模塊化建設在化工工程中的應用

劉玉華 (上海利柏特工程技術有限公司，上海 200037)

1 模塊化建設定義

模塊化建設, 指在工程設計階段對工程建設項目或裝置進行充分地策劃、評估和功能分析，然后進行可管理的模塊分解與設計，最大限度地減少現場安裝工作量；在采購階段按設計的功能模塊實施集中訂貨、集中運輸、集中供貨；在施工階段通過深度預制加工成設計確定的模塊，整體運輸到施工現場，然后以吊裝的方式把模塊進行拼裝或安裝。

2 模塊化發展

模塊化建設技術，起源于19世紀70年代的海洋工程建設。因為海洋工程施工周期比較長，施工工期越長，不確定性因素就越多，風險增加，海洋工程投資就越大。為解決工期過長而風險增加這個難題，人們便開始嘗試在陸地上將整個工藝流程先高度集成然后再分為若干個模塊，最后用駁船將模塊運至海上平臺進行組裝，這樣海上施工工期就大大縮短了，進而節約了項目投資成本。從19世紀80年代開始, 模塊化建設技術陸續應用于陸地上項目的建設。

隨著市場全球化和物流業的發展，一體化、模塊化設計建設理念逐步成為大型跨國公司承攬EPC項目和進軍海外市場的重要依托。

3 模塊化建設的優勢

模塊化建設優勢包括：(1)縮短建設工期，現場土建施工與工藝模塊建造可同步進行。在預制工廠內完成模塊建造，不受天氣和場地條件等因素制約；(2)減少現場工作量，裝置焊接及預組裝工作、調試都可以在模塊制造廠內完成，現場僅負責完成模塊的搭接以及各裝置系統間的貫通安裝和調試。在人力資源缺乏的地區 (特別是海外) 實施模塊化，可減少現場工作量，節約人力，進而節約投資；(3)模塊化施工能夠減少高空作業, 降低施工風險；(4)充分利用模塊制造廠地理優勢所具備的物資、人力資源，來減少現場條件的限制；(5)質量可靠，在模塊制造廠完成焊接、吹掃、試壓、調試等工序，提高了施工質量，并減少了現場變更，確保質量；(6)生產單元可整體拆裝、整體搬遷，可重復利用；(7)模塊化施工給文明施工創造了有利的條件, 最大的優勢就是綜合系統化管理，它把化工建設的工程進行了標準化、集體化的定義，讓施工內容變得更加規范化，同時提高了施工效率，保證了施工質量，最大化地節約了企業的經濟效益。

4 模塊化建設的技術要點

裝置模塊化技術要點內容如下：首先，裝置模塊化設計技術，包括工藝設計、三維配管設計、管道應力分析設計、裝置布置設計、裝置模塊拆分方案設計、裝置模塊吊點設計等。其次，裝置模塊化建造技術，包括施工組織管理技術、成型焊接技術、組橇安裝技術等。再次，裝置模塊化包裝運輸技術，運輸方式有水運、公路、鐵路等。最后，裝置模塊化組裝技術。

公路運輸、鐵路運輸和海上運輸是模塊化裝置常用的運輸方式。其中，公路運輸需要使用專業液壓平板運輸車來實現，耗時短，費用高，可運輸的模塊尺寸比較小；海上運輸需要使用專業的大型平板運輸船來實現，但是要注意海上的惡劣氣候條件，采取有效的預防措施防止模塊在運輸過程中可能造成的損壞，海運耗時長，但費用低，而且可運輸尺寸比較大；鐵路運輸成本介于水運和路運之間[1]。

