海上油氣模塊建造中的電氣系統(tǒng)的模塊化研究

三零（天津）科技有限公司 李繼強(qiáng)

模塊化是一種跳脫出傳統(tǒng)建造的建造模式，主要是將工程分成若干個模塊，每個模塊將結(jié)構(gòu)主體、機(jī)、管、電、涂裝等專業(yè)集為一體，任何再將各個模塊進(jìn)行總裝的一種建造模式。模塊化建造與詳細(xì)設(shè)計及現(xiàn)場施工能力、產(chǎn)品制造等多方面結(jié)合起來一體化設(shè)計，模塊化建造在具體實施手段上，主要以產(chǎn)品化形式對各個階段一體化建造，并借助大型吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備搭積木的過程。

1 設(shè)計與預(yù)制階段

采用與業(yè)主方共享3D 建模的方式，即把海洋工程設(shè)施分成多個模塊，通過計算機(jī)三維模型設(shè)計讓各個專業(yè)隨著模型的不斷完善添加相應(yīng)的內(nèi)容，電氣自動化專業(yè)涉及初期的設(shè)備、橋架、支架、中期的電纜路徑、tubing 路徑、電伴熱帶走向等的建模，后期的模型細(xì)化各專業(yè)的碰撞協(xié)調(diào)及圖紙下發(fā)。目前投到施工階段的圖紙模式比較先進(jìn)的是按照工作包的模式，即按照系統(tǒng)分成不同的工作包下發(fā)到施工層面。按工作包的模式能較完整和系統(tǒng)的對支架、橋架、電纜等方向進(jìn)行監(jiān)控和結(jié)算。電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計的優(yōu)點如下。

減少設(shè)計變更引起的材料成本。由于各個模塊的電氣系統(tǒng)被分割到了各個場地同時建造、再轉(zhuǎn)至總裝場地，大大減少了在總裝區(qū)域的安裝數(shù)量，節(jié)約了總裝位置的機(jī)械臺班，提高了進(jìn)度；減少了高空腳手架平臺的搭設(shè)。在造船及海洋工程建造中，高空作業(yè)需搭設(shè)大面積的腳手架，搭設(shè)腳手架的同時需給工人配備充足的勞保用品及監(jiān)護(hù)人員，通常一個中型的海上油氣模塊如要搭建腳手架平臺需配備100人，高空作業(yè)效率低且安全風(fēng)險高，人力物力投入巨大，模塊化設(shè)計使電氣系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)部件盡最大程度在地面安裝，減少了搭設(shè)腳手架引起的不必要成本。

減少了人工成本。模塊化設(shè)計使得電氣專業(yè)與其他專業(yè)都能同時施工，避免了交叉施工引起的怠工，在有限的時間里使工人的效率得到提高；降低了施工風(fēng)險。由于電氣專業(yè)各個模塊平行建造，使得建造現(xiàn)場人員的施工活動大大減少，改善了施工環(huán)境、降低了施工風(fēng)險，由于模塊化設(shè)計大量的工作轉(zhuǎn)為地面，導(dǎo)致高空作業(yè)的數(shù)量大量減少，有力地保障了施工人員在更加安全的環(huán)境里工作，并減少了安全監(jiān)管人員的成本投入。

這里的預(yù)制階段主要是針對電氣自動化專業(yè)的鋼支架類做車間的焊接預(yù)制（海上油氣模塊的建筑主體都是鋼結(jié)構(gòu)），這一環(huán)節(jié)對后續(xù)節(jié)省工期和提高效率至關(guān)重要，電儀支架的特點是：小、多、制作工序復(fù)雜、人工成本高、安裝區(qū)域廣、施工難度系數(shù)高。

小是指所用材料規(guī)格較小，相對于結(jié)構(gòu)和管道專業(yè)或許是邊腳料的材料，但對電氣專業(yè)來說已是可做設(shè)備支架的材料了，如按鈕、開關(guān)、火警探頭、壓力開關(guān)、信號燈等的支架。

多是指海洋油氣模塊的電氣設(shè)備品種多導(dǎo)致設(shè)備框架各式各樣，大的有發(fā)電機(jī)控制盤支架、照明盤支架、變壓器底座支架、控制室底座支架、電伴熱盤支架，小的有橋架支架、按鈕支架、探頭支架、照明燈具支架。

