楊帥敏

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

我國石油化工企業(yè)不僅在國內建設了更多的化工裝置，并且越來越多的化工工程公司與國際合作，在海外地區(qū)也有一些建設項目。在非洲、南美等一些環(huán)境惡劣的地區(qū)，施工難度大，勞動成本高，管理難度較大，為了提高工程進度，保證工程質量，減少工程成本，尋找合適且高效的石油化工工程施工方案勢在必行。隨著施工機械化程度的提高，現(xiàn)代化大型吊裝運輸能力不斷增強，在日益講究安全、高效的工程建設的背景下，模塊化制造正在取代現(xiàn)場施工。

本文就模塊化設計在化工設計中的設計理念，模塊分類，模塊化設計中各專業(yè)面臨的挑戰(zhàn)以及三維軟件對模塊化設計的支撐等內容進行探討，以加強對其的了解。

2 模塊化設計理念及特點

模塊化設計（Modular Design）是指對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求的設計方法。在石油化工裝置中，化工廠的各個裝置就是模塊，如果把某一套裝置看作一個系統(tǒng)，那么構成這個裝置的各個部分就是模塊。

化工模塊化設計項目相比于傳統(tǒng)化工裝置設計（基礎設計和詳細設計）增加了加工設計環(huán)節(jié)，加工設計是將詳細設計的圖紙轉化為制造和組裝的設計，同時要考慮建造、檢驗、包裝、臨時和永久支撐、運輸、吊裝和防腐等要求，加工設計由制造廠完成。模塊化設計需要增加很多設施，例如，管線車間、結構車間、容器車間、電儀車間、總裝車間、特殊作業(yè)車間、油漆車間、起重車間等。

模塊化設計在化工建設中有顯著的優(yōu)點：

1）減少工期。傳統(tǒng)建設工程需要先完成建筑工地土建施工，再進行上方工廠管道建設，工期較長。對于工期比較緊的項目，模塊化設計可以將模塊的預制以及組裝等工作與現(xiàn)場場平、樁基以及基礎施工等一起進行，有效縮短項目工期[1]；

2）基本不受自然天氣，環(huán)境等外界因素影響。例如，對于新疆，內蒙古等寒冷地區(qū)，冬季溫度較低，不符合現(xiàn)場施工要求，嚴重影響了現(xiàn)場澆筑、焊接等工序的施工質量，且存在安全隱患。另外，冬季施工需要采取一定的采暖措施，這樣不僅會增加很多額外采暖費用，且工人的工作效率較低。而模塊化裝置的預制建造一般是在特有的廠房中進行，工人的工作效率顯著提升，工程質量也更高。以焊接效率為例，傳統(tǒng)建設工程中，焊接管道每個工人一天焊接的寸徑數(shù)為66.676~83.33 cm（20~25寸，單根管道的寸徑或直徑為1寸），而廠房內制作焊接量達到每人每天166.67~200 cm（50~60寸）。傳統(tǒng)的裝置建設往往在雨天要暫停焊接工作，廠房內則完全沒有這些因素的干擾，溫度、濕度也可以得到控制，大大提高了焊接質量。

3）減少場地的需求。傳統(tǒng)化工裝置設計中管道的預制等需要很大的場地去實施，并需要很多專業(yè)工程技術人員以及相關人員的管理，而模塊化設計是將大量的工作移交至廠家去做，減少了現(xiàn)場施工，同時減少了技術工人的數(shù)量，使人力得到更合理的使用。特別是對于改擴建項目，模塊化設計對現(xiàn)有裝置正常生產(chǎn)的影響會比傳統(tǒng)的工程設計較小。

4）減少安全隱患。傳統(tǒng)建設工程需配置很多固定腳手架，安全意識薄弱的工人若安全措施落實不到位，工人在架子上攀爬操作施工，存在很大的安全隱患。模塊化設計裝置一般高度有所限制，且均在車間內生產(chǎn)，完全免去了固定腳手架的使用，只在需要的時候使用了移動腳手架或者升降直梯。

5）減少施工對環(huán)境的影響。例如，傳統(tǒng)化工裝置現(xiàn)場會進行大量的管道切割、焊接等施工，而模塊化設計一般在現(xiàn)場車間內進行管道自動焊接，沒有煙霧、減少了噪聲，機床切割的鐵屑還實現(xiàn)了再利用。

6）質量有所保證。模塊化設計的管道、結構等大部分在撬塊廠家即可完成，離廠時會完成管道吹掃、壓力試驗及儀表閥門的調試等，施工質量高，可減少現(xiàn)場變更，提高施工質量。

