淺析模塊化設(shè)計(jì)在化工裝置中的應(yīng)用

楊帥敏

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

我國石油化工企業(yè)不僅在國內(nèi)建設(shè)了更多的化工裝置，并且越來越多的化工工程公司與國際合作，在海外地區(qū)也有一些建設(shè)項(xiàng)目。在非洲、南美等一些環(huán)境惡劣的地區(qū)，施工難度大，勞動(dòng)成本高，管理難度較大，為了提高工程進(jìn)度，保證工程質(zhì)量，減少工程成本，尋找合適且高效的石油化工工程施工方案勢(shì)在必行。隨著施工機(jī)械化程度的提高，現(xiàn)代化大型吊裝運(yùn)輸能力不斷增強(qiáng)，在日益講究安全、高效的工程建設(shè)的背景下，模塊化制造正在取代現(xiàn)場(chǎng)施工。

本文就模塊化設(shè)計(jì)在化工設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)理念，模塊分類，模塊化設(shè)計(jì)中各專業(yè)面臨的挑戰(zhàn)以及三維軟件對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的支撐等內(nèi)容進(jìn)行探討，以加強(qiáng)對(duì)其的了解。

2 模塊化設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)

模塊化設(shè)計(jì)（Modular Design）是指對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。在石油化工裝置中，化工廠的各個(gè)裝置就是模塊，如果把某一套裝置看作一個(gè)系統(tǒng)，那么構(gòu)成這個(gè)裝置的各個(gè)部分就是模塊。

化工模塊化設(shè)計(jì)項(xiàng)目相比于傳統(tǒng)化工裝置設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)）增加了加工設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，加工設(shè)計(jì)是將詳細(xì)設(shè)計(jì)的圖紙轉(zhuǎn)化為制造和組裝的設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮建造、檢驗(yàn)、包裝、臨時(shí)和永久支撐、運(yùn)輸、吊裝和防腐等要求，加工設(shè)計(jì)由制造廠完成。模塊化設(shè)計(jì)需要增加很多設(shè)施，例如，管線車間、結(jié)構(gòu)車間、容器車間、電儀車間、總裝車間、特殊作業(yè)車間、油漆車間、起重車間等。

模塊化設(shè)計(jì)在化工建設(shè)中有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1）減少工期。傳統(tǒng)建設(shè)工程需要先完成建筑工地土建施工，再進(jìn)行上方工廠管道建設(shè)，工期較長。對(duì)于工期比較緊的項(xiàng)目，模塊化設(shè)計(jì)可以將模塊的預(yù)制以及組裝等工作與現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)平、樁基以及基礎(chǔ)施工等一起進(jìn)行，有效縮短項(xiàng)目工期[1]；

2）基本不受自然天氣，環(huán)境等外界因素影響。例如，對(duì)于新疆，內(nèi)蒙古等寒冷地區(qū)，冬季溫度較低，不符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)澆筑、焊接等工序的施工質(zhì)量，且存在安全隱患。另外，冬季施工需要采取一定的采暖措施，這樣不僅會(huì)增加很多額外采暖費(fèi)用，且工人的工作效率較低。而模塊化裝置的預(yù)制建造一般是在特有的廠房中進(jìn)行，工人的工作效率顯著提升，工程質(zhì)量也更高。以焊接效率為例，傳統(tǒng)建設(shè)工程中，焊接管道每個(gè)工人一天焊接的寸徑數(shù)為66.676~83.33 cm（20~25寸，單根管道的寸徑或直徑為1寸），而廠房內(nèi)制作焊接量達(dá)到每人每天166.67~200 cm（50~60寸）。傳統(tǒng)的裝置建設(shè)往往在雨天要暫停焊接工作，廠房內(nèi)則完全沒有這些因素的干擾，溫度、濕度也可以得到控制，大大提高了焊接質(zhì)量。

