DMTO裝置模塊化建造介紹及實(shí)例分析

周 煒

(中石化第四建設(shè)有限公司，天津 300270)

DMTO裝置主要包括反應(yīng)再生系統(tǒng)，急冷、水洗及汽提系統(tǒng)，熱量回收系統(tǒng)，除氧水系統(tǒng)，蒸汽系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。本文圍繞裝置鋼結(jié)構(gòu)、非標(biāo)設(shè)備以及管道的模塊化安裝進(jìn)行敘述，以100萬t/a當(dāng)量的DMTO為例，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工布局的規(guī)劃與安排，科學(xué)調(diào)配使用大型機(jī)具，利用數(shù)字化三維建模，在管道、結(jié)構(gòu)軟件的信息技術(shù)應(yīng)用支持下，本著 “預(yù)制工廠化、工序流水化、管理信息化”的理念，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)工程模塊化制作、多專業(yè)組合模塊化安裝，達(dá)到項(xiàng)目實(shí)施中安全可控、質(zhì)量可控以及提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的目的。

1 裝置模塊化實(shí)施特點(diǎn)分析

DMTO裝置的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架、非標(biāo)設(shè)備及管道主要集中在反再系統(tǒng)單元和三旋區(qū)域，施工中具有以下的特點(diǎn)：

1) 施工場(chǎng)地布局緊湊，結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道三者交叉作業(yè)多，對(duì)施工順序、工序協(xié)調(diào)要求高。裝置中涉及到大件吊裝的專業(yè)多，大型吊車運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。

2) 作為裝置的關(guān)鍵設(shè)備集中區(qū)域，反再系統(tǒng)、三旋區(qū)域的施工貫穿于整個(gè)裝置的施工過程。

3) 鋼構(gòu)架相對(duì)集中且多為高、大的構(gòu)架。

4) 非標(biāo)設(shè)備多為分片、分段到貨，現(xiàn)場(chǎng)組焊后分段吊裝。全場(chǎng)只有檢修預(yù)留區(qū)域可以作為模塊化預(yù)制的實(shí)施場(chǎng)地，制造用場(chǎng)地緊湊，時(shí)間緊、工程量大。是裝置施工的重要關(guān)鍵路線。

5) 反再系統(tǒng)內(nèi)件多且安裝精度要求高，施工周期長(zhǎng)。

6) 帶襯里管道工序緊密、施工周期長(zhǎng)。

2 裝置模塊化建造實(shí)施

以“四化施工技術(shù)”(預(yù)制工廠化技術(shù)、工序流水化技術(shù)、安裝模塊化技術(shù)、管理信息化技術(shù))的應(yīng)用為原則，科學(xué)地創(chuàng)建裝置+預(yù)制廠2個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)，達(dá)到平行作業(yè)的目的。以預(yù)制工廠化、全流程流水化作業(yè)帶動(dòng)整個(gè)工程施工鏈條的組織方法，可做到“三代替”(電動(dòng)工具代替手動(dòng)工具、自動(dòng)焊代替手工焊、模塊化代替散件)，“三減少”(進(jìn)入裝置現(xiàn)場(chǎng)總?cè)藬?shù)減少、高空作業(yè)頻率減少、現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)因素減少)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的安全、質(zhì)量、工期目標(biāo)。裝置模塊化安裝的核心是現(xiàn)場(chǎng)平面布局的規(guī)劃，由于安裝緊湊，需要考慮場(chǎng)地時(shí)間、空間上的充分配合，減少因?yàn)閳?chǎng)地受限而將設(shè)備、材料異地放置而產(chǎn)生的倒運(yùn)工作。

