模塊化技術(shù)在油氣田一體化集成裝置研制中的應(yīng)用

李國(guó)明，楊 光，李 茂，鄭執(zhí)勝

1.長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安 710016

2.長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西西安 710071

一體化集成裝置結(jié)合油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化集輸工藝流程，將機(jī)械、電子、自控、信息等專(zhuān)業(yè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合、高度集成，根據(jù)功能目標(biāo)對(duì)各功能單元進(jìn)行合理配置，能夠?qū)崿F(xiàn)一種或多種工藝流程[1]。

長(zhǎng)慶油田于2008 年首次研發(fā)推廣一體化集成裝置，目前已廣泛用于油氣集輸、注水、采出水處理、伴生氣回收、天然氣處理、供配電和供熱等主體及配套工程。一體化集成裝置的應(yīng)用解決了單井配產(chǎn)低且建設(shè)成本高、油區(qū)分散且點(diǎn)多面廣、滾動(dòng)建產(chǎn)且規(guī)模不易確定、自然條件惡劣且社會(huì)環(huán)境復(fù)雜、開(kāi)發(fā)層系多且系統(tǒng)配套難等低滲透油田地面工藝存在的諸多難點(diǎn)問(wèn)題[2]，優(yōu)化了超低滲透油田的生產(chǎn)工藝、地面設(shè)施及管理模式，減少了場(chǎng)站層級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)用工和能耗，極大地符合了低滲透油田開(kāi)發(fā)“低成本、高質(zhì)量”的要求。

1 模塊化技術(shù)

模塊化是指以模塊為基礎(chǔ)，綜合了通用化、系列化、組合化的特點(diǎn)，解決復(fù)雜系統(tǒng)（類(lèi)型多樣、功能多變）的一種標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)形式[3]。歐美最早在上世紀(jì)20 年代將模塊化應(yīng)用于機(jī)床等機(jī)械設(shè)備/裝置設(shè)計(jì)制造中，并在50 年代形成模塊化概念[4]；我國(guó)于上世紀(jì)60年代引入了模塊化設(shè)計(jì)制造理念，并在工程裝備、交通運(yùn)輸裝備、武器作戰(zhàn)裝備等領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的應(yīng)用與發(fā)展，使得裝備研制的周期和成本得到大幅降低，提高了裝備精細(xì)化水平，促進(jìn)了相關(guān)裝備技術(shù)不斷更新迭代[5]。

模塊化技術(shù)在油氣田地面工程規(guī)模化應(yīng)用出現(xiàn)在2010 年前后，以單套一體化集成裝置為起始，而后推廣到橇裝聯(lián)合站、天然氣處理廠、接轉(zhuǎn)站、集氣站等工程的建設(shè)中，均取得了顯著的成效[6]。

陳朝明等[7]、沈斌[8]、王國(guó)富等[9]、石章雄等[10]結(jié)合陸地石油石化地面工程、海洋石油工程、海外石油工程的模塊化設(shè)計(jì)、建造及造價(jià)進(jìn)行了研究與介紹[11]，但對(duì)于工廠內(nèi)橇裝設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)及制造的研究和介紹較少。

本文以油氣田一體化集成裝置為研制對(duì)象，詳細(xì)介紹模塊化技術(shù)在其研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，以期最終達(dá)到縮短制造周期、節(jié)約成本、保障質(zhì)量等效果，探索一體化集成裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建造技術(shù)。

2 一體化集成裝置的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化技術(shù)的關(guān)鍵在于將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息和制造信息共同定義到數(shù)字化的三維模型中，以完整表達(dá)產(chǎn)品信息。因此一體化集成裝置數(shù)字化三維模型是一體化集成裝置研制過(guò)程中各管理節(jié)點(diǎn)信息流轉(zhuǎn)的載體，建立數(shù)字化三維模型是模塊化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

2.1 重用庫(kù)的建立

構(gòu)建應(yīng)用于一體化集成裝置的零件、部件、設(shè)備的重用庫(kù)，重用庫(kù)中涵蓋油氣集輸專(zhuān)業(yè)用元件/零件（如管件、法蘭、過(guò)濾器等）和機(jī)械專(zhuān)業(yè)用元件/零件（鋼結(jié)構(gòu)型材、封頭、容器法蘭與支座等）。

