石化鋼框架模塊化技術(shù)應(yīng)用研究

紀(jì) 旭 張洪濤

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

近年來(lái)，許多資本項(xiàng)目都采用了模塊化的概念，以適應(yīng)惡劣的天氣條件和日益嚴(yán)格的施工進(jìn)度。模塊化[1]定義為使用預(yù)制單元(即模塊)在場(chǎng)外建造大量的現(xiàn)場(chǎng)工作，然后將它們運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)用重型起重機(jī)進(jìn)行吊裝。每個(gè)模塊都被視為一個(gè)小型項(xiàng)目，需要獨(dú)立設(shè)計(jì)和構(gòu)建。模塊化的應(yīng)用要追溯到20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)模塊化首次作為一種概念在工業(yè)工程中得以應(yīng)用，被德國(guó)的銑床設(shè)計(jì)采用，到五六十年代，歐美一些國(guó)家才真正將模塊化上升到理論高度，模塊化設(shè)計(jì)方法由此來(lái)研究和應(yīng)用。當(dāng)前，各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括汽車(chē)、機(jī)床、計(jì)算機(jī)、家電、建筑、船舶、兵器等等，在建筑工業(yè)領(lǐng)域，模塊化的理念越來(lái)越受到行業(yè)者的喜愛(ài)，尤其是在石油化工領(lǐng)域，模塊化的趨勢(shì)深入人心。

石化鋼框架結(jié)構(gòu)是按梁、柱等構(gòu)件為基本單元建造[2]。傳統(tǒng)的施工和設(shè)計(jì)有：工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工速度慢、生產(chǎn)效率低等等，更是給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“秦磚漢瓦”的模式，趨向工業(yè)化的發(fā)展就要?jiǎng)?chuàng)新拓展設(shè)計(jì)思路和豐富的施工手段。建筑工業(yè)化的主要形式就是模塊化建筑，隨著運(yùn)輸和施工安裝技術(shù)的快速發(fā)展使之成為可能。

2013年1月1日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布〔2013〕1號(hào)文件轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)改委、住建部共同制定的《綠色建筑舉動(dòng)方案》。以鋼結(jié)構(gòu)為代表的建筑工業(yè)化，具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、裝修一體化、管理信息化、應(yīng)用智能化等特征，有利于節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)時(shí)、節(jié)省人工、減少垃圾和揚(yáng)塵、提升安全和質(zhì)量，是行業(yè)升級(jí)的必然選擇。鋼結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)也是發(fā)展國(guó)際高端市場(chǎng)的需要[3]，這能有效地降低項(xiàng)目總成本。

1 石化鋼框架模塊化劃分[4]

模塊劃分理論基礎(chǔ)主要有：

1)模糊聚類(lèi)分析方法。

它是一個(gè)建立產(chǎn)品的原始矩陣，要通過(guò)考慮零部件之間的幾何相關(guān)性、物理相關(guān)性和功能相關(guān)性建立的原始矩陣，然后其模塊劃分方法應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊聚類(lèi)分析方法，并且得到一個(gè)動(dòng)態(tài)聚類(lèi)樹(shù)按不同水平的閾值，使得根據(jù)需求，形成最終模塊。

2)面向產(chǎn)品全生命周期的模塊劃分方法。

以功能分解為基礎(chǔ)、綜合考慮功能相關(guān)、物理相關(guān)、時(shí)間相關(guān)、裝配相關(guān)等相關(guān)準(zhǔn)則的功能模塊劃分方法。

3)基于GT的功能模塊劃分。

成組技術(shù)(grouptechnology,GT)能保證原有設(shè)計(jì)信息最大限度的使用，零部件產(chǎn)品具有更高的相似度，大幅度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的繼承性。產(chǎn)品的構(gòu)成原則應(yīng)根據(jù)具體功能要求進(jìn)行模塊組合,選擇相互匹配模塊組合成產(chǎn)品。