分析DMTO裝置的模塊化建造，可以將裝置的結(jié)構(gòu)、非標(biāo)設(shè)備、管道的模塊化工作進(jìn)行分解和規(guī)劃。對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)架進(jìn)行分析，可以進(jìn)行模塊化實(shí)施的主要是反再構(gòu)架樓梯間、反應(yīng)器構(gòu)架、三旋構(gòu)架，主體管廊。反應(yīng)器構(gòu)架和反應(yīng)器三級(jí)旋風(fēng)分離器(簡(jiǎn)稱三旋)構(gòu)架模塊化清單見表1。對(duì)非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行分析，可以進(jìn)行模塊化工作的主要是反應(yīng)器、再生器、反應(yīng)器三級(jí)旋風(fēng)分離器、再生器三級(jí)旋風(fēng)分離器、催化劑罐、急冷塔/水洗塔。非標(biāo)設(shè)備模塊化清單見表2。DMTO裝置的管廊管道可以實(shí)現(xiàn)集中預(yù)制、安裝，其中的大口徑襯里管道，主要介質(zhì)為熱空氣、再生煙氣、甲醇?xì)狻⒋呋瘎?、反?yīng)氣，最大管道直徑2.22 m，管道介質(zhì)最高溫度達(dá)600 ℃，也都可以進(jìn)行分段模塊預(yù)制安裝。表3為部分襯里管道參數(shù)。

表1 反應(yīng)器和三旋構(gòu)架模塊化清單

表2 非標(biāo)設(shè)備模塊化清單

表3 部分帶襯里管道模塊化清單

2.1 預(yù)制工廠化

鋼結(jié)構(gòu)、非標(biāo)設(shè)備、管道完全可以實(shí)施工廠化預(yù)制，這里的工廠化預(yù)制包括鋼結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制后帶保護(hù)層到場(chǎng)并在現(xiàn)場(chǎng)拼裝成吊裝模塊、非標(biāo)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)模塊組對(duì)預(yù)制以及管道現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制工廠化模式。

2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)工廠化構(gòu)件預(yù)制

工廠化預(yù)制具有明顯的環(huán)保、質(zhì)量、安全管理控制優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也考驗(yàn)制造廠的技術(shù)、信息化運(yùn)用水平。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制工廠很多，采取場(chǎng)地外工廠化構(gòu)件預(yù)制進(jìn)場(chǎng)的模式很成熟。DMTO裝置鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制，需要分析裝置特性后抓住甲醇-反應(yīng)器構(gòu)架、再生器三旋構(gòu)架等涉及鋼結(jié)構(gòu)核心的區(qū)域，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件合理安排鋼構(gòu)件的排產(chǎn)順序以及到場(chǎng)順序，同時(shí)關(guān)注配套的鋼格板制造的順序和進(jìn)度，以便于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼構(gòu)件拼裝時(shí)能夠一次成型避免留下安全隱患。預(yù)制開始前必須編制完成監(jiān)造大綱，在優(yōu)先順序、進(jìn)度、質(zhì)量方面嚴(yán)格把控，著重關(guān)注鋼構(gòu)件直線度、連接孔的同心度、拋丸的程度、油漆干膜厚度等核心質(zhì)量要素，避免現(xiàn)場(chǎng)返工。圖1是鋼結(jié)構(gòu)工廠進(jìn)行主柱預(yù)制的情景。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)工廠化主柱構(gòu)件預(yù)制

2.1.2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)模塊化拼裝預(yù)制

模塊化實(shí)施必須考慮現(xiàn)場(chǎng)的平面布局，需要先對(duì)布局進(jìn)行深入的分析和規(guī)劃。DMTO裝置的整體場(chǎng)地布局，需要對(duì)各設(shè)備模塊、管道模塊的起吊點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)模塊的情況，本著科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的原則，在裝置內(nèi)采用750 t履帶式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱履帶吊)、400 t履帶吊作為模塊化主吊，使用80 t履帶吊、200 t汽車起重機(jī)(簡(jiǎn)稱汽車吊)配合，充分利用反再區(qū)域前、穩(wěn)定框架前的檢修區(qū)作為全裝置的模塊化預(yù)制區(qū)域，將履帶吊放置在此區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全范圍行走、全專業(yè)使用，以充分提高吊車?yán)眯省?/p>

