大型氣田地面工程模塊化建設(shè)模式的優(yōu)點剖析

陳朝明 陳偉才 李安山 湯曉勇 陳祖翰

1.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院， 四川 成都 610500

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大型氣田地面工程模塊化建設(shè)模式的優(yōu)點剖析

陳朝明1陳偉才1李安山1湯曉勇1陳祖翰2

1.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院， 四川 成都 610500

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，大型氣田地面工程的建設(shè)受到諸多因素的影響，為項目的順利實施帶來諸多困難。大型氣田地面工程模塊化建設(shè)模式，從安全管理，生產(chǎn)效率，質(zhì)量保證，采購、運輸及倉儲管理，資源綜合利用和項目實施可塑性等方面提供了一套全新的氣田地面工程建設(shè)模式，該模式較傳統(tǒng)模式更優(yōu)，是氣田地面建設(shè)的主流方向。

建設(shè)模式；模塊化；氣田地面工程

0 前言

隨著能源需求全球化和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大型油氣資源的發(fā)現(xiàn)以及開發(fā)步伐的加快，使得工程建設(shè)項目的規(guī)模越來越大，工程內(nèi)容越來越復(fù)雜，質(zhì)量要求越來越高，項目的控制及管理越來越精細化，工期要求越來越短。采用傳統(tǒng)的地面工程建設(shè)模式將會遇到安全、進度、質(zhì)量、資源利用等方面的問題，給項目的建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。為了解決大型工程項目建設(shè)過程中遇到的難題，國外工程公司不斷尋找新的解決方案。工程模塊化建設(shè)方案是較好的解決方案。為了驗證模塊化建設(shè)模式對大型氣田地面工程建設(shè)的適應(yīng)性，2010年中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司(下稱CPE西南分公司)開始對模塊化建設(shè)模式進行探索研究[1-6]。

1 大型氣田地面工程特點和建設(shè)模式

大型氣田地面工程具有規(guī)模大、投資高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實施難度大、運營安全風(fēng)險大等特點。項目往往是由多個子項目組成，且多個子項目存在同時并行實施的情況。項目實施過程中，常受到人力資源、機具資源、物資供應(yīng)、建造能力、資金供應(yīng)、工期要求、管理能力、安全風(fēng)險、質(zhì)量管理等因素的影響，有時還受到國外工程項目所在國的簽證限制、安全局勢等的困擾[1,7]。

國際上，大型氣田地面工程建設(shè)模式目前主要存在傳統(tǒng)建設(shè)模式和模塊化建設(shè)模式兩種。模塊化建設(shè)模式是新興的建設(shè)模式，優(yōu)點突出，給工程建設(shè)帶來了許多便利，是國際工程上較常用的建設(shè)方案[2-3]。

傳統(tǒng)建設(shè)模式是指將工程建設(shè)物資全部運到項目現(xiàn)場，在現(xiàn)場開展安裝工作的建設(shè)模式。先由土建人員完成土建施工，然后完成鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、儀表及電氣設(shè)備設(shè)施施工，最后待整個系統(tǒng)施工完成后進行調(diào)試與投產(chǎn)運行。

模塊化建設(shè)模式根據(jù)工程的工藝特點和功能要求，將整個工程分割成若干個模塊進行制造，模塊經(jīng)預(yù)組裝及初步調(diào)試，再通過海運或陸路運輸?shù)巾椖楷F(xiàn)場進行安裝、調(diào)試并投產(chǎn)運行。模塊的制造可在某個地區(qū)的一個制造廠進行，也可以在不同國家或地區(qū)的多個制造廠實施[1-2,8]。

CPE西南分公司作為國內(nèi)天然氣處理領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)，從2010年開始通過所承擔(dān)的幾個海外及國內(nèi)大型氣田地面工程的集氣裝置、脫硫、脫碳、脫水、脫烴、凝析油穩(wěn)定、硫黃回收裝置、天然氣液化裝置和公用工程輔助裝置進行模塊化建設(shè)模式的研究和實踐，驗證了模塊化技術(shù)在大型氣田地面工程建設(shè)的適應(yīng)性，并在研究實踐過程中積累總結(jié)出了模塊化建設(shè)模式的系列經(jīng)驗。