制作工序復(fù)雜是指相對于其他專業(yè)電氣專業(yè)所制作的設(shè)備支架種類繁多，尺寸大小不一，涉及的工種較多，有焊工、裝配鉚工、打磨工、鉗工、輔工。涉及的工藝復(fù)雜如折彎、打孔、對焊、平焊、仰焊、倒角、打磨、切割、MT、涂裝、熱處理等。

人工成本高，是因為電氣支架由于門類眾多制作比其他專業(yè)復(fù)雜耗時間，但和結(jié)構(gòu)專業(yè)一樣噸位結(jié)算的情況下，完成一噸的支架預(yù)制要比結(jié)構(gòu)完成一噸的結(jié)構(gòu)焊接投入的人工和時間要翻至少兩倍以上；安裝區(qū)域廣是指電氣支架密布到油氣模塊的每一層每個角落，涉及十幾米的高空位置、狹小的間隙，都可能有電氣設(shè)備，都需要電氣設(shè)備支架，因為這些支架要做設(shè)備、電纜橋架等的安裝基礎(chǔ)，沒有支架也就沒有模塊化中電氣的后續(xù)。

施工難度系數(shù)高，是指安裝位置或涉及十幾米到幾十米的高空作業(yè)、或涉及狹小區(qū)域密閉空間作業(yè)、或涉及臨邊空洞作業(yè)、或涉及大型設(shè)備吊裝作業(yè)、或涉及腳手架平臺搭設(shè)作業(yè)，均屬于需要投入安全監(jiān)護(hù)、安全裝備、施工難度較大和危險系數(shù)較高的位置。

電氣的支架預(yù)制階段的模塊化，是把設(shè)備支架按照工作包的模式下發(fā)給施工按系統(tǒng)預(yù)制，即便變更也是下發(fā)變更工作包按照工作包清理支架，這種模式為后續(xù)總裝及車間安裝提高效率打下了堅實的基礎(chǔ)。

2 車間安裝與總裝階段

在各個車間結(jié)構(gòu)裝配成片后，電氣專業(yè)的設(shè)備支架類預(yù)制件可分批分組安排人力去各個車間同步安裝，此階段結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備、電氣專業(yè)均在安裝窗口期，此窗口期分為兩次頂升階段。

第一次頂升模塊單層甲板距離地面比較低，通常為1米，可裝設(shè)備的基準(zhǔn)高度在1米范圍內(nèi)能裝的部分。

第二次頂升模塊單層甲板距離地面的高度為1.6米左右，電氣專業(yè)可裝1.6米范圍能裝的部分。由于模塊化設(shè)計分層分模塊安裝，每一層甲板上下的電氣支架在車間部分都可以能裝盡裝，此階段可充分利用地面和車間工機(jī)具的優(yōu)勢，高效的完成電氣支架的安裝、質(zhì)檢工作。此階段能完成整個總模塊電氣總支架數(shù)量的30～40%，避免傳統(tǒng)模式在總裝安裝所有支架，需協(xié)調(diào)大型吊車起重吊裝、高空部分的腳手架安裝，碰撞部分與各個專業(yè)協(xié)調(diào)資源、解決問題效率低下，極大的縮減了電氣建造周期。

在二次頂升各專業(yè)安裝報驗結(jié)束后，各個車間的分模塊將按照總裝區(qū)域的吊裝計劃，按照先后次序分批進(jìn)入涂裝車間噴涂，隨著各個車間分模塊一并送入涂裝車間進(jìn)行打砂和噴涂作業(yè)，此環(huán)節(jié)電氣專業(yè)為了保證模塊化的一致性，需在沖砂完畢后進(jìn)行條件限制型支架在分模塊的預(yù)安裝位置標(biāo)識工作，為涂裝指定非涂裝區(qū)域，這么做可避免涂裝專業(yè)的浪費涂料和人工，也避免了電儀專業(yè)將來花費人工去再破壞油漆漆面，既節(jié)省了電氣專業(yè)的成本又節(jié)省了涂裝專業(yè)的成本。

