石油化工建設項目模塊化施工技術

岳敏

中石化第五建設有限公司，湖北武漢430080

石油化工建設項目模塊化施工技術

岳敏

中石化第五建設有限公司，湖北武漢430080

隨著石油化工及煤化工工程建設的規?；兔芗?，模塊化施工技術得到大力發展，成為實現工程建設多樣化、標準化、專業化的有效手段。文章結合石化項目加熱爐模塊化施工案例介紹了我國石油化工建設項目模塊化施工技術的演變與特點，分析了模塊化施工的實施現狀和存在問題，進一步闡述了模塊的組裝原則、模塊化設計、模塊化施工的保障措施。

石油化工；模塊化；施工技術；加熱爐

0 引言

規模化、集約化、節能化、效益化是目前石油化工行業發展的一種趨勢，這就要求施工技術朝著更安全、更優質、更高效的方向發展。而近十年來，由于石化工業的突飛猛進，帶動了制造業和裝備業的快速發展，并促進了項目管理理念的提升和進步，目前國內機械廠可制造2 000 t以上的大型設備，并且在項目所在地可進行大型設備的現場組裝、熱處理；千噸級吊車和大型液壓吊裝系統的使用已非常普遍，徐工4 000噸級履帶吊車在2013年8月已投入使用；大型滾裝駁船、公路全方向液壓板車已多次運輸千噸以上大型設備和結構；石化建設項目大型設備吊裝、運輸一體化施工管理已推廣運行多年；設計、采購統一標準化的工作已成為石油化工建設管理的重點之一，這些客觀因素都為模塊化施工的應用發展提供了極其必要的條件，同時也為工程建設企業產業結構的調整帶來了又一次機會。

1 石油化工建設項目模塊化施工的演變與特點

1.1 模塊化施工的演變

隨著市場對石化產品需求的不斷加大，石化工業得到了快速發展，化工裝置規模不斷被刷新，結構、工藝多樣化，使得項目關系人對建設進度、質量標準、安全風險、成本管理及環保等方面的要求越來越高，促使項目的建設者在工程建設實踐中不斷探索、總結，由此而產生了模塊化、標準化、專業化等項目管理的一系列創新理念。

模塊化施工的雛形在石油化工建設中早已經應用，如加熱爐輻射段爐管分片預制后組裝，梯子、平臺在地面預制成塊后再空中組對等，這些都屬于模塊化施工的基本范疇，但沒有系統化地去總結提高，提煉為一種通用的、系統的、科學的施工管理理念和方法。

我國石油化工建設項目采用真正意義上的模塊化施工技術始于上世紀90年代初，當時從國外引進的乙烯裝置，由于裂解爐安裝工作量大、場地集中、高空作業多，施工中必須使用大型塔吊作為主要吊裝設備，為了充分利用塔吊的吊裝能力，將裂解爐部件模塊化，盡量在地面進行預制組裝。裂解爐安裝施工的便利、高效使得模塊化施工技術進入建設者的視野，21世紀初隨著大型吊裝、運輸設備的大量投入使用和工廠加工制造能力的大幅提升，模塊化施工的定義越來越明確，模塊化施工的范圍越來越廣，模塊化施工的規模越來越大，模塊化施工各專業集合的程度越來越高，對工程建設的影響越來越重要，目前在石油化工建設中已成為一種普遍和必然的發展趨勢。

1.2 模塊化施工的特點

（1）模塊化施工能夠最大限度地做到工廠化預制，其施工條件的優越性是現場施工無法比擬的，良好的工裝設施，對于保證產品質量，降低安全風險有很大的益處。

（2）模塊化施工可根據安裝順序進行流水作業，同時工廠、現場大部分作業可同步進行，極大地縮短施工工期。

（3）模塊化施工可大量減少施工資源和材料、設備在現場的占用時間，有效地加大了現場作業空間，創造了良好的作業環境，保證了施工工期。

（4）模塊化施工盡可能地做到地面組裝，減少了高空作業，有效化解了高空施工帶來的安全、質量、降效等方面的風險。

（5）模塊化施工為現場文明施工管理創造了便利條件。

（6）模塊化施工要求設計圖紙提前送達、設計標準統一、設計質量高，這樣既加快了設計交圖進度，又減少了后期現場變更工作量。

（7）模塊化施工的最大優勢在于其綜合、系統化的管理理念，它涵蓋了吊裝、運輸一體化、工程建設標準化及施工專業化的許多工作內容，同時也延伸了吊裝、運輸一體化管理工作的范圍，提升了項目標準化建設的水平，促進了專業化施工的發展，也是項目建設節能降耗的一種有效途徑。