3）減少場(chǎng)地的需求。傳統(tǒng)化工裝置設(shè)計(jì)中管道的預(yù)制等需要很大的場(chǎng)地去實(shí)施，并需要很多專業(yè)工程技術(shù)人員以及相關(guān)人員的管理，而模塊化設(shè)計(jì)是將大量的工作移交至廠家去做，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工，同時(shí)減少了技術(shù)工人的數(shù)量，使人力得到更合理的使用。特別是對(duì)于改擴(kuò)建項(xiàng)目，模塊化設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有裝置正常生產(chǎn)的影響會(huì)比傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)較小。

4）減少安全隱患。傳統(tǒng)建設(shè)工程需配置很多固定腳手架，安全意識(shí)薄弱的工人若安全措施落實(shí)不到位，工人在架子上攀爬操作施工，存在很大的安全隱患。模塊化設(shè)計(jì)裝置一般高度有所限制，且均在車間內(nèi)生產(chǎn)，完全免去了固定腳手架的使用，只在需要的時(shí)候使用了移動(dòng)腳手架或者升降直梯。

5）減少施工對(duì)環(huán)境的影響。例如，傳統(tǒng)化工裝置現(xiàn)場(chǎng)會(huì)進(jìn)行大量的管道切割、焊接等施工，而模塊化設(shè)計(jì)一般在現(xiàn)場(chǎng)車間內(nèi)進(jìn)行管道自動(dòng)焊接，沒有煙霧、減少了噪聲，機(jī)床切割的鐵屑還實(shí)現(xiàn)了再利用。

6）質(zhì)量有所保證。模塊化設(shè)計(jì)的管道、結(jié)構(gòu)等大部分在撬塊廠家即可完成，離廠時(shí)會(huì)完成管道吹掃、壓力試驗(yàn)及儀表閥門的調(diào)試等，施工質(zhì)量高，可減少現(xiàn)場(chǎng)變更，提高施工質(zhì)量。

7）節(jié)省空間。模塊化設(shè)計(jì)由于運(yùn)輸方式的不同，對(duì)撬塊大小有所限制，但是不論哪種運(yùn)輸方式都有限定的運(yùn)輸尺寸要求，這就需要將現(xiàn)有管道、設(shè)備等組件集成，在滿足工藝流程的情況下盡量多層疊加布置，盡量節(jié)省平面空間。

8）拆卸方便，重復(fù)利用。

3 模塊化設(shè)計(jì)的分類

根據(jù)模塊規(guī)模大小，一般將模塊化設(shè)計(jì)分為4類：主項(xiàng)模塊化、單元模塊化、管廊模塊化和管道組件的模塊化。目前，化工裝置中較多的是單元模塊化和管道組件的模塊化。

3.1 主項(xiàng)模塊化

化工裝置設(shè)計(jì)過程中一般會(huì)根據(jù)工藝流程以及項(xiàng)目配套設(shè)施將各裝置劃分為不同的主項(xiàng)。例如，新建多晶硅裝置一般包含制氫、空分制氮、精餾、冷氫化、還原、還原水系統(tǒng)、整理、尾氣回收等主要工藝主項(xiàng)，以及裝置變電所、循環(huán)水站、冷凍站、機(jī)柜間等配套車間。

主項(xiàng)模塊化一般受工藝包影響，這種模塊化設(shè)計(jì)適用于項(xiàng)目的改擴(kuò)建，若工藝包或者專利商不改變，相應(yīng)的設(shè)備選型以及廠家均不會(huì)改變，這樣根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求稍做修改就可以完成主項(xiàng)的模塊化設(shè)計(jì)。例如，在多晶硅裝置中的還原水系統(tǒng)裝置，業(yè)主在進(jìn)行二期建設(shè)時(shí)，若工藝流程不做修改，裝置的總圖相對(duì)位置與一期沒變時(shí)，二期項(xiàng)目建設(shè)完全可以將一期已建裝置作為整體撬塊，直接在其基礎(chǔ)上根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)以及業(yè)主需求稍做修改就可以完成，大大壓縮了設(shè)計(jì)周期，縮短整體建設(shè)工期[2]。