5 項目實例

某外資公司的液化天然氣項目。該項目位于澳大利亞西北海岸盆地, 首期工程包含兩套LNG裝置，總產量890萬噸/年。該項目總投資超過450億美金，號稱世界第三大項目。該項目的OSBL部分在中國設計并制造，在天津臨港制造，然后海運到澳大利亞港口附近的建廠地進行組裝。因為這些模塊全程是海運，可以船運的模塊尺寸比較大，即對模塊尺寸的限制比較小, 所以設計方面基本沒有什么限制，只是有些裝置盡量設計在框架內便于跟模塊框架一起運輸，這樣不需額外的鋼梁柱做模塊分割，空間比較足，便于設計安裝。該項目的OSBL模塊多達64個。該項目利用國內相對廉價的人力資源做設計和加工制造，然后模塊被運到國外建廠地連接組裝，模塊化建設讓化工廠在世界范圍內動起來，充分利用世界范圍內的有利資源，節約工程成本。

外資公司的一水氫氧化鋰項目，該項目投資在美國Bessemer City，由LBT承接的EPC模塊化建設項目，該項目由LBT加工廠模塊制造后海運到美國后需要陸運到建廠地，因為美國陸運時要求模塊尺寸必須控在182 880 mm×4 870 mm×3 650 mm(長×寬×高)。所以模塊分割就像切蛋糕一樣，項目一共被分割成79個模塊。與傳統化工項目相比，該模塊化項目的框架模塊分界處用雙柱雙梁，詳見設備布置圖，如圖1所示。

圖1 外資公司的一水氫氧化鋰項目設備布置圖

項目中有一些大的設備受模塊尺寸限制，不能裝在模塊里，只能散運，導致支撐這些設備的結構框架也只能散運，散運到建造場地后再組裝。還有些設備是分布在2個模塊甚至3模塊之間，如果設備不能在模塊分界處拆卸，這樣的設備也只能散運。

與傳統化工項目相比，該模塊項目增大了設計的工作量。管道要在模塊分界處斷開便于運輸，運到現場后管道再進行連接，連接方式可以根據管材和里面介質性質及溫度進行選擇，可選法蘭連接、焊接等。該項目大部分管道選擇法蘭連接，便于現場安裝，只有蒸汽管道由于高溫選擇了焊接。所以設計時盡量把法蘭管件放在模塊邊緣，讓管件法蘭連接作為模塊分界，減少不必要的焊點和法蘭，節省成本。為了減少現場施工量，散運過去的管材鋼梁等盡量用螺栓連接，現場盡量不動火焊接。結構的模塊框架在運輸的過程中，柱子底部附近需要有臨時橫梁連接的柱子，主要提供了兩個現場組裝方案：第一個方案，運到現場后把柱間底部臨時梁拆掉，然后柱子和現場施工好的底部的柱腿連接好；第二個方案，框架整體運輸到現場，把柱間臨時連接梁整體埋到地下。兩種方案各有弊端，第一種方案拆卸臨時柱間連接梁，拆卸工程量大，第二種方案整體埋到地下面，需要大面積挖深坑，人工量也比較大。經過綜合分析比較，業主選擇了第一種方案。總之，利用國內有利的人力資源優勢進行設計加工制造，節約了項目總投資成本。

國內某所的高溫制氫項目。該項目建設地位于甘肅省武威市民勤縣。該項目是一個中試項目，該項目建設地人煙稀少，屬于欠發達地區，現場施工極不方便，模塊化設計，可大大減少現場工作量，節約投資，同時便于以后搬遷。模塊尺寸按照國內最大集裝箱的尺寸進行設計，便于公路運輸。設備布置圖如圖2所示。

圖2 國內某所的高溫制氫項目設備布置圖

6 結語

隨著物流業的發展，模塊化建設已經得到了很好的應用，比如現在很多公司會把比較成熟的工藝單元的某部分作為整體撬塊進行設計和加工制造，然后運到施工現場進行安裝連接。例如離心泵進出口管線閥組連同泵一起加工成模塊、洗滌塔連接前后設備管線做成撬塊、壓縮機撬塊等。

為了保證模塊化建設項目的順利實施，我們要做到協調統一、管理統一，同步策劃和考慮設計、采購、施工，共同遵守模塊化的建設理念。

模塊化建設是未來化工工程施工的一個趨勢，所以研究和掌握模塊化設計建

造和安裝技術，意義非常重大[2]。