結(jié)合DMTO裝置非標(biāo)設(shè)備的總量，在總平面上本著統(tǒng)一合理、利用率最高、投入最小的原則規(guī)劃若干個(gè)組對(duì)拼裝點(diǎn)，包括鋼平臺(tái)(14 m×14 m)、環(huán)砼平臺(tái)等，以及旋分組對(duì)胎具點(diǎn)，分離區(qū)域的三級(jí)旋風(fēng)分離器的模塊化預(yù)制也統(tǒng)一在此區(qū)域?qū)嵤?。在這里，空間及順序管理非常重要，特別需要注意的是，鋼構(gòu)架模塊化拼裝在檢修區(qū)進(jìn)行，需要在設(shè)備模塊化成型前2個(gè)月進(jìn)行，以利于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地空間上的充分協(xié)調(diào)利用。

圖2是部分模塊化設(shè)備拼裝預(yù)制的實(shí)際情況。部分非標(biāo)設(shè)備需要進(jìn)行內(nèi)襯里的鋪設(shè)，尤其是為了降低頂封頭的內(nèi)襯難度，可以采取在封頭拼裝階段完成內(nèi)部襯里工作。這里要注意的是錨固釘?shù)暮附淤|(zhì)量、襯里搗實(shí)情況以及襯里烘干的程度，這些都會(huì)影響到封頭翻轉(zhuǎn)吊裝的安全性和襯里成品的保護(hù)。圖3是封頭內(nèi)襯里預(yù)制實(shí)景。

圖2 模組組裝

圖3 封頭內(nèi)襯里預(yù)制

2.1.3 管道工廠化預(yù)制

采取管道工廠化預(yù)制手段縮短管道安裝的時(shí)間，采用管理信息化技術(shù)科學(xué)、合理地安排施工生產(chǎn)，解決預(yù)制、安裝之間不平衡、不統(tǒng)一的瓶頸?？茖W(xué)合理規(guī)劃管道流水化預(yù)制工廠，針對(duì)DMTO裝置各種類別的管道進(jìn)行工廠化預(yù)制，并在預(yù)制廠內(nèi)形成流水化的作業(yè)，可以使安全管理、質(zhì)量管理實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升。

典型的預(yù)制工廠布局含有分布下料工段、組對(duì)工段、焊接工段、后處理工段、檢測(cè)工段以及成品工段等區(qū)塊，利用移動(dòng)導(dǎo)軌順向布置，可以從流水化作業(yè)上解決工作效率的問題。圖4是典型管道預(yù)制工廠的內(nèi)景。

圖4 典型的管道預(yù)制工廠內(nèi)景

管道工廠化預(yù)制中應(yīng)用信息手段進(jìn)行預(yù)制順序合理規(guī)劃與信息采集，達(dá)到預(yù)制與安裝無縫接軌、解決與現(xiàn)場(chǎng)之間的供需矛盾、節(jié)約場(chǎng)地、充分利用資源的效果。在使用PDSOFT3Dpiping管道預(yù)制軟件的基礎(chǔ)上，大力推動(dòng)智慧工程管道信息化系統(tǒng)在工程上的使用，充分使用PC端數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)端APP數(shù)據(jù)采集(見圖5)來解決管道預(yù)制過程中的瓶頸問題。

圖5 智慧管道系統(tǒng)的應(yīng)用(PC、移動(dòng)端)

由于大口徑襯里管道運(yùn)輸比較困難，需要考慮在裝置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置大口徑襯里管道的固定預(yù)制區(qū)域?？衫眯畔⒒疶eckla軟件對(duì)襯里管道進(jìn)行三維模擬，指導(dǎo)預(yù)制分段工作(見圖6)，圖中粉紅色模擬的是反應(yīng)器三級(jí)旋風(fēng)分離器(CY1104)、甲醇-反應(yīng)器換熱器(E1202A/B)和急冷塔(T1201)之間連接管道的分段情況。按照這個(gè)方法，可以對(duì)所有的襯里管道進(jìn)行模擬分析，以指導(dǎo)詳細(xì)分段。