3.2 管道組件模塊化

管道組件模塊化主要是將管道、管件、閥門（手閥、儀表閥門以及安全閥等）以及相關(guān)設(shè)備撬裝在一個(gè)固定尺寸的鋼結(jié)構(gòu)中，作為一個(gè)設(shè)備對(duì)待。管道組件模塊化是目前化工裝置中模塊化設(shè)計(jì)較常見的一種，特別是對(duì)化工裝置單元中有很多相同反應(yīng)系統(tǒng)來說，更能實(shí)現(xiàn)管道組件模塊化。例如，多晶硅生產(chǎn)中的還原車間，一個(gè)還原車間一般會(huì)布置較多的還原爐，每臺(tái)還原爐配套的工藝流程均完全一致，這樣就可以將還原爐配套管線以及相關(guān)設(shè)備作為一個(gè)管道組件模塊來設(shè)計(jì)，形成固定的還原爐模塊。對(duì)于不同的項(xiàng)目，若還原爐生產(chǎn)工藝相似，根據(jù)不同項(xiàng)目的不同環(huán)境以及業(yè)主的不同要求，在原有的撬塊上進(jìn)行局部修改，又將形成新的管道組件撬塊，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。

3.3 單元模塊化

在化工裝置設(shè)計(jì)中，如果工藝包修改，同樣的化工產(chǎn)品無法按照主項(xiàng)模塊化設(shè)計(jì)，但可以按照設(shè)備或者框架的相應(yīng)位置做分割，區(qū)分為一個(gè)個(gè)的小單元，然后將小單元按照撬塊化設(shè)計(jì)。單元模塊化設(shè)計(jì)需要具有完整的工藝單元功能，這些單元模塊可以在主項(xiàng)裝置內(nèi)根據(jù)設(shè)備布置圖的需要移動(dòng)，例如，多晶硅項(xiàng)目中的還原主項(xiàng)可以區(qū)分為還原爐單元、汽化器單元、爐體清洗單元以及真空泵單元等，根據(jù)總平面布置圖以及設(shè)備布置圖等整體考慮各單元的布置。

3.4 管廊模塊化

管廊模塊化一般用于海外項(xiàng)目，在國內(nèi)制造，利用海上來運(yùn)輸。管廊模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)總圖確定管廊位置，根據(jù)系統(tǒng)圖確定管廊配管，將管廊進(jìn)行分割，根據(jù)各項(xiàng)目運(yùn)輸方式，決定管廊模塊的大小。管廊模塊化主要是管道和結(jié)構(gòu)，管道需要將分好的管廊進(jìn)行標(biāo)記，并且對(duì)重要管線如應(yīng)力管線的連接和支撐做加固。管廊模塊化還需要確定模塊與模塊之間的連接形式，盡可能利用彎頭、三通、法蘭等管件作為連接件，減少焊縫與法蘭。

4 模塊化的各專業(yè)設(shè)計(jì)

4.1 模塊化工藝設(shè)計(jì)

在化工裝置中，工藝專業(yè)是核心，模塊化設(shè)計(jì)要求在管道專業(yè)設(shè)計(jì)過程中，工藝專業(yè)基本不做修改，并提供完整的、確定的PID，以及設(shè)備數(shù)據(jù)表、儀表數(shù)據(jù)表、安全閥數(shù)據(jù)表、爆破片數(shù)據(jù)表等相關(guān)文件，供采購部門盡早出具采購文件并進(jìn)行招標(biāo)確定廠家，廠家根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)返資。管材專業(yè)確定管道材料等級(jí)，閥門數(shù)據(jù)表以及防腐工程規(guī)定，絕熱工程規(guī)定等相關(guān)設(shè)計(jì)文件。

4.2 模塊化管道設(shè)計(jì)

模塊化管道設(shè)計(jì)需考慮根據(jù)運(yùn)輸方式、設(shè)備大小等確認(rèn)模塊大小，使管道在現(xiàn)有的框架中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)有框架設(shè)計(jì)管道、設(shè)備以及平臺(tái)等的支撐，保證閥門操作維修的方便。

