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)場地內(nèi)進(jìn)行建造的模塊，現(xiàn)場完成組裝和連接，以最大限度地減少項(xiàng)目現(xiàn)場施工量的設(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，與公用設(shè)施對接并進(jìn)行拼裝。
1. 模塊化設(shè)計(jì)建造的優(yōu)勢
模塊化設(shè)計(jì)建造具有諸多優(yōu)勢，包括工期短、施工現(xiàn)場人員少、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)制在廠房內(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，而廠房內(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)輸中的變形會對拼裝造成困難。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工藝單元劃分成若干具有完整工藝過程功能的區(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)視作一個模塊設(shè)計(jì)。例如，可將加熱爐整個爐體分為對流室、輻射室、余熱回收和煙囪等幾個模塊，有些平臺設(shè)計(jì)為可拆卸式平臺，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，文件編號細(xì)分到每個模塊。
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、儀表及平臺安裝。模塊建造完成后需對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)場模塊的精準(zhǔn)對接。
⑧. 模塊之間的儀表、電氣等電纜需在項(xiàng)目現(xiàn)場完成。
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)場后，完成整套裝置的拼裝，所有螺栓進(jìn)行連接。
相對于傳統(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，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。對于一些工藝流程標(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。
