石油化工工程項目模塊化工作指南

張立震 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

模塊化作為一種先進的現代工程理念和技術，以其獨特的優勢獲得了大量工程公司和建設單位的青睞[1]。模塊化技術的應用改變了傳統工程項目的執行方式，即改變了傳統的設計、采購、施工配合模式，并且貫穿于項目前期、招投標、策劃、基礎工程設計、詳細工程設計和施工安裝等不同階段。

目前國內石油化工工程項目模塊化技術的應用尚處于探索期，也缺乏相應的法律法規和標準規范。本文對模塊化的基本概念、適用特點、執行要點進行闡述，為國內項目的模塊化技術推廣應用提供指導和參考。

1 模塊化術語定義

(1)模塊module

模塊是指能夠單獨命名并具有一定功能的集合體，通常含有和外部環境聯系的接口或界面。

(2)模塊化modularization

模塊化是將復雜問題通過自上而下、由大到小劃分成若干模塊加以解決的過程。

石油化工工程項目的模塊化是根據項目特點將其分解為工藝單元模塊、管廊模塊、設備模塊、隨模塊運輸散裝件、非模塊化材料等。

(3)工藝單元模塊pre-assembled process unit module(PPUM)

根據工藝流程特點，結合總圖運輸和設備布置，將工藝裝置切分成一定數量的、具有一定功能的模塊，稱為工藝單元模塊。

工藝單元模塊是將該單元內相關的設備、管道、電氣設施、儀表設施以及支撐件等集成到模塊結構框架內。

(4)管廊模塊pre-assembled pipe rack module(PPRM)

根據管廊布置，結合總圖運輸，將全廠管廊、裝置內管廊切分成一定數量的模塊，稱為管廊模塊。

管廊模塊里集成了經過檢測、試驗、涂漆、絕熱和伴熱后的管道，橋架，照明，通道，平臺，梯子(直爬梯或斜梯)等組成件及其支撐件。

(5)設備模塊 pre-assembled equipment module(PEM)

設備模塊也叫設備撬塊，是指將相對獨立的設備及其附屬件、相關專業依附件集合成一個模塊；或者將大型設備(如塔器)進行分段設計，并分割成若干個模塊，均稱作設備模塊。

設備模塊通常包含絕熱，防火，平臺，梯子(直爬梯或斜梯)，扶手，橋架，照明，儀表，接線箱，以及模塊內部連接的電纜、管道和支撐件等。

(6)隨模塊運輸散裝件 loose auxiliary component

在模塊運輸、吊裝過程中，為防止模塊中某些部件受到機械損壞，需要將這些易碎、易損部件臨時拆下，和螺栓等零部件分裝后隨模塊一起運送到現場，該部分部件稱為隨模塊運輸散裝件。

(7)非模塊化材料 off-modular materials

是指未包含在模塊里，不需要經過模塊制造廠二次加工，而直接在施工現場安裝的材料。

(8)模塊化建設 modularization construction

模塊化建設是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設計、制造，并將模塊在制造廠內進行預組裝及初步調試，再通過海運或者陸路運輸，將模塊運送到項目現場進行安裝、調試并投產運行。

石油化工工程項目模塊化建設主要包括模塊化設計、模塊廠內預制、模塊廠內預組裝和拆分、模塊包裝、模塊運輸、模塊現場安裝和模塊現場調試等步驟。

(9)模塊化設計 modularization design

根據模塊化解決方案，設計部門在工程設計階段按照模塊化思路將裝置分割成若干個獨立模塊和非模塊化部分，在滿足工藝要求、安全可靠、經濟合理、整齊美觀、操作方便、檢維修方便等方面的前提下，還應滿足所有模塊的預制、運輸和安裝要求，同時保證模塊與模塊之間、模塊與非模塊之間界面的精準對接，盡量減少現場工作。

(10)模塊廠內預制 shop fabrication

現場施工安裝前，將模塊在具有一定加工能力和生產工藝相對成熟的制造廠提前加工制作的過程。

(11)模塊廠內預組裝和拆分 proper fit-up and separation

首先，單個模塊內，需要將模塊內所有元件在模塊廠內預先組裝，檢查連接精確度，確認有無碰撞，在確保精準連接和沒有碰撞后，將易碎易損部件和螺栓等拆下，單獨包裝。其次，為保證模塊現場施工的精準度，排除模塊與模塊之間、模塊與非模塊之間的直接誤差或累積誤差，需要在模塊預制廠內對模塊進行預先組裝，在確保精確連接以后，將所連模塊拆分為單個模塊，方便運輸。該過程稱為模塊廠內預組裝和拆分。

(12)模塊包裝 module packaging

為防止模塊在運輸過程中發生破損，針對不同運輸條件，需要在模塊制造廠內對模塊進行保護性封裝，同時對某些部件或部位進行加固(捆綁材料、臨時支撐件或臨時結構件等)，保證模塊完好無損到達目的地。