典型石油化工項(xiàng)目的模塊劃分包括：

1)工藝單元模塊(Pre-assembledUnit，PAU)。

此類(lèi)模塊通常以一臺(tái)或多臺(tái)工藝設(shè)備為中心，在有限的空間里把所有的設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)框(支)架、操作平臺(tái)、管道、儀表電氣設(shè)備、電纜以及防火、保溫等進(jìn)行高度集成，典型工藝單元模塊。

2)管廊模塊(Pre-assembledRack，PAR)。

管廊模塊通常包含鋼結(jié)構(gòu)、管道、電纜橋架及電纜、防火保溫等，典型管廊模塊。

3)廠商模塊(VendorPackageUnit，VPU)。

廠商模塊通常是一個(gè)具有獨(dú)立功能的成橇設(shè)備，模塊內(nèi)的設(shè)備及其支撐(附屬)鋼結(jié)構(gòu)、管道、儀電設(shè)備、平臺(tái)、爬梯等的設(shè)計(jì)和建造完全由設(shè)備供應(yīng)商完成，典型廠商模塊。

4)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間及變配電所等模塊化房屋。

典型模塊化房屋。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)模塊運(yùn)輸

在確定建造位置和模塊大小時(shí)，運(yùn)輸通常被認(rèn)為是最重要的環(huán)節(jié)。

2.1 陸上運(yùn)輸

轉(zhuǎn)運(yùn)是模塊化結(jié)構(gòu)陸上運(yùn)輸非常重要的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程很可能是在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)吊裝設(shè)備和工具的情況下進(jìn)行的，因此可采用如先吊底模式(如圖1所示)。支撐桿件可在模塊制造廠提前制作并且隨運(yùn)輸車(chē)輛一同運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，再考慮經(jīng)濟(jì)效益最大化問(wèn)題，吊裝工具以及支撐數(shù)量根據(jù)模塊尺寸和重量確定，沒(méi)有必要每個(gè)模塊都進(jìn)行配備。

陸上運(yùn)輸環(huán)境是較為復(fù)雜多變的，在模塊質(zhì)量、體積、尺寸均比較大的時(shí)候，極有可能遇到坑洼、上下坡、連續(xù)轉(zhuǎn)彎路段，為了保證模塊不會(huì)因運(yùn)輸環(huán)境原因造成破壞或顛倒，可依據(jù)集裝箱陸上運(yùn)輸方案，搭配配置扭鎖的專(zhuān)用平板車(chē)(見(jiàn)圖1)。

運(yùn)輸距離指數(shù)(TSDI)，該指數(shù)表示從異地制造組裝工廠到施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸距離對(duì)模塊運(yùn)輸成本的影響。TSDI假定實(shí)際運(yùn)輸距離為125英里為最佳運(yùn)輸距離，并將其分配為最佳運(yùn)輸值1。任何長(zhǎng)達(dá)200英里的運(yùn)輸距離均應(yīng)具有與該最佳運(yùn)輸值成線性比例的運(yùn)輸值。

(1)

尺寸和重量都對(duì)陸上運(yùn)輸有限制，包裝對(duì)特殊路段也是有影響的。《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》規(guī)定如表1所示。

表1 超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定 m

2.2 海上運(yùn)輸

海洋運(yùn)輸荷載類(lèi)型主要有：

1)固定荷載：包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量和在某個(gè)作業(yè)形式下不變化的任何永久固定設(shè)備重量以及其他附屬結(jié)構(gòu)的重量。

2)活荷載：平臺(tái)使用期間的荷載，它可能發(fā)生變化就在一種作業(yè)形式期間，也可能兩種作業(yè)形式轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生變化。

