李國明，楊 光，李 茂，鄭執(zhí)勝

1.長慶工程設計有限公司，陜西西安 710016

2.長慶油田分公司機械制造總廠，陜西西安 710071

一體化集成裝置結合油氣開發(fā)生產(chǎn)的特點，簡化集輸工藝流程，將機械、電子、自控、信息等專業(yè)技術有機結合、高度集成，根據(jù)功能目標對各功能單元進行合理配置，能夠實現(xiàn)一種或多種工藝流程[1]。

長慶油田于2008 年首次研發(fā)推廣一體化集成裝置，目前已廣泛用于油氣集輸、注水、采出水處理、伴生氣回收、天然氣處理、供配電和供熱等主體及配套工程。一體化集成裝置的應用解決了單井配產(chǎn)低且建設成本高、油區(qū)分散且點多面廣、滾動建產(chǎn)且規(guī)模不易確定、自然條件惡劣且社會環(huán)境復雜、開發(fā)層系多且系統(tǒng)配套難等低滲透油田地面工藝存在的諸多難點問題[2]，優(yōu)化了超低滲透油田的生產(chǎn)工藝、地面設施及管理模式，減少了場站層級、現(xiàn)場用工和能耗，極大地符合了低滲透油田開發(fā)“低成本、高質量”的要求。

1 模塊化技術

模塊化是指以模塊為基礎，綜合了通用化、系列化、組合化的特點，解決復雜系統(tǒng)（類型多樣、功能多變）的一種標準化的高級形式[3]。歐美最早在上世紀20 年代將模塊化應用于機床等機械設備/裝置設計制造中，并在50 年代形成模塊化概念[4]；我國于上世紀60年代引入了模塊化設計制造理念，并在工程裝備、交通運輸裝備、武器作戰(zhàn)裝備等領域取得長足的應用與發(fā)展，使得裝備研制的周期和成本得到大幅降低，提高了裝備精細化水平，促進了相關裝備技術不斷更新迭代[5]。

模塊化技術在油氣田地面工程規(guī)?；瘧贸霈F(xiàn)在2010 年前后，以單套一體化集成裝置為起始，而后推廣到橇裝聯(lián)合站、天然氣處理廠、接轉站、集氣站等工程的建設中，均取得了顯著的成效[6]。

陳朝明等[7]、沈斌[8]、王國富等[9]、石章雄等[10]結合陸地石油石化地面工程、海洋石油工程、海外石油工程的模塊化設計、建造及造價進行了研究與介紹[11]，但對于工廠內橇裝設備的模塊化設計及制造的研究和介紹較少。

本文以油氣田一體化集成裝置為研制對象，詳細介紹模塊化技術在其研發(fā)過程中的應用，以期最終達到縮短制造周期、節(jié)約成本、保障質量等效果，探索一體化集成裝置的標準化、模塊化建造技術。

2 一體化集成裝置的模塊化設計

模塊化技術的關鍵在于將產(chǎn)品的設計信息和制造信息共同定義到數(shù)字化的三維模型中，以完整表達產(chǎn)品信息。因此一體化集成裝置數(shù)字化三維模型是一體化集成裝置研制過程中各管理節(jié)點信息流轉的載體，建立數(shù)字化三維模型是模塊化設計的首要任務。

2.1 重用庫的建立

構建應用于一體化集成裝置的零件、部件、設備的重用庫，重用庫中涵蓋油氣集輸專業(yè)用元件/零件（如管件、法蘭、過濾器等）和機械專業(yè)用元件/零件（鋼結構型材、封頭、容器法蘭與支座等）。

重用庫即可重復使用的特征庫和零件庫等，可為產(chǎn)品的模塊化、系列化研發(fā)提供技術保障。在三維模型設計時快速調用已建重用庫中的零件或設備三維模型，可提高集成裝置數(shù)字化三維模型的建立工效，降低設計人員的勞動強度與難度。

2.1.1 標準件三維庫的建立

管件、法蘭、螺栓、螺母等元件或設備，依據(jù)國家、行業(yè)等標準建立對應的三維模型。

采取的方法是，利用軟件提供的Excel 表格數(shù)據(jù)驅動方式完成三維模型的建立[12]。圖1 所示為承插式管件三維建模過程。

圖1 承插式管件三維建模過程

2.1.2 非標設備的三維庫建立

對于非標設備，如測量儀表、閥門、泵等，利用參數(shù)驅動方法完成非標或某企業(yè)特定產(chǎn)品的建模。參數(shù)化建模要用到方程式、函數(shù)關系、裝配關系和主從關系等，建模過程較為復雜。圖2 所示為參數(shù)化驅動建模。