2 傳統(tǒng)建設(shè)模式與模塊化建設(shè)模式對比

通過傳統(tǒng)建設(shè)模式與模塊化建設(shè)模式的實施過程對比，可以看出兩者從設(shè)計、建設(shè)不同階段的施工重點和關(guān)注的重心不一致，建設(shè)單位或制造廠的倚重在不同階段也各不相同。

2.1 設(shè)計

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，設(shè)計對工程建設(shè)的實施具有指導(dǎo)意義，項目建造實施工作均在現(xiàn)場進行，建設(shè)周期較長，若設(shè)計的深度和精度略有欠缺，仍有時間和機會進行調(diào)整和修改。

模塊化建設(shè)模式下，設(shè)計是工程實施的靈魂，是指導(dǎo)模塊化實施的關(guān)鍵。沒有模塊化設(shè)計的精心策劃就談不上模塊化實施的成功。模塊化設(shè)計過程中，首先需要熟悉工藝流程，建立模塊化意識，具備模塊化專業(yè)技術(shù)，了解模塊的預(yù)制、組裝、拆分、包裝、運輸和吊裝；其次，要考慮很多其他方面，如對模塊進行有效的保護，模塊安裝的方法及要求，構(gòu)件在預(yù)制、運輸和吊裝等環(huán)節(jié)存在的特殊狀態(tài)、特殊受力情況；再次，還需考慮模塊的尺寸、重量以及與施工、運輸?shù)拿芮信浜系?。這些無疑都對設(shè)計人員提出更高的要求，保證模塊在安裝過程中簡單易行、減少現(xiàn)場安裝工程量，達到模塊化的最佳預(yù)期效果[3,7]。圖1為某項目脫硫、脫水及硫黃回收三個單元模塊化裝置，該項目總產(chǎn)量為60×108m3/a，項目13個月完成設(shè)計、制造、調(diào)試并投產(chǎn)成功。

圖1 脫硫、脫水及硫黃回收裝置三維模型

2.2 安全管理

工程建設(shè)的成敗，安全管理起著至關(guān)重要的作用。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)建設(shè)模式和模塊化建設(shè)模式下安全方面有不同的特點。

2.2.1 傳統(tǒng)建設(shè)模式的特點

1)傳統(tǒng)建設(shè)模式下，大型氣田地面工程項目實施現(xiàn)場的作業(yè)面廣，交叉作業(yè)面多，存在很多安全隱患[4]。

2)傳統(tǒng)建設(shè)模式下，多層結(jié)構(gòu)裝置的建造過程中，安裝工人長期處于高空作業(yè)的工作環(huán)境，時時刻刻存在著高空墜落的安全隱患。

3)項目所在地遠離城市或安全救護中心，現(xiàn)場醫(yī)療器械匱乏，一旦出現(xiàn)重大安全事故，傷員將面臨無法及時救治的危險。

4)對于國外的工程總承包項目，如在中東、西亞、非洲等工程項目所在地本身的安全隱患非常突出，其實施過程將給安全保障及管理方面帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖2為中東某國項目傳統(tǒng)建設(shè)模式現(xiàn)場，離市中心約300 km。

圖2 傳統(tǒng)建設(shè)模式現(xiàn)場

2.2.2 模塊化建設(shè)模式的特點

通過研究和實踐，發(fā)現(xiàn)模塊化建設(shè)模式下，裝置布置緊湊，模塊集成度高，裝置的生產(chǎn)操作、日常檢維修安全要求較傳統(tǒng)建設(shè)模式更高[2-3,5,9-11]。

2.2.2.1 工廠最大化，現(xiàn)場最小化

模塊化建設(shè)模式是一種工廠預(yù)制最大化、項目現(xiàn)場施工最小化的建設(shè)模式。項目實施過程中大量的工程建造在制造廠內(nèi)進行，待模塊組裝完成后運至項目現(xiàn)場；大大地縮短了項目現(xiàn)場安裝時間及現(xiàn)場各工種同時交叉作業(yè)的時間，也縮短了現(xiàn)場建造工人在不安全環(huán)境下的工作時間，降低了項目運行風(fēng)險[12-13]。