7）節(jié)省空間。模塊化設計由于運輸方式的不同，對撬塊大小有所限制，但是不論哪種運輸方式都有限定的運輸尺寸要求，這就需要將現(xiàn)有管道、設備等組件集成，在滿足工藝流程的情況下盡量多層疊加布置，盡量節(jié)省平面空間。

8）拆卸方便，重復利用。

3 模塊化設計的分類

根據(jù)模塊規(guī)模大小，一般將模塊化設計分為4類：主項模塊化、單元模塊化、管廊模塊化和管道組件的模塊化。目前，化工裝置中較多的是單元模塊化和管道組件的模塊化。

3.1 主項模塊化

化工裝置設計過程中一般會根據(jù)工藝流程以及項目配套設施將各裝置劃分為不同的主項。例如，新建多晶硅裝置一般包含制氫、空分制氮、精餾、冷氫化、還原、還原水系統(tǒng)、整理、尾氣回收等主要工藝主項，以及裝置變電所、循環(huán)水站、冷凍站、機柜間等配套車間。

主項模塊化一般受工藝包影響，這種模塊化設計適用于項目的改擴建，若工藝包或者專利商不改變，相應的設備選型以及廠家均不會改變，這樣根據(jù)最新標準規(guī)范要求稍做修改就可以完成主項的模塊化設計。例如，在多晶硅裝置中的還原水系統(tǒng)裝置，業(yè)主在進行二期建設時，若工藝流程不做修改，裝置的總圖相對位置與一期沒變時，二期項目建設完全可以將一期已建裝置作為整體撬塊，直接在其基礎上根據(jù)最新標準以及業(yè)主需求稍做修改就可以完成，大大壓縮了設計周期，縮短整體建設工期[2]。

3.2 管道組件模塊化

管道組件模塊化主要是將管道、管件、閥門（手閥、儀表閥門以及安全閥等）以及相關設備撬裝在一個固定尺寸的鋼結構中，作為一個設備對待。管道組件模塊化是目前化工裝置中模塊化設計較常見的一種，特別是對化工裝置單元中有很多相同反應系統(tǒng)來說，更能實現(xiàn)管道組件模塊化。例如，多晶硅生產(chǎn)中的還原車間，一個還原車間一般會布置較多的還原爐，每臺還原爐配套的工藝流程均完全一致，這樣就可以將還原爐配套管線以及相關設備作為一個管道組件模塊來設計，形成固定的還原爐模塊。對于不同的項目，若還原爐生產(chǎn)工藝相似，根據(jù)不同項目的不同環(huán)境以及業(yè)主的不同要求，在原有的撬塊上進行局部修改，又將形成新的管道組件撬塊，大大縮短了設計時間。

3.3 單元模塊化

在化工裝置設計中，如果工藝包修改，同樣的化工產(chǎn)品無法按照主項模塊化設計，但可以按照設備或者框架的相應位置做分割，區(qū)分為一個個的小單元，然后將小單元按照撬塊化設計。單元模塊化設計需要具有完整的工藝單元功能，這些單元模塊可以在主項裝置內根據(jù)設備布置圖的需要移動，例如，多晶硅項目中的還原主項可以區(qū)分為還原爐單元、汽化器單元、爐體清洗單元以及真空泵單元等，根據(jù)總平面布置圖以及設備布置圖等整體考慮各單元的布置。

3.4 管廊模塊化

管廊模塊化一般用于海外項目，在國內制造，利用海上來運輸。管廊模塊化設計是根據(jù)總圖確定管廊位置，根據(jù)系統(tǒng)圖確定管廊配管，將管廊進行分割，根據(jù)各項目運輸方式，決定管廊模塊的大小。管廊模塊化主要是管道和結構，管道需要將分好的管廊進行標記，并且對重要管線如應力管線的連接和支撐做加固。管廊模塊化還需要確定模塊與模塊之間的連接形式，盡可能利用彎頭、三通、法蘭等管件作為連接件，減少焊縫與法蘭。