(13)模塊運輸 module transportation

使用陸路和/或水路運輸工具，將模塊和隨模塊運輸散裝件從模塊制造廠內運送到項目廠址指定位置的過程。

(14)模塊現場安裝 site installation

在模塊和隨模塊運輸散裝件到達項目現場并經相關單位檢測和驗收合格、現場具備模塊安裝條件后，根據工程施工及驗收規范，施工單位在相關單位的協助下，根據預先制定的安裝計劃，將模塊吊裝至指定位置，并將模塊與基礎、模塊與模塊、模塊與現場其他已有設施進行連接固定，將隨模塊運輸散裝件安裝就位，同時拆除模塊包裝、捆綁物、臨時支撐、臨時結構件等物品。該過程稱為模塊現場安裝。

(15)模塊現場調試 module commissioning

待機械竣工完成后，按照裝置調試/開車計劃，單個獨立模塊或者整個裝置進行調試的過程。

(16)自行式模塊運輸車 self-propelled modular transporter(SPMT)

自行式模塊運輸車，又名自行式液壓平板車，是指可自行驅動的用于運輸大型、重型、異型工程模塊的機械運輸車輛。

2 適合模塊化的項目條件和特征

石油化工工程項目模塊化技術的應用須經多方調查、研究、論證、協商后確定，并須同時具備如下條件和特征。

2.1 建設單位

(1)同意采用模塊化技術，并積極配合項目總包方的模塊化工作。

(2)充分考慮模塊化項目實施的特殊性，同意適當延長設計周期。

2.2 工藝包提供商/專利商

(1)積極配合項目總包方的模塊化設計/施工工作。

(2)同意提供模塊化設計與施工指導性技術文件。

(3)如有必要，在模塊現場安裝過程中，向項目現場派遣技術顧問。配合總包方對模塊和隨模塊運輸散裝件的到貨進行驗收，配合總包方和施工單位對模塊現場安裝提供技術指導，并做好溝通協調工作。

2.3 項目總包方

(1)設計：組建技術實力強勁、經驗豐富、熟悉模塊化的設計團隊，并能夠與模塊制造廠保持良好協作。

(2)3D：能夠為模塊化設計提供三維設計技術支撐，尤其是配合專業設計人員做好模塊界面的劃分與對接。

(3)采購：組建經驗豐富、熟悉模塊化的采購團隊，特別是能夠對采購物資的調配進行科學合理分配，并保證不同材料的采購進度。

(4)施工：組建技術實力強勁、經驗豐富、熟悉模塊化的施工管理團隊，與技術實力雄厚、具備模塊化施工安裝的施工單位達成合作諒解備忘錄(MOU)。

(5)模塊制造廠：與技術實力雄厚、具備模塊預制且擁有一定設計能力的模塊制造廠達成合作諒解備忘錄(MOU)。

(6)項目管理：組建技術實力強勁、熟悉模塊化的項目管理團隊，能夠對模塊化項目的執行進行全周期統籌協調和管理。

(7)技術管理：公司應具備完整的模塊化項目質量管理體系或模塊化工作指南/導則。

2.4 模塊化項目特征

(1)項目廠址：項目廠址應適合模塊化施工，如臨/近海(江、河)，或方便模塊的陸路運輸。

(2)項目所在國家或地區：項目所在國家或地區政治不穩定，勞動力不足、勞動力昂貴，技術落后，交通不發達，氣候惡劣且適宜施工窗口期較短，簽證困難、簽證期限較短，宗教影響等。

(3)模塊運輸路徑：從模塊制造廠到項目廠址具備模塊化運輸(海運、陸運)條件，并且不受所經政府、國家或地區政策的變化影響。

(4)項目工藝特點：工藝包技術先進、成熟，單元劃分比較明晰，適宜進行模塊化劃分。

(5)項目工期：項目工期短。

(6)稅務：可增加出口退稅。

(7)同類項目或相似項目未來投資的重復性較強。

3 模塊化項目執行要點

當石油化工工程項目采用模塊化技術時，模塊化工作貫穿于項目的整個執行過程當中，包括項目前期、招投標、策劃、基礎工程設計、詳細工程設計、施工安裝、裝置開車等階段，執行流程見圖1。

圖1 模塊化項目執行流程

3.1 模塊化準備階段

模塊化準備階段含項目前期、項目招投標和項目策劃，考慮模塊化項目的特殊性，模塊化工作必須在項目早期就應該及時開展，為項目后續工作做好最充分準備。在此階段，商務經營、設計、采購、施工等相關部門及相關人員應解決以下事項：

