龐亮，朱小旭，李立

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

近年來，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司大力推動(dòng)工程建設(shè)項(xiàng)目“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工、機(jī)械化作業(yè)、信息化管理”，工程建設(shè)單位和相關(guān)企業(yè)積極實(shí)踐探索，取得了顯著成效。其中標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制以及模塊化施工相輔相成，是裝置模塊化的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)與國(guó)外的裝置模塊化對(duì)比從設(shè)計(jì)水平、制造水平以及施工水平上來說，還存在著一定差距，通過學(xué)習(xí)和研究國(guó)外裝置模塊化方案，提高我們的模塊化水平是本文的主要目的。當(dāng)然，每個(gè)模塊化方案又有其獨(dú)特性，其主要體現(xiàn)在裝置工藝特性，當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，運(yùn)輸和施工條件等等，為了找到其參考之處，本文討論的重點(diǎn)是裝置管廊，希望從中吸取經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他裝置管廊模塊化提供參考。

1 模塊化概述

模塊化（Modularization）概念最初來源于產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域，Starr 于1965 年在《哈佛商業(yè)評(píng)論》中提出了一個(gè)全新的概念—— 模塊化生產(chǎn)（Modular Production）。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，模塊化技術(shù)和思想及其應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大發(fā)展[1]。石油與天然氣工程中的模塊化是指一個(gè)完整的設(shè)備、管道、鋼結(jié)構(gòu)、儀表、電氣等組成的包，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)外制造和組裝并裝運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。模塊化也是一種工程項(xiàng)目的執(zhí)行方法需要大量的計(jì)劃、多方面的資源和專項(xiàng)的資金。在初步規(guī)劃期間，項(xiàng)目將評(píng)估模塊設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸?shù)瘸绦虻膬?yōu)缺點(diǎn)，并確定模塊化的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

預(yù)制、預(yù)裝的模塊組成模塊化的工藝裝置，它可能是獨(dú)立的一個(gè)工藝包，也可能是整個(gè)工藝系統(tǒng)的一部分。模塊化可以大致分為設(shè)計(jì)、預(yù)制和預(yù)裝、施工幾個(gè)階段，其中設(shè)計(jì)由多專業(yè)協(xié)同完成，設(shè)計(jì)輸入條件受限于運(yùn)輸條件的通行尺寸和重量，預(yù)制是一種制造過程，大部分工業(yè)項(xiàng)目的普遍做法是在專門的工廠將各種材料或組裝、或焊接成模塊部件。預(yù)裝是將各種材料、預(yù)制模塊部件、設(shè)備連接在一起作為一個(gè)模塊單元。施工則是模塊的吊裝和拼接等。

2 項(xiàng)目模塊化條件

該項(xiàng)目油氣田位于波斯灣近海深度約0 ～ 15 m左右，根據(jù)儲(chǔ)層的不同，含硫氣體的H2S 含量在13%～38%，CO2含量在4% ～ 9%。項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)分為海上和陸上兩部分，其中海上部分主要由六座鉆井平臺(tái)和人工島預(yù)處理設(shè)施構(gòu)成，從六座鉆井平臺(tái)產(chǎn)生的油氣通過海底管線輸送至人工島預(yù)處理設(shè)施，陸上部分為油氣最終處理的天然氣凈化裝置位于人工島以東10 km 左右。人工島油氣的預(yù)處理設(shè)施總體設(shè)計(jì)概念就是最大限度地模塊化，盡量減少海上作業(yè)以及操作干預(yù)。該項(xiàng)目地理位置的主要港口都有能力接受、處理和卸貨設(shè)備和大型模塊，同時(shí)在其中一個(gè)港口還具備存儲(chǔ)能力，更加適合海上運(yùn)輸以及模塊化方案實(shí)施。

油氣預(yù)處理設(shè)施由多個(gè)工藝單元組成主要包括收發(fā)球、酸氣脫水、油凝析油處理、熱油系統(tǒng)、閃蒸氣壓縮等等，公用工程單元主要由火炬氣、凈化風(fēng)和非凈化風(fēng)、氮?dú)狻⒄羝?、水處理、消防等系統(tǒng)組成。油氣預(yù)處理裝置規(guī)模、相對(duì)簡(jiǎn)單又獨(dú)立的工藝流程以及得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件為模塊化方案實(shí)施提供便利。

