模塊化建設(shè)在化工工程中的應(yīng)用

劉玉華 (上海利柏特工程技術(shù)有限公司，上海 200037)

1 模塊化建設(shè)定義

模塊化建設(shè), 指在工程設(shè)計(jì)階段對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目或裝置進(jìn)行充分地策劃、評(píng)估和功能分析，然后進(jìn)行可管理的模塊分解與設(shè)計(jì)，最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量；在采購(gòu)階段按設(shè)計(jì)的功能模塊實(shí)施集中訂貨、集中運(yùn)輸、集中供貨；在施工階段通過(guò)深度預(yù)制加工成設(shè)計(jì)確定的模塊，整體運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，然后以吊裝的方式把模塊進(jìn)行拼裝或安裝。

2 模塊化發(fā)展

模塊化建設(shè)技術(shù)，起源于19世紀(jì)70年代的海洋工程建設(shè)。因?yàn)楹Ｑ蠊こ淌┕ぶ芷诒容^長(zhǎng)，施工工期越長(zhǎng)，不確定性因素就越多，風(fēng)險(xiǎn)增加，海洋工程投資就越大。為解決工期過(guò)長(zhǎng)而風(fēng)險(xiǎn)增加這個(gè)難題，人們便開(kāi)始嘗試在陸地上將整個(gè)工藝流程先高度集成然后再分為若干個(gè)模塊，最后用駁船將模塊運(yùn)至海上平臺(tái)進(jìn)行組裝，這樣海上施工工期就大大縮短了，進(jìn)而節(jié)約了項(xiàng)目投資成本。從19世紀(jì)80年代開(kāi)始, 模塊化建設(shè)技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于陸地上項(xiàng)目的建設(shè)。

隨著市場(chǎng)全球化和物流業(yè)的發(fā)展，一體化、模塊化設(shè)計(jì)建設(shè)理念逐步成為大型跨國(guó)公司承攬EPC項(xiàng)目和進(jìn)軍海外市場(chǎng)的重要依托。

3 模塊化建設(shè)的優(yōu)勢(shì)

模塊化建設(shè)優(yōu)勢(shì)包括：(1)縮短建設(shè)工期，現(xiàn)場(chǎng)土建施工與工藝模塊建造可同步進(jìn)行。在預(yù)制工廠內(nèi)完成模塊建造，不受天氣和場(chǎng)地條件等因素制約；(2)減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，裝置焊接及預(yù)組裝工作、調(diào)試都可以在模塊制造廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)僅負(fù)責(zé)完成模塊的搭接以及各裝置系統(tǒng)間的貫通安裝和調(diào)試。在人力資源缺乏的地區(qū) (特別是海外) 實(shí)施模塊化，可減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，節(jié)約人力，進(jìn)而節(jié)約投資；(3)模塊化施工能夠減少高空作業(yè), 降低施工風(fēng)險(xiǎn)；(4)充分利用模塊制造廠地理優(yōu)勢(shì)所具備的物資、人力資源，來(lái)減少現(xiàn)場(chǎng)條件的限制；(5)質(zhì)量可靠，在模塊制造廠完成焊接、吹掃、試壓、調(diào)試等工序，提高了施工質(zhì)量，并減少了現(xiàn)場(chǎng)變更，確保質(zhì)量；(6)生產(chǎn)單元可整體拆裝、整體搬遷，可重復(fù)利用；(7)模塊化施工給文明施工創(chuàng)造了有利的條件, 最大的優(yōu)勢(shì)就是綜合系統(tǒng)化管理，它把化工建設(shè)的工程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、集體化的定義，讓施工內(nèi)容變得更加規(guī)范化，同時(shí)提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量，最大化地節(jié)約了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 模塊化建設(shè)的技術(shù)要點(diǎn)

裝置模塊化技術(shù)要點(diǎn)內(nèi)容如下：首先，裝置模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括工藝設(shè)計(jì)、三維配管設(shè)計(jì)、管道應(yīng)力分析設(shè)計(jì)、裝置布置設(shè)計(jì)、裝置模塊拆分方案設(shè)計(jì)、裝置模塊吊點(diǎn)設(shè)計(jì)等。其次，裝置模塊化建造技術(shù)，包括施工組織管理技術(shù)、成型焊接技術(shù)、組橇安裝技術(shù)等。再次，裝置模塊化包裝運(yùn)輸技術(shù)，運(yùn)輸方式有水運(yùn)、公路、鐵路等。最后，裝置模塊化組裝技術(shù)。

公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和海上運(yùn)輸是模塊化裝置常用的運(yùn)輸方式。其中，公路運(yùn)輸需要使用專(zhuān)業(yè)液壓平板運(yùn)輸車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)，耗時(shí)短，費(fèi)用高，可運(yùn)輸?shù)哪K尺寸比較??；海上運(yùn)輸需要使用專(zhuān)業(yè)的大型平板運(yùn)輸船來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是要注意海上的惡劣氣候條件，采取有效的預(yù)防措施防止模塊在運(yùn)輸過(guò)程中可能造成的損壞，海運(yùn)耗時(shí)長(zhǎng)，但費(fèi)用低，而且可運(yùn)輸尺寸比較大；鐵路運(yùn)輸成本介于水運(yùn)和路運(yùn)之間[1]。

