郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

一體化建造所需的設(shè)計(jì)工序工藝匹配探討

郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋工程領(lǐng)域，采用建造一體化可以節(jié)省施工人力、場地以及生產(chǎn)機(jī)具等資源，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的工序及工藝，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工序及工藝與一體化建造方法的匹配，可促進(jìn)一體化建造的實(shí)施。根據(jù)專業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從促進(jìn)建造一體化的角度出發(fā)，提出了諸多優(yōu)化設(shè)計(jì)工序及工藝的方法，從而可以避免設(shè)計(jì)過程對一體化建造的制約。

海洋工程；一體化建造；工序；工藝；工期

0 引 言

隨著海洋石油開發(fā)進(jìn)程的不斷加速，油田的規(guī)模越來越大，平臺上部組塊也越來越復(fù)雜，使得平臺結(jié)構(gòu)物的尺寸與重量越來越大，所需要的設(shè)計(jì)和建造的時(shí)間也隨之延長[1]。而目前海洋工程的建造工期普遍較短，為了滿足工期要求，往往設(shè)計(jì)的深度不夠就開工建造，隨著設(shè)計(jì)的深入，不可避免會(huì)有后期的修改返工。因此，促進(jìn)建造一體化的實(shí)施將是未來海洋工程建造的趨勢。

海洋工程傳統(tǒng)建造模式是典型的順序工程，把結(jié)構(gòu)建造視為首道作業(yè)，結(jié)構(gòu)分段建造并涂裝后組裝并固定于滑道上，然后進(jìn)行設(shè)備、管線、支架、舾裝等設(shè)施的施工[2]。在施工過程中，需要進(jìn)行大量的腳手架高空作業(yè)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割和焊接并安裝相關(guān)設(shè)備設(shè)施，破壞結(jié)構(gòu)涂層后再重新補(bǔ)涂。

一體化建造是根據(jù)建造預(yù)舾裝和公司實(shí)際生產(chǎn)設(shè)施情況要求，對設(shè)計(jì)方法、建造工序等進(jìn)行革新，在預(yù)舾裝階段分片完成結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線等設(shè)施的安裝及整體涂裝，提高施工效率，降低項(xiàng)目成本。本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究了設(shè)計(jì)工序及工藝與一體化建造方法的匹配，以促進(jìn)一體化建造的實(shí)施。

1 一體化建造簡介及設(shè)計(jì)制約因素

傳統(tǒng)建造工序及工藝為在甲板片滑道吊裝后，高空安裝立柱、拉筋、管線支架、電纜托架支撐、腳手架、欄桿等散件。傳統(tǒng)建造工序及工藝如圖1所示。

一體化建造工序及工藝為在甲板片預(yù)制完成后，地面安裝拉筋、管線支架、電纜托架支撐、小型設(shè)備底座、腳手架、欄桿、等散件，最后再進(jìn)行整體吊裝。一體化建造工序及工藝如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)建造工序Fig.1 Conventional construction technology

圖2 一體化建造工序Fig.2 Integration construction technology

在組塊建造過程中，實(shí)現(xiàn)一體化的關(guān)鍵是盡早確定組塊建造模塊分區(qū)方案。作為最小單位的模塊，既是一個(gè)作業(yè)單位，又是一個(gè)供安裝用的零、部件及器材集配單位。組塊建造過程中有大量的舾裝件要預(yù)制與安裝，為便于施工和管理，把它們按作業(yè)階段和作業(yè)場所劃分成一個(gè)個(gè)比較小的單位。每個(gè)模塊建造均為一個(gè)小工程，在相同階段、同一場所內(nèi)完成，同時(shí)明確規(guī)定每個(gè)模塊建造工程項(xiàng)目的開工和完工日期。這樣，整個(gè)工程計(jì)劃、工程進(jìn)度和物資器材供應(yīng)也都可以一一落實(shí)了。就信息和資源而言，“模塊建造”意味著：設(shè)計(jì)方面，包括圖紙及其材料表；材料采辦方面，一整套材料的采辦；生產(chǎn)方面，包括工作量、勞動(dòng)力和設(shè)備。就工作進(jìn)度計(jì)劃而言，“模塊建造”意味著：設(shè)計(jì)方面，圖紙及其材料表的完工和發(fā)送日期；材料采辦方面，一整套材料的發(fā)送日期；生產(chǎn)方面，一定時(shí)期內(nèi)工時(shí)和設(shè)備的分配。