2 石油化工建設項目模塊化施工現狀與案例

2.1 模塊化施工現狀

隨著石化裝置規模的大型化，于工程建設方對工期、質量及安全的要求越來越高，模塊化施工已成為確保項目按期、高標準建成的一個非常重要的手段。由于起重、運輸機械的超大型化，構件、設備加工制造能力的快速發展，實施模塊化施工的客觀條件越來越成熟，模塊化施工由過去單一材料的裝配方式變成了多專業復合式的模塊組合安裝。

由于建設環境、項目管理模式等不同，石化建設項目的模塊化施工模式也不盡相同，主要有三種模式：第一種為基本模式，施工單位接到圖紙后，根據現場作業環境、施工進度安排，自行安排預制，將單根構件做成片或框架，這種模塊較為簡單，一般不超過三個專業的結合，如塔器在吊裝前，安裝完勞動保護構件、附塔管道、保溫結構；管廊分段預制時將結構框架和管道固定在一起等。第二種為單體模式，對裝置中某一個部分或某一個單體進行模塊化設計，目前國內比較典型的如加熱爐的模塊化施工，整個加熱爐按多個模塊在制造廠預制好，然后運到現場組裝。第三種為集成式功能模塊，這種模塊將一個小型裝置或裝置中某一個單元的所有相關專業在預制廠或制造廠全部裝配成型并調試后，運到現場只進行簡單的固定安裝碰頭即可投入使用，目前這種施工模式在國內應用較少，而在國外許多大型石化企業和工程公司已作為一種普遍應用的建設模式，如由多個功能模塊組裝而成的海上作業平臺、小型天然氣液化處理裝置集成模塊等。

2.2 石化項目加熱爐模塊化施工案例

國內石化建設模塊化施工由最初的施工單位獨自設計制作，發展為由設計部門牽頭多方協作，經歷了由簡單到復雜，由初級到高級的發展過程。下面僅以石化項目加熱爐施工為例，反映模塊化施工的發展過程。

2.2.1 案例一

2007年，在某施工現場重整裝置四合一爐輻射爐管施工中，施工人員采用模塊化流水作業方式，使施工質量、工效得到極大提高，見圖1。

2.2.2 案例二

2012年，在某石化煉油二期改造180萬t/a加氫處理裝置改造項目的兩臺加熱爐施工過程中，采用模塊結構形式，制造和施工合理分工，保證了模塊化施工的順利進行。

2.2.2.1 反應加熱爐

依據廠區運輸通過條件，反應加熱爐（方爐）主體結構通過管架的最低高度只有4.5 m，這是本模塊化施工的最大制約因素，因此將加熱爐分為：輻射室模塊一（2件）、輻射室模塊二（2件）、輻射室模塊三（2件）、集合煙道模塊（1件），見圖2。這7件模塊均為長方體，長度14 m、高度2.5 m，寬度約3.2 m，最大質量14 t（輻射室模塊一），最大安裝標高10.7 m（集合煙道模塊）。

施工中，在加熱爐基礎完工后，將預先制作的模塊根據安裝標高由低至高的順序分別運到現場，使用200 t汽車吊依次安裝，模塊與模塊之間使用螺栓連接。模塊組裝完成后，最后進行內部爐管的安裝及耐火隔熱塊施工。

圖1 某重整裝置四合一爐輻射爐管施工

圖2 反應加熱爐模塊劃分示意

2.2.2.2 分餾進料加熱爐

分餾進料加熱爐（圓爐），直徑8 122 mm，高度31 300 mm，整個加熱爐共分為26個模塊，見圖3。

具體施工步驟如下：

（1）爐底柱腳及環梁分為3個環型模塊，現場安裝就位后拼接成環型，在拼接好的環梁上安裝兩塊半圓型爐底板模塊。

（2）輻射段筒體分為8個弧型模塊，在爐底板上依次安裝，拼接成一個整體。輻射段筒體安裝完成后，進行內部隔熱塊及爐內附件的施工，并在胎具上將爐管預制成4個弧型模塊，待內部隔熱保溫施工完成后成塊吊入安裝（見圖4），各塊爐管模塊安裝完成后，僅需兩道焊口即可完成整個輻射段爐管的安裝。爐管安裝完成后，拼裝輻射段頂部結構。