重用庫(kù)即可重復(fù)使用的特征庫(kù)和零件庫(kù)等，可為產(chǎn)品的模塊化、系列化研發(fā)提供技術(shù)保障。在三維模型設(shè)計(jì)時(shí)快速調(diào)用已建重用庫(kù)中的零件或設(shè)備三維模型，可提高集成裝置數(shù)字化三維模型的建立工效，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與難度。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)件三維庫(kù)的建立

管件、法蘭、螺栓、螺母等元件或設(shè)備，依據(jù)國(guó)家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)建立對(duì)應(yīng)的三維模型。

采取的方法是，利用軟件提供的Excel 表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式完成三維模型的建立[12]。圖1 所示為承插式管件三維建模過(guò)程。

圖1 承插式管件三維建模過(guò)程

2.1.2 非標(biāo)設(shè)備的三維庫(kù)建立

對(duì)于非標(biāo)設(shè)備，如測(cè)量?jī)x表、閥門(mén)、泵等，利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)方法完成非標(biāo)或某企業(yè)特定產(chǎn)品的建模。參數(shù)化建模要用到方程式、函數(shù)關(guān)系、裝配關(guān)系和主從關(guān)系等，建模過(guò)程較為復(fù)雜。圖2 所示為參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模。

圖2 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)三維建模

2.2 設(shè)計(jì)模板的建立

設(shè)置集成裝置三維模型的設(shè)計(jì)模板，對(duì)于相似裝置或者相似零部件的建模，設(shè)計(jì)人員可借鑒已有的裝置或零部件，通過(guò)便捷的參數(shù)化調(diào)整來(lái)修改完成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)典型裝置或零部件的數(shù)據(jù)快速重用，大幅度減少零部件或裝置修改或重新設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高三維模型設(shè)計(jì)效率。基于Solidworks 設(shè)定設(shè)計(jì)模板與屬性定義見(jiàn)圖3。

圖3 基于Solidworks 設(shè)定設(shè)計(jì)模板與屬性定義

2.3 數(shù)字化三維模型的建立

在Solidworks 三維軟件中，利用routi ng 插件，完成工藝管道三維配管及集成裝置的數(shù)字三維模型建立。routing插件可進(jìn)行集成裝置工藝管路的參數(shù)化設(shè)計(jì)。使用草圖驅(qū)動(dòng)模型的Top-Down 設(shè)計(jì)理念創(chuàng)建集成裝置結(jié)構(gòu)模型，選擇管路接頭開(kāi)始布路，系統(tǒng)自動(dòng)生成管路，而后裝配工藝管路上的閥門(mén)、過(guò)濾器、儀表等附件。圖4為建模完成的一體化集成裝置數(shù)字化三維模型。

圖4 一體化集成裝置數(shù)字化三維模型

2.4 一體化集成裝置模塊化設(shè)計(jì)原則

模塊化設(shè)計(jì)是一體化集成裝置模塊化研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)原則為：其一，模塊化劃分以基于功能為主兼顧結(jié)構(gòu)，使各模塊內(nèi)部空間布置合理、緊湊，從安全性、操作性、美觀性等方面實(shí)現(xiàn)一體化集成裝置的集成與空間合理布局；其二，在集成裝置設(shè)計(jì)布置相對(duì)緊湊時(shí)，裝置運(yùn)行期的檢修、拆卸空間也應(yīng)予以充分考慮；其三，運(yùn)輸條件也是影響模塊化設(shè)計(jì)的重要因素之一，集成裝置可能遇到公路、鐵路及船運(yùn)等交通工具的運(yùn)輸能力限制，港口、鐵路及現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)施的負(fù)荷能力限制等，都需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮。

3 一體化集成裝置的模塊化制造

模塊化設(shè)計(jì)的價(jià)值體現(xiàn)是集成裝置由原來(lái)的串行生產(chǎn)制造提升至并行生產(chǎn)制造，且在并行制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了工序的搭接與批量化制造、制造周期的縮短、勞動(dòng)強(qiáng)度的降低和制造成本的下降。

