石油化工裝置模塊化技術應用

王巖 南遠方 呂忠 徐清華 馮春霞

摘 ?????要：隨著科學技術的發展，對石油化工裝置現場施工的技術、質量、安全和環境等方面的要求也越來越高，因此模塊化技術在施工生產中得到越來越廣泛的應用。文章對比了模塊化施工與傳統施工的優缺點，并對模塊化施工要點進行了分析。

關 ?鍵 ?詞：石油化工;模塊化;技術要點

中圖分類號：TQ 052 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1873-04

Abstract： With the development of science and technology， higher requirements have been put forward on the technique， quality， safety and environment aspects of on-site construction of petrochemical plants. Therefore， modular technology has been more and more widely used in construction and production. In this paper， the advantages and disadvantages of modular construction and traditional construction were compared， and the key points of modular construction were analyzed.Key words： Petrochemical industry; Modular; Technical points

近十年，隨著中國經濟高速發展，石油化工裝置朝集成化發展，各裝置的處理量逐年增加，裝置中的大型設備及超大構架數量愈來愈多，在新建裝置中廣泛應用。但是，隨著環保、規劃的要求愈發嚴格，新建裝置的整體建筑面積卻逐年減少，同樣規模的裝置建筑面積相當于20年前同規模裝置占地面積的三分之二。

而這些變化使現場安裝工作的難度越來越大，以施工中常見的設備焊接為例，設備的焊接空間必須在很小的區域里進行。作業面減小，但是工期卻沒有增加，這無疑給施工帶來很大的困難。而在高處，風荷載也會對焊接帶來困難和影響。空中作業的增加，對現場施工安全保證提出了更高的要求。所以必須尋找一個新的施工方法，以適應新時代的石油化工裝置建設要求。

施工現場對安全質量要求越來越高，主要體現在最大程度的減少高空作業，使施工安全風險降低，此外還要在縮短工期的基礎上，保證施工質量，并且縮短投資回收期，這些要求使傳統的施工方法受到質疑。傳統的施工順序為，首先是鋼結構預制并安裝，隨后設備安裝，工藝管道的安裝，管道的水壓試驗，最后是防腐保溫施工。傳統的施工方法使得施工負荷多數集中在后期，由于管道安裝量大，而與此相關的壓力試驗、探傷、防腐保溫等工作必須在此之后才能進行，導致人力及資源負荷不平均，多工種交叉作業導致工作效率降低，且容易出現施工安全及質量問題。所以，模塊化施工近年來越來越廣泛的被使用[1]。

1 ?模塊化技術及其發展

所謂模塊化技術，是指將大型裝置的生產單元按功能要求和運輸限制條件分割成多個單元，分別設計，在預制工廠內對每個模塊單元內的設備、管道、儀表等進行預制安裝，然后初步整合在一起進行簡單的調試，再將模塊進行拆分，運至現場組裝復原，最后經整體調試、試壓并投產運行。

國外模塊化建造技術始于二戰期間，目前已經發展到第三代。包括所有的工藝設備、管道、80%以上的電氣設備和90%以上的儀表元件，所有涉及儀表和電氣的電纜均可集成在模塊單元中。而且管道、儀表及設備的安裝、調試、檢測都可以在模塊化裝配車間進行。模塊化建造最多可以節省土地達70%。

石油領域模塊化建設最早在海洋鉆井平臺的建造中采用，逐漸被石油、化工和油氣田工程認可和推廣。目前模塊化建造在國際項目上越來越廣泛的被各大石油公司使用，如埃克森美孚、康菲、殼牌等。模塊化單元從幾十噸的單臺設備到上千噸集成單元均被廣泛采用。國內也陸續建成了一批模塊化裝置如塔里木100億m3/a凝析氣輕烴回收工程、長慶油田慶四聯合站工程、長慶200億m3/a天然氣輕烴回收工程等。

所以，越來越多的實例表明模塊化施工技術，在工程的安全、環保、進度、成本、質量等方面，具有顯著的優勢，這也符合了新時代石油化工建設工程各參與方的期望及目標。

2 ?模塊化施工與傳統現場施工優勢對比

2.1 ?工期縮短

傳統現場施工：施工環境惡劣，比如沙塵，嚴寒等極端氣候條件的影響，使得施工不得不暫停。現場施工時間主要為白天施工，施工要按照一定的順序，不能任意調換，比如，要先完成土建基礎，再施工鋼結構，然后是工藝設備就位，之后進行工藝管道的安裝，儀表安裝，之后是水壓試驗，氣密性試驗，最后進行保溫絕熱施工。而且在工期緊時，還會存在各專業交叉施工，這樣難免會相互影響，使得工作效率低下。由于存在施工誤差，使得部分管道必須根據現場情況預制，現場組焊的效率也會隨之降低，這樣對現場“三通一平”的要求較高。土建的工期如果拖延，直接影響整個項目的施工進度。