通過傳統(tǒng)建造與一體化建造工序及工藝對比，發(fā)現(xiàn)一體化建造實(shí)施效果明顯?？偨Y(jié)在建海洋工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，可以明確一體化建造的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1) 提高生產(chǎn)效率。主要體現(xiàn)為設(shè)備管線等與結(jié)構(gòu)在地面交叉施工，能明顯縮短工期，加快項(xiàng)目進(jìn)度。散件安裝就位后，大部分附屬構(gòu)件可與甲板片一起涂裝，提高涂裝效率。另外，一體化地面交叉施工很大程度避免了施工人員的工作量，提高了工作效率。

(2) 降低安全隱患及勞動(dòng)強(qiáng)度。主要體現(xiàn)為將部分高空作業(yè)工作量轉(zhuǎn)為地面作業(yè)，減少了空間交互式作業(yè)量，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)，為施工人員提供了更為安全、便捷的作業(yè)環(huán)境。

(3) 降低機(jī)械臺班成本。主要體現(xiàn)為由于施工高度下降，降低了對吊車能力的需求，同時(shí)減少了吊車的占用時(shí)間，降低機(jī)械臺班成本。傳統(tǒng)工藝?yán)?、支架的安裝需要大型履帶吊將構(gòu)件吊至高空；而一體化工藝使甲板片上方的構(gòu)件用汽車吊便可完成，甲板片下方的構(gòu)件用叉車就能運(yùn)輸?shù)轿弧?/p>

(4) 保證焊接質(zhì)量，減少二次補(bǔ)漆。低空焊接作業(yè)環(huán)境更好(如避風(fēng)、預(yù)熱等)，更有利于保證焊接質(zhì)量；同時(shí)減少由于后上散件對甲板片油漆的破壞，省去打磨和補(bǔ)漆工作。圖3為傳統(tǒng)支架安裝照片；圖4為一體化支架安裝照片。兩相對比，后者顯示出明顯的效果。

圖3 傳統(tǒng)支架安裝Fig.3 Conventional support installation

圖4 一體化支架安裝Fig.4 Integration support installation

綜上所述，一體化建造的優(yōu)勢十分明顯，而其中最主要的表現(xiàn)是建造階段的施工效率高、建造周期大大縮短。例如，渤海某海洋平臺上部組塊重5 271 t,從詳細(xì)設(shè)計(jì)啟動(dòng)到陸地建造結(jié)束并完成平臺拖拉裝船，總共歷時(shí)不足1年，刷新了當(dāng)時(shí)的組塊陸地建造紀(jì)錄。之所以能取得如此業(yè)績,一體化建造起到了非常重要的作用[3]。

然而，一體化建造也存在一些不足，比如實(shí)行一體化建造對前期方案設(shè)計(jì)的要求較高，這勢必導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長及投入的人力增加；另外，一體化建造需要分成多個(gè)模塊進(jìn)行托盤設(shè)計(jì)，無形中增加了諸多界面方面的工作及陸地總裝拼接的工作。但是考慮到建造階段的人力和財(cái)力投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)階段，從整個(gè)工程角度出發(fā)，實(shí)行一體化建造還是利遠(yuǎn)大于弊。

從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)對一體化的制約因素主要體現(xiàn)在兩方面：設(shè)計(jì)階段和深度，設(shè)計(jì)工期。