圖3為模塊化硫黃回收裝置，圖4為模塊化低溫脫水、脫烴裝置。

2.2.2.2 地面作業(yè)最大化，高空作業(yè)最少化

模塊化建設(shè)模式，要求模塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)和管道的預(yù)制工作盡量地面進行，最大程度減少高空作業(yè)。對于多層結(jié)構(gòu)的模塊，每個小模塊可大面積鋪開在地面建造，待每個單元小模塊組裝完成后，再按照裝置形式疊加組裝起來。這大大減少了安裝工人高空作業(yè)量和時間，降低了高空作業(yè)風(fēng)險[4,12,14]。

2.2.2.3 預(yù)制工廠更靠近安全急救中心

模塊制造廠相比項目現(xiàn)場更靠近城市和急救中心。模塊建造過程中，一旦出現(xiàn)較大的安全事故，可把傷員及時送到救助中心，得到救治，最大程度地降低人員的傷亡。

圖3 模塊化硫黃回收裝置

圖4 模塊化低溫脫水、脫烴裝置

2.2.2.4 現(xiàn)場復(fù)裝的安全性

模塊化建設(shè)在現(xiàn)場復(fù)裝是一個搭積木的過程。一方面，模塊化裝置最大程度地采用螺栓螺母連接，盡量減少現(xiàn)場焊接工作；另一方面，模塊化裝置的復(fù)裝本身就縮短了高空作業(yè)時間，進一步降低項目現(xiàn)場的高空作業(yè)安全風(fēng)險[4,12,15]。

圖5～6為國內(nèi)某項目模塊裝置復(fù)裝現(xiàn)場。

圖5 單個模塊吊裝

圖6 一層模塊已復(fù)裝完成

據(jù)模塊制造廠統(tǒng)計，模塊化建設(shè)模式下，模塊制造廠內(nèi)每100萬人工時的傷害率非常低，幾乎為零。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量

傳統(tǒng)建設(shè)模式和模塊化建設(shè)模式相比，模塊化建設(shè)模式焊縫質(zhì)量相對較好，焊縫外觀成型效果好[9]。

2.3.1 傳統(tǒng)建設(shè)模式

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，項目現(xiàn)場配套設(shè)施不完善，自動化機具缺乏，主要以手工電弧焊為主，導(dǎo)致焊縫一次成形率低、焊縫外觀較差、焊接質(zhì)量相對較低，焊縫一次合格率約93%；另外，由于多區(qū)域多裝置多工種交叉作業(yè)，導(dǎo)致項目監(jiān)管人員難以面面俱到地對項目施工質(zhì)量進行監(jiān)督和管理。

2.3.2 模塊化建設(shè)模式

模塊化建設(shè)模式下，模塊制造廠配備自動化設(shè)施，管道及鋼結(jié)構(gòu)在自動化設(shè)施的協(xié)助下，完成下料、組對、預(yù)制焊接、無損檢測、熱處理等，管道及鋼結(jié)構(gòu)的焊縫成型率高、外觀完好、焊縫一次合格率可達98.7%，焊縫的整體質(zhì)量明顯提高，減少了現(xiàn)場焊接的返工量[4-5,10-12]。

模塊制造廠具有較完善的質(zhì)量控制及管理體系，質(zhì)量管理過程更加細致、嚴(yán)格，為工程施工整體質(zhì)量提供有力的保障。

2.4 生產(chǎn)效率管理

2.4.1 傳統(tǒng)建設(shè)模式

1)1個焊工平均每天完成約30個達因的焊接工作量。

2)地面平整和基礎(chǔ)的施工需經(jīng)歷時間長，而結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道及電儀設(shè)備設(shè)施的安裝無法與其并行實施，導(dǎo)致項目實施的工程周期很長，過程容易受到外部因素的影響。