圖3 輻射段筒體的模塊劃分示意

圖4 預制好的爐管與胎具一起運輸、吊裝

（3）安裝好對流段框架，開始吊裝對流段模塊。對流段模塊有4個（見圖5），其箱體結構長6.4 m、寬3.5 m、高3.2 m，模塊內部管板、爐管及隔熱安裝均在廠家完成，運到現場后分塊吊裝安裝，然后焊接各模塊之間的爐管，并與輻射段爐管通過轉油線連接在一起，這樣整個爐管得以貫通。總共只有12道焊縫需要現場焊接。

（4）對流段模塊安裝完成后，安裝加熱爐的熱煙道系統，熱煙道系統也是預制好的模塊，現場只需吊裝此模塊就位，然后用螺栓連接即可。

在整個分餾進料加熱爐施工過程中，最大安裝模塊質量約30 t，最高安裝高度為31.3 m，使用吊車最大噸位為300 t。

3 石油化工建設項目模塊化施工存在的問題

（1）項目建設條塊分割，各自獨立，沒有形成總體規劃。在20世紀末以前，我國工程建設的結構模式是橫向分割，勘探、設計、制造、施工、試車等單位分屬不同的建設主體，雖然從本世紀初開始出現了部分縱向整合的建設主體單位以及諸如EPC、PMC等先進的管理模式，但即便是這些縱向整合過的單位，因組建時間較短，多數設計人員仍然不太熟悉施工，對便于模塊化施工的結構形式綜合考慮不足。

圖5 對流段模塊劃分示意

（2）制造廠家受自身利益驅動，加之其多數技術人員對現場施工也不太熟悉，使得結構設計更多的是考慮方便制作，而對現場的施工條件未給予足夠重視，甚至出現由于結構形式考慮不周使得現場工作量和難度不但沒有減小、反而增加的情況，增大了建設成本。本文介紹的某石化項目加熱爐模塊化施工由于前期在業主的組織下，經設計、制造、施工各方針對現場模塊施工多次對接溝通，較好地解決了這一問題。

（3）物資供應方一味考慮自身便利，致使到貨次序混亂，出現先安裝的后到、后安裝的先來的情況，增加了現場施工準備工作量；而且由于到貨的部件長時間不能安裝，也使得施工現場場地被長期占用，增加了不安全因素。本文介紹的加熱爐模塊化施工由于對現場到貨進度進行動態管理、協調，甚至仔細到掌握每一件梯子、平臺的到貨情況，所以保證了現場整體施工安裝有序進行。

（4）設計、制造、施工三方結合不夠，對模塊化施工認識深度不夠，未能充分發揮模塊化施工的優勢。本文介紹的加熱爐模塊化施工由于充分結合了施工現場，以現場安裝便利作為主要考慮因素，較好地發揮了模塊化施工的特點。

（5）由于近年來物價指數上漲，造成施工成本不斷增加，特別是人工成本上漲極快，施工定額的更新跟不上市場價格的變化。模塊化施工相對于現場散件安裝節省了大量的現場作業成本、加快了施工進度、降低了作業風險，但是還需要盡快出臺和完善模塊化施工統一、標準、可接受的費用定額，否則由于設計、采購、制作、安裝費用的分配不均或不合理會影響模塊化施工的工作進程。

4 實施石油化工建設項目模塊化施工的途徑

4.1 模塊的組裝原則

（1）穩定性原則?？颍▔K）結構、集合多專業的結構一般優先組裝，易成框的片結構為其次，盡量減少高空組對片結構。

（2）可施工性原則。綜合考慮吊裝能力（以自有吊車為主）、運輸能力、道路通過能力、結構形式、施工場地（包括預制廠的加工能力）等條件。

（3）綜合效益原則?？傮w效率優先，如按照現場安裝次序到貨等。

4.2 模塊化設計

要真正實現模塊化施工，僅僅從制造、施工角度來考慮是難以做到的，主要原因是設計決定了裝置布局、結構型式、采購的原材料種類，以及不同系統之間的銜接關系、連接方式和后續的開車工作等。因而決定模塊化施工的主要因素是模塊化的設計、標準化的采購，首先必須從基礎設計開始，來確定設計“可模塊化”結構需要達到的基本條件：