在國內(nèi)的海洋工程行業(yè)中，在設(shè)計(jì)的前期階段，與一體化建造相關(guān)的設(shè)備、管線、舾裝等設(shè)施的基礎(chǔ)規(guī)劃、布置類方案或圖紙是不涉及的。而按照國際慣例，前期設(shè)計(jì)包括所有的主要預(yù)舾裝件布置、規(guī)劃的圖紙、設(shè)計(jì)文件、清單，而且必須做到一定深度；后期設(shè)計(jì)階段結(jié)合廠家資料，進(jìn)行加工設(shè)計(jì)。為推進(jìn)一體化建造工作，根據(jù)新的設(shè)計(jì)、建造需求，有必要參考國際同行的經(jīng)驗(yàn)和做法，對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)階段和深度重新思考和配置，合理調(diào)整、充實(shí)各階段設(shè)計(jì)內(nèi)容和深度，提高設(shè)計(jì)各階段的效率和成果。

在設(shè)計(jì)工期方面，當(dāng)設(shè)計(jì)滿足施工要求時(shí)，就可以有條件地邊設(shè)計(jì)邊施工，而且設(shè)計(jì)與施工部門能有效地交流互動(dòng)，從而節(jié)省工期、優(yōu)化方案、提升項(xiàng)目效益。從總體上看，實(shí)施一體化建造要考慮的設(shè)計(jì)工期，一是要滿足基本的設(shè)計(jì)方案的確定，二是要考慮影響施工的廠家資料信息的獲取時(shí)間。站在設(shè)計(jì)角度，主觀和客觀上都要考慮技術(shù)方案與采辦的有效配合。否則非但達(dá)不到一體化建造的效果，還給現(xiàn)場施工帶來重大影響甚至造成返工。

綜上所述，通過研究優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的工序及工藝，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工序及工藝與一體化建造方法的匹配非常必要。

2 設(shè)計(jì)工序工藝匹配研究

2.1 設(shè)計(jì)工序中一體化的限制因素及改進(jìn)建議

首先是設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)要求完善。近年來的海洋工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)工序可理解為從整體到局部進(jìn)行的設(shè)計(jì)思路，這與一體化設(shè)計(jì)建造理念相吻合。然而，由于大多數(shù)項(xiàng)目并未執(zhí)行一體化建造，在設(shè)計(jì)工序中并不會(huì)體現(xiàn)出如何滿足一體化建造需求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)工序中的確認(rèn)設(shè)計(jì)要求這一階段，不會(huì)提出將一體化建造的思路作為重點(diǎn)考慮項(xiàng)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)。

因此，建議增加如下工序，完善目前專業(yè)設(shè)計(jì)工序以匹配一體化建造：(1)增加一體化設(shè)計(jì)建造的要求及理念，要求建造方在項(xiàng)目初期就參與到設(shè)計(jì)當(dāng)中，提出一體化設(shè)計(jì)建造思路并跟蹤執(zhí)行；(2)設(shè)計(jì)初期各方協(xié)調(diào)確認(rèn)一體化建造的分塊方案、建造工序及工藝；(3)根據(jù)已確定的建造方案，總體設(shè)計(jì)時(shí)按照建造資源協(xié)調(diào)相關(guān)方進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；(4)設(shè)計(jì)階段按照一體化思路，按計(jì)劃配合提供設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)、采辦料單。圖5為建議完善后的設(shè)計(jì)工序流程圖。

圖5 設(shè)計(jì)工序完善Fig.5 Optimization of design procedure

其次是圖紙計(jì)劃差異。在設(shè)計(jì)過程中，由于內(nèi)部因素和外部因素，各個(gè)項(xiàng)目不同程度地存在設(shè)計(jì)施工圖紙?zhí)峤粫r(shí)間晚于現(xiàn)場一體化建造需求時(shí)間的現(xiàn)象。針對此問題，建議在滿足設(shè)計(jì)工期的條件下，在設(shè)計(jì)工序方面采取如下措施進(jìn)行匹配：(1)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方與建造方之間的溝通，熟悉組塊每一分段的建造方法及順序，并據(jù)此微調(diào)設(shè)計(jì)工序，保證設(shè)計(jì)文件的提交順序匹配建造需求；(2)建議在制定設(shè)計(jì)計(jì)劃工序方面，根據(jù)一體化建造方法編制詳設(shè)出圖計(jì)劃，調(diào)整出圖順序和時(shí)間；(3)在人力計(jì)劃方面，建議協(xié)調(diào)調(diào)整關(guān)鍵點(diǎn)上的人力和計(jì)劃，另外，可根據(jù)模塊建造計(jì)劃的順序，制定出圖計(jì)劃，做到不影響一體化施工；(4)根據(jù)合理的設(shè)計(jì)計(jì)劃，適當(dāng)保證設(shè)計(jì)工期，確保詳設(shè)文件提交時(shí)間匹配一體化建造。

