用積木搭建一棟自己設(shè)計(jì)的房子，是不少人童年美好的回憶。石油化工裝置也能像搭積木一樣建造起來。隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、施工機(jī)械化程度提高，現(xiàn)代化大型吊裝運(yùn)輸能力不斷增強(qiáng)，模塊化設(shè)計(jì)、制造正在取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工。
模塊化技術(shù)起源于19世紀(jì)70年代，隨著近些年數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)手段的提高，模塊化設(shè)計(jì)又被注入了新的因素。裝置模塊化設(shè)計(jì)是通過集成設(shè)計(jì)，將石油化工裝置按區(qū)域劃分成若干可在制造廠或項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行建造的模塊，現(xiàn)場(chǎng)完成組裝和連接，以最大限度地減少項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工量的設(shè)計(jì)過程。
浙江至德鋼業(yè)有限公司技術(shù)人員參與負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的某國外工程采用模塊化設(shè)計(jì)與施工，建設(shè)工期減少了50％，惡劣環(huán)境施工現(xiàn)場(chǎng)人員減少70％。壓力管道專業(yè)主導(dǎo)的模塊化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)將整套裝置分為了若干個(gè)模塊，在異地獨(dú)立的生產(chǎn)車間內(nèi)，所有的設(shè)備、管道、儀表、電線等都在鋼結(jié)構(gòu)的框架內(nèi)進(jìn)行預(yù)組裝，完成后被運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)，與公用設(shè)施對(duì)接并進(jìn)行拼裝。
1. 模塊化設(shè)計(jì)建造的優(yōu)勢(shì)
模塊化設(shè)計(jì)建造具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括工期短、施工現(xiàn)場(chǎng)人員少、施工效率與質(zhì)量可控性更好、施工安全性更高等。
a. 工期短
傳統(tǒng)建設(shè)工程需要先完成建筑工地土建，再進(jìn)行上方工廠管道建設(shè)。而模塊化設(shè)計(jì)建造，由于工廠在異地車間預(yù)制，土建和管道建設(shè)可以同時(shí)進(jìn)行，因此能夠節(jié)省工期。
b. 施工效率高
這種異地車間預(yù)制在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，不受天氣、環(huán)境等外界因素的影響，因此工人的工作效率顯著提升，工程質(zhì)量也更高。傳統(tǒng)的裝置建造在雷雨天就得暫停焊接工作，而廠房?jī)?nèi)則完全沒有這些因素的干擾，溫度、濕度得到控制，還大大提高了焊接的質(zhì)量。
c. 安全性高
預(yù)制模式還免去了不少安全和污染隱患，提高了施工安全性。傳統(tǒng)建設(shè)工程需配置固定腳手架，施工人員爬上爬下有不少潛在風(fēng)險(xiǎn)。而車間內(nèi)預(yù)制建造，減少了固定腳手架。預(yù)制車間內(nèi)還能進(jìn)行管道自動(dòng)焊接，沒有煙霧、減少噪聲。
2. 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
盡管模塊化設(shè)計(jì)建造好處較多，但想要建成一座模塊化工廠著實(shí)不易。需要考慮設(shè)計(jì)及模塊化施工的限制很多，例如，石油化工裝置一些大型設(shè)備無法分割成能運(yùn)輸?shù)哪K，一些高溫高壓劇毒流體管道的模塊化設(shè)計(jì)也有較大的問題，特別是預(yù)制模塊“最后兩公里的陸路運(yùn)輸條件”影響較大。
首先進(jìn)行道路勘察，包括運(yùn)輸時(shí)將經(jīng)過的輪船、碼頭、陸路等情況，在掌握模塊制造、運(yùn)輸、拼裝過程中的各項(xiàng)外界因素后，再著手設(shè)計(jì)。
