如何提高模塊化建設的工廠化預制水平

陳英杰 張寶生

中國石油大學(北京)工商管理學院, 北京 102249

0 前言

模塊化建設的工廠化預制,即在工廠內完成模塊化裝置的建造及單機試運等工作,預制內容涉及結構、管道、設備、電、儀表、防腐等專業。模塊化建設的工廠化預制具有以下優點:施工條件相對較好,安全性高;整體施工質量優于現場;趕工加班靈活,工期優勢明顯;充分利用(國內)工廠勞動力和資源優勢節約成本;現場復裝簡單,施工周期大幅縮短。所以模塊化裝置工廠化預制越來越廣泛,海內外工程項目越來越多采取這種建設模式[1-3]。

模塊化建設的工廠化預制改變了傳統的現場施工方式,大量預制工作在工廠完成,減小了現場的施工量。如何從設計的角度提高模塊化建設的工廠化預制水平,需從三方面進行優化和提高:影響預制水平的設計手段、設計深度、設計準確性和設計方法等[4-5];設計觀念的轉變,即工廠需要做怎樣的預制,設計就該做怎樣的設計;設計文件、采購物資、文檔共享和項目管理對模塊化建設的工廠化預制的影響[6-8]。

1 模塊化設計

1.1 模塊化設計手段

模塊化詳細設計階段,采用SmartPlant 3D或Plant Design Management System(PDMS)軟件完成智能PID,實現全專業三維協同設計。

配管專業采用三維設計主流的PDMS軟件,該軟件具有強大的數據庫及信息管理功能,可以實現可見及可得的1∶1三維實體尺寸,工廠化預制也可借助于PDMS軟件進行二次開發,直接讀取三維數據,應用于工程加工設計和施工。

結構專業采用TEKLA軟件,提高開料的準確性和全面性,在進行節點建模的同時,完善設計深度,對相應配件、緊固件等給出規格和數量并列入材料清單,通過對每個細節的把控,確保設計精度[9]。

其他設計專業(如自控、電氣專業等)，在模塊化三維設計詳細設計階段加強協同設計,進一步完善各部件安裝設計,確保工廠化預制順利實施。

1.2 模塊化設計深度

為提高工廠化預制水平,施工圖文件中,各專業設計文件應有深度,不僅要有施工技術要求,以及施工所需標準、規范、圖紙等,同時應提供詳細的施工參數,施工程序等,例如:管道預制程序、管道試壓程序、螺栓擰緊程序、結構預制程序,結構組裝程序等。現場和工廠施工界面也應體現在設計文件中,從而提高預制深度和精度。

1.2.1 管道布置專業

2)根據已有圖紙完成設備三維模型設計,無外形圖或只有參考尺寸設備,模型建立后需標記備注,以便后期修改設備模型。

3)管道布置時應充分考慮儀電橋架、接線箱、控制柜的占位及檢維修空間。

4)管道布置專業負責進行管道與其他專業(結構、電氣、儀表專業)之間的碰撞檢查。

5)不隨模塊一起運輸需拆卸的管道,提前策劃管道預制深度,以及管道與管道、管道與結構之間拆分和復裝順序。

6)管道穿鋼格柵板,開孔≥DN 100時,需要提前將格柵板開孔圖發給結構專業,以便對格柵板進行可拆分設計。

7)編制黃金焊口、管道防護等規定,避免管道在模塊上重復安裝和拆卸。

1.2.2 結構專業

1)結構專業可以在項目PDMS軟件中進行建模,也可以通過外部軟件(如TEKLA軟件)建模然后導入到項目的設計平臺,需要保證PDMS平臺內的模型與圖紙的版次保持一致。

2)對于焊接在鋼結構上的管道支撐,盡量保證與結構框架一起出圖,以確保與結構框架一起預制,避免破壞油漆。

3)對相應配件、緊固件等進行詳細設計,規格、數量列入材料清單。

1.2.3 自控專業

1)自控專業應在EDS的協助下開展基礎數據庫的建設。

2)自控專業應與管道布置專業共同完成電纜橋架(包括分支電纜橋架)的三維布置設計。

3)工藝管道或設備上直接安裝的溫度/壓力檢測儀表、流量計、液位計、控制閥、分析小屋的三維布置設計,由管道布置專業完成,自控專業確認安裝方位及高度是否合理,其他儀表的安裝和布置由自控專業完成。

4)接線箱、電纜保護管及電纜的三維布置設計。

1.2.4 電力專業

1)在EDS的協助下建立電力專業三維設計基礎數據庫。

2)根據管道布置專業規劃的路徑,負責電纜橋架的三維布置詳細設計。

3)完成工藝管架、平臺照明布置,配電箱、操作柱等電氣設備的布置。

4)根據項目實施情況,開展電纜敷設及電纜保護管的三維設計,所有電纜統一規劃布置。

1.3 模塊化設計準確性

各專業在詳細設計階段應確保各設備、材料的屬性準確性。

1.3.1 管道布置專業

反應器:反應器外形、關鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳、保溫。

容器:容器外形、關鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳。

換熱器:換熱器外形、關鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、換熱管束檢修空間、保溫。

貯罐:貯罐外形、關鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、保溫。

過濾器:過濾器外形/直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳、內件拆除的檢修空間、快開盲板。