3)管道及結(jié)構(gòu)的預(yù)制焊接在項目現(xiàn)場實施，容易受到項目所在地的天氣影響，導(dǎo)致預(yù)制及焊接工作無法正常實施。

4)由于項目現(xiàn)場水、電、氣、人力資源、機具等相關(guān)物資缺乏，預(yù)制及焊接工作難以實現(xiàn)大面積自動化施工，導(dǎo)致設(shè)備、管道及鋼結(jié)構(gòu)的焊縫成形率低、返修率高，整體生產(chǎn)效率低下，影響進度。

2.4.2 模塊化建設(shè)模式

1)1個焊工平均每天可完成45～50個達因的焊接工作量。

2)由于模塊制造廠內(nèi)自動化設(shè)施比較齊全，焊接工人在自動化設(shè)施的協(xié)助下，管道及鋼結(jié)構(gòu)焊接的速率可大幅提高[9]。

3)模塊化裝置的結(jié)構(gòu)和管道的預(yù)制、組裝、試壓、檢驗、包裝及運輸?shù)纫幌盗械墓ぷ鳎⑿杏陧椖楷F(xiàn)場地面平整、結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)、地下管網(wǎng)敷設(shè)施工等工序，這就大大減少了現(xiàn)場的安裝工程量。實施項目的結(jié)果統(tǒng)計表明，1個擁有15個模塊的主體裝置，現(xiàn)場復(fù)裝一般10 d就能完成，大大節(jié)約了現(xiàn)場施工的時間和工程量[1,3-5,11]。

圖7～8分別為某項目模塊化裝置的自動焊機管段預(yù)制和車間內(nèi)預(yù)組裝。

圖7 自動焊機管段預(yù)制

圖8 模塊在車間內(nèi)預(yù)組裝

4)模塊化建設(shè)模式下，設(shè)備、管道和鋼結(jié)構(gòu)的焊接和預(yù)制，模塊的組裝，均在室內(nèi)進行，避免施工過程受天氣影響；由于室內(nèi)施工條件良好，趕工期時還可在室內(nèi)24 h倒班作業(yè)，充分保證項目的總體工期要求[3-4,11-12,16]。

模塊化建設(shè)模式和傳統(tǒng)建設(shè)模式的工程建設(shè)進度對比見圖9。

圖9 模塊化建設(shè)模式和傳統(tǒng)建設(shè)模式的工程建設(shè)進度對比

多個模塊化建設(shè)項目實施的最終統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相同規(guī)模下，按照模塊化建設(shè)模式實施的項目比傳統(tǒng)建設(shè)模式實施的項目，建設(shè)周期可縮短約30%。

2.5 工程建造人員及機具

2.5.1 傳統(tǒng)建設(shè)模式

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，項目的實施過程，需要大量的工程建造人員到達項目現(xiàn)場；人員的衣、食、住、行等需求同時出現(xiàn)在項目建造現(xiàn)場附近，給項目所在地的物資供應(yīng)及分配帶來困難。

在工程建造所需機具方面，建造單位需要配套足夠的機具資源長期應(yīng)用于該項目的施工。項目所在地往往難以滿足這樣的資源要求，面臨長時間從其他地方租賃機具的問題[8]。

2.5.2 模塊化建設(shè)模式

模塊化建設(shè)模式下，項目實施過程中的不同階段，可利用各種社會資源為項目的順利實施及完成提供保障[5,17-18]。

2.5.2.1 工程設(shè)計

結(jié)合在工藝技術(shù)及模塊化設(shè)計方面有豐富經(jīng)驗的工程公司，為項目的技術(shù)進行總體把關(guān)[8,18]。

2.5.2.2 模塊制造廠

近年來，由于國內(nèi)特別是東南沿海和長江三角地區(qū)的一些模塊制造廠，參與了海洋工程及國際工程項目的模塊化建設(shè)，積累了大量的模塊制造及組裝技術(shù)經(jīng)驗，具備建造能力和實力。這些模塊制造廠原來以造船行業(yè)和海洋工程行業(yè)起步，為海洋平臺提供上部生產(chǎn)裝置的大型模塊或為船舶制造提供分段模塊。他們有較為完善的生產(chǎn)管理體系和焊接制造技術(shù)，能夠完全承擔(dān)陸上天然氣處理地面工程的各種單元裝置模塊化建設(shè)工作[8,13,18]。