(1)商務經營部門應做好與建設單位(業主方)的前期接洽，盡早探討并達成采用模塊化技術的統一意向。

(2)商務經營部門和設計部門應做好與工藝包提供商/專利商的前期接洽，盡早探討并達成采用模塊化技術的統一意向。特別是工藝包提供商應對項目總包方提供必要的模塊化技術支持和指導。

(3)組織相關部門及人員對模塊運輸路線進行踏勘和論證，研究模塊化運輸的可行性，提出運輸注意事項和建設性建議，并提供模塊的最大允許外形尺寸和最大允許重量。

(4)組織相關單位及人員研究項目廠址和模塊運輸所經區域的氣候條件和氣象條件，得出適合施工安裝和模塊運輸的氣候窗口期。

(5)組織相關單位及人員對模塊制造廠和施工單位進行調查、考察，確保模塊制造廠的制造能力和施工單位的施工安裝能力，并與擬合作的模塊制造廠和施工單位簽訂合作協議。

(6)模塊化項目組的組建應將模塊制造廠納入其中，并詳細制定與模塊制造廠的協調、管理程序。

(7)相較傳統的石油化工工程項目，模塊化項目通常會向后延長工程設計周期、向前延長采購周期、縮短現場施工安裝周期，在工程設計的同時開展模塊化預制，因此,在制定項目進度計劃時，應充分考慮其特殊性。

(8)商務經營部門在招投標過程中應充分研究模塊化項目在工程設計、采購、模塊預制、模塊運輸和施工安裝等各個環節的成本，做好費用估算和費控計劃。

(9)在項目策劃階段：①設計部門應組織總圖運輸、工藝/系統、管道、建筑、結構、電氣、儀表、電信等相關專業召開模塊化設計專項研討會，宣貫模塊化項目執行工作指南，講解模塊化項目的特殊性，聽取各專業在模塊化設計過程中的困難并研究得出解決方案，為后續的工程設計做好充分準備；②應組織設計部門、模塊制造廠和施工單位研究模塊重心(CoG)設計和模塊吊裝解決方案，為模塊重心設計和模塊吊裝掃除技術障礙；③應組織3D技術中心和設計部門、模塊制造廠對計算機三維輔助設計軟件(3D)進行研究，確定3D軟件類型，制定模塊化設計和模塊預制的3D技術支撐方案。

3.2 基礎工程設計階段

模塊劃分是基礎工程設計階段的重要工作，模塊劃分工作流程見圖2。

圖2 模塊劃分工作流程框圖

(1)設計經理組織召開“模塊劃分預備會”：①組織工藝/系統、管道、設備、結構和總圖運輸等專業共同協商《工藝單元模塊劃分初步規劃》的可行性，并委托管道專業完成《工藝單元模塊劃分圖》和3D模型；②組織外管、總圖運輸、結構和設備等專業(管廊上如有設備)共同協商《管廊模塊劃分初步規劃》的可行性，并委托外管專業完成《管廊模塊劃分圖》和3D模型；③組織設備、總圖運輸、結構和管道等專業共同協商《設備模塊劃分初步規劃》的可行性，并委托設備專業完成《設備模塊劃分圖》和3D模型(設備專業專門3D軟件)。為后續召開的“模塊劃分設計協調會”做好準備。

(2)設計經理組織召開“模塊劃分設計協調會” ：①組織所有設計相關專業共同協商《工藝單元模塊劃分圖》和3D模型，確定設計內部工藝單元模塊劃分的可行性，并委托管道專業完成《工藝單元模塊劃分方案(草案)》和3D模型；②組織所有設計相關專業共同協商《管廊模塊劃分圖》和3D模型，確定設計內部管廊模塊劃分的可行性，并委托外管專業完成《管廊模塊劃分方案(草案)》和3D模型；③組織所有設計相關專業共同協商《設備模塊劃分圖》和3D模型(設備專業專門3D軟件)，確定設計內部設備模塊劃分的可行性，并委托設備專業完成《設備模塊劃分方案(草案)》和3D模型。為后續召開的“模塊劃分專題會”做好準備。

(3)項目經理組織召開“模塊劃分專題會”，針對《工藝單元模塊劃分方案(草案)》、《管廊模塊劃分方案(草案)》、《設備模塊劃分方案(草案)》及相應3D模型，組織模塊制造廠、施工單位、采購部、3D技術中心等相關部門和所有設計相關專業共同審查模塊劃分方案(草案)的可行性，并委托相關專業分別完成最終的《工藝單元模塊劃分方案》、《管廊模塊劃分方案》、《設備模塊劃分方案》，為模塊化設計奠定堅實基礎。

(4)模塊制造廠：①提前了解、熟悉模塊劃分情況；②提前熟悉3D模型文件；③提前籌備模塊預制的設施和人員；④協助總包方設計部門和設計人員確定臨時捆綁、臨時支撐、臨時加固、臨時替代等措施和方案；⑤參加項目經理組織召開的“模塊劃分專題會”，參與審查確定各個模塊劃分方案。