圖2 參數(shù)化驅動三維建模

2.2 設計模板的建立

設置集成裝置三維模型的設計模板，對于相似裝置或者相似零部件的建模，設計人員可借鑒已有的裝置或零部件，通過便捷的參數(shù)化調整來修改完成設計，實現(xiàn)典型裝置或零部件的數(shù)據(jù)快速重用，大幅度減少零部件或裝置修改或重新設計的時間，提高三維模型設計效率。基于Solidworks 設定設計模板與屬性定義見圖3。

圖3 基于Solidworks 設定設計模板與屬性定義

2.3 數(shù)字化三維模型的建立

在Solidworks 三維軟件中，利用routi ng 插件，完成工藝管道三維配管及集成裝置的數(shù)字三維模型建立。routing插件可進行集成裝置工藝管路的參數(shù)化設計。使用草圖驅動模型的Top-Down 設計理念創(chuàng)建集成裝置結構模型，選擇管路接頭開始布路，系統(tǒng)自動生成管路，而后裝配工藝管路上的閥門、過濾器、儀表等附件。圖4為建模完成的一體化集成裝置數(shù)字化三維模型。

圖4 一體化集成裝置數(shù)字化三維模型

2.4 一體化集成裝置模塊化設計原則

模塊化設計是一體化集成裝置模塊化研制的關鍵環(huán)節(jié)，其設計原則為：其一，模塊化劃分以基于功能為主兼顧結構，使各模塊內部空間布置合理、緊湊，從安全性、操作性、美觀性等方面實現(xiàn)一體化集成裝置的集成與空間合理布局；其二，在集成裝置設計布置相對緊湊時，裝置運行期的檢修、拆卸空間也應予以充分考慮；其三，運輸條件也是影響模塊化設計的重要因素之一，集成裝置可能遇到公路、鐵路及船運等交通工具的運輸能力限制，港口、鐵路及現(xiàn)場吊裝設施的負荷能力限制等，都需要在設計時特別考慮。

3 一體化集成裝置的模塊化制造

模塊化設計的價值體現(xiàn)是集成裝置由原來的串行生產(chǎn)制造提升至并行生產(chǎn)制造，且在并行制造過程中實現(xiàn)了工序的搭接與批量化制造、制造周期的縮短、勞動強度的降低和制造成本的下降。

3.1 模塊化制造的過程

集成裝置模塊化制造過程，在技術支撐層面是由整體到局部再到基本單元，在實體制造層面則是由基本單元到局部再到整體。技術支撐上，依據(jù)數(shù)字三維模型，根據(jù)制造廠區(qū)物流條件、無損檢測空間、吊裝能力等，劃分功能模塊。以功能模塊為對象，繪制三維工藝安裝軸測圖，使鋼管下料、坡口加工、管段組對、管段焊接、組合件組裝等工序形成并行、批量作業(yè)。以預制管段為基本生產(chǎn)單元，完成其制造后組合成功能模塊單元，而后由多個功能模塊單元組橇為集成裝置，再進行監(jiān)檢試壓、電儀、保溫等工序。在設計階段即數(shù)字三維模型建成后，模塊化分解步驟如圖5（a）所示；在制造階段，模塊化制造所遵從的步驟如圖5（b）所示。與技術支撐階段的步驟（見圖6）相反，一體化集成裝置模塊化制造過程（見圖7）呈現(xiàn)出從小到大的特點。

圖6 一體化集成裝置模塊化技術支撐過程示意

3.2 鋼管切割下料批量化

根據(jù)三維工藝安裝軸測圖編制標準的鋼管下料表，使用切斷、編碼、坡口加工一體機（下料管徑DN50～DN300）切斷，通過PLC 控制系統(tǒng)進行編程及套料，長短結合，可最大限度地運用原料鋼管而節(jié)省材料，且管段長度精度誤差控制在0.5～1.5 mm 之間。切斷、編碼、坡口加工一體機（以下簡稱一體機）的運用彌補了以往采用氧氣-乙炔火焰下料、車床加工坡口作業(yè)的不足，實現(xiàn)了鋼管下料與坡口加工作業(yè)的機械化、批量化，達到了下料尺寸精確、材料浪費小、坡口加工速度快且成型好的目的。通過編碼對接管進行標識，實現(xiàn)了材料分割前的標識移植，保證材料使用的可追溯性。一體機加工實例見圖8。

圖8 管道自動切割及坡口加工一體機

傳統(tǒng)車床加工與一體機加工的優(yōu)勢對比情況見表1。與傳統(tǒng)車床加工相比，一體機加工在上料方式、長度誤差、加工時間及轉運方式方面都有明顯的優(yōu)勢。