模塊化建造：無需考慮氣候，如暴雨、降雪、炎熱、寒冷、大風等環境的影響。如需要，可以全天24 h不間斷進行生產。在工廠內施工，人員組織便捷，只需后勤的充分保障，即可進行輪班施工。而且鋼結構、工藝管道、工藝設備的施工完全可以交叉在多個分開的場地同時進行，這樣就避免交叉作業的干擾。管道的預制及安裝不受外界環境影響可以批量生產，采用流水線的作業可以事半功倍，提高產能，縮短工期。所以，土建基礎與工廠模塊化建造同時施工，大大減少施工現場的準備要求。圖1用橫道圖直觀地體現模塊化施工的優勢。

2.2 ?質量提高

傳統施工現場：原料檢驗設施缺乏不完善。焊接容易受環境溫度、濕度、風速等多方面因素影響，探傷不便，探傷環境不好;熱處理難度大;施工組織管理難度相對較大，留給土建施工、基礎養護的時間有限。

模塊化建造：進廠原料檢驗嚴格，檢驗設施措施齊備，工廠屬于室內環境，避免了風雨等環境對焊接作業的影響，減少了焊口的缺陷，提高焊接質量;專門設立探傷檢測中心，結果更專業，質量更有保證;專業的熱處理中心，可對大型設備進行整體焊后熱處理;工廠管理及人員組織水平相對較高，流水化作業;土建基礎養護時間充足，這樣的產品才有高質量。

2.3 ?費用降低

傳統現場施工：由于施工機械價格較昂貴，施工單位不能面面俱到，大部分的施工機械需要購買，租賃，購買或租賃的設備就需要轉運及現場保護。這就使得其中的費用大大增加。而現場施工人員需求量大，都是外包雇傭，也使得人力費用增加，再加上高溫補貼，夜間施工補貼等，不但工作時間較工廠施工少，效率還不高，成本必然增加。

現場食宿、HSE、安保成本高。現場的檢驗試驗條件簡陋，設備資源缺少，需要額外設置，這就使得項目措施費增加，比如占用土地、搭設臨時的防雨設施，保溫設施，腳手架等等。搭建這些設施又需要現場存儲材料，需要吊車安裝，不但增加了費用，占用了資金，還使得工期延長。

模塊化建造：工廠施工機具完備，包括焊接、探傷、熱處理、吊裝等方面的儀器和設備，大大降低了施工機具費。工廠施工勞動力成本較低，現成的食宿措施，后勤保證降低成本，完善的倉儲和吊裝轉運設施，費用低，減少了管道及鋼結構露天堆料的損耗，與傳統施工相比費用至少節約25%;集中運輸到貨，費用大幅降低，縮短工期，降低資金成本。

2.4 ?安全環保

傳統現場施工：現場作業環境差，安全風險高，后勤保障（食宿安全）不完善。現場施工安全體系不完善，且不易執行到位，勞動防護措施不完善，施工、生活垃圾任意丟棄，對環境破壞。

模塊化建造：工廠作業環境良好，安全健康優勢明顯。工廠具備現成的后勤保障措施，工廠有成熟的安全管理體系，良好的執行，完善的勞動防護措施和勞保用品，成熟的處理措施，不會造成環境破壞。

3 ?模塊化技術應用要點

3.1 ?基于三維軟件的模塊化設計

（1）所謂的模塊是將鋼結構、工藝設備、電氣儀表、工藝管道以及防腐絕熱集合在一起的實體單元，要想高效高質量地完成，達到精確預制、施工，必須采取三維軟件建模，各專業協同設計。

（2）采用三維軟件設計，可以直觀立體地對模塊內的組件進行設計，有效避免組件之間的碰撞，優化操作和檢維修環境，減少安全隱患。此外三維模型自動生成材料表、管道平面及軸測圖等，大大減少了設計時間，也有利于造價編制[2]。

（3）為便于多專業異地協同設計，預制工廠和其他參建單位的異地協同溝通，采用共享數據庫的方法，實現多地之間的三維協同辦公。

（4）要實現三維協同設計，就要規范材料數據庫，在庫中形成標準材料代碼，編制模塊索引目錄這樣可以將不同專業之間的設計有效串聯[3]。

（5）三維模型設計可以為工廠預制提供最大化的便利，提高整體預制的效率，為高完成度的模塊單元提供基礎。

（6）為建設單位提供數字化交付平臺， 實現設計、采購、施工、運行的全周期管理，形成一套完整的數字化資料。

3.2 ?模塊單元規劃技術

規劃原則：

（1）根據工藝流程PFD做好模塊單元的布局和劃分。

（2）根據設備的類型及模塊化難度考慮不同模塊中設備的布置和擺放。

（3）在規劃時還要考慮國家、行業及地區的標準規范，做到布局合理合規。

例如，模塊中設備排列應力求整齊，成條成塊;工藝管道與儀表、電氣槽盒布置格局協調;塔群布置應高低排列協調，人孔盡可能排齊朝向一側。管道要減少不必要的往返，以減少能耗[4]。

