淺議模塊化建造在準(zhǔn)噶爾氣田深冷工程中的應(yīng)用研究

謝虎，劉明明，韓凌，艾文婷，朱建雄

（新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000）

新疆油田某凝析氣田深冷工程擬建地位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠腹地，冬季平均氣溫-30℃以下，春季平均風(fēng)力6級(jí)左右，有效施工期220天。由于工程建設(shè)計(jì)劃工期短、單項(xiàng)工程數(shù)量多、工藝控制設(shè)計(jì)難度大，如果使用傳統(tǒng)建設(shè)模式且在要求時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)于設(shè)計(jì)和施工均有較大難度。為改變這種現(xiàn)狀，新疆油田某凝析氣田天然氣處理站首次在大型深冷裝置建設(shè)工程中采用模塊化建設(shè)模式，通過(guò)先進(jìn)的三維技術(shù)完成工程模塊化設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)模塊模型和圖紙，在符合制造要求的工廠分別對(duì)模塊進(jìn)行建造，然后運(yùn)輸至建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，減小了冬季對(duì)工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度的影響，解決了全年有效施工周期短、現(xiàn)場(chǎng)許可作業(yè)多、施工總量大的問(wèn)題，為后續(xù)集團(tuán)公司實(shí)施工程建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 模塊化設(shè)計(jì)與組裝

1.1 模塊布局與三維設(shè)計(jì)

模塊布置過(guò)程中，結(jié)合場(chǎng)地面積限制、工藝控制設(shè)計(jì)，分子篩脫水模塊和深冷凝液回收模塊兩個(gè)單元集中布置在增壓?jiǎn)卧蛢?chǔ)罐單元之間，盡量避免兩個(gè)單元與其他單元之間管道連接過(guò)長(zhǎng)、繞彎過(guò)多，達(dá)到降低施工材料消耗過(guò)大和生產(chǎn)過(guò)程介質(zhì)壓力損失過(guò)多的目的。

傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)，存在效率低、不易修改、易出現(xiàn)錯(cuò)漏碰缺等問(wèn)題。本工程采用三維軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊碰撞檢查，優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率起到非常重要的作用。三維設(shè)計(jì)模型如圖1所示，整個(gè)裝置分為三層。

圖1 三維設(shè)計(jì)模型

（1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用PDMS建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，對(duì)梁、柱、支撐等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，并將工藝荷載加入到模型，與整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；為達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求，還需對(duì)土建自身荷載以及其他相關(guān)荷載進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，使用PSI將三維模型導(dǎo)入STAAD.Pro軟件進(jìn)行有限元法分析，以保證模型參數(shù)符合工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所有結(jié)構(gòu)的最大計(jì)算應(yīng)力比按0.85進(jìn)行控制，連接采取“梁——梁”拼接的形式，并在運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)前進(jìn)行預(yù)安裝，以校核所有構(gòu)件的精確性，確保在運(yùn)輸、吊裝時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的整體性，提高現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)效及精準(zhǔn)率。

（2）管道設(shè)計(jì)。利用PDMS管道元件庫(kù)模塊的配置，在可視化界面下，配置和建立工程各模塊所需要的管道材質(zhì)、壓力參數(shù)和保溫、伴熱等級(jí)。根據(jù)各模塊功能不同，直接使用按照設(shè)計(jì)要求完成配置的管道，按照各模塊工藝流程進(jìn)行管道布置，對(duì)配置完成的管道進(jìn)行人工檢查和碰撞檢查，檢查是否符合工藝設(shè)計(jì)要求、布置是否方便操作和維修、管道與管道、設(shè)備、平臺(tái)等是否有碰撞，有效降低了設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，本工程通過(guò)PDMS軟件的專用接口，利用Fluent軟件進(jìn)行應(yīng)力和降壓分析，為合理規(guī)劃管線布置，在設(shè)備、機(jī)泵管口作用力和力矩不超出允許值的情況下，以最少的管道組成件，最短的長(zhǎng)度將管道連接起來(lái)，使模塊內(nèi)管道材料消耗減少27%。

（3）模塊尺寸設(shè)計(jì)。模塊尺寸設(shè)計(jì)需要考慮工廠和施工場(chǎng)地之間道路運(yùn)輸條件、運(yùn)輸車輛、施工現(xiàn)場(chǎng)吊具能力等因素。通過(guò)考察工廠至施工場(chǎng)地的陸運(yùn)運(yùn)輸能力，根據(jù)道路大型物件運(yùn)輸管理辦法要求，結(jié)合運(yùn)輸車輛情況和施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械吊具能力，最終確定本工程將模塊拆分為長(zhǎng)度小于15m，寬度小于3.5m，高度小于3.5m，便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸與施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝。

