海上油氣模塊建造中的電氣系統的模塊化研究

三零（天津）科技有限公司 李繼強

模塊化是一種跳脫出傳統建造的建造模式，主要是將工程分成若干個模塊，每個模塊將結構主體、機、管、電、涂裝等專業集為一體，任何再將各個模塊進行總裝的一種建造模式。模塊化建造與詳細設計及現場施工能力、產品制造等多方面結合起來一體化設計，模塊化建造在具體實施手段上，主要以產品化形式對各個階段一體化建造，并借助大型吊裝設備、運輸設備搭積木的過程。

1 設計與預制階段

采用與業主方共享3D 建模的方式，即把海洋工程設施分成多個模塊，通過計算機三維模型設計讓各個專業隨著模型的不斷完善添加相應的內容，電氣自動化專業涉及初期的設備、橋架、支架、中期的電纜路徑、tubing 路徑、電伴熱帶走向等的建模，后期的模型細化各專業的碰撞協調及圖紙下發。目前投到施工階段的圖紙模式比較先進的是按照工作包的模式，即按照系統分成不同的工作包下發到施工層面。按工作包的模式能較完整和系統的對支架、橋架、電纜等方向進行監控和結算。電氣系統模塊化設計的優點如下。

減少設計變更引起的材料成本。由于各個模塊的電氣系統被分割到了各個場地同時建造、再轉至總裝場地，大大減少了在總裝區域的安裝數量，節約了總裝位置的機械臺班，提高了進度；減少了高空腳手架平臺的搭設。在造船及海洋工程建造中，高空作業需搭設大面積的腳手架，搭設腳手架的同時需給工人配備充足的勞保用品及監護人員，通常一個中型的海上油氣模塊如要搭建腳手架平臺需配備100人，高空作業效率低且安全風險高，人力物力投入巨大，模塊化設計使電氣系統相關聯部件盡最大程度在地面安裝，減少了搭設腳手架引起的不必要成本。

減少了人工成本。模塊化設計使得電氣專業與其他專業都能同時施工，避免了交叉施工引起的怠工，在有限的時間里使工人的效率得到提高；降低了施工風險。由于電氣專業各個模塊平行建造，使得建造現場人員的施工活動大大減少，改善了施工環境、降低了施工風險，由于模塊化設計大量的工作轉為地面，導致高空作業的數量大量減少，有力地保障了施工人員在更加安全的環境里工作，并減少了安全監管人員的成本投入。

這里的預制階段主要是針對電氣自動化專業的鋼支架類做車間的焊接預制（海上油氣模塊的建筑主體都是鋼結構），這一環節對后續節省工期和提高效率至關重要，電儀支架的特點是：小、多、制作工序復雜、人工成本高、安裝區域廣、施工難度系數高。

小是指所用材料規格較小，相對于結構和管道專業或許是邊腳料的材料，但對電氣專業來說已是可做設備支架的材料了，如按鈕、開關、火警探頭、壓力開關、信號燈等的支架。

多是指海洋油氣模塊的電氣設備品種多導致設備框架各式各樣，大的有發電機控制盤支架、照明盤支架、變壓器底座支架、控制室底座支架、電伴熱盤支架，小的有橋架支架、按鈕支架、探頭支架、照明燈具支架。

制作工序復雜是指相對于其他專業電氣專業所制作的設備支架種類繁多，尺寸大小不一，涉及的工種較多，有焊工、裝配鉚工、打磨工、鉗工、輔工。涉及的工藝復雜如折彎、打孔、對焊、平焊、仰焊、倒角、打磨、切割、MT、涂裝、熱處理等。

人工成本高，是因為電氣支架由于門類眾多制作比其他專業復雜耗時間，但和結構專業一樣噸位結算的情況下，完成一噸的支架預制要比結構完成一噸的結構焊接投入的人工和時間要翻至少兩倍以上；安裝區域廣是指電氣支架密布到油氣模塊的每一層每個角落，涉及十幾米的高空位置、狹小的間隙，都可能有電氣設備，都需要電氣設備支架，因為這些支架要做設備、電纜橋架等的安裝基礎，沒有支架也就沒有模塊化中電氣的后續。

施工難度系數高，是指安裝位置或涉及十幾米到幾十米的高空作業、或涉及狹小區域密閉空間作業、或涉及臨邊空洞作業、或涉及大型設備吊裝作業、或涉及腳手架平臺搭設作業，均屬于需要投入安全監護、安全裝備、施工難度較大和危險系數較高的位置。