3.3 ?模塊單元的安全評估

根據危險與可操作性分析結果，做好模塊化裝置的安全布局設計。嚴格依照相關標準規范，符合設備布置，防火防爆的要求。如對模塊單元內的樓梯及安全通道進行布置設計，保證既便于操作又符合安全要求。

模塊單元設計好后，還要對其結構、管道及運輸等方面做安全評估，如模塊框架的強度是否滿足吊裝要求，管道在設計時是否考慮應力補償，模塊整體運輸時的震動是否會對模塊內的單元造成影響等。

3.4 ?模塊分割設計方案

模塊分割方案需要綜合考慮，包括工藝流程、設備布置、操作檢修、運輸條件、限高限重等多種因素;此外管道及儀表電器的布置，現場機具的吊裝環境及能力也需要一并考慮。

如在實際項目中：

（1）充分考察各模塊從制造廠到項目地點的運輸路徑和限制條件。

（2）考察項目現場的模塊運輸限制條件。

（3）結合運輸車輛的情況和施工單位的現場吊裝機具情況。

（4）最終確定模塊制造廠至項目現場的汽車運輸限制尺寸：一般為長15 m×寬4.5 m×高4.5 m。

3.5 ?土建基礎及鋼構設計優化

模塊單元以鋼結構為大框架，將設備、管道、儀表等元件集成在內。所以在設計時既要考慮鋼結構的安全穩定性，又要考慮鋼結構與土建基礎的適配性。這就要求工廠預制與現場施工的精度必須在可控范圍內。在設計時應盡量減少基礎的類型，使現場施工統一化，既能提高施工速度，又滿足了安裝要求。此外，還應對每個模塊單元內的鋼結構進行現場吊裝分析設計。

例如對模塊單元的吊裝分析基礎上進行吊裝設計，應合理設置吊點、平衡梁，考慮吊車選型及行走路線。

由于單個模塊的重量很大，在吊裝中可能會發生變形，為了避免變形，用專業軟件進行吊裝力學形變分析，預先判斷可能存在的形變點，并采取必要的保護措施，比如增加形變梁的強度，或者增加臨時吊裝結構橫梁立柱。這都是在需要設計過程中整體考慮的[5]。

3.6 ?模塊包裝及防護

包裝包括雨布包裹、托盤包裝、木箱包裝、鐵皮包裝。防潮防腐保護：錫箔袋、干燥劑、抽真空;防撞、防傾覆保護; 防松脫保護等。

3.7 ?模塊的運輸

首先要對從工廠到項目現場的路線進行調研，根據模塊的尺寸及重量確定適合的路線，其中還要綜合考慮陸運和船運兩種不同的運輸方式。如果選擇陸運，還要對運輸路線的限制條件進行調研，在確保滿足限制條件的情況下，對確定好的模塊單元進行吊裝方案編制。

如運輸限制條件是模塊設計的基礎前提條件，必須預先確定，并應根據運輸方式、限高限重、路面情況及行車速度，進行運輸過程中模塊防側滑、防傾覆的受力分析及加固防護設計如圖2。

如模塊鋼結構拆分高度不超過4.5 m，拆分點位于模塊底板H型鋼下翼緣0.5m處，拆分處采用螺栓連接[6]。

管道拆分充分利用原有法蘭，或在上下層原有法蘭處進行拆分或在模塊最近焊口處加拆分法蘭。

模塊設計考慮了重大設備和異形預制管段的安裝方式相結合。

在進行模塊結構梁柱設計及布局時，提前考慮工廠化預制階段設備對安裝空間的要求，提前考慮設備安裝是側進安裝或垂直安裝。

4 ?總 結

模塊化設計需要體現出與傳統模式石油化工裝置建設的共性與特殊性。工藝流程，安全保障，操作檢修，標準規范要保持共性;而在模塊的組合、分割、包裝、運輸、連接、吊裝、調試等要體現特殊性。

模塊化設計需縱覽整個項目建設的全過程，這些技術在實施過程中互相關聯，環環相扣;只有在這些技術充分結合靈活運用的基礎上，才能保證模塊化建設項目的成功實施。

參考文獻：

[1] 黃衛明.石油化工裝置模塊化施工[J]. 化工設備與管道，2013（2）：33-37.

[2] 張林青，王欣雨.基于PDMS的煉油化工裝置管道系統模塊化設計探討[J]. 煉油技術與工程，2010，40（4）：49-52.

[3] 吳云峰.數字化工廠下全生命周期工程材料編碼系統研究[J]. 當代化工，2016，45（7）：1511-1514.

[4] 孟鵬，王榮敏.使用三維模塊化設計提高長慶油田站場設計效率[J]. 石油和化工設備，2015（18）：58-61.

[5] 桑建平. 裝置模塊化設計探析[J]. 化工與醫藥工程，2014，35（4）：53-56.

[6] 李勇.“工廠化模式”建設天然氣凈化廠的管控要點[J]. 天然氣與石油，2016（5）：109-114.