2.2 設(shè)計(jì)工藝中促進(jìn)一體化建造的方法

在設(shè)計(jì)工藝范疇，布置類圖紙及典型安裝圖與一體化設(shè)計(jì)建造息息相關(guān)。因此，促進(jìn)一體化需要從模塊化標(biāo)準(zhǔn)化、新技術(shù)新方法、新材料新產(chǎn)品三方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1模塊化標(biāo)準(zhǔn)化

模塊設(shè)計(jì)定義為模塊的劃分及其模塊內(nèi)物資的確定。這需要根據(jù)總體建造方案的劃分原則，由設(shè)計(jì)方以模塊管理表形式分類規(guī)劃物資的集配，以便據(jù)此進(jìn)行物資采購或制造，并按規(guī)定的交付期送到生產(chǎn)現(xiàn)場。

方案設(shè)計(jì)中針對組塊中的密閉空間區(qū)域，如房間等，如果不執(zhí)行一體化設(shè)計(jì)及建造，將會(huì)有大量的返工，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。因此建議前期總體布置時(shí)盡量將密閉空間區(qū)域集中布置，設(shè)計(jì)時(shí)將其作為獨(dú)立模塊進(jìn)行一體化建造。

模塊的劃分通常根據(jù)如下因素進(jìn)行確定：(1)根據(jù)平臺整體功能體系，按照系統(tǒng)將其分類分區(qū)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使每個(gè)模塊自成體系，例如典型的平臺一般可考慮分為主工藝處理模塊、公用設(shè)備模塊、電站模塊、生活模塊等；(2)模塊劃分及布置時(shí)，須考慮將危險(xiǎn)的生產(chǎn)設(shè)施和非危險(xiǎn)的生活設(shè)施進(jìn)行隔離，確保平臺整體的安全最大化；(3)綜合考慮平臺整體的重量中心以及主鋼結(jié)構(gòu)受力因素，盡量使各個(gè)模塊的整體重心偏移不大，并使各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)受力至最佳；(4)模塊劃分須提前考慮建造資源的因素，比如滑道資源、吊裝資源等，建造資源對單獨(dú)模塊的規(guī)模、尺度及重量等具有一定的限制。

圖6為國外某半潛式平臺上部組塊的模塊劃分布置圖，可供一體化建造模塊設(shè)計(jì)參考。

圖6 某半潛式平臺模塊劃分布置圖Fig.6 Modules layout of a semi-submersible platform

在各個(gè)模塊之間的接口精度控制方面，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)場地的施工條件及能力，各個(gè)模塊之前的施工間距確保足夠以保證安全拼接及管線電纜等正常連接；(2)在建造階段，應(yīng)制訂合理的合攏方案及合攏順序，以保證各個(gè)模塊的總裝精度；(3)在焊接控制方面，應(yīng)根據(jù)各個(gè)工序的實(shí)際情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，盡量控制焊接收縮量對模塊建造精度的影響。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，以管道設(shè)計(jì)為例，需加強(qiáng)地漏布置設(shè)計(jì)及管廊支架設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程度，降低圖紙受其他因素制約的程度，保證與鋼結(jié)構(gòu)同步施工。另外，建議開發(fā)研究一些非焊接支架標(biāo)準(zhǔn)安裝形式，應(yīng)用于工況不太苛刻的場合中，可以減少由于后續(xù)修改導(dǎo)致的焊接施工破壞；針對管廊支架型鋼尺寸無法提前確定的問題，建議在主管廊區(qū)域設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的管廊，這樣可以保證管支架與結(jié)構(gòu)同步施工。