4 模塊化的各專業(yè)設計

4.1 模塊化工藝設計

在化工裝置中，工藝專業(yè)是核心，模塊化設計要求在管道專業(yè)設計過程中，工藝專業(yè)基本不做修改，并提供完整的、確定的PID，以及設備數(shù)據(jù)表、儀表數(shù)據(jù)表、安全閥數(shù)據(jù)表、爆破片數(shù)據(jù)表等相關文件，供采購部門盡早出具采購文件并進行招標確定廠家，廠家根據(jù)相關數(shù)據(jù)表提供詳細的設計返資。管材專業(yè)確定管道材料等級，閥門數(shù)據(jù)表以及防腐工程規(guī)定，絕熱工程規(guī)定等相關設計文件。

4.2 模塊化管道設計

模塊化管道設計需考慮根據(jù)運輸方式、設備大小等確認模塊大小，使管道在現(xiàn)有的框架中進行設計，并利用現(xiàn)有框架設計管道、設備以及平臺等的支撐，保證閥門操作維修的方便。

管道模塊化設計需注意以下幾點：（1）將管道盡可能設計在模塊現(xiàn)有區(qū)域中[3]；（2）考慮管道的支撐，不僅需要考慮管道在開車運行過程中的支撐，還需要考慮撬塊在運輸過程中管道不會移位或者滾動[4]，這樣就需要設置部分臨時支架來固定管道；（3）需要根據(jù)管機專業(yè)發(fā)布的臨界管線表區(qū)分應力管線，并且對應力管線進行詳細的劃分，確保應力管線走向及管架的合理；（4）模塊中的管道閥門手柄盡量集中于一側布置，方便現(xiàn)場操作、檢修；（5）模塊中管道分界盡量以焊接或者閥門儀表的法蘭連接件為準，避免在分界處增加法蘭材料，焊接盡量以最后一道焊縫為分界點，減少焊縫；（6）銜接兩個模塊之間的管道盡量不小于1 m，主要為克服兩個模塊之間管道的誤差以及管道施工坡度。

4.3 模塊化結構設計

傳統(tǒng)化工裝置中經(jīng)常用到的材料是鋼筋混凝土，而模塊化設計一般利用鋼框架將管道、設備以及儀表等集合成一個整體，這樣就對結構專業(yè)的設計提出了更高的要求，結構需要根據(jù)管道、儀表等專業(yè)提出的荷載計算選用合適的鋼結構，并與管道專業(yè)協(xié)同確認復雜管道的支撐管架形式，例如，含有彈簧支架的管道彈簧的支撐，應力管道中有較大推力的管道的支撐等均需結構在撬塊框架中解決。對于動設備來說，一般設備直接支撐在混凝土地面上，若進行模塊化設計，需考慮動設備振動對撬塊的影響。模塊化設計中結構需精確計算撬塊的吊裝方案，在撬塊中設置吊耳，方便現(xiàn)場吊裝施工。

5 PDMS三維軟件在模塊化設計中的應用

PDMS三維軟件是目前石油化工裝置中應用普遍且相對成熟的設計軟件之一，主要特點為：（1）實現(xiàn)由CAD平面向三維立體模型的轉變；（2）擁有自己獨立的軟件庫，不依賴第三方；（3）可實現(xiàn)管道、設備、結構、儀表、電氣等專業(yè)直接的協(xié)同，并完整反映現(xiàn)場實際情況，解決碰撞、操作、通行、檢修以及與外界管道之間連接問題等[5]；（4）可以將全廠裝置總平面圖布置圖放置在相對位置，檢查管廊與裝置之間的管道連接問題；（5）PDMS可以設置管道支架，即可以在模型中體現(xiàn)管道支架的實體形式，也可以抽出相應的管道支架一覽表以及管道支架匯總表，對采購以及現(xiàn)場施工有很好的指導作用，使管道設計更趨于完整；（6）擁有完善的校審系統(tǒng)，既可以單專業(yè)進行內部審核，也可以多個專業(yè)或者業(yè)主進行審查，以便更直觀的提出修改意見。（7）完善的數(shù)據(jù)處理能力，可以生成最終的設計文件，包括管道單線圖，管道布置圖，管道材料匯總表等。

PDMS軟件具有不同于傳統(tǒng)項目的特點，特別是在模塊化設計中，PDMS軟件可提高設計質量，降低設計人員的工作強度，加快設計和施工進程，增加經(jīng)濟效益，使模塊化設計更加趨于成熟。

6 結語

隨著國家“一帶一路”倡議的實施，中國走向世界的步伐不斷加快，越來越多的公司與國際公司合作，石油化工企業(yè)也不例外。在競爭激烈的當下，模塊化設計成為化工設計的一大趨勢，越來越多的模塊化化工裝置將建設投產(chǎn)，模塊化布置將越來越有競爭力。