3 該項(xiàng)目模塊化的優(yōu)勢(shì)、風(fēng)險(xiǎn)和障礙

項(xiàng)目實(shí)施存在很多外界不確定的因素：現(xiàn)場(chǎng)的施工條件受電力、供水、人員流動(dòng)等制約；施工許可期限、當(dāng)?shù)刈匀粭l件影響項(xiàng)目工期；采購(gòu)物資的市場(chǎng)價(jià)格變化、不同材料的供貨周期影響投資。所有不確定因素均需要在項(xiàng)目可研階段進(jìn)行評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)性，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)劃分等級(jí)，不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)需要相應(yīng)地采取不同的預(yù)防措施。

該項(xiàng)目采用模塊制造廠與工程現(xiàn)場(chǎng)并行施工作業(yè)方式進(jìn)行，場(chǎng)外制造以及預(yù)裝配鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備的同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行打樁、混凝土澆筑等，最大程度地壓縮現(xiàn)場(chǎng)施工周期，避開不確定因素。

從成本的角度看，車間勞動(dòng)力的成本比現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力的成本要節(jié)約很多，而且在模塊廠進(jìn)行招聘、培訓(xùn)成為熟練工更加容易。海上人工島尤其是在鉆井平臺(tái)作業(yè)有潛在的硫化氫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，與其相比車間生產(chǎn)安全、可靠和便利，更容易預(yù)測(cè)工作流程，比如管道、電氣、儀表、結(jié)構(gòu)的安裝順序，并且不受天氣、環(huán)境等外界條件干擾。在非現(xiàn)場(chǎng)制造的組件，制造條件可以人為控制，就可以獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量。

模塊化施工也存在著風(fēng)險(xiǎn)和障礙，包括潛在的模塊堆場(chǎng)設(shè)施成本以及模塊運(yùn)輸成本。堆場(chǎng)設(shè)施包括堆放、儲(chǔ)存、倉(cāng)儲(chǔ)、腳手架、辦公室、模塊裝船設(shè)施等；運(yùn)輸成本包括增加的施工現(xiàn)場(chǎng)材料、卸載設(shè)施、海運(yùn)成本、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的路線（重載道路），運(yùn)輸中還存在著特殊設(shè)備的成本例如拖船和駁船、滾裝船、起重設(shè)備和自驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)輸車（SPMT-Self-Propelled Modular Transporters）。

為了解決運(yùn)輸和裝配問題，模塊設(shè)計(jì)會(huì)增加模塊的體積、重量以及內(nèi)部支撐，也會(huì)調(diào)整設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)位置增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。另外，模塊需要提前遞交交付物和采購(gòu)申請(qǐng)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前就需要模塊規(guī)劃并且與制造廠、運(yùn)輸公司溝通提交單個(gè)模塊的交付要求等，這會(huì)給模塊化設(shè)計(jì)帶來一定難度和風(fēng)險(xiǎn)。

4 本項(xiàng)目模塊化研究

本項(xiàng)目的模塊化研究基于表1，該表格根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度、市場(chǎng)資源以及進(jìn)度計(jì)劃等進(jìn)行調(diào)整。

表1 模塊可行性研究Table 1 Module suitability evaluation

表格第二列為5 個(gè)不同的設(shè)施單元，三到九列為潛在的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，十到十三列為模塊化實(shí)施程度，其中三到九列中的H 表示高風(fēng)險(xiǎn)，M 表示中風(fēng)險(xiǎn)，L表示低風(fēng)險(xiǎn)。

表中第四行Ghasha offshore Processing（GOP），即是本文重點(diǎn)討論的油氣預(yù)處理裝置，該裝置由四項(xiàng)中風(fēng)險(xiǎn)、兩項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)以及一項(xiàng)低風(fēng)險(xiǎn)組成，風(fēng)險(xiǎn)與其他設(shè)施比適中，從模塊實(shí)施程度來看該裝置模塊可以完全現(xiàn)場(chǎng)外制造，但是部分安裝需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

該裝置的管廊模塊化切分平面見圖1。裝置管廊由橫向和縱向的主管廊以及分支管廊組成，圖中用藍(lán)色作為標(biāo)識(shí)；每一段被切分的管廊均有編號(hào)，圖中用紅色數(shù)字標(biāo)識(shí)在管廊旁邊。其中海上平臺(tái)管廊、與海底相連的管廊以及碼頭處桁架不在本文討論范疇，紅色數(shù)字標(biāo)識(shí)的藍(lán)色管廊抽取典型的示例為本文討論的重點(diǎn)。

