模塊化建造技術在海洋平臺建造中的應用

張國中，高指林，孫 瑜，韓小康，鄭曉娟

(中國海洋石油工程股份有限公司 天津 300452)

0 引 言

自20世紀60年代以來，模塊化技術在造船工業發達的美國、俄羅斯、日本等國都得到了迅速發展。起初用于造船行業，隨著技術的不斷發展現在越來越多地應用于海洋工程等行業，并成為不斷發展的重要技術。模塊化技術的不斷發展導致設計思想、建造工藝及管理上的重大變革。

1 模塊化建造概述

針對施工中工期、場地等資源限制，目前在海洋石油平臺建造過程中，越來越重視模塊化建造技術的應用。模塊化施工是一種先進的施工理念，它的先進性在于它大量引入了平行作業，在傳統建造中需要同一地點依次完成的工作，現在可以多地點同時開展，從而大大縮短了工期。其理念在于對傳統施工方法進行優化，依靠先進的建造技術，將鋼結構預制、安裝、線路、管路設備的安裝，包括后期調試等工序進行了深度交叉，縮短建造周期，提高建造質量，降低建造成本，提高社會經濟效益。具體施工流程如圖 1所示：

圖1 平臺模塊化施工流程Fig.1 Modular construction process of a platform

2 模塊化技術應用

2.1 模塊化設計技術

模塊化設計在設計階段就要按照要求進行有效設計，這是實施模塊化技術的主導和關鍵。項目進行模塊化設計不同于傳統的整體設計建造模式，設計的角度和思路既要著眼項目的整體功能，又要考慮各個模塊的相對獨立性，把握好整體和單模塊的關系。項目的模塊劃分是實施模塊化建造的關鍵技術之一，項目對象是包含多個工藝流程和系統的設備管道系列，要成功達到模塊化的預期，即要以功能的實現和工藝流程為基礎，合理的頂層規劃也至關重要。模塊劃分受到眾多因素和原則的影響和制約，這些因素和原則包括：

①項目要實現的功能，模塊劃分必須要保證這個功能，不能以犧牲項目的功能進行模塊劃分。

②要保證項目的安全，不能因為進行模塊化設計，而產生一些不安全因素。

③要考慮模塊建造、裝船、海運、安裝過程的可行性，例如場地的建造能力、吊裝能力、港口的承受能力、海運船舶的運輸能力、裝船方案等因素。

④模塊的劃分最好與裝置各相應功能相對應。

⑤要保證各模塊安裝連接的安全性，有助于建造過程的質量控制、尺寸精度控制、重量和重心控制。

2.2 模塊化建造技術

模塊化建造一般在建造場地上直接進行，大大節省了滑道資源。在需要對預制場地進行承載力評估的地方，合理布置各模塊位置，以滿足建造需要。模塊一般采用一體化進行建造，由于一個項目模塊很多，對大型吊裝機械的需求量很大，整個裝置進行模塊化后，劃分成多個模塊進行并行建造，這是模塊化建造的重要優勢之一。并行建造是對各個模塊建造過程進行并行、集成化處理的系統方法和綜合技術。在建造過程中要注意以下事項：

①在基本設計前就要明確建造方法，根據建造方法編制總體計劃，做出總體建造方案。在基本設計過程中，不斷細化和調整總體建造方案。除傳統的施工圖之外，要重視模擬施工技術的應用，如圖2、圖3為某平臺三維模型。在充分利用三維制圖軟件后，對于施工情況提前進行模擬，發現施工中可能存在的諸如干涉等問題，采取解決措施。

圖2 機、電和管專業與鋼結構同時施工Fig.2 Synchronized construction of mechanical, electrical and tube operations and steel structures

圖3 模塊化建成平臺圖Fig.3 A modularization platform

② 模塊支撐選取，對于支撐性結構，考慮施工的便利性及潮水影響，一般結構支撐的高度在 600～800,mm 左右。過高不利于施工，而且會增加腳手架的搭設工作。對于功能模塊，建造所要求的鋼結構臨時墊墩高度宜為1,500～1,800,mm之間，利于甲板下部輔助性結構如支架、電纜馬腳等附件的安裝。

