石化鋼框架模塊化技術(shù)應(yīng)用研究

紀 旭 張洪濤

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

近年來，許多資本項目都采用了模塊化的概念，以適應(yīng)惡劣的天氣條件和日益嚴格的施工進度。模塊化[1]定義為使用預(yù)制單元(即模塊)在場外建造大量的現(xiàn)場工作，然后將它們運送到現(xiàn)場用重型起重機進行吊裝。每個模塊都被視為一個小型項目，需要獨立設(shè)計和構(gòu)建。模塊化的應(yīng)用要追溯到20世紀30年代，當時模塊化首次作為一種概念在工業(yè)工程中得以應(yīng)用，被德國的銑床設(shè)計采用，到五六十年代，歐美一些國家才真正將模塊化上升到理論高度，模塊化設(shè)計方法由此來研究和應(yīng)用。當前，各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用模塊化設(shè)計方法，包括汽車、機床、計算機、家電、建筑、船舶、兵器等等，在建筑工業(yè)領(lǐng)域，模塊化的理念越來越受到行業(yè)者的喜愛，尤其是在石油化工領(lǐng)域，模塊化的趨勢深入人心。

石化鋼框架結(jié)構(gòu)是按梁、柱等構(gòu)件為基本單元建造[2]。傳統(tǒng)的施工和設(shè)計有：工人勞動強度大、施工速度慢、生產(chǎn)效率低等等，更是給環(huán)境造成嚴重的污染。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“秦磚漢瓦”的模式，趨向工業(yè)化的發(fā)展就要創(chuàng)新拓展設(shè)計思路和豐富的施工手段。建筑工業(yè)化的主要形式就是模塊化建筑，隨著運輸和施工安裝技術(shù)的快速發(fā)展使之成為可能。

2013年1月1日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布〔2013〕1號文件轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)改委、住建部共同制定的《綠色建筑舉動方案》。以鋼結(jié)構(gòu)為代表的建筑工業(yè)化，具有設(shè)計標準化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、裝修一體化、管理信息化、應(yīng)用智能化等特征，有利于節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)時、節(jié)省人工、減少垃圾和揚塵、提升安全和質(zhì)量，是行業(yè)升級的必然選擇。鋼結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)也是發(fā)展國際高端市場的需要[3]，這能有效地降低項目總成本。

1 石化鋼框架模塊化劃分[4]

模塊劃分理論基礎(chǔ)主要有：

1)模糊聚類分析方法。

它是一個建立產(chǎn)品的原始矩陣，要通過考慮零部件之間的幾何相關(guān)性、物理相關(guān)性和功能相關(guān)性建立的原始矩陣，然后其模塊劃分方法應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊聚類分析方法，并且得到一個動態(tài)聚類樹按不同水平的閾值，使得根據(jù)需求，形成最終模塊。

2)面向產(chǎn)品全生命周期的模塊劃分方法。

以功能分解為基礎(chǔ)、綜合考慮功能相關(guān)、物理相關(guān)、時間相關(guān)、裝配相關(guān)等相關(guān)準則的功能模塊劃分方法。

3)基于GT的功能模塊劃分。

成組技術(shù)(grouptechnology,GT)能保證原有設(shè)計信息最大限度的使用，零部件產(chǎn)品具有更高的相似度，大幅度縮短設(shè)計時間以及產(chǎn)品設(shè)計的繼承性。產(chǎn)品的構(gòu)成原則應(yīng)根據(jù)具體功能要求進行模塊組合,選擇相互匹配模塊組合成產(chǎn)品。

典型石油化工項目的模塊劃分包括：

1)工藝單元模塊(Pre-assembledUnit，PAU)。

此類模塊通常以一臺或多臺工藝設(shè)備為中心，在有限的空間里把所有的設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)框(支)架、操作平臺、管道、儀表電氣設(shè)備、電纜以及防火、保溫等進行高度集成，典型工藝單元模塊。

2)管廊模塊(Pre-assembledRack，PAR)。

管廊模塊通常包含鋼結(jié)構(gòu)、管道、電纜橋架及電纜、防火保溫等，典型管廊模塊。

3)廠商模塊(VendorPackageUnit，VPU)。

廠商模塊通常是一個具有獨立功能的成橇設(shè)備，模塊內(nèi)的設(shè)備及其支撐(附屬)鋼結(jié)構(gòu)、管道、儀電設(shè)備、平臺、爬梯等的設(shè)計和建造完全由設(shè)備供應(yīng)商完成，典型廠商模塊。

4)現(xiàn)場機柜間及變配電所等模塊化房屋。

典型模塊化房屋。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)模塊運輸

在確定建造位置和模塊大小時，運輸通常被認為是最重要的環(huán)節(jié)。

2.1 陸上運輸

轉(zhuǎn)運是模塊化結(jié)構(gòu)陸上運輸非常重要的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)運過程很可能是在沒有專業(yè)吊裝設(shè)備和工具的情況下進行的，因此可采用如先吊底模式(如圖1所示)。支撐桿件可在模塊制造廠提前制作并且隨運輸車輛一同運輸?shù)浆F(xiàn)場，再考慮經(jīng)濟效益最大化問題，吊裝工具以及支撐數(shù)量根據(jù)模塊尺寸和重量確定，沒有必要每個模塊都進行配備。