2.5.2.3 駐廠監(jiān)理

模塊化建設(shè)模式下的建造主要在模塊制造廠內(nèi)實施，相當(dāng)于模塊制造是小型總包工程項目，需要有專業(yè)的現(xiàn)場建造監(jiān)理隊伍對現(xiàn)場產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行檢驗、監(jiān)督和管理?，F(xiàn)場建造監(jiān)理人員具有豐富的現(xiàn)場管理和監(jiān)督檢查的經(jīng)驗，能為項目產(chǎn)品質(zhì)量保駕護航。

2.5.2.4 現(xiàn)場安裝單位

現(xiàn)場安裝可聘請國內(nèi)有豐富施工和建設(shè)經(jīng)驗的單位，保障項目的順利實施。

2.6 采購、運輸及倉儲管理

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，項目的實施建造所需的材料物資數(shù)量龐大、品種眾多，相互關(guān)聯(lián)和交錯。這些數(shù)量龐大的物資采購、運輸、堆放、倉儲等問題就是一項大工程。對建造單位的物資管理系統(tǒng)提出很高的要求[8,16]。

模塊化建設(shè)模式下，工程物資的采購有多種實施形式，物資可由EPC總包方、模塊化分包商和現(xiàn)場建造承包商三方根據(jù)項目實施過程的控制要點，分別采購所需物資。把繁重的采購工作按照實施的階段和實施的主體分解開來，并進行管理，既能綜合利用各階段實施主體采購人員的資源，又能合理地把采購物資分解進行管理[5,12,15-17]。

同時，運輸?shù)墓ぷ饕舶凑詹煌A段由不同的實施主體負責(zé)控制和管理，避免運輸管理的工作過于集中難以控制和管理。

2.7 項目實施可塑性難題

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，由于工程建造流程比較呆板，可調(diào)整性不強，項目實施的可塑性差，為工程的順利實施帶來困難，也為工程的總承包帶來較大的風(fēng)險，特別是國際工程項目。

模塊化建設(shè)模式下，安裝工作是在短時間內(nèi)集中大型吊機進行模塊的復(fù)裝就位，以及模塊與模塊之間、模塊與管廊系統(tǒng)接口處的法蘭連接等工作；現(xiàn)場的安裝工期短，大型機具及人員的集中工作時間短，人員和機具的利用和管理方面可塑性強，方便項目現(xiàn)場的安裝及管理[8,19-20]。

對于裝置外管廊系統(tǒng)，可根據(jù)項目實際情況，確定鋼結(jié)構(gòu)及管道是否按照模塊化形式執(zhí)行，或以預(yù)制的形式進行供貨，提高項目的施工可塑性和安裝方便性。根據(jù)不同項目的特點，充分利用和結(jié)合以下幾點：中、小型項目全場模塊化；大型及超大型項目裝置模塊化，管廊系統(tǒng)預(yù)制；項目EPC、EPSC或EP等運營模式可塑性強；模塊制造廠家選擇性寬，可在項目所在地就近，也可根據(jù)需求選擇；模塊的制造可室內(nèi)，亦可室外；模塊制造廠分包形式可塑性強。

3 結(jié)論

通過對模塊化建設(shè)模式的研究和實施，驗證了模塊化建設(shè)模式適用于大型氣田地面工程的建設(shè)，并在實施過程中可降低項目運行安全風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率，縮短項目建造周期，提高項目質(zhì)量，方便物資采購、運輸及倉儲管理，在國內(nèi)有利資源和提高項目實施可塑性等方面充分發(fā)揮優(yōu)勢，是大型氣田地面工程建設(shè)實施的一套合理、有效的建設(shè)方案，是一種項目實施新技術(shù)，值得應(yīng)用和推廣。

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2015-01-05

中國石油天然氣集團公司安岳氣田磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏60×108m3/a開發(fā)地面工程(S 2013-015 E)

陳朝明(1976-)男，廣西貴港人，工程師，學(xué)士，主要從事氣田地面工程模塊化研究及設(shè)計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.002