管廊模塊化設(shè)計(jì)首先需要對(duì)被切分的管廊模塊進(jìn)行編號(hào)、命名，并對(duì)每個(gè)模塊詳細(xì)信息列表分析，具體見表2（節(jié)選）和表3（節(jié)選），表2 中匯總了模塊的長(zhǎng)和寬，ELEVATION 列標(biāo)識(shí)了管廊層數(shù)以及不同層的層高，在REMARKS 中標(biāo)識(shí)了沒有進(jìn)入模塊需要現(xiàn)場(chǎng)安裝的設(shè)備、管道散件等等，表3 匯總了模塊的長(zhǎng)、寬、層數(shù)，并對(duì)管道、鋼結(jié)構(gòu)等重量進(jìn)行了估算，根據(jù)每個(gè)模塊的總重表中最后三列標(biāo)識(shí)了SPMT 小車的軸數(shù)以及實(shí)際和最大的承載力。

圖1 管廊模塊化切分方案平面圖Fig.1 Layout of modular cutting scheme for piperack

表2（節(jié)選）管廊編號(hào)、名稱以及長(zhǎng)、寬、層高等Table 2 Piperack details and elevation

表3 （節(jié)選）管廊模塊估計(jì)尺寸、重量等Table 3 Module estimated size, weight, etc.

管廊模塊采用SPMT（Self-Propelled Modular Transporters）運(yùn)輸和吊裝，模塊設(shè)計(jì)需要考慮SPMT的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行。

SPMT 是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板拖車，可以根據(jù)裝載貨物的不同需求被配置成各種結(jié)構(gòu)、尺寸和重量。SPMT 的基礎(chǔ)部件是有4 軸線（圖2）或6 軸線（圖3）的模塊組以及一個(gè)動(dòng)力頭組成。獨(dú)立的（圖4）或者組合部件（圖5）可以獲得更大的長(zhǎng)度和寬度，每一個(gè)軸線都在主控程序的精確控制下執(zhí)行各種動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)（如：移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、升降等），不僅具備良好的操作性，同時(shí)還可以完成傳統(tǒng)拖車無法完成的動(dòng)作[2]。

圖2 4 軸線SPMT 模塊組Fig.2 4-axles SPMT module group

圖3 6 軸線SPMT 模塊組Fig.3 6-axles SPMT module group

圖4 獨(dú)立的部件Fig.4 Unit component

圖5 組合的部件Fig.5 Assembled components

管廊模塊化方案中小車的高度1 500 mm 決定了管廊的運(yùn)輸梁底距離地面的高度，獨(dú)立部件的寬度2 430 mm 以及組合部件的寬度5 330 mm 決定了管廊的寬度。以圖6 為例，組合的平板拖車尺寸應(yīng)該小于管廊跨距，同時(shí)并留有一定的凈距，模塊底部距離地面標(biāo)高減去運(yùn)輸梁的高度（2 300-750 = 1 550 mm）應(yīng)該大于拖車高度（1 500 mm）。運(yùn)輸梁下端的鋼結(jié)構(gòu)柱子以及混凝土基礎(chǔ)均不在模塊范圍內(nèi)，屬于現(xiàn)場(chǎng)施工部分。

圖6 管廊模塊安裝立面Fig.6 Elevation of piperack module installation

整個(gè)油氣預(yù)處理裝置主副管廊模塊編號(hào)約116個(gè)，根據(jù)管廊層高和跨距、管廊上管道布置以及空冷器等設(shè)備的布置，管廊模塊大致可以分為三種典型類型。

第一種典型管廊模塊（編號(hào)1）跨距6 000 mm，層高三層，總高13 350 mm（地面標(biāo)高100 mm），總寬度24 000 mm。管道與鋼結(jié)構(gòu)總重約844 t，利用24 軸SPMT 小車運(yùn)輸，安裝方案如圖7 所示。

圖7 編號(hào)1 模塊的安裝方案Fig.7 No.1 Module installation scheme

第二種典型管廊模塊（編號(hào)10）跨距8 000 mm，層高四層，總高18 100 mm（地面標(biāo)高100 mm），總寬度36 000 mm。管道與鋼結(jié)構(gòu)總重約2 284 t，利用56 軸SPMT 小車運(yùn)輸，安裝方案如圖8 所示。

該模塊18 100 mm 至20 100 mm 布置了小型設(shè)備以及大型調(diào)節(jié)閥組，其層高的相關(guān)管線和設(shè)備不作為模塊整體運(yùn)輸，而是作為模塊散件到現(xiàn)場(chǎng)后與模塊焊接組裝。

圖8 編號(hào)10 模塊的運(yùn)輸安裝方案Fig.8 No.10 Module installation scheme

第 三 種 典 型 管 廊 模 塊（ 編 號(hào)32） 跨 距10 000 mm，層高四層，總高17 100 mm（地面標(biāo)高100 mm），總寬度32 000 mm。管道與鋼結(jié)構(gòu)總重約2 426 t，利用56 軸SPMT 小車運(yùn)輸，安裝方案如圖9 所示。