2.2.2新技術(shù)新方法

在新技術(shù)方面，建議大力推行智能管道儀表流程圖(PI&D)的應(yīng)用，便于后續(xù)專業(yè)的閥門采辦工作及其他工作順利進(jìn)行，進(jìn)而促進(jìn)一體化的實(shí)施。

在新方法方面，建議根據(jù)一體化建造各個(gè)模塊的需求料單，按照計(jì)劃提供料單，同時(shí)局部調(diào)整采辦策略，將設(shè)備資料提供時(shí)間作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，盡早消除影響施工圖紙的因素，如設(shè)備管口信息、滑道梁信息、儀表元件資料等，盡量做到與結(jié)構(gòu)同步施工以促進(jìn)一體化建造。

2.2.3新材料新產(chǎn)品

以管線的保溫材料為例，目前項(xiàng)目應(yīng)用的管線保溫材質(zhì)為玻璃棉材質(zhì)，由于其纖維較短小，添加了結(jié)合劑，韌性差，抗拉強(qiáng)度小，使用壽命短，因此不太適合施工大管道和保溫設(shè)備，這在一定程度上影響了一體化建造的進(jìn)程。而目前市場上開發(fā)的新型保溫產(chǎn)品，如無機(jī)保溫毯，有幅面大、強(qiáng)度高、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在大氣環(huán)境中使用壽命一般在10年以上，最重要的是適宜于任意曲面形狀施工，可以大大提高施工效率，促進(jìn)一體化建造。

以管線支架產(chǎn)品為例，針對尺寸較小的管線，建議適當(dāng)應(yīng)用一些非焊接的新型支吊架，這樣可以從一定程度上避免動(dòng)火焊接，提高施工效率，促進(jìn)一體化建造的實(shí)施。

另外，關(guān)于管道非焊接連接的方法，通常應(yīng)用的有法蘭連接、螺紋連接、卡箍連接等。這些連接形式存在一些很明顯的弊端或應(yīng)用局限性。因此，尋求經(jīng)濟(jì)、可靠、易于安裝的管道非焊接產(chǎn)品對促進(jìn)一體化是有利的。

3 結(jié) 語

一體化建造對設(shè)計(jì)和采辦提出了豐富而具體的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，是設(shè)計(jì)、采辦、建造綜合匹配的應(yīng)用活動(dòng)。本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，探討了開展一體化建造對設(shè)計(jì)工作的影響，提出了針對一體化建造需要而改進(jìn)設(shè)計(jì)工作的建議和措施。

近年來，已有不少海洋工程項(xiàng)目明確提出按照一體化建造實(shí)施。通過不斷的工程實(shí)踐，逐步將一體化的理念和技術(shù)投入應(yīng)用，海洋工程一體化設(shè)計(jì)建造的程度將不斷提高并取得令人矚目的成績。一體化設(shè)計(jì)建造的推廣應(yīng)用將成為海洋工程項(xiàng)目的必由之路。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì)．海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2007．

[2] 楊勝, 于琦, 杜偉, 等. 海洋平臺生活樓一體化建造技術(shù)研究[J]. 中國海洋平臺,2015,30(6):31.

[3] 張占立, 沈留兵. 海洋平臺一體化建造新工藝的效益淺析[C]. 深海能源大會(huì)，2015.

DiscussiononMatchingDesignProcedureandProcesstoIntegrationConstruction

HAO Meng-jiang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

In the field of offshore engineering, integration construction technology can save manpower, construction sites and machines etc., so as to speed up the production efficiency, reduce production costs, and improve product quality. If the design procedure and process could match the integration construction technology, then we can promote the implementation of the integration construction through optimizing the design procedure and process. According to the design characteristics and perspective of promoting construction integration, some optimization methods for the design procedureand process are put forward, so as to solve the restricting factors of the integration construction.

ocean engineering; integration construction; procedure; process; project time limit

2016-09-23

郝孟江(1983—)，男，工程師，主要從事平臺總體布局與管道設(shè)計(jì)方面的研究。

P75

A

2095-7297(2016)05-0310-05