動設備:帶有主要管嘴的設備外形、連接管嘴(輔助管線接口)、就地盤、開關等、應急件或備用件的外形、防護罩、檢修空間、機組內供貨商提供的管道。

管道:主工藝管線、一般工藝管線、公用工程管道、容器排凈放空(包括儀表)、取樣管、泵排凈管、儀表排凈管、工藝排凈管、低點放凈、蒸汽和導熱油伴熱、儀表空氣、氮氣、蒸汽及冷凝水回流分配管、消防管、加熱爐周圍的燃料油管線、管道儀表、噴淋冷卻水管道及噴頭、罐上的泡沫管線和噴頭、支撐。

管件:特殊管件(比如過濾器)、取樣冷卻器、膨脹節、閥門延伸桿、普通管道支撐、特殊支架、儀表管口。

拆分設計:模塊拆分點、可拆卸臨時支架的設置。

1.3.2 結構專業

框架平臺和系統管廊: 框架平臺及系統管廊上部結構、垂直支撐、直梯、斜梯、其他鋼結構包括鋼結構支架、框架平臺及系統管廊基礎、開孔等其他小項、吊裝(檢修)梁(若需要);拆分設計:模塊結構、臨時立柱、臨時梁、模塊拆分點、結構吊裝點。

1.3.3 自控專業

主電纜及分支電纜橋架外形、接線箱、現場分析儀、流量計、控制閥、開關閥、液位儀表、溫度、壓力等其他儀表、分支電纜、主電纜、穿線管、可燃氣體探測、火焰探測、按鈕和報警器。

1.3.4 電力專業

主要電纜橋架外形、分支橋架外形、電纜敷設、穿線管、照明設施、光源、燈桿、操作柱,插銷等及其支架、特殊照明(高燈桿)、接線箱、配電柜。

1.4 模塊化設計方法

1.4.1 模塊化三維設計方法

通過三維模型的全真實景模擬設計的方法,有效指導模塊的碰撞檢查、檢維修設計、安全通道設計、人體工學設計,提供后續開展的預制、拆分、包裝、運輸、裝卸和現場吊裝、組裝方案。采取多專業三維協同設計的方法,將設備、管道、電儀、鋼結構、絕熱及防腐等一體化集成,確保滿足精準化預制、精細化安裝的要求[10]。

采用云技術,實現多專業異地三維協同設計、預制工廠和其他參建單位的異地協同溝通。通過數字化三維模型,使數字化工廠提高設計與預制的整體效能。同時為運營單位建立數字化工廠全生命周期管理平臺，提供數字化資產的基礎條件。

1.4.2 模塊總體布局設計方法

結合工藝流程做好模塊布局和劃分原則,根據操作特性相近和方便性,綜合考慮模塊化裝置的構成,根據各單元裝置工藝特點做好模塊化設備布置。如:模塊中電儀設備、電纜橋架等應與工藝設備及管道協調布置,操作維護方便,整齊美觀。

1.4.3 模塊劃分設計方法

模塊劃分設計應結合工藝流程和操作要求,經濟的運輸限制條件和路徑,設備和管道布置情況,以及現場機具吊裝能力等。

1.4.4 模塊鋼結構及基礎優化設計方法

鋼結構整體性的優化設計,既需減少用鋼總量,又需保證模塊化裝置的整體安全穩定性;減少鋼結構基礎的種類,簡化混凝土基礎施工,提高土建施工速度。如:模塊鋼結構優化設計后,為避免模塊在吊裝中發生變形,需采用必要的附加安全措施,增加臨時梁柱,這些均應在模塊鋼結構設計時整體考慮。

1.4.5 模塊拆分與復裝設計方法

說明裝置整體情況及安裝內容,確定拆分點的方式和方法,明確管道、鋼結構、儀表等復裝順序,提出吊裝要求與專用工具[11]。

1.4.6 模塊安全穩定性評估方法

根據生產和操作需求,對模塊化裝置尤其多層結構的通道和安全撤離路線進行統一設計;根據HAZOP分析結果做好模塊化裝置的安全布局設計;進行結構、管系、模塊運輸整體安全穩定性分析。

2 模塊化設計原則

2.1 基本原則

2.1.1 減少現場復位安裝工作量

模塊化工廠預制的主要目的就是盡最大可能減少現場復位安裝的工作量,應完成每個單體模塊內部的配管、結構、設備、自控、電氣的全部建造及調試工作。現場復裝工作包括鋼結構(梯子、平臺等)安裝、單體模塊的安裝、自控設備及電纜的復位安裝、電氣設備及電纜的復位安裝、單體模塊間的鋼結構、管道連接以及保溫、電伴熱、防火涂料等施工[12]。