圖9 編號(hào)32 模塊的安裝方案Fig.9 No.32 Module installation scheme

該模塊17 100 mm 以上的空冷器以及相關(guān)管線、鋼結(jié)構(gòu)不作為模塊整體運(yùn)輸，在施工現(xiàn)場(chǎng)與模塊焊接和組裝。

5 模塊的施工

模塊的施工和安裝是指將標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用于施工工程的組織形式，在傳統(tǒng)施工理念基礎(chǔ)之上的提升。[3]首先，EPC 承包商應(yīng)制定詳細(xì)的SIMOPS 程序，并在現(xiàn)場(chǎng)開工前安排車間進(jìn)行模塊制造。其次，現(xiàn)場(chǎng)模塊堆放區(qū)需要提前做好臨時(shí)支架，地面承載力要適合模塊的重量，事先勘察從堆放區(qū)到模塊最終位置的現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)SPMT 路線不應(yīng)存在任何障礙物或不良地面條件、地下設(shè)施。最后SPMT 路徑應(yīng)在地面上清楚、準(zhǔn)確地標(biāo)記在靠近基礎(chǔ)的模塊最終位置，以確保模塊的最終定位準(zhǔn)確，并根據(jù)平面布置圖現(xiàn)場(chǎng)安裝條件制定模塊的安裝順序。

利用SPMT 將模塊定位在基礎(chǔ)上之后，按照正式批準(zhǔn)的模塊設(shè)計(jì)圖紙將模塊對(duì)準(zhǔn)模塊底板或基礎(chǔ)底板上的標(biāo)記，降低模塊后，管道根據(jù)最終配合情況進(jìn)行局部調(diào)整。為了模塊與基礎(chǔ)之間，模塊和模塊之間，模塊和設(shè)備已有的連接件之間達(dá)到最佳配合，需要對(duì)每一個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估其可能存在的誤差，模塊內(nèi)管道優(yōu)先考慮直徑較大的管道連接。

模塊完成安裝后在焊接管道之前，需要松開或移除模塊內(nèi)的管道支架或其他臨時(shí)結(jié)構(gòu)件，保證不同模塊的同一根管道對(duì)齊，在零應(yīng)力的條件下進(jìn)行焊接。未對(duì)準(zhǔn)的管道需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整其定位?，F(xiàn)場(chǎng)連接口焊縫應(yīng)為黃金焊縫以避免現(xiàn)場(chǎng)水壓或氣壓試驗(yàn)，焊口組對(duì)并檢查合格后進(jìn)行正式焊接之前，需要打磨點(diǎn)固焊接頭并進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，以預(yù)防部分模塊內(nèi)管道存在大應(yīng)力下接頭處開裂[4]。

對(duì)于帶有散件的模塊需要將散件的結(jié)構(gòu)和管道與模塊本體進(jìn)行預(yù)組裝，各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接后測(cè)量其預(yù)組裝管道和鋼結(jié)構(gòu)的整體尺寸，并填寫預(yù)組裝尺寸檢查記錄。預(yù)組裝可以檢驗(yàn)?zāi)K制作的精度和整體性，以便及時(shí)調(diào)整、消除誤差，從而減少現(xiàn)場(chǎng)特別是高空安裝過程中對(duì)模塊內(nèi)部件的安裝調(diào)整時(shí)間，保證工程的順利實(shí)施。通過對(duì)模塊的預(yù)組裝還可以及時(shí)掌握部件的制作裝備精度，對(duì)于某些超標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，并分析產(chǎn)生原因，在后續(xù)的加工過程中及時(shí)加以控制。[5]

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著石油和天然氣項(xiàng)目海外市場(chǎng)的不斷拓寬，與國(guó)際一流的工程公司合作的機(jī)會(huì)越來越多，相互的交流和學(xué)習(xí)開拓了國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員的視野。國(guó)外油氣田的開發(fā)項(xiàng)目，已經(jīng)呈現(xiàn)向沙漠腹地、偏遠(yuǎn)地區(qū)和海洋灘涂轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[6]，同時(shí)裝置模塊化在油氣預(yù)處理、天然氣加工等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，模塊化的設(shè)計(jì)理念在國(guó)外工程中具有巨大的優(yōu)勢(shì)。在油氣預(yù)處理的工藝前提下，海洋島嶼的自然環(huán)境下，本文論述的相關(guān)模塊化方案希望對(duì)相同類型或自然環(huán)境的工藝裝置由借鑒之處，開拓裝置模塊化設(shè)計(jì)思 路。