大型氣田地面工程模塊化建設模式的優(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計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大學機電工程學院， 四川 成都 610500

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大型氣田地面工程模塊化建設模式的優(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計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大學機電工程學院， 四川 成都 610500

傳統(tǒng)建設模式下，大型氣田地面工程的建設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模式，從安全管理，生產效率，質量保證，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模式，該模式較傳統(tǒng)模式更優(yōu)，是氣田地面建設的主流方向。

建設模式；模塊化；氣田地面工程

0 前言

隨著能源需求全球化和科學技術的迅猛發(fā)展，大型油氣資源的發(fā)現以及開發(fā)步伐的加快，使得工程建設項目的規(guī)模越來越大，工程內容越來越復雜，質量要求越來越高，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)的地面工程建設模式將會遇到安全、進度、質量、資源利用等方面的問題，給項目的建設提出了挑戰(zhàn)。為了解決大型工程項目建設過程中遇到的難題，國外工程公司不斷尋找新的解決方案。工程模塊化建設方案是較好的解決方案。為了驗證模塊化建設模式對大型氣田地面工程建設的適應性，2010年中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司(下稱CPE西南分公司)開始對模塊化建設模式進行探索研究[1-6]。

1 大型氣田地面工程特點和建設模式

大型氣田地面工程具有規(guī)模大、投資高、結構復雜、實施難度大、運營安全風險大等特點。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、建造能力、資金供應、工期要求、管理能力、安全風險、質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模式目前主要存在傳統(tǒng)建設模式和模塊化建設模式兩種。模塊化建設模式是新興的建設模式，優(yōu)點突出，給工程建設帶來了許多便利，是國際工程上較常用的建設方案[2-3]。

傳統(tǒng)建設模式是指將工程建設物資全部運到項目現場，在現場開展安裝工作的建設模式。先由土建人員完成土建施工，然后完成鋼結構、設備、管道、儀表及電氣設備設施施工，最后待整個系統(tǒng)施工完成后進行調試與投產運行。

模塊化建設模式根據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，模塊經預組裝及初步調試，再通過海運或陸路運輸到項目現場進行安裝、調試并投產運行。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天然氣處理領域技術領先的企業(yè)，從2010年開始通過所承擔的幾個海外及國內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模式的研究和實踐，驗證了模塊化技術在大型氣田地面工程建設的適應性，并在研究實踐過程中積累總結出了模塊化建設模式的系列經驗。

2 傳統(tǒng)建設模式與模塊化建設模式對比

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

2.1 設計

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

模塊化建設模式下，設計是工程實施的靈魂，是指導模塊化實施的關鍵。沒有模塊化設計的精心策劃就談不上模塊化實施的成功。模塊化設計過程中，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，了解模塊的預制、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，構件在預制、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、運輸的密切配合等。這些無疑都對設計人員提出更高的要求，保證模塊在安裝過程中簡單易行、減少現場安裝工程量，達到模塊化的最佳預期效果[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，該項目總產量為60×108m3/a，項目13個月完成設計、制造、調試并投產成功。

圖1 脫硫、脫水及硫黃回收裝置三維模型

2.2 安全管理

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

2.2.1 傳統(tǒng)建設模式的特點

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

2)傳統(tǒng)建設模式下，多層結構裝置的建造過程中，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，現場醫(yī)療器械匱乏，一旦出現重大安全事故，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)建設模式現場，離市中心約300 km。

圖2 傳統(tǒng)建設模式現場

2.2.2 模塊化建設模式的特點

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

2.2.2.1 工廠最大化，現場最小化

模塊化建設模式是一種工廠預制最大化、項目現場施工最小化的建設模式。項目實施過程中大量的工程建造在制造廠內進行，待模塊組裝完成后運至項目現場；大大地縮短了項目現場安裝時間及現場各工種同時交叉作業(yè)的時間，也縮短了現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

模塊化建設模式，要求模塊內的結構和管道的預制工作盡量地面進行，最大程度減少高空作業(yè)。對于多層結構的模塊，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)風險[4,12,14]。

2.2.2.3 預制工廠更靠近安全急救中心

模塊制造廠相比項目現場更靠近城市和急救中心。模塊建造過程中，一旦出現較大的安全事故，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 現場復裝的安全性

模塊化建設在現場復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，盡量減少現場焊接工作；另一方面，模塊化裝置的復裝本身就縮短了高空作業(yè)時間，進一步降低項目現場的高空作業(yè)安全風險[4,12,15]。