電氣的支架預制階段的模塊化，是把設備支架按照工作包的模式下發給施工按系統預制，即便變更也是下發變更工作包按照工作包清理支架，這種模式為后續總裝及車間安裝提高效率打下了堅實的基礎。

2 車間安裝與總裝階段

在各個車間結構裝配成片后，電氣專業的設備支架類預制件可分批分組安排人力去各個車間同步安裝，此階段結構、管道、設備、電氣專業均在安裝窗口期，此窗口期分為兩次頂升階段。

第一次頂升模塊單層甲板距離地面比較低，通常為1米，可裝設備的基準高度在1米范圍內能裝的部分。

第二次頂升模塊單層甲板距離地面的高度為1.6米左右，電氣專業可裝1.6米范圍能裝的部分。由于模塊化設計分層分模塊安裝，每一層甲板上下的電氣支架在車間部分都可以能裝盡裝，此階段可充分利用地面和車間工機具的優勢，高效的完成電氣支架的安裝、質檢工作。此階段能完成整個總模塊電氣總支架數量的30～40%，避免傳統模式在總裝安裝所有支架，需協調大型吊車起重吊裝、高空部分的腳手架安裝，碰撞部分與各個專業協調資源、解決問題效率低下，極大的縮減了電氣建造周期。

在二次頂升各專業安裝報驗結束后，各個車間的分模塊將按照總裝區域的吊裝計劃，按照先后次序分批進入涂裝車間噴涂，隨著各個車間分模塊一并送入涂裝車間進行打砂和噴涂作業，此環節電氣專業為了保證模塊化的一致性，需在沖砂完畢后進行條件限制型支架在分模塊的預安裝位置標識工作，為涂裝指定非涂裝區域，這么做可避免涂裝專業的浪費涂料和人工，也避免了電儀專業將來花費人工去再破壞油漆漆面，既節省了電氣專業的成本又節省了涂裝專業的成本。

待涂裝結束后，SPMT 運輸車轉運至總裝場地。此環節相對于傳統粗放式的建造模式，模塊化的模式是模塊在進入涂裝前已對電氣專業未安裝的支架提前精確定位、發布定位圖紙，避免了材料、施工時的浪費，且出涂裝后電氣專業的安裝人員在總裝場地可直接找指定標記安裝，省去了再次識別圖紙再次定位的時間，對需要焊接的位置亦不需要打磨破壞。

總裝階段是模塊化最重要的集成階段，此階段從涂裝車間涂裝好的分模塊會不斷轉運至總裝場地，按照總裝計劃的吊片順序進行停位，總裝階段分為預總裝和總裝兩部分。

預總裝部分各個分模塊在地面進行逐層預組裝，此階段電氣專業也有兩個可裝支架的階段、同樣頂升兩次，第一次頂升到模塊甲板距離地面2.2米，電氣專業可根據實際情況裝涂裝好的剩余分層零散未裝支架并予以安裝，第二次頂升模塊甲板距離地面3.6米，此階段可進行剩余特殊支架安裝，預總裝階段由于模塊化設計，地面能完成電氣總支架安裝數量的70～80%。

在預總裝階段，電氣專業除能裝設備支架外，電纜橋架隨著電氣支架的完整性增高，橋架的連通性也有了保障，此時電纜橋架的分模塊和分層走向圖已由設計下發，施工方可根據每一層甲板的實際情況安裝電纜橋架，此階段預總裝部分占比模塊橋架總米數的50～60%，同樣電氣設備安裝數量占比模塊總安裝數量的40～50%。

此階段的橋架和設備安裝已開始涉及和其他專業的協調碰撞部分，由于預總裝部分管道、結構、電氣專業都會有更大體積的構件安裝、且分層吊裝組和模塊的時間有限，總裝的安裝速度相對于車間安裝的速度急劇下降，總裝要耗五倍的工時才能完成車間安裝同樣的工作。但由于整個油氣項目采取模塊化設計，使電氣建造周期壓縮量達到最大化，在預總裝階段已能完成傳統安裝模式要花兩倍以上施工周期才能干完的項目，機械臺班、人工、安全監管的投入均大量節省。