模塊化設(shè)計(jì)中既要考慮裝置本身，也要考慮模塊的分割問題。例如，有的裝置大型設(shè)備不能拆分，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)都需符合運(yùn)輸條件，模塊間的連接也要盡量減少。模塊在吊裝、運(yùn)輸中的變形會(huì)對(duì)拼裝造成困難。需要全方位計(jì)算模塊的受力條件，找到精確的重心，從而結(jié)構(gòu)專業(yè)可以精準(zhǔn)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和模塊的連接。
①. 裝置應(yīng)具備成熟的工藝，在工藝流程中將每個(gè)工藝單元?jiǎng)澐殖扇舾删哂型暾に囘^程功能的區(qū)塊。機(jī)泵、換熱器等設(shè)備應(yīng)盡量選擇體積小的設(shè)備。如果設(shè)備尺寸較大無法滿足模塊布置要求，則需進(jìn)行設(shè)備拆分劃塊。
②. 將設(shè)備、管道、電氣、儀表、平臺(tái)和梯子等盡可能集中布置在模塊內(nèi)。減少模塊或模塊組之間的接口。
③. 設(shè)計(jì)時(shí)需滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)安全、操作、維護(hù)和檢修等空間的要求。管道設(shè)計(jì)還需考慮運(yùn)輸、吊裝過程中臨時(shí)加固措施。泵、換熱器等設(shè)備和管道閥組等安裝在鋼結(jié)構(gòu)底板上。
④. 每個(gè)模塊的尺寸需嚴(yán)格控制在最大尺寸和最大重量范圍內(nèi)。將超大設(shè)備整體或局部單獨(dú)視作一個(gè)模塊設(shè)計(jì)。例如，可將加熱爐整個(gè)爐體分為對(duì)流室、輻射室、余熱回收和煙囪等幾個(gè)模塊，有些平臺(tái)設(shè)計(jì)為可拆卸式平臺(tái)，以滿足運(yùn)輸?shù)囊蟆?/span>
⑤. 模塊化設(shè)計(jì)制圖，可采用三維或二維軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)文件以模塊為基本單位完成，文件編號(hào)細(xì)分到每個(gè)模塊。
⑥. 模塊內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)以焊接為主，模塊之間的鋼結(jié)構(gòu)連接盡量采用螺栓等形式連接，模塊中的輔助支承構(gòu)件、設(shè)備管道的臨輔助運(yùn)輸時(shí)支承件可采用螺栓連接，以便于組裝就位后拆除。
⑦. 模塊之間管道連接處可采用法蘭或焊接連接，對(duì)于高溫、高壓、有毒和可燃介質(zhì)管道宜采用焊接連接。模塊在制造廠內(nèi)完成模塊內(nèi)部管道、結(jié)構(gòu)涂裝，完成設(shè)備和管道的無損檢驗(yàn)、吹掃試壓、絕熱涂漆、儀表及平臺(tái)安裝。模塊建造完成后需對(duì)相鄰的模塊在制造廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼裝，確保在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)模塊的精準(zhǔn)對(duì)接。
⑧. 模塊之間的儀表、電氣等電纜需在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)完成。
3. 模塊化建造的過程及問題
預(yù)制完成后，數(shù)日的海路、陸路運(yùn)輸及運(yùn)輸起吊期是對(duì)模塊結(jié)構(gòu)的一次嚴(yán)峻檢驗(yàn)。避免吊裝時(shí)模塊變形。所有的模塊運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，完成整套裝置的拼裝，所有螺栓進(jìn)行連接。
相對(duì)于傳統(tǒng)裝置的建設(shè)模式，模塊化設(shè)計(jì)周期和模塊運(yùn)輸時(shí)間有所延長(zhǎng)，相應(yīng)增加制造模塊的運(yùn)輸防護(hù)、裝卸、鋼結(jié)構(gòu)、防變形輔助支承構(gòu)件、大型吊裝等費(fèi)用，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工費(fèi)用的增加。因此，裝置是否采用模塊化設(shè)計(jì)還需充分考慮項(xiàng)目工程的綜合造價(jià)和總體進(jìn)度。
在一些建設(shè)地人工成本更高、氣候環(huán)境惡劣的地區(qū)，壓力管道模塊化設(shè)計(jì)建造具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一些工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的石油化工裝置，模塊化設(shè)計(jì)成為一種理想的建造方案。