3.1 模塊化制造的過(guò)程

集成裝置模塊化制造過(guò)程，在技術(shù)支撐層面是由整體到局部再到基本單元，在實(shí)體制造層面則是由基本單元到局部再到整體。技術(shù)支撐上，依據(jù)數(shù)字三維模型，根據(jù)制造廠區(qū)物流條件、無(wú)損檢測(cè)空間、吊裝能力等，劃分功能模塊。以功能模塊為對(duì)象，繪制三維工藝安裝軸測(cè)圖，使鋼管下料、坡口加工、管段組對(duì)、管段焊接、組合件組裝等工序形成并行、批量作業(yè)。以預(yù)制管段為基本生產(chǎn)單元，完成其制造后組合成功能模塊單元，而后由多個(gè)功能模塊單元組橇為集成裝置，再進(jìn)行監(jiān)檢試壓、電儀、保溫等工序。在設(shè)計(jì)階段即數(shù)字三維模型建成后，模塊化分解步驟如圖5（a）所示；在制造階段，模塊化制造所遵從的步驟如圖5（b）所示。與技術(shù)支撐階段的步驟（見(jiàn)圖6）相反，一體化集成裝置模塊化制造過(guò)程（見(jiàn)圖7）呈現(xiàn)出從小到大的特點(diǎn)。

圖6 一體化集成裝置模塊化技術(shù)支撐過(guò)程示意

3.2 鋼管切割下料批量化

根據(jù)三維工藝安裝軸測(cè)圖編制標(biāo)準(zhǔn)的鋼管下料表，使用切斷、編碼、坡口加工一體機(jī)（下料管徑DN50～DN300）切斷，通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行編程及套料，長(zhǎng)短結(jié)合，可最大限度地運(yùn)用原料鋼管而節(jié)省材料，且管段長(zhǎng)度精度誤差控制在0.5～1.5 mm 之間。切斷、編碼、坡口加工一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)一體機(jī)）的運(yùn)用彌補(bǔ)了以往采用氧氣-乙炔火焰下料、車(chē)床加工坡口作業(yè)的不足，實(shí)現(xiàn)了鋼管下料與坡口加工作業(yè)的機(jī)械化、批量化，達(dá)到了下料尺寸精確、材料浪費(fèi)小、坡口加工速度快且成型好的目的。通過(guò)編碼對(duì)接管進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了材料分割前的標(biāo)識(shí)移植，保證材料使用的可追溯性。一體機(jī)加工實(shí)例見(jiàn)圖8。

圖8 管道自動(dòng)切割及坡口加工一體機(jī)

傳統(tǒng)車(chē)床加工與一體機(jī)加工的優(yōu)勢(shì)對(duì)比情況見(jiàn)表1。與傳統(tǒng)車(chē)床加工相比，一體機(jī)加工在上料方式、長(zhǎng)度誤差、加工時(shí)間及轉(zhuǎn)運(yùn)方式方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 傳統(tǒng)車(chē)床加工與一體機(jī)加工優(yōu)勢(shì)對(duì)比

3.3 管段焊接自動(dòng)化

管段焊接模塊化是管-法蘭、管-三通、管-彎頭和管-異徑接頭快速組對(duì)焊接；采用鎢極氬弧氣體保護(hù)自動(dòng)焊（見(jiàn)圖9），應(yīng)用脈動(dòng)送絲、脈沖熱絲、疊加高頻+尖脈沖等先進(jìn)工藝方法，不僅達(dá)到了熔池?cái)嚢琛⒕Я＜?xì)化的效果，而且具有焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、一次焊接合格率穩(wěn)定在98%以上等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，熔深增加，對(duì)焊預(yù)制管道可不開(kāi)坡口，無(wú)間隙對(duì)接，提升了焊接效率；弧長(zhǎng)自動(dòng)追蹤，槍頭角度可變，只需一名焊工操作，可滿足整個(gè)焊接工藝要求，且勞動(dòng)強(qiáng)度低[13]。