管道模塊化設(shè)計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：（1）將管道盡可能設(shè)計(jì)在模塊現(xiàn)有區(qū)域中[3]；（2）考慮管道的支撐，不僅需要考慮管道在開車運(yùn)行過程中的支撐，還需要考慮撬塊在運(yùn)輸過程中管道不會(huì)移位或者滾動(dòng)[4]，這樣就需要設(shè)置部分臨時(shí)支架來固定管道；（3）需要根據(jù)管機(jī)專業(yè)發(fā)布的臨界管線表區(qū)分應(yīng)力管線，并且對(duì)應(yīng)力管線進(jìn)行詳細(xì)的劃分，確保應(yīng)力管線走向及管架的合理；（4）模塊中的管道閥門手柄盡量集中于一側(cè)布置，方便現(xiàn)場(chǎng)操作、檢修；（5）模塊中管道分界盡量以焊接或者閥門儀表的法蘭連接件為準(zhǔn)，避免在分界處增加法蘭材料，焊接盡量以最后一道焊縫為分界點(diǎn)，減少焊縫；（6）銜接兩個(gè)模塊之間的管道盡量不小于1 m，主要為克服兩個(gè)模塊之間管道的誤差以及管道施工坡度。

4.3 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)化工裝置中經(jīng)常用到的材料是鋼筋混凝土，而模塊化設(shè)計(jì)一般利用鋼框架將管道、設(shè)備以及儀表等集合成一個(gè)整體，這樣就對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)需要根據(jù)管道、儀表等專業(yè)提出的荷載計(jì)算選用合適的鋼結(jié)構(gòu)，并與管道專業(yè)協(xié)同確認(rèn)復(fù)雜管道的支撐管架形式，例如，含有彈簧支架的管道彈簧的支撐，應(yīng)力管道中有較大推力的管道的支撐等均需結(jié)構(gòu)在撬塊框架中解決。對(duì)于動(dòng)設(shè)備來說，一般設(shè)備直接支撐在混凝土地面上，若進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，需考慮動(dòng)設(shè)備振動(dòng)對(duì)撬塊的影響。模塊化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)需精確計(jì)算撬塊的吊裝方案，在撬塊中設(shè)置吊耳，方便現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工。

5 PDMS三維軟件在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PDMS三維軟件是目前石油化工裝置中應(yīng)用普遍且相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)軟件之一，主要特點(diǎn)為：（1）實(shí)現(xiàn)由CAD平面向三維立體模型的轉(zhuǎn)變；（2）擁有自己獨(dú)立的軟件庫，不依賴第三方；（3）可實(shí)現(xiàn)管道、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、儀表、電氣等專業(yè)直接的協(xié)同，并完整反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，解決碰撞、操作、通行、檢修以及與外界管道之間連接問題等[5]；（4）可以將全廠裝置總平面圖布置圖放置在相對(duì)位置，檢查管廊與裝置之間的管道連接問題；（5）PDMS可以設(shè)置管道支架，即可以在模型中體現(xiàn)管道支架的實(shí)體形式，也可以抽出相應(yīng)的管道支架一覽表以及管道支架匯總表，對(duì)采購以及現(xiàn)場(chǎng)施工有很好的指導(dǎo)作用，使管道設(shè)計(jì)更趨于完整；（6）擁有完善的校審系統(tǒng)，既可以單專業(yè)進(jìn)行內(nèi)部審核，也可以多個(gè)專業(yè)或者業(yè)主進(jìn)行審查，以便更直觀的提出修改意見。（7）完善的數(shù)據(jù)處理能力，可以生成最終的設(shè)計(jì)文件，包括管道單線圖，管道布置圖，管道材料匯總表等。

PDMS軟件具有不同于傳統(tǒng)項(xiàng)目的特點(diǎn)，特別是在模塊化設(shè)計(jì)中，PDMS軟件可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，加快設(shè)計(jì)和施工進(jìn)程，增加經(jīng)濟(jì)效益，使模塊化設(shè)計(jì)更加趨于成熟。

6 結(jié)語

隨著國家“一帶一路”倡議的實(shí)施，中國走向世界的步伐不斷加快，越來越多的公司與國際公司合作，石油化工企業(yè)也不例外。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的當(dāng)下，模塊化設(shè)計(jì)成為化工設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)，越來越多的模塊化化工裝置將建設(shè)投產(chǎn)，模塊化布置將越來越有競(jìng)爭(zhēng)力。