圖6 Teckla軟件模擬模塊分段

模擬分段完成后，按照既定的預(yù)制順序進(jìn)行，各分段預(yù)制工作的具體實(shí)施需要充分控制管道對(duì)口的偏差、內(nèi)部錨固釘實(shí)施過程中的焊接質(zhì)量、基層襯里的密實(shí)養(yǎng)護(hù)以及龜甲網(wǎng)的對(duì)接、固定等關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量。另外，管道配件的方位、角度也是重中之重。圖7 是大口徑管道龜甲網(wǎng)的對(duì)接、固定工序情況。

圖7 大口徑管道內(nèi)襯(龜甲網(wǎng))的對(duì)接、固定情況

2.2 模塊化安裝

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊化安裝

以構(gòu)-109三旋構(gòu)架作為樣本進(jìn)行模塊化安裝的分析。構(gòu)-109框架總重413.6 t，南北4條軸線、長(zhǎng)20 m，東西7條軸線、長(zhǎng)48 m，頂標(biāo)高38.2 m。安裝前期進(jìn)行三維仿真建模(見圖8)。分析該構(gòu)架特點(diǎn)后，可以將模型拆成若干小的構(gòu)架、片，具體為：標(biāo)高18 m以下分為12片，18 m層到38 m層分為1個(gè)大框架、1個(gè)大片和8個(gè)小片。將各分解的小構(gòu)架拼裝完畢后，在結(jié)合設(shè)備模塊吊裝進(jìn)度的前提下，集中進(jìn)行安裝就位(見圖9)。需要注意的是針對(duì)每個(gè)吊裝模塊進(jìn)行焊接吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

圖9 構(gòu)-109模塊吊裝就位

圖8 構(gòu)-109三維仿真建模、拆模

2.2.2 設(shè)備模塊化安裝

以反應(yīng)器(R1101)作為樣本進(jìn)行模塊化安裝的分析。反應(yīng)器(R-1101)按照單吊重量、車輛選型、板材高度、管嘴、內(nèi)件位置等因素進(jìn)行規(guī)劃，分為5個(gè)吊裝模塊。分段情況如圖10、表4所示，圖10中紅線作為分段線。分段后需要對(duì)內(nèi)件的供貨狀態(tài)提出相應(yīng)要求。同時(shí)，提前準(zhǔn)備好吊裝用平衡梁、針對(duì)各吊裝模塊進(jìn)行焊接吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)制作好封頭模塊化組裝胎具(見圖11)。

圖11 封頭模塊化組裝胎具

表4 典型非標(biāo)設(shè)備模塊化分段

圖10 反應(yīng)器(R1101)分段

完成相應(yīng)模組預(yù)制后，依次按照順序集中進(jìn)行所有模塊的吊裝和安裝(見圖12)。這個(gè)過程中需要嚴(yán)格控制吊裝安全檢查，同時(shí)定期監(jiān)測(cè)組對(duì)用胎具的穩(wěn)定性。

圖12 反應(yīng)器第五模組模塊安裝

2.2.3管道模塊化安裝

1) 管廊管道集中穿管安裝

根據(jù)管廊鋼結(jié)構(gòu)的管道長(zhǎng)度、走向等，選擇管廊端部或中部等合理位置，充分利用空間，搭設(shè)固定穿管操作平臺(tái)，設(shè)置電動(dòng)葫蘆作為管廊管道垂直和水平運(yùn)輸工具，進(jìn)行集中穿管、對(duì)接、安裝(見圖13)，主要目的是使管廊上下形成流水作業(yè)生產(chǎn)線，既可以減少架設(shè)用量，又可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)之間平行作業(yè)，提高工效。

圖13 集中平臺(tái)對(duì)接

2) 帶襯里管道安裝模塊化

完成所有的襯里管道單段旆工后，集中車輛進(jìn)行吊裝就位，注意完成各項(xiàng)對(duì)接檢測(cè)、確認(rèn)工作，尤其是鉸接閥的方位，同時(shí)不要遺漏襯里擋板以及壓棉工序。

3 分析總結(jié)