圖9 鎢極氬弧氣體保護(hù)自動(dòng)焊

3.4 焊口無(wú)損檢測(cè)的批量化

一體化集成裝置的焊口無(wú)損檢測(cè)有4 種方式（RT、PT、MT、UT）。其中，RT 檢測(cè)方式作為焊口質(zhì)量控制的主要手段，因操作步驟多、流程長(zhǎng)、耗時(shí)多而不適應(yīng)批量化預(yù)制管段焊口的無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)了適于多預(yù)制管段焊口的RT 射線檢測(cè)工裝。該工裝將探傷機(jī)豎向固定（見(jiàn)圖10），透照膠片時(shí)可在周向360°進(jìn)行透照。每次可以同時(shí)透照10 個(gè)以上焊口，使每個(gè)焊口RT 射線檢測(cè)時(shí)間縮短近5 min，實(shí)現(xiàn)了焊口RT 檢測(cè)的批量化，提高了工效，并降低了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖10 RT射線檢測(cè)工裝三維模型

3.5 管道試壓的批量化與自動(dòng)化

研制的試壓一體化集成裝置，集成匯管、設(shè)置多種規(guī)格的試壓端口，可實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、多流程的管道同時(shí)批量化試壓，提高試壓效率。該試壓裝置主要由管道離心泵、高壓柱塞泵、集分水器、單向閥、氣電超高壓截止閥、容積閥、伺服節(jié)流調(diào)壓閥、高壓球閥、過(guò)濾器、水箱、空氣壓縮系統(tǒng)及PLC測(cè)試控制系統(tǒng)構(gòu)成。不同設(shè)計(jì)壓力的管道試壓前利用高壓快速接頭連接，在PLC控制系統(tǒng)中設(shè)定好對(duì)應(yīng)的試壓參數(shù)（嚴(yán)密性與強(qiáng)度試壓壓力值、穩(wěn)壓時(shí)間、升壓速率等），點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，PLC系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行并出具試壓報(bào)告。

3.6 管道、閥門(mén)保溫的模塊化

一體化集成裝置閥門(mén)種類(lèi)多且外形尺寸不同，受一體化集成裝置安裝空間緊湊的制約，閥門(mén)或其他設(shè)備密布在橇座上，操作空間受限，設(shè)備保溫層施工難度大。為解決現(xiàn)場(chǎng)操作難度大、施工效率不高的問(wèn)題，提升保溫層的預(yù)制程度，編制了《一體化集成裝置保溫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)范了閥門(mén)等零部件外形規(guī)格，根據(jù)相應(yīng)規(guī)格尺寸進(jìn)行分類(lèi)，在滿足保溫要求的情況下，設(shè)計(jì)多種簡(jiǎn)單、方便、適宜的保溫結(jié)構(gòu)。利用Solidworks 軟件準(zhǔn)確繪制彎管、閥門(mén)盒等零部件圖紙。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)依據(jù)圖紙尺寸批量制作各類(lèi)放樣樣板，既提高了拼接精度又提高了效率。制作的保溫層具有可拆卸、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)保溫結(jié)構(gòu)模塊化制造實(shí)施前后對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 保溫結(jié)構(gòu)模塊化制造實(shí)施前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

模塊化技術(shù)是裝備制造的發(fā)展趨勢(shì)之一，是提升企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、適應(yīng)復(fù)雜多變市場(chǎng)環(huán)境的重要途徑之一，也是提高裝備制造效率的重要保障，因此發(fā)展裝備模塊化技術(shù)有助于提高制造業(yè)整體技術(shù)創(chuàng)新的水平。在油氣田地面工程集成裝置制造中，模塊化技術(shù)的應(yīng)用縮短了制造周期、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提升了集成裝置的質(zhì)量、取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但整體水平仍停留在機(jī)械化加工發(fā)展階段，距離信息化與智能化制造仍有很大的差距。同時(shí)在油氣田地面工程集成裝置研發(fā)制造領(lǐng)域中，尚未形成一套整體完備、具有一定普適性、能夠多情景應(yīng)用的模塊化設(shè)計(jì)理論體系，模塊化裝置的研制仍然依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)者的主觀依賴(lài)性強(qiáng)，阻礙了裝置模塊化制造的推廣步伐。

在未來(lái)的裝置制造模塊化技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)端應(yīng)加強(qiáng)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，制造端應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)裝備的信息化與智能化，生產(chǎn)運(yùn)維端應(yīng)加強(qiáng)智能感知、遠(yuǎn)程診斷的信息平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)而推動(dòng)一體化集成裝置向高質(zhì)量發(fā)展。