陸上運輸環(huán)境是較為復(fù)雜多變的，在模塊質(zhì)量、體積、尺寸均比較大的時候，極有可能遇到坑洼、上下坡、連續(xù)轉(zhuǎn)彎路段，為了保證模塊不會因運輸環(huán)境原因造成破壞或顛倒，可依據(jù)集裝箱陸上運輸方案，搭配配置扭鎖的專用平板車(見圖1)。

運輸距離指數(shù)(TSDI)，該指數(shù)表示從異地制造組裝工廠到施工作業(yè)現(xiàn)場的運輸距離對模塊運輸成本的影響。TSDI假定實際運輸距離為125英里為最佳運輸距離，并將其分配為最佳運輸值1。任何長達200英里的運輸距離均應(yīng)具有與該最佳運輸值成線性比例的運輸值。

(1)

尺寸和重量都對陸上運輸有限制，包裝對特殊路段也是有影響的。《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》規(guī)定如表1所示。

表1 超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定 m

2.2 海上運輸

海洋運輸荷載類型主要有：

1)固定荷載：包括平臺結(jié)構(gòu)的重量和在某個作業(yè)形式下不變化的任何永久固定設(shè)備重量以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量。

2)活荷載：平臺使用期間的荷載，它可能發(fā)生變化就在一種作業(yè)形式期間，也可能兩種作業(yè)形式轉(zhuǎn)換時發(fā)生變化。

3)環(huán)境荷載：包括浪、風(fēng)等作用在平臺上自然現(xiàn)象的荷載。

風(fēng)浪荷載是模塊化結(jié)構(gòu)在海上受到的主要環(huán)境荷載之一[5]，由于海上風(fēng)具有非常強的隨機性和不確定性,石化鋼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準期內(nèi)所遭遇的極值風(fēng)浪荷載需根據(jù)其統(tǒng)計特性進行研究。本文風(fēng)荷載計算方法根據(jù)《海上平臺狀態(tài)評定指南》(2005)中的風(fēng)荷載研究進行計算。陳心一等根據(jù)國家海洋學(xué)研究所、渤海沿岸8個典型臺站30年的實測資料，得出風(fēng)速等級為6級[6]。

F=(ω/2g)V2CSA

(2)

根據(jù)流體力學(xué)原理，勢波的水質(zhì)點的水平分速度u和垂直分速度w可由速度勢φ導(dǎo)出。并代入Stokes[7]波理論二階解速度勢函數(shù)和波面函數(shù)為：

(3)

(4)

波浪力可按Morison方程來計算，進而推導(dǎo)出波浪加速度。波浪加速度時程曲線如圖2所示。

3 案例分析

本研究依托美國某石化項目，工廠地址位于美國德克薩斯州，CorpusChristi(科帕斯科里斯蒂)的一個化工廠區(qū)，項目包括PTA裝置和PET裝置，以及相配套的輔助設(shè)施。總量約9 200 t鋼結(jié)構(gòu)，業(yè)主要求采用模塊化建設(shè)。本研究針對裂解爐對流段，這個38 m長、12 m寬、61 m高，重達2 000多噸的“巨無霸”。裂解爐結(jié)構(gòu)在國內(nèi)完成生產(chǎn)制造。整體結(jié)構(gòu)組成：梁、板、支撐桿件，煙囪，爐筒，排熱風(fēng)扇，裂解爐體，消聲器，爐管，鋼管，轉(zhuǎn)熱，對流管，樓梯等構(gòu)成(見圖3)。

3.1 模塊劃分方案

模塊劃分可以按照圖4進行。

3.2 風(fēng)荷載作用下內(nèi)力分析

在前述理論研究基礎(chǔ)上，對模塊結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，由于文章篇幅所限，本文僅列出整體框架模塊結(jié)果如圖5所示，內(nèi)力最大值符合要求,表明模塊劃分方案合理。

3.3 波浪荷載作用下內(nèi)力分析

在前述理論研究基礎(chǔ)上，對模塊結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，得到結(jié)果如圖6所示。內(nèi)力最大值符合要求。表明模塊劃分方案合理。

4 結(jié)語

模塊化鋼結(jié)構(gòu)是石化工業(yè)裝置的重要載體和組成部分。合理的模塊劃分方案及結(jié)構(gòu)空間布置是整個模塊設(shè)計的基礎(chǔ)，也是增加項目安全性、合理性與經(jīng)濟性的有效保證。

本文首先得到了石化鋼框架模塊化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)要點，包括劃分方法、運輸載荷等，然后針對具體工程，得到了石化鋼框架模塊劃分方案，本研究針對某裂解爐對流段模塊劃分方案基于模塊劃分原理和典型石化劃分方法的基礎(chǔ)上，本著框架結(jié)構(gòu)工藝和設(shè)備的幾何相關(guān)性、物理相關(guān)性和功能相關(guān)性變化較小的原則進行劃分，并且分析了風(fēng)載荷和波浪載荷作用下部分模塊鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的變形和強度均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求，利用這些分析結(jié)果可以為模塊劃分方案提供依據(jù)，從而確定方案的優(yōu)缺點。本文研究可以為石化鋼框架模塊化設(shè)計提供參考。