5 項(xiàng)目實(shí)例

某外資公司的液化天然氣項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于澳大利亞西北海岸盆地, 首期工程包含兩套LNG裝置，總產(chǎn)量890萬(wàn)噸/年。該項(xiàng)目總投資超過(guò)450億美金，號(hào)稱(chēng)世界第三大項(xiàng)目。該項(xiàng)目的OSBL部分在中國(guó)設(shè)計(jì)并制造，在天津臨港制造，然后海運(yùn)到澳大利亞港口附近的建廠地進(jìn)行組裝。因?yàn)檫@些模塊全程是海運(yùn)，可以船運(yùn)的模塊尺寸比較大，即對(duì)模塊尺寸的限制比較小, 所以設(shè)計(jì)方面基本沒(méi)有什么限制，只是有些裝置盡量設(shè)計(jì)在框架內(nèi)便于跟模塊框架一起運(yùn)輸，這樣不需額外的鋼梁柱做模塊分割，空間比較足，便于設(shè)計(jì)安裝。該項(xiàng)目的OSBL模塊多達(dá)64個(gè)。該項(xiàng)目利用國(guó)內(nèi)相對(duì)廉價(jià)的人力資源做設(shè)計(jì)和加工制造，然后模塊被運(yùn)到國(guó)外建廠地連接組裝，模塊化建設(shè)讓化工廠在世界范圍內(nèi)動(dòng)起來(lái)，充分利用世界范圍內(nèi)的有利資源，節(jié)約工程成本。

外資公司的一水氫氧化鋰項(xiàng)目，該項(xiàng)目投資在美國(guó)Bessemer City，由LBT承接的EPC模塊化建設(shè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由LBT加工廠模塊制造后海運(yùn)到美國(guó)后需要陸運(yùn)到建廠地，因?yàn)槊绹?guó)陸運(yùn)時(shí)要求模塊尺寸必須控在182 880 mm×4 870 mm×3 650 mm(長(zhǎng)×寬×高)。所以模塊分割就像切蛋糕一樣，項(xiàng)目一共被分割成79個(gè)模塊。與傳統(tǒng)化工項(xiàng)目相比，該模塊化項(xiàng)目的框架模塊分界處用雙柱雙梁，詳見(jiàn)設(shè)備布置圖，如圖1所示。

圖1 外資公司的一水氫氧化鋰項(xiàng)目設(shè)備布置圖

項(xiàng)目中有一些大的設(shè)備受模塊尺寸限制，不能裝在模塊里，只能散運(yùn)，導(dǎo)致支撐這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架也只能散運(yùn)，散運(yùn)到建造場(chǎng)地后再組裝。還有些設(shè)備是分布在2個(gè)模塊甚至3模塊之間，如果設(shè)備不能在模塊分界處拆卸，這樣的設(shè)備也只能散運(yùn)。

與傳統(tǒng)化工項(xiàng)目相比，該模塊項(xiàng)目增大了設(shè)計(jì)的工作量。管道要在模塊分界處斷開(kāi)便于運(yùn)輸，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后管道再進(jìn)行連接，連接方式可以根據(jù)管材和里面介質(zhì)性質(zhì)及溫度進(jìn)行選擇，可選法蘭連接、焊接等。該項(xiàng)目大部分管道選擇法蘭連接，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，只有蒸汽管道由于高溫選擇了焊接。所以設(shè)計(jì)時(shí)盡量把法蘭管件放在模塊邊緣，讓管件法蘭連接作為模塊分界，減少不必要的焊點(diǎn)和法蘭，節(jié)省成本。為了減少現(xiàn)場(chǎng)施工量，散運(yùn)過(guò)去的管材鋼梁等盡量用螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)盡量不動(dòng)火焊接。結(jié)構(gòu)的模塊框架在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，柱子底部附近需要有臨時(shí)橫梁連接的柱子，主要提供了兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)組裝方案：第一個(gè)方案，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后把柱間底部臨時(shí)梁拆掉，然后柱子和現(xiàn)場(chǎng)施工好的底部的柱腿連接好；第二個(gè)方案，框架整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，把柱間臨時(shí)連接梁整體埋到地下。兩種方案各有弊端，第一種方案拆卸臨時(shí)柱間連接梁，拆卸工程量大，第二種方案整體埋到地下面，需要大面積挖深坑，人工量也比較大。經(jīng)過(guò)綜合分析比較，業(yè)主選擇了第一種方案?？傊?，利用國(guó)內(nèi)有利的人力資源優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工制造，節(jié)約了項(xiàng)目總投資成本。

國(guó)內(nèi)某所的高溫制氫項(xiàng)目。該項(xiàng)目建設(shè)地位于甘肅省武威市民勤縣。該項(xiàng)目是一個(gè)中試項(xiàng)目，該項(xiàng)目建設(shè)地人煙稀少，屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)施工極不方便，模塊化設(shè)計(jì)，可大大減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，節(jié)約投資，同時(shí)便于以后搬遷。模塊尺寸按照國(guó)內(nèi)最大集裝箱的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于公路運(yùn)輸。設(shè)備布置圖如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)某所的高溫制氫項(xiàng)目設(shè)備布置圖

6 結(jié)語(yǔ)

隨著物流業(yè)的發(fā)展，模塊化建設(shè)已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，比如現(xiàn)在很多公司會(huì)把比較成熟的工藝單元的某部分作為整體撬塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工制造，然后運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝連接。例如離心泵進(jìn)出口管線(xiàn)閥組連同泵一起加工成模塊、洗滌塔連接前后設(shè)備管線(xiàn)做成撬塊、壓縮機(jī)撬塊等。

為了保證模塊化建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施，我們要做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一、管理統(tǒng)一，同步策劃和考慮設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工，共同遵守模塊化的建設(shè)理念。

模塊化建設(shè)是未來(lái)化工工程施工的一個(gè)趨勢(shì)，所以研究和掌握模塊化設(shè)計(jì)建

造和安裝技術(shù)，意義非常重大[2]。