總裝階段是整個模塊成型階段，最重要的電氣完整性將在此階段實現。在此階段電氣專業需要實現整個模塊各個系統完整性。

此完整性包括：電氣設備支架的完整性（此階段需要健全因前序施工影響無法安裝的支架部分）；電纜橋架的完整性。由于模塊屬于地面拼裝自然存在斷點，影響橋架的連通性，在各層甲板拼裝完成后層間和同層的斷點即可大面積的合并打通；電氣設備的完整性是伴隨這個設備支架的完整性而逐漸完整的。電氣系統的模塊化優勢不止在建造場地、設備制造商同樣適用，油氣模塊的電控房、消防控制站等基本是制造商在工廠制作好、調試好，把控制系統集成到E-HOUSE、交付給建造方后整體安裝，各個接口完成整體調試。

通常到此階段以上三點完整性仍不能達標，有三點原因：設計原因。圖紙未受審批還不能下發；材料原因。由于供貨周期和合同影響的材料遲遲不能進場；其他專業干擾。無法安裝的原因，如：為未到場設備預留空間，原則是電氣避讓；不能達標的原因出現取決于建造方的資源整合能力，如果建造方在模塊化方向敢于挑戰勇于創新，這些問題是完全可以避免的。在完整性達標后，重點關注的部分將從電纜開始（海上油氣模塊的電纜部分包括電纜敷設、電纜綁扎、橋架蓋板封裝，電纜端接工作），之后是控制閥門的氣源及氣源管安裝、電伴熱系統熱線的管道伴熱設備及熱線的敷設，為后續調試交付做準備。

3 調試階段

海上油氣模塊建造過程中，調試是整個工程施工的最后一環，是對整個平臺從設計到安裝的所有施工過程的一個最終檢驗，調試的順利與否關系到整個工程能否順利交接。調試就好像“上帝之手”一樣，讓一座海上油氣模塊由靜止而逐漸運轉起來，最后變成一個各部分運作協調的有機生命體。作為海洋石油平臺工程的一部分，調試并不能脫離海洋油氣模塊的建造模式而獨立存在。隨著模塊化概念逐漸引入工程領域，調試工作也越來越受到其影響而在整個施工過程中逐漸發生了變化。

電氣系統的模塊化分為單機調試和聯合調試。單機調試工作內容主要包括：電纜絕緣測試、照明系統的照度測試、設備的絕緣測試、電機的轉向測試，變壓器的溫升測試、儀表的回路測試、電伴熱回路的通電測試。機組保護性聯鎖和報警等自控系統調試聯校合格；裝置電氣、儀表、計算機、防毒防火防爆等系統調試聯校合格；裝置區施工臨時設施已拆除、工完、料盡、場地清、豎向工程施工完；對聯動調試有影響的設計變更處理完，其他未完尾項責任明確，完成時間明確。由以上條件可看出，單機調試工作的調試內容并不僅是一臺單機，而是一個由單機、供電系統和自控系統組成的相對獨立的功能模塊。

電氣聯合調試的工作內容主要是為實現模塊各個系統的功能，是在單機調試完備后才能進行的調試，模塊上的聯合調試與管道、設備、暖通專業交集較多，如空壓機系統能否為tubing 管按照設計參數供氣、淡水供應系統的水泵能否安裝設計參數運轉并連鎖其他系統、現場閥門在收到什么樣的指令后動作，一臺運轉的發電機出現故障、備用發電機如何啟動，故障型號會引起什么樣的關斷，電控房如何收集現場的報警點，再收到報警后如何實現相關工藝的連鎖關斷，各個工藝間的運作邏輯關系如何，都屬于聯合調試要驗證核實的內容。

電氣系統能否完成所有調試指標直接影響油氣模塊的交付，這有賴于建造方的模塊化整合能力和設計方前期模塊化做的細致程度。

4 結語

綜上所述，模塊化建造在我國海洋及船舶領域的應用日趨成熟，隨著一大批國際油氣項目落地，如：全世界最大的極寒地區海上油氣項目ACTIC LNG2模塊、加拿大LNGC 模塊等，建造的主場地不斷向中國轉移，中國已成為全世界模塊化建造的最大贏家，這不僅說明國外客戶對中國模塊化建造能力的認可，也帶來了更大的機遇與挑戰，抓住這個機會一定能把我國的模塊化建造水平推向更高的國際水準。