shí)造價(jià)成本遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)，甚至達(dá)10倍以上，特別是一些工藝設(shè)備，管線復(fù)雜的大型裝置成本相差更大。而就工期而言，北美海外的建造工期普遍遠(yuǎn)長(zhǎng)于國(guó)內(nèi)。

石油化工裝置模塊化極大減少了海外現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝工作量，避免了過多的現(xiàn)場(chǎng)交叉作業(yè)，顯著縮短了建造周期，節(jié)省了大量人工時(shí)消耗，也便于后期海外施工質(zhì)量安全管理。無疑，石油化工裝置模塊化為客戶大大減少成本投入，成為近些年海外工程客戶的最佳選擇。

3 石油化工裝置模塊化現(xiàn)狀

近些年，隨著越來越多的國(guó)內(nèi)工程公司進(jìn)軍海外EPC市場(chǎng)，在人工成本不斷提高，低價(jià)競(jìng)標(biāo)，講求效率的施工大環(huán)境下，模塊化設(shè)計(jì)在日益成熟的同時(shí)也暴露出了越來越多的實(shí)際問題值得我們探討研究。

文中以某北美工程項(xiàng)目管廊模塊工程為例，介紹分析當(dāng)前模塊化設(shè)計(jì)在裝船吊裝階段存在的問題及思考。

4 管廊模塊的工程吊裝實(shí)例分析

吊裝計(jì)算是模塊設(shè)計(jì)中非常重要的計(jì)算工況。吊裝工況一般發(fā)生在模塊預(yù)制工廠的港口裝船階段和國(guó)外施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝就位階段，其中預(yù)制工廠的裝船階段是比較典型的吊裝工況，也是應(yīng)當(dāng)引起重視的環(huán)節(jié)。見圖1所示某模塊的吊裝裝船。

本模塊500G為北美某石油化工廠內(nèi)，乙二醇裝置中的換熱器設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)模塊。圖2為3D模型，本模塊有2臺(tái)立式換熱器設(shè)備，3層操作鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，設(shè)備間根據(jù)工藝流程，采用管道與其他設(shè)備連接，此鋼結(jié)構(gòu)模塊平面占地尺寸為120m×4.2m，總高度為20m。設(shè)備總空重為25t，起重鋼結(jié)構(gòu)重量為45t。

此模塊的預(yù)組裝在國(guó)內(nèi)某建造工廠內(nèi)進(jìn)行，然后以廠區(qū)內(nèi)陸運(yùn)，吊裝裝船，海運(yùn)，海外陸運(yùn)方式轉(zhuǎn)運(yùn)到海外施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行最終就位安裝。此處探討模塊在完成預(yù)組裝后即將裝船的吊裝工況。

設(shè)計(jì)階段的吊裝分析是為了確保模塊在吊裝過程中不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，擺動(dòng)，傾斜的情況，并驗(yàn)算模塊各構(gòu)件是否能夠滿足強(qiáng)度和撓度的要求。并對(duì)吊裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于吊裝工況的計(jì)算，首先要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及重量，起吊設(shè)備的吊裝能力，作業(yè)空間等確定吊裝方案。吊裝方案給出了吊裝所需的吊具類型，吊點(diǎn)布置和吊點(diǎn)數(shù)量以及吊點(diǎn)與鎖具的角度。設(shè)計(jì)階段采用的吊裝方案是實(shí)際吊裝須遵循的的指導(dǎo)方案。也是模塊吊裝節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的假定依據(jù)。

圖3為本項(xiàng)目所使用的吊排形式，模塊吊點(diǎn)與索具夾角為90度，為垂直吊。

圖4為基于圖三垂直吊裝方案下的吊裝工況結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及支座約束假定，計(jì)算軟件采用STAAD Pro V8i。

圖5為基于設(shè)計(jì)吊裝方案下的吊裝節(jié)點(diǎn)，為石油化工裝置鋼結(jié)構(gòu)管廊模塊中常用的吊耳形式。

值得注意的是，此吊點(diǎn)耳板的平面外承載力特別小，近似為承載力的5%，見圖5，圖6，此節(jié)點(diǎn)對(duì)垂直吊裝的要求非常高。

然而，實(shí)際裝船吊裝階段，由于各種工裝造價(jià)，船運(yùn)公司的設(shè)備資源，船運(yùn)進(jìn)度，操作空間等原因，吊裝實(shí)際采用的吊裝方案有可能會(huì)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)調(diào)整，一般情況下，正規(guī)的船運(yùn)公司會(huì)走正常程序向設(shè)計(jì)方確定臨時(shí)修改方案的可行性。由于500G實(shí)際設(shè)計(jì)吊耳平面內(nèi)為管廊縱向，故經(jīng)設(shè)計(jì)建議的修改方案為圖8。但最終由于其他不可知原因，此建議方案未被使用，圖7為500G模塊實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)吊裝情況。如設(shè)計(jì)圖紙未注明強(qiáng)調(diào)所執(zhí)行的吊裝方案，此種情況更易發(fā)生。