模塊化工廠預制時應最大化地將現場建設模式的工作量在建造廠內完成,除完成安裝工作,還應考慮鋼結構、設備、管道的防腐工作,自控、電氣的接線、調試工作。

2.1.2 模塊化裝置運輸條件

模塊化裝置預制需滿足“運得走”的要求,根據項目所在地策劃模塊化裝置的運輸方案,負責模塊化裝置運輸的承運方在項目最初階段就應對運輸路線進行調研,確定海運、河運、鐵路運輸，還是公路運輸,在詳細的運輸方案中提出每個單體模塊的極限尺寸和重量要求。

2.2 設計原則

在方案設計、初步設計及詳細設計階段,模塊化裝置涉及的各設計專業應充分考慮減少現場復位安裝工作量和模塊化裝置運輸條件的需求[13]。

工藝、管道布置、結構專業在模塊化裝置方案策劃中應體現主體作用,在初步設計階段應對主要工藝設備、工藝管線及主體鋼結構進行綜合考慮,來滿足減少現場復位安裝工作量和模塊化裝置運輸條件的需求,根據功能及運輸限制條件將單元模塊拆分為單體模塊。

工藝專業在對工藝設備選型時,應盡量考慮選用臥式設備,可減少模塊化裝置工廠預制后的拆卸工作量、運輸工作量及項目建設地的吊裝工作量。

管道布置專業應充分考慮單體模塊邊界的管道拆分,合理的布置拆分法蘭,對拆分法蘭進行標示;在單管圖中標示每個焊縫位置及編號、標示工廠內預制焊縫及現場焊縫。

結構專業在單體模塊連接節點應盡量使用拆分、復裝工作量較少的節點方式;對鋼結構的固定梁柱、臨時梁柱進行標示;對設備和管道的支持形式、要求進行統一考慮;對單體模塊的包裝、運輸、吊裝需求進行設計;對平臺上可拆卸格柵板劃分進行設計。

自控、電氣專業應根據單體模塊的劃分界限和范圍,充分考慮每個單體模塊內的電纜鋪設路由。在每個單體模塊內設計相應的接線箱,并在出廠前完成儀表和接線箱的電纜鋪設和調試工作，運輸時盡量不拆卸單體模塊內的自控、電氣設備及電纜。

加工圖設計必須與建造方案和各個工序工作包相契合,首先,加工設計順序必須滿足模塊建造的順序,按照模塊建造順序及時給出圖紙和材料;其次,加工設計深度必須滿足工作包要求,按照工作包進行結構片分層和管道分段。同一模塊的不同管道,儀表、電氣等專業工作包配套的支撐必須包含在相應工作包中,以便提前開展預制和安裝工作,減少后期動火作業和補漆工作量。

3 模塊化建設項目管理

3.1 設計文件

模塊化建設的工廠化預制宜結合“邊設計、邊采購、邊建造”的思路,最大限度地縮短建設工期,因此對設計文件成果的提交進度要有合理有效的進度要求。

詳細設計階段,工藝、設備、自控、電氣等專業的長周期設備，關鍵設備的圖紙、技術規格書及數據單等采購文件應最先提交,實施采購,且要求各供貨商立即返回相關資料,為后期設計提供設計輸入條件。

工藝、自控、電氣、結構、管道布置、管道材料等各專業的設備表、材料表及技術規格書數據表。

對于模塊化裝置預制的先后順序,圖紙提交順序為:鋼結構施工圖、模塊平豎面布置圖、單管圖、自控施工圖、電氣施工圖。

3.2 采購物資

采購物資的到貨順序對模塊化裝置預制的進度有很大影響[14-15],各專業物資應按以下順序安排采購物資到貨時間:

1)鋼結構型材、輔材、防腐材料。

2)管道、管件、法蘭,防腐材料等。

3)工藝設備,如:塔、反應器、容器、換熱器、貯罐、過濾器、動設備等。

4)工藝閥門、自控閥門(切斷閥、調節閥)、流量計等。

5)自控設備材料,如接線箱、現場分析儀、液位儀表、溫度、壓力等其他儀表、電纜橋架、電纜、穿線管、可燃氣體探測、火焰探測、按鈕和報警器等。

6)電氣設備材料,如接線箱、配電柜、穿線管、照明設施、光源、燈桿、操作柱,電纜橋架、電纜等。

3.3 文件共享和管理

三維設計的三維模型、圖紙等要給施工單位開通適當的權限,與施工單位共享文檔,讓施工單位可以提前參與三維模型的加工設計和三維審查,反饋三維設計存在問題。同時,設計人員完成設計后,文控要及時更新和分享文檔狀態,施工單位可以第一時間得知文檔狀態,及時下載施工圖紙,縮短出圖時間。

4 結論

模塊化建設是一個系統工程,涉及到各個專業的深度交叉和各個部門的緊密配合,項目運行的各個方面都會對模塊化建設的工廠預制水平產生影響。模塊化設計手段、設計深度、設計準確性、設計方法、設計理念等直接決定模塊化的預制水平,模塊化建設的項目管理是項目成功實施的保障,決定是否可以滿足預制的條件,只有不斷提升各個方面的專業能力,才能進一步提高模塊化建設工廠化預制水平,提高模塊化建設的優勢。