（1）工程項目的可施工性研究與周邊的地理環境條件結合，找出適用于模塊化施工的條件，主要是考慮道路通過能力、吊裝能力、設計成大型模塊的可能性等。

（2）實施模塊化施工時，在成本、質量、安全等方面都能滿足要求。

（3）對于模塊化施工已達成一致意見，設計、采購標準適用于模塊化的施工。

其次在項目實施階段，將模塊化施工程序納入到設計管理的一個主要部分去執行和完成。例如，將一個化工裝置的不同單元進行模塊化設計，增加其“集中度”，調整支撐的結構體系，使建造后便于長、短途運輸和吊裝；將管道工程的調節閥組統一為一個標準尺寸，便于“橇裝”出廠；將系統管廊鋼結構、附屬管道工程和電氣、儀表工程等進行模塊化，改變目前的結構型式，形成在工廠內制造“管廊”的主體結構；將支撐部分進行分解，便于運輸和吊裝等。

近年來在中石化已開工和即將開工的許多建設項目中，明確提出了模塊化、標準化和專業化施工的建設標準和要求，在項目建設中也產生了許多先進的模塊化設計理念和思想，其中做得最好的就是加熱爐模塊化施工。目前應用在石化行業的加熱爐，基本上已經達到了模塊化預制、現場組裝的程度，從最初的加熱爐對流室的模塊化，發展到爐體和鋼結構的聯合模塊化、爐管的模塊化供貨等。這些進步大大加快了工程的建設速度，也提高了工程的施工質量，減少了勞動強度，改善了現場的操作環境，更加有利于HSE的管理。

4.3 模塊化施工的保障措施

大型模塊化施工對于運輸、吊裝能力的要求較高，石油石化行業大型施工企業隨著近年來起重、運輸裝備的配置更新，基本都具備這方面的能力。石油化工建設中已推行十年的大型設備吊裝、運輸一體化管理辦法，也有力地保證了模塊化施工的順利實施。關于模塊化施工的制造能力，以現有的結構、管道的工廠化預制能力而言都是可以達到的，只要根據項目規模要求，建設以模塊化施工為條件的大型預制工廠，特別是可靈活拆卸組裝的工廠化車間，就具備了適應模塊化施工的最有效手段。此外，預制場地到安裝現場的運輸通過能力也是非常關鍵的因素，在國內新建的許多大型項目，一般都有極好的運輸通過能力。

5 結束語

模塊化施工是目前國際工程建設的一種發展趨勢，特別是海上鉆井平臺等都大量采用了模塊化預制技術。目前國外許多工程公司在石化裝置施工中，已設計開發出以單元為模塊的集合模塊化施工技術，代表了模塊化施工向更高層次的發展方向。

[1]劉劍強，蔣明道.大慶10萬t/a乙烯裂解爐對流段模塊組對與吊裝[J].石油工程建設，2004，30（6）：56-59.

[2]韓建成，楊擁軍，張青士，等.長慶油田標準化設計、模塊化建設技術綜述[J].石油工程建設，2010，36（2）：75-79.

Modular Construction Technologyin PetrochemicalIndustry

Yue Min
Sinopec Fifth Construction Company，Wuhan 430080，China

Along with more intensive and large-scale construction of petrochemical and coal chemical projects，modular constructiontechnology hasbeendevelopedrapidly andbecomestheeffectivemeanstorealize diversification，standardization and specialization of engineering construction.This paper introduces the development and characteristics of modular construction technology in China petrochemical construction projects with heating furnace modular construction cases for example，analyzes its current implementation status and existing problems，then describes the modular assembly principle，modular design and modular construction guarantee measures.

petrochemical；modularization；construction technology；heating furnace

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.015

岳敏（1968-），男，甘肅蘭州人，高級工程師，1990年畢業于蘭州大學，現從事石油化工建設項目管理和起重運輸技術工作。

2014-07-03；

2015-01-30