在實(shí)際吊裝方案中，我們可以看見吊索在模塊橫向和縱向均存在夾角，橫向夾角尤為明顯，此實(shí)際吊裝情況與設(shè)計(jì)階段吊裝方案假定是完全相背的，在實(shí)際兩個(gè)方向存在夾角的情況下，吊裝工況的支座形式發(fā)生了變化，也將對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁、柱、支撐等會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重新分布，會(huì)導(dǎo)致在原設(shè)計(jì)假定情況下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力超限，進(jìn)而有破壞的可能。另外，橫向夾角方向是在吊耳板件的平面外方向（吊點(diǎn)耳板詳見圖6）。由于原吊裝設(shè)計(jì)執(zhí)行方案為垂直吊，而且模塊已經(jīng)預(yù)制完成，吊耳平面外并未進(jìn)行任何補(bǔ)強(qiáng)，板的平面外強(qiáng)度非常有限，最終會(huì)導(dǎo)致吊耳板件的破壞，此種不嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)吊裝方案的施工行為為工程安全隱患埋下了伏筆，是應(yīng)被嚴(yán)格禁止的。

在船運(yùn)公司臨時(shí)調(diào)整吊裝方案時(shí)曾向我方設(shè)計(jì)確認(rèn)，設(shè)計(jì)方給出基于當(dāng)時(shí)情況下的較可接受的修改方案，見圖8，然而在實(shí)際的吊裝中并未被執(zhí)行。由此可知，設(shè)計(jì)的考量因素在實(shí)際施工操作中并不是100%被執(zhí)行，安全隱患防不勝防。

另外本例中由于工期進(jìn)度的要求，模塊預(yù)制完成后通常需要盡快吊裝裝船，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)改變吊裝方案經(jīng)常給設(shè)計(jì)方核算的時(shí)間非常少，在有限的時(shí)間內(nèi)，完成大量模塊的吊裝方案核算通常是一個(gè)巨大的工程量。一般對(duì)于這種非垂直吊裝，需要根據(jù)實(shí)際角度在STAAD里模擬出吊具和繩索，再對(duì)繩索設(shè)為只拉桿件，進(jìn)行分析。（如圖9 非垂直吊裝計(jì)算簡(jiǎn)圖）。但是此種方法比較耗時(shí)，短期完成核算任務(wù)的工作壓力會(huì)非常大。一種比較好的處理方法是利用STAAD里的傾斜支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需要根據(jù)船運(yùn)公司給的吊裝方案中的夾角計(jì)算出參考點(diǎn)坐標(biāo)，即可進(jìn)行計(jì)算，如圖10所示。傾斜支座在石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一種不太常用的支座形式，具體定義方法參考STAAD.PRO V8I.使用說明。

5 關(guān)于模塊吊裝工況，有以下幾點(diǎn)心得

①設(shè)計(jì)者務(wù)必在圖紙說明中將吊裝方案明確約定;

②即使在垂直吊裝的假定下，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該考慮到實(shí)際操作中的不可預(yù)知因素，做好構(gòu)造措施，吊耳板的厚度計(jì)算要考慮到有可能的平面外受力，做足安全儲(chǔ)備。務(wù)必在吊耳平面外增加加勁板，（如圖11所示）;

③在模塊的吊裝工況設(shè)計(jì)階段，工程師應(yīng)根據(jù)模塊自身特點(diǎn)，應(yīng)深入研究模塊從設(shè)計(jì)完成到現(xiàn)場(chǎng)最終安裝就位的整個(gè)階段可能存在的所有吊裝工況，給出一個(gè)合理的吊裝方案。

另外，在設(shè)計(jì)階段施工吊裝工程師要深入?yún)⑴c吊裝方案制定和決策，吊裝工程師應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地布置、施工順序、地面承載、吊車載重等實(shí)際工程信息與設(shè)計(jì)工程師一起制定出最優(yōu)的吊裝方案。并把確定好的吊裝方案正式盡早告知船運(yùn)公司，給他們足夠的時(shí)間準(zhǔn)備與之匹配為的吊裝設(shè)備。盡量避免因后期的臨時(shí)吊裝方案調(diào)整而引起的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)束語

石油化工裝置鋼結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)越性必然是未來石化項(xiàng)目發(fā)展的必然趨勢(shì)，與此同時(shí)，模塊化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也向從事者提出了不同于常規(guī)設(shè)計(jì)更高的要求。設(shè)計(jì)人員不僅要有扎實(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，還要同建造方，施工方，運(yùn)輸方密切配合，從現(xiàn)場(chǎng)施工順序、計(jì)劃進(jìn)度、道路碼頭、設(shè)備供應(yīng)等綜合考慮才能保證模塊的安全、順利就位。才能保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

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