③ 模塊化結構預制，在海洋石油平臺預制中存在大量的功能性結構，如設備底座、風機支架、穿倉件等，在建造過程中要注意此類結構的模塊標準化，此部分工作在預制安裝過程中可以提高施工效率。

④ 部分成品件提前安裝于模塊之上，在進行后續工作及最后平臺噴砂時有可能會對這些成品件造成影響，需要提前采取保護措施。如為了適應海洋腐蝕性環境，有部分支架需要通過鍍鋅和涂裝進行防腐，鍍鋅支架必須在焊接前完成熱侵鋅。而甲板噴砂除銹時，會有大量的沙粒噴到結構表面，將破壞鍍鋅層。為防止這種破壞，需要甲板噴涂前，對鍍鋅支架進行保護，在施工中可以使用棉布、塑料包裹到鍍鋅支架表面等。

⑤ 由于模塊化建造中存在著大量的資源約束和不確定性，施工時面臨復雜的多項目并行條件下的資源沖突問題，實現對資源的動態管理和分配非常困難，對此項工作在施工中需要重點關注。此外，并行建造要充分考慮設計的可行性，人員、施工資源配備情況，原材料的到貨進度，施工流程邏輯性，季節、其他項目對施工進度的影響，合理編制施工計劃和方案。

3 模塊化建造優勢

3.1 節省場地資源

由于大型鋼結構建成后，需要裝船運到海上進行安裝，盡管目前裝船存在吊裝裝船、滾裝裝船等方法，但從技術成熟性和費用方面考慮，仍多采用滑道牽引裝船的方法。

為了便于裝船，對于滑道牽引裝船，需要組塊在滑道上預制。在項目建造高峰期，滑道便成為稀缺資源，需要各項目盡量縮短在滑道上的停留時間。模塊化施工大大增加了預舾裝和預安裝的場地要求，縮短了滑道總裝的時間，充分利用滑道外的工期，節省了場地資源。

3.2 并行施工，縮短工期

模塊化設計、建造技術的建造思路是把整個LNG站場通過優化設計成不同的區域模塊，這些區域模塊在不同的地點進行并行建造，建造完成后進行總裝和調試，進而完成整個平臺的建造，縮短項目工期。

3.3 減少高空作業工作量

甲板片預制完成后需要吊裝至滑道上進行空間安裝，涉及舷外作業、高空作業情況。采用模塊化建造，大部分舷外支架、馬腳等附件可在甲板片安裝期間同時完成，極大減少了各專業間施工矛盾和重復性工作，節省人力，縮短工期；減少設備側進等復雜工況，減少吊機作業；減少高空作業。

3.4 降低項目成本

模塊化技術便于對施工流程進行優化，降低項目成本。例如，由于鋼結構涉及大量焊接工作，采用模塊化建造后，大量的附件在未涂裝前進行焊接，完成后整體噴涂，減少了二次涂裝的工作量及油漆的破壞，同時節省工作及人工投入。經實際項目初步計算，采用模塊化建造對于一個1,500,t組塊，節省費用達百萬左右。

4 結 論

模塊化技術對于是海洋平臺建造是發展趨勢，對于平臺建造業來說既是一種挑戰，也是一種機遇。設計時綜合考慮建造的便利性大大提高了設計能力；在建造過程中充分考慮海洋平臺的施工程序，統籌安排平臺施工順序及建造場地安排，大大提高了施工管理能力；同時，施工成果對設計進行反饋，提升了設計、建造的綜合水平。不斷總結海洋平臺模塊化設計、建造方法和經驗，將會很大程度地提高海洋平臺模塊化設計和建造水平，縮短項目工期，降低項目成本，對提高經濟效益和社會效益具有重要的意義，能夠促進海洋工程行業的快速、高質量的發展。

［1］ 馬永康. 淺論海上石油平臺模塊的設計[J]. 船舶，1991(4)：8-16.

［2］ 謝文瀾. 國外船舶裝備運用模塊化方法研究[J]. 艦舶標準化與環境條件，1993(1)：11.

［3］ 宋連琪，倪鶴明，李陵，等. 論證研究、設計建造思想的更新模塊化新概念[J]. 船舶工程，1996(2)：5-9.

［4］ 王修來，莊陽，姜維，等. LNG站場模塊化建造研究[J]. 中國造船，2010(12)：340-344.