3.3 詳細工程設計階段

詳細工程設計階段的模塊化工作流程見圖3。

圖3 詳細工程設計階段模塊化工作流程框圖

(1)詳細工程設計階段，模塊部分和非模塊部分的詳細設計應同時展開，并隨時做好模塊與非模塊之間的界面對接。

(2)模塊化設計、模塊預制和非模塊化設施現場施工三項工作可平行開展。

(3)模塊預制、模塊預組裝和拆分、模塊包裝，期間監理工程師需常駐模塊制造廠，完成監理使命。

(4)模塊預制、模塊預組裝和拆分、模塊包裝，期間業主(建設單位)代表可駐廠監督、檢查。

(5)模塊預制、模塊預組裝和拆分、模塊包裝，期間施工單位可駐廠提前了解、熟悉模塊，為后續模塊現場安裝做好準備。

(6)模塊制造廠：①模塊制造廠根據總包方設計部門提供的模塊圖紙及3D模型文件，開展模塊預制工作；②模塊制造廠須做好與總包方設計部門的協調工作，發現問題及時修正、解決；③模塊制造廠須做好與總包方采購部門的協調工作，協助采購部門做好采購工作，盡量減少材料采購對模塊預制的影響；④模塊制造廠須做好與總包方施工管理部門和施工單位的協調工作，保證模塊的安全運輸和現場安裝；⑤根據相關工程施工和驗收規范，模塊制造廠在模塊預制過程中應做好需要在廠內進行的檢測與試驗工作；⑥模塊的預制需要做到嚴格的精度，原則上要求在三個坐標方向上的施工誤差均控制在±10 mm以內，模塊地腳螺栓的施工誤差應控制在±5 mm以內；⑦模塊預制完畢后，在出廠前須做好模塊的預組裝和拆分；⑧管道與設備的連接應在出廠前調整合適，但管道與設備的接口法蘭螺栓不應擰緊，直到模塊現場安裝完成后再將其擰緊；⑨做好模塊的包裝，并核驗模塊的外形尺寸和重量，保證每一個模塊在允許的尺寸和重量范圍內。

3.4 施工安裝階段

(1)地腳螺栓定位是模塊化基礎設計的關鍵項，現場施工必須嚴格控制施工誤差。地腳螺栓施工前必須做好充分的調查與核實工作，比對設計圖紙上的螺栓定位分布和模塊制造廠預制模塊底板上的螺栓孔實際定位分布，采用合適模板進行地腳螺栓的預埋施工。

(2)土建基礎部分、非模塊化設施應在模塊到場前施工完畢。

(3)施工單位應制定詳細的模塊現場安裝計劃，對模塊的安裝方式、安裝順序、安裝注意事項進行充分考慮，做好模塊與模塊、模塊與非模塊之間的精準連接。

(4)現場應做好模塊和隨模塊運輸散裝件的驗收工作。

(5)施工單位應對模塊現場安裝所有相關單位進行統籌管理、各盡其責。并組織各相關單位對模塊現場安裝計劃進行充分調研、論證。

(6)模塊包裝材料有的需要在到貨驗收完畢后進行拆除，有的需要在模塊安裝完畢后進行拆除，待模塊安裝完畢后應將模塊內所有的包裝材料拆除干凈。

(7)模塊安裝完畢后，應將所有臨時捆綁、臨時支撐、臨時加固材料拆除干凈，并將所有臨時替換件拆除后換上原設計部件。

(8)模塊安裝完畢后，需要對在模塊制造廠內未能完成的檢查、試驗工作進行完善。

(9)施工單位應做好模塊現場安裝的詳細安全措施，并制定詳細的突發事故應急預案。

3.5 裝置開車階段

(1)工藝單元模塊可單獨進行調試，也可多個模塊聯合進行調試。

(2)相連管廊模塊必須聯合進行調試。

(3)調試前必須檢查所有模塊界面的完整和精確連接，并完成相應的檢查、試驗工作。

(4)調試前必須檢查所有的包裝材料和臨時捆綁、臨時支撐、臨時加固等材料已拆除完畢。

(5)調試前必須檢查所有的臨時替換件已拆除，并將正確的被替換設施(管件、儀表等)安裝就位。

4 結語

(1)只有適合模塊化的石油化工項目才推薦應用模塊化技術。

(2)模塊化項目的執行與傳統石油化工工程項目存在一定差異性，須引起項目所有參與單位和人員的高度重視。

(3)模塊化技術的應用須在項目全生命周期貫徹落實，并落實好項目各階段的工作任務，同時做好設計、采購、施工和模塊預制之間的協調配合工作。

(4)模塊化工作是一個不斷總結積累的過程，在執行過程中應特別重視知識總結和經驗總結，以便持續優化和改進模塊化技術。