進(jìn)行裝置模塊化建造的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)非常明顯，單就非標(biāo)設(shè)備的制造、安裝這一個(gè)單位工程考慮人工費(fèi)、措施費(fèi)以及機(jī)械費(fèi)3個(gè)方面，對(duì)傳統(tǒng)的單板或單環(huán)吊裝組對(duì)焊接方式(方法1)與模塊化建造方式(方法2)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，詳見表5。其中機(jī)械費(fèi)一項(xiàng)，方法2比方法1增加了750 t履帶吊車的使用，而同時(shí)方法1又比方法2多使用了小型吊裝機(jī)械。整體來看，方法2節(jié)約了安裝時(shí)間，使項(xiàng)目整體建造時(shí)間的縮短了，這不僅體現(xiàn)在勞動(dòng)用工量上，還體現(xiàn)在管理成本的創(chuàng)效上以及提前投料的潛在效益上，無法完全僅以成本來比較，且方法2單一線勞動(dòng)人工費(fèi)及措施費(fèi)就節(jié)省了329.2萬元。可以說，仔細(xì)研究模塊化建造這個(gè)方法對(duì)于項(xiàng)目的整體收益大有裨益。兩種方法的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表6。

表6 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

表5 經(jīng)濟(jì)效益分析

因此，抓好DMTO裝置的反再區(qū)域、三旋區(qū)域的非標(biāo)設(shè)備組焊，鋼結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制加工質(zhì)量以及進(jìn)場(chǎng)順序的管理，在信息化技術(shù)的支持下進(jìn)行管道的深度預(yù)制，采取模塊化作業(yè)、流水化施工建造方法，一定會(huì)在安全、質(zhì)量、工期、經(jīng)濟(jì)效益上取得非常有效的成果。

模塊化建造是當(dāng)下項(xiàng)目建設(shè)的一個(gè)大趨勢(shì)。在各類型裝置實(shí)施過程中，需要先充分進(jìn)行裝置的建造分析，認(rèn)真進(jìn)行模塊化分解工作，做好采購(gòu)監(jiān)造，坐實(shí)工程策劃實(shí)施等方面的精細(xì)管理工作，必將對(duì)項(xiàng)目的提質(zhì)增效做出貢獻(xiàn)。其優(yōu)勢(shì)特別體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1) 模塊化建造的安全管理水平明顯提高

由于大量采用了“四化”技術(shù)，可充分實(shí)現(xiàn)“三個(gè)替代”、“三減少”，在空間上、時(shí)間上進(jìn)行合理分配，加大了地面制造深度的比例，減少了吊裝作業(yè)與安裝作業(yè)的頻次，為項(xiàng)目的安全管理創(chuàng)造了非常重要的基礎(chǔ)，使安全管理工作更加有效。

2) 模塊化建造的質(zhì)量明顯提高

模塊化建造工序劃分更加細(xì)致，重點(diǎn)加大了工廠(場(chǎng))化的建造深度，使建造空間更加合理。由于大部分的工作在地面完成，可做到實(shí)時(shí)監(jiān)控組對(duì)、焊接、安裝工序，實(shí)時(shí)進(jìn)行工序數(shù)據(jù)檢查，同時(shí)，也提高了無損檢測(cè)工序的質(zhì)量保證力度。例如，采用該方法的常州富德DMTO項(xiàng)目，兩器組焊的合格率達(dá)到了98.01%，管道安裝焊接合格率達(dá)到了98.99%，相比普通方式，合格率明顯提高。

3) 模塊化建造的工期明顯縮短

模塊化建造加快了現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度，可以縮短關(guān)鍵路徑施工周期。例如，2009年廣州石化檢修作業(yè)中成功運(yùn)用封頭模塊化施工方法，創(chuàng)造了兩器檢修提前7 d完成的記錄。

4) 模塊化建造的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯

相比較傳統(tǒng)的建造方式，模塊化建造通過內(nèi)外資源的協(xié)調(diào)共享, 充分利用當(dāng)下的信息化、數(shù)字化手段，可分析模擬出更有利于裝置建造的方法，因此具有可展望的、可觀的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。