待涂裝結(jié)束后，SPMT 運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)至總裝場地。此環(huán)節(jié)相對于傳統(tǒng)粗放式的建造模式，模塊化的模式是模塊在進(jìn)入涂裝前已對電氣專業(yè)未安裝的支架提前精確定位、發(fā)布定位圖紙，避免了材料、施工時的浪費，且出涂裝后電氣專業(yè)的安裝人員在總裝場地可直接找指定標(biāo)記安裝，省去了再次識別圖紙再次定位的時間，對需要焊接的位置亦不需要打磨破壞。

總裝階段是模塊化最重要的集成階段，此階段從涂裝車間涂裝好的分模塊會不斷轉(zhuǎn)運(yùn)至總裝場地，按照總裝計劃的吊片順序進(jìn)行停位，總裝階段分為預(yù)總裝和總裝兩部分。

預(yù)總裝部分各個分模塊在地面進(jìn)行逐層預(yù)組裝，此階段電氣專業(yè)也有兩個可裝支架的階段、同樣頂升兩次，第一次頂升到模塊甲板距離地面2.2米，電氣專業(yè)可根據(jù)實際情況裝涂裝好的剩余分層零散未裝支架并予以安裝，第二次頂升模塊甲板距離地面3.6米，此階段可進(jìn)行剩余特殊支架安裝，預(yù)總裝階段由于模塊化設(shè)計，地面能完成電氣總支架安裝數(shù)量的70～80%。

在預(yù)總裝階段，電氣專業(yè)除能裝設(shè)備支架外，電纜橋架隨著電氣支架的完整性增高，橋架的連通性也有了保障，此時電纜橋架的分模塊和分層走向圖已由設(shè)計下發(fā)，施工方可根據(jù)每一層甲板的實際情況安裝電纜橋架，此階段預(yù)總裝部分占比模塊橋架總米數(shù)的50～60%，同樣電氣設(shè)備安裝數(shù)量占比模塊總安裝數(shù)量的40～50%。

此階段的橋架和設(shè)備安裝已開始涉及和其他專業(yè)的協(xié)調(diào)碰撞部分，由于預(yù)總裝部分管道、結(jié)構(gòu)、電氣專業(yè)都會有更大體積的構(gòu)件安裝、且分層吊裝組和模塊的時間有限，總裝的安裝速度相對于車間安裝的速度急劇下降，總裝要耗五倍的工時才能完成車間安裝同樣的工作。但由于整個油氣項目采取模塊化設(shè)計，使電氣建造周期壓縮量達(dá)到最大化，在預(yù)總裝階段已能完成傳統(tǒng)安裝模式要花兩倍以上施工周期才能干完的項目，機(jī)械臺班、人工、安全監(jiān)管的投入均大量節(jié)省。

總裝階段是整個模塊成型階段，最重要的電氣完整性將在此階段實現(xiàn)。在此階段電氣專業(yè)需要實現(xiàn)整個模塊各個系統(tǒng)完整性。

此完整性包括：電氣設(shè)備支架的完整性（此階段需要健全因前序施工影響無法安裝的支架部分）；電纜橋架的完整性。由于模塊屬于地面拼裝自然存在斷點，影響橋架的連通性，在各層甲板拼裝完成后層間和同層的斷點即可大面積的合并打通；電氣設(shè)備的完整性是伴隨這個設(shè)備支架的完整性而逐漸完整的。電氣系統(tǒng)的模塊化優(yōu)勢不止在建造場地、設(shè)備制造商同樣適用，油氣模塊的電控房、消防控制站等基本是制造商在工廠制作好、調(diào)試好，把控制系統(tǒng)集成到E-HOUSE、交付給建造方后整體安裝，各個接口完成整體調(diào)試。

通常到此階段以上三點完整性仍不能達(dá)標(biāo)，有三點原因：設(shè)計原因。圖紙未受審批還不能下發(fā)；材料原因。由于供貨周期和合同影響的材料遲遲不能進(jìn)場；其他專業(yè)干擾。無法安裝的原因，如：為未到場設(shè)備預(yù)留空間，原則是電氣避讓；不能達(dá)標(biāo)的原因出現(xiàn)取決于建造方的資源整合能力，如果建造方在模塊化方向敢于挑戰(zhàn)勇于創(chuàng)新，這些問題是完全可以避免的。在完整性達(dá)標(biāo)后，重點關(guān)注的部分將從電纜開始（海上油氣模塊的電纜部分包括電纜敷設(shè)、電纜綁扎、橋架蓋板封裝，電纜端接工作），之后是控制閥門的氣源及氣源管安裝、電伴熱系統(tǒng)熱線的管道伴熱設(shè)備及熱線的敷設(shè)，為后續(xù)調(diào)試交付做準(zhǔn)備。