圖5～6為國內某項目模塊裝置復裝現場。

圖5 單個模塊吊裝

圖6 一層模塊已復裝完成

據模塊制造廠統(tǒng)計，模塊化建設模式下，模塊制造廠內每100萬人工時的傷害率非常低，幾乎為零。

2.3 產品質量

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

2.3.1 傳統(tǒng)建設模式

傳統(tǒng)建設模式下，項目現場配套設施不完善，自動化機具缺乏，主要以手工電弧焊為主，導致焊縫一次成形率低、焊縫外觀較差、焊接質量相對較低，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)，導致項目監(jiān)管人員難以面面俱到地對項目施工質量進行監(jiān)督和管理。

2.3.2 模塊化建設模式

模塊化建設模式下，模塊制造廠配備自動化設施，管道及鋼結構在自動化設施的協助下，完成下料、組對、預制焊接、無損檢測、熱處理等，管道及鋼結構的焊縫成型率高、外觀完好、焊縫一次合格率可達98.7%，焊縫的整體質量明顯提高，減少了現場焊接的返工量[4-5,10-12]。

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

2.4 生產效率管理

2.4.1 傳統(tǒng)建設模式

1)1個焊工平均每天完成約30個達因的焊接工作量。

2)地面平整和基礎的施工需經歷時間長，而結構、設備、管道及電儀設備設施的安裝無法與其并行實施，導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)管道及結構的預制焊接在項目現場實施，容易受到項目所在地的天氣影響，導致預制及焊接工作無法正常實施。

4)由于項目現場水、電、氣、人力資源、機具等相關物資缺乏，預制及焊接工作難以實現大面積自動化施工，導致設備、管道及鋼結構的焊縫成形率低、返修率高，整體生產效率低下，影響進度。

2.4.2 模塊化建設模式

1)1個焊工平均每天可完成45～50個達因的焊接工作量。

2)由于模塊制造廠內自動化設施比較齊全，焊接工人在自動化設施的協助下，管道及鋼結構焊接的速率可大幅提高[9]。

3)模塊化裝置的結構和管道的預制、組裝、試壓、檢驗、包裝及運輸等一系列的工作，并行于項目現場地面平整、結構框架基礎、地下管網敷設施工等工序，這就大大減少了現場的安裝工程量。實施項目的結果統(tǒng)計表明，1個擁有15個模塊的主體裝置，現場復裝一般10 d就能完成，大大節(jié)約了現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制和車間內預組裝。

圖7 自動焊機管段預制

圖8 模塊在車間內預組裝

4)模塊化建設模式下，設備、管道和鋼結構的焊接和預制，模塊的組裝，均在室內進行，避免施工過程受天氣影響；由于室內施工條件良好，趕工期時還可在室內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]。

模塊化建設模式和傳統(tǒng)建設模式的工程建設進度對比見圖9。

圖9 模塊化建設模式和傳統(tǒng)建設模式的工程建設進度對比

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

2.5 工程建造人員及機具

2.5.1 傳統(tǒng)建設模式

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

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 模塊化建設模式

模塊化建設模式下，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 工程設計

結合在工藝技術及模塊化設計方面有豐富經驗的工程公司，為項目的技術進行總體把關[8,18]。

2.5.2.2 模塊制造廠

近年來，由于國內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，積累了大量的模塊制造及組裝技術經驗，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管理體系和焊接制造技術，能夠完全承擔陸上天然氣處理地面工程的各種單元裝置模塊化建設工作[8,13,18]。

2.5.2.3 駐廠監(jiān)理

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

2.5.2.4 現場安裝單位

現場安裝可聘請國內有豐富施工和建設經驗的單位，保障項目的順利實施。

2.6 采購、運輸及倉儲管理

傳統(tǒng)建設模式下，項目的實施建造所需的材料物資數量龐大、品種眾多，相互關聯和交錯。這些數量龐大的物資采購、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、模塊化分包商和現場建造承包商三方根據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，運輸的工作也按照不同階段由不同的實施主體負責控制和管理，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)建設模式下，由于工程建造流程比較呆板，可調整性不強，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險，特別是國際工程項目。

模塊化建設模式下，安裝工作是在短時間內集中大型吊機進行模塊的復裝就位，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，方便項目現場的安裝及管理[8,19-20]。

對于裝置外管廊系統(tǒng)，可根據項目實際情況，確定鋼結構及管道是否按照模塊化形式執(zhí)行，或以預制的形式進行供貨，提高項目的施工可塑性和安裝方便性。根據不同項目的特點，充分利用和結合以下幾點：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，也可根據需求選擇；模塊的制造可室內，亦可室外；模塊制造廠分包形式可塑性強。

3 結論

通過對模塊化建設模式的研究和實施，驗證了模塊化建設模式適用于大型氣田地面工程的建設，并在實施過程中可降低項目運行安全風險，提高生產效率，縮短項目建造周期，提高項目質量，方便物資采購、運輸及倉儲管理，在國內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實施的一套合理、有效的建設方案，是一種項目實施新技術，值得應用和推廣。

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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，學士，主要從事氣田地面工程模塊化研究及設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.002