（4）模塊拆分設(shè)計(jì)。模塊拆分遵循從大到小的原則，根據(jù)制造工廠作業(yè)能力，將單元模塊進(jìn)行逐一拆分，直至拆分至最小結(jié)構(gòu)——預(yù)制件。該工程將兩個(gè)單元共拆分5個(gè)子模塊、27個(gè)橇塊、約8萬(wàn)個(gè)預(yù)制件，如圖2所示。分子篩脫水單元整體模塊設(shè)計(jì)尺寸：38×12×7.25m，分為兩層鋼結(jié)構(gòu)模塊，采用聯(lián)合平臺(tái)形式設(shè)計(jì)，脫雜質(zhì)過(guò)濾器撬模塊采用橇裝化平臺(tái)與分子篩塔子模塊連通，共拆分3個(gè)子模塊12個(gè)橇塊、約3.6萬(wàn)個(gè)預(yù)制件。

圖2 分子篩脫水單元三維模塊拆分

深冷凝液回收單元整體模塊設(shè)計(jì)尺寸：28×12.8×7.25 m，分為三層鋼結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，其中泵撬模塊在一層平臺(tái)，重沸器類撬模塊在二層平臺(tái)，回流罐類撬模塊在三層平臺(tái)；空冷器類單體模塊布置在管廊上方，形成管廊空冷器模塊；共拆分2個(gè)子模塊15個(gè)橇塊、約4.4萬(wàn)個(gè)預(yù)制件，如圖3所示。

圖3 深冷凝液回收單元三維模塊拆分

1.2 模塊組裝

本工程橇塊是由多個(gè)預(yù)制件和設(shè)備設(shè)施拼接形成，如：管道、法蘭、彎頭、閥門、鋼結(jié)構(gòu)、儀表、功能設(shè)備等。所有橇塊預(yù)制時(shí)，工廠工程師先用水平儀進(jìn)行測(cè)點(diǎn)，確認(rèn)模塊建造場(chǎng)地水平面。建造工人按施工圖完成模塊鋼結(jié)構(gòu)的組裝，結(jié)構(gòu)內(nèi)部管道走向和設(shè)備的安裝，則按圖紙和3D模型相結(jié)合的方式進(jìn)行，在主體設(shè)備未到貨的情況下，預(yù)留出與設(shè)備連接的管線以及跨橇塊管線的法蘭接口，當(dāng)橇塊內(nèi)管道和設(shè)備完成組裝后，再進(jìn)行儀表類的安裝。子模塊預(yù)制是在所有單個(gè)橇塊組裝完畢，按垂直一層、垂直二層、垂直三層的順序分層進(jìn)行，待橇座回廠后，主體設(shè)備就位，組合配管，完成各子模塊的一層、二層、三層橇塊在車間內(nèi)完成組裝與跨橇配管，并進(jìn)行分層位置各結(jié)構(gòu)立柱的檢測(cè)、記錄和編號(hào)。以本工程深冷凝液回收裝置分餾模塊組裝過(guò)程為例，如圖4和圖5所示，分餾模塊MO-0102由加熱重沸回流子模塊SK-0104ABC、冷卻重沸回流子模塊SK-0105ABC以及樓梯子模塊SK-0106組成，共分為三層。首先，將SKID-4506底層與SKID-4504A和SKID-4505A連接在一起；其次，把SKID-4504B和SKID-4505B放置在SKID-4504C和SKID-4505C上面，與SKID-4506第二層連接；最后，SKID-4504C和SKID-4505C放在三層，與SKID-4506頂層連接。橇塊在每層組裝時(shí)，進(jìn)行跨橇塊之間管道法蘭、鋼結(jié)構(gòu)和與樓梯子模塊SK-0106的螺栓連接，最終形成分餾模塊MO-0102。

圖4 子模塊組裝圖

圖5 分餾模塊組裝圖

1.3 精準(zhǔn)化復(fù)裝

在工程模塊裝置回裝前，確保所有橇塊及散運(yùn)部件均已運(yùn)抵安裝現(xiàn)場(chǎng)，檢查橇內(nèi)所有部件完好穩(wěn)固，施工吊具機(jī)械就位，橇塊土建基礎(chǔ)找平已經(jīng)完成，對(duì)一層橇塊、塔器設(shè)備基礎(chǔ)地腳螺栓進(jìn)行一次、二次灌漿硬化，待二次灌漿達(dá)到復(fù)裝強(qiáng)度要求以后，利用吊機(jī)完成各類塔器設(shè)備的最終就位，待塔器設(shè)備安裝完畢后，各橇塊按照布置好的位置進(jìn)行復(fù)裝。首先，按照各子模塊在工廠組裝的順序分層進(jìn)行；其次，逐步完成各橇塊之間的管道法蘭連接、未保溫部分施工、管線伴熱保溫的安裝以及橇外散運(yùn)管線、支架、設(shè)備平臺(tái)、爬梯的回裝；最后，安裝塔器設(shè)備外部與各模塊裝置之間的交接口法蘭、焊接外部工藝管線以及電氣儀表橇塊外的接線工作。同時(shí)，對(duì)裝置內(nèi)管線設(shè)備防腐、絕熱進(jìn)行施工和修補(bǔ)。