3)環(huán)境荷載：包括浪、風(fēng)等作用在平臺(tái)上自然現(xiàn)象的荷載。

風(fēng)浪荷載是模塊化結(jié)構(gòu)在海上受到的主要環(huán)境荷載之一[5]，由于海上風(fēng)具有非常強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性,石化鋼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)所遭遇的極值風(fēng)浪荷載需根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行研究。本文風(fēng)荷載計(jì)算方法根據(jù)《海上平臺(tái)狀態(tài)評(píng)定指南》(2005)中的風(fēng)荷載研究進(jìn)行計(jì)算。陳心一等根據(jù)國(guó)家海洋學(xué)研究所、渤海沿岸8個(gè)典型臺(tái)站30年的實(shí)測(cè)資料，得出風(fēng)速等級(jí)為6級(jí)[6]。

F=(ω/2g)V2CSA

(2)

根據(jù)流體力學(xué)原理，勢(shì)波的水質(zhì)點(diǎn)的水平分速度u和垂直分速度w可由速度勢(shì)φ導(dǎo)出。并代入Stokes[7]波理論二階解速度勢(shì)函數(shù)和波面函數(shù)為：

(3)

(4)

波浪力可按Morison方程來(lái)計(jì)算，進(jìn)而推導(dǎo)出波浪加速度。波浪加速度時(shí)程曲線如圖2所示。

3 案例分析

本研究依托美國(guó)某石化項(xiàng)目，工廠地址位于美國(guó)德克薩斯州，CorpusChristi(科帕斯科里斯蒂)的一個(gè)化工廠區(qū)，項(xiàng)目包括PTA裝置和PET裝置，以及相配套的輔助設(shè)施。總量約9 200 t鋼結(jié)構(gòu)，業(yè)主要求采用模塊化建設(shè)。本研究針對(duì)裂解爐對(duì)流段，這個(gè)38 m長(zhǎng)、12 m寬、61 m高，重達(dá)2 000多噸的“巨無(wú)霸”。裂解爐結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)完成生產(chǎn)制造。整體結(jié)構(gòu)組成：梁、板、支撐桿件，煙囪，爐筒，排熱風(fēng)扇，裂解爐體，消聲器，爐管，鋼管，轉(zhuǎn)熱，對(duì)流管，樓梯等構(gòu)成(見(jiàn)圖3)。

3.1 模塊劃分方案

模塊劃分可以按照?qǐng)D4進(jìn)行。

3.2 風(fēng)荷載作用下內(nèi)力分析

在前述理論研究基礎(chǔ)上，對(duì)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，由于文章篇幅所限，本文僅列出整體框架模塊結(jié)果如圖5所示，內(nèi)力最大值符合要求,表明模塊劃分方案合理。

3.3 波浪荷載作用下內(nèi)力分析

在前述理論研究基礎(chǔ)上，對(duì)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，得到結(jié)果如圖6所示。內(nèi)力最大值符合要求。表明模塊劃分方案合理。

4 結(jié)語(yǔ)

模塊化鋼結(jié)構(gòu)是石化工業(yè)裝置的重要載體和組成部分。合理的模塊劃分方案及結(jié)構(gòu)空間布置是整個(gè)模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是增加項(xiàng)目安全性、合理性與經(jīng)濟(jì)性的有效保證。

本文首先得到了石化鋼框架模塊化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，包括劃分方法、運(yùn)輸載荷等，然后針對(duì)具體工程，得到了石化鋼框架模塊劃分方案，本研究針對(duì)某裂解爐對(duì)流段模塊劃分方案基于模塊劃分原理和典型石化劃分方法的基礎(chǔ)上，本著框架結(jié)構(gòu)工藝和設(shè)備的幾何相關(guān)性、物理相關(guān)性和功能相關(guān)性變化較小的原則進(jìn)行劃分，并且分析了風(fēng)載荷和波浪載荷作用下部分模塊鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度均滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，利用這些分析結(jié)果可以為模塊劃分方案提供依據(jù)，從而確定方案的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究可以為石化鋼框架模塊化設(shè)計(jì)提供參考。