3 調(diào)試階段

海上油氣模塊建造過程中，調(diào)試是整個工程施工的最后一環(huán)，是對整個平臺從設(shè)計到安裝的所有施工過程的一個最終檢驗，調(diào)試的順利與否關(guān)系到整個工程能否順利交接。調(diào)試就好像“上帝之手”一樣，讓一座海上油氣模塊由靜止而逐漸運(yùn)轉(zhuǎn)起來，最后變成一個各部分運(yùn)作協(xié)調(diào)的有機(jī)生命體。作為海洋石油平臺工程的一部分，調(diào)試并不能脫離海洋油氣模塊的建造模式而獨立存在。隨著模塊化概念逐漸引入工程領(lǐng)域，調(diào)試工作也越來越受到其影響而在整個施工過程中逐漸發(fā)生了變化。

電氣系統(tǒng)的模塊化分為單機(jī)調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試。單機(jī)調(diào)試工作內(nèi)容主要包括：電纜絕緣測試、照明系統(tǒng)的照度測試、設(shè)備的絕緣測試、電機(jī)的轉(zhuǎn)向測試，變壓器的溫升測試、儀表的回路測試、電伴熱回路的通電測試。機(jī)組保護(hù)性聯(lián)鎖和報警等自控系統(tǒng)調(diào)試聯(lián)校合格；裝置電氣、儀表、計算機(jī)、防毒防火防爆等系統(tǒng)調(diào)試聯(lián)校合格；裝置區(qū)施工臨時設(shè)施已拆除、工完、料盡、場地清、豎向工程施工完；對聯(lián)動調(diào)試有影響的設(shè)計變更處理完，其他未完尾項責(zé)任明確，完成時間明確。由以上條件可看出，單機(jī)調(diào)試工作的調(diào)試內(nèi)容并不僅是一臺單機(jī)，而是一個由單機(jī)、供電系統(tǒng)和自控系統(tǒng)組成的相對獨立的功能模塊。

電氣聯(lián)合調(diào)試的工作內(nèi)容主要是為實現(xiàn)模塊各個系統(tǒng)的功能，是在單機(jī)調(diào)試完備后才能進(jìn)行的調(diào)試，模塊上的聯(lián)合調(diào)試與管道、設(shè)備、暖通專業(yè)交集較多，如空壓機(jī)系統(tǒng)能否為tubing 管按照設(shè)計參數(shù)供氣、淡水供應(yīng)系統(tǒng)的水泵能否安裝設(shè)計參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)并連鎖其他系統(tǒng)、現(xiàn)場閥門在收到什么樣的指令后動作，一臺運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障、備用發(fā)電機(jī)如何啟動，故障型號會引起什么樣的關(guān)斷，電控房如何收集現(xiàn)場的報警點，再收到報警后如何實現(xiàn)相關(guān)工藝的連鎖關(guān)斷，各個工藝間的運(yùn)作邏輯關(guān)系如何，都屬于聯(lián)合調(diào)試要驗證核實的內(nèi)容。

電氣系統(tǒng)能否完成所有調(diào)試指標(biāo)直接影響油氣模塊的交付，這有賴于建造方的模塊化整合能力和設(shè)計方前期模塊化做的細(xì)致程度。

4 結(jié)語

綜上所述，模塊化建造在我國海洋及船舶領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，隨著一大批國際油氣項目落地，如：全世界最大的極寒地區(qū)海上油氣項目ACTIC LNG2模塊、加拿大LNGC 模塊等，建造的主場地不斷向中國轉(zhuǎn)移，中國已成為全世界模塊化建造的最大贏家，這不僅說明國外客戶對中國模塊化建造能力的認(rèn)可，也帶來了更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，抓住這個機(jī)會一定能把我國的模塊化建造水平推向更高的國際水準(zhǔn)。