以分子篩脫水裝置復(fù)裝為例，如圖6所示，該裝置各橇塊則按照從下往上的復(fù)裝方式，粉塵過(guò)濾模塊MO-0003位于分子篩脫水塔和脫固體雜質(zhì)塔之間，先將該模塊的兩個(gè)橇模塊SKID-0005B和SKID-0004B置于一層，再將剩余兩個(gè)橇塊SKID-0005A和SKID-0004A置于SKID-0005B和SKID-0004B上方，組成粉塵過(guò)濾模塊MO-0003；閥組子模塊位于分子篩脫水塔前方，SKID-0003A放置一層，SKID-0003B置于二層；換熱分離子模塊MO-0001位于分子篩脫水塔右側(cè)，橇塊SKID-0002B和SKID-0001B擺放至一層，SKID-0002A和SKID-0001A安裝在二層。最后，將再生氣壓縮機(jī)橇與空冷器分別吊裝至施工圖安裝位置。當(dāng)所有設(shè)備、模塊、塔器都擺放到位后，進(jìn)行塔器設(shè)備外部與各模塊裝置之間的交接口法蘭安裝、焊接外部工藝管線以及電氣儀表橇塊外的接線工作，對(duì)裝置內(nèi)管線設(shè)備防腐、絕熱進(jìn)行施工和修補(bǔ)。

圖6 分子篩脫水裝置3D模型復(fù)裝順序圖

2 應(yīng)用效果

深冷工程建設(shè)主體裝置依托工廠建造（如圖7所示），廠內(nèi)以流水線作業(yè)和數(shù)控加工的方式，在33天內(nèi)完成約8萬(wàn)個(gè)預(yù)制件加工和27個(gè)橇塊制造，焊接驗(yàn)收無(wú)損檢測(cè)一次合格率高達(dá)98%。工廠內(nèi)施工不會(huì)因冬季環(huán)境溫度低影響工程進(jìn)度，建設(shè)工期從計(jì)劃490天縮短至240天，節(jié)約工期51%，提前增效約2600萬(wàn)元。

圖7 模塊化建設(shè)模式與傳統(tǒng)建設(shè)模式工期比較圖

模塊化建造模式主要特點(diǎn)：一是三維模型設(shè)計(jì)；二是工廠化建造。工廠化建造是將現(xiàn)場(chǎng)施工最大限度地轉(zhuǎn)移到工廠，通過(guò)三維模型拆分，將一個(gè)大型裝置分解成多個(gè)模塊或預(yù)制件進(jìn)行加工、制造，以拼插、焊接的方式在擬建場(chǎng)地進(jìn)行回裝。如圖8所示，以傳統(tǒng)模式工程土建、管道安裝、材料加工等方面施工量計(jì)算，該模式減少現(xiàn)場(chǎng)施工總量約50%。

圖8 模塊化建設(shè)模式與傳統(tǒng)建設(shè)模式現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖

模塊化建設(shè)模式由過(guò)去橫向建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在縱向搭建，單項(xiàng)工程建設(shè)地面積比計(jì)劃用地面積減少約41%。工廠化建造最大化減少現(xiàn)場(chǎng)施工總量，降低了人員、大型設(shè)備的租賃費(fèi)用，節(jié)約了資金成本。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)石油石化工程建設(shè)趨勢(shì)是以一個(gè)個(gè)單體模塊，通過(guò)拼插、焊接的方式組建。新疆油田某凝析氣田天然氣處理站深冷工程采用模塊化建設(shè)模式，通過(guò)三維設(shè)計(jì)將單項(xiàng)工程合理拆分為27個(gè)橇塊轉(zhuǎn)移到工廠制造，規(guī)避了冬季無(wú)法施工和沙漠風(fēng)沙對(duì)焊接質(zhì)量影響的難題。與傳統(tǒng)建設(shè)模式相比，該模式不僅有效提高了工程建設(shè)質(zhì)量，而且縮短了建設(shè)工期、節(jié)約了投資成本，對(duì)中石油北方特殊環(huán)境地區(qū)油氣田工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。