表1 傳統(tǒng)車床加工與一體機加工優(yōu)勢對比

3.3 管段焊接自動化

管段焊接模塊化是管-法蘭、管-三通、管-彎頭和管-異徑接頭快速組對焊接；采用鎢極氬弧氣體保護自動焊（見圖9），應用脈動送絲、脈沖熱絲、疊加高頻+尖脈沖等先進工藝方法，不僅達到了熔池攪拌、晶粒細化的效果，而且具有焊接效率高、焊接質量穩(wěn)定、一次焊接合格率穩(wěn)定在98%以上等優(yōu)點。同時，熔深增加，對焊預制管道可不開坡口，無間隙對接，提升了焊接效率；弧長自動追蹤，槍頭角度可變，只需一名焊工操作，可滿足整個焊接工藝要求，且勞動強度低[13]。

圖9 鎢極氬弧氣體保護自動焊

3.4 焊口無損檢測的批量化

一體化集成裝置的焊口無損檢測有4 種方式（RT、PT、MT、UT）。其中，RT 檢測方式作為焊口質量控制的主要手段，因操作步驟多、流程長、耗時多而不適應批量化預制管段焊口的無損檢測，通過技術創(chuàng)新研發(fā)了適于多預制管段焊口的RT 射線檢測工裝。該工裝將探傷機豎向固定（見圖10），透照膠片時可在周向360°進行透照。每次可以同時透照10 個以上焊口，使每個焊口RT 射線檢測時間縮短近5 min，實現(xiàn)了焊口RT 檢測的批量化，提高了工效，并降低了檢測人員的勞動強度。

圖10 RT射線檢測工裝三維模型

3.5 管道試壓的批量化與自動化

研制的試壓一體化集成裝置，集成匯管、設置多種規(guī)格的試壓端口，可實現(xiàn)多規(guī)格、多流程的管道同時批量化試壓，提高試壓效率。該試壓裝置主要由管道離心泵、高壓柱塞泵、集分水器、單向閥、氣電超高壓截止閥、容積閥、伺服節(jié)流調壓閥、高壓球閥、過濾器、水箱、空氣壓縮系統(tǒng)及PLC測試控制系統(tǒng)構成。不同設計壓力的管道試壓前利用高壓快速接頭連接，在PLC控制系統(tǒng)中設定好對應的試壓參數(shù)（嚴密性與強度試壓壓力值、穩(wěn)壓時間、升壓速率等），點擊啟動按鈕，PLC系統(tǒng)自動執(zhí)行并出具試壓報告。

3.6 管道、閥門保溫的模塊化

一體化集成裝置閥門種類多且外形尺寸不同，受一體化集成裝置安裝空間緊湊的制約，閥門或其他設備密布在橇座上，操作空間受限，設備保溫層施工難度大。為解決現(xiàn)場操作難度大、施工效率不高的問題，提升保溫層的預制程度，編制了《一體化集成裝置保溫技術標準》，規(guī)范了閥門等零部件外形規(guī)格，根據(jù)相應規(guī)格尺寸進行分類，在滿足保溫要求的情況下，設計多種簡單、方便、適宜的保溫結構。利用Solidworks 軟件準確繪制彎管、閥門盒等零部件圖紙。

現(xiàn)場施工時依據(jù)圖紙尺寸批量制作各類放樣樣板，既提高了拼接精度又提高了效率。制作的保溫層具有可拆卸、模塊化、標準化的特點保溫結構模塊化制造實施前后對比情況見表2。

表2 保溫結構模塊化制造實施前后對比

4 結束語

模塊化技術是裝備制造的發(fā)展趨勢之一，是提升企業(yè)產(chǎn)品競爭力、適應復雜多變市場環(huán)境的重要途徑之一，也是提高裝備制造效率的重要保障，因此發(fā)展裝備模塊化技術有助于提高制造業(yè)整體技術創(chuàng)新的水平。在油氣田地面工程集成裝置制造中，模塊化技術的應用縮短了制造周期、降低了勞動強度、提升了集成裝置的質量、取得了較好的經(jīng)濟和社會效益，但整體水平仍停留在機械化加工發(fā)展階段，距離信息化與智能化制造仍有很大的差距。同時在油氣田地面工程集成裝置研發(fā)制造領域中，尚未形成一套整體完備、具有一定普適性、能夠多情景應用的模塊化設計理論體系，模塊化裝置的研制仍然依賴于經(jīng)驗，對設計者的主觀依賴性強，阻礙了裝置模塊化制造的推廣步伐。

在未來的裝置制造模塊化技術領域，設計端應加強模塊化、標準化、系列化，制造端應加強生產(chǎn)裝備的信息化與智能化，生產(chǎn)運維端應加強智能感知、遠程診斷的信息平臺建設，進而推動一體化集成裝置向高質量發(fā)展。