模块化建造技术在海洋平台建造中的应用

张国中，高指林，孙 瑜，韩小康，郑晓娟

(中国海洋石油工程股份有限公司 天津 300452)

0 引 言

自20世纪60年代以来，模块化技术在造船工业发达的美国、俄罗斯、日本等国都得到了迅速发展。起初用于造船行业，随着技术的不断发展现在越来越多地应用于海洋工程等行业，并成为不断发展的重要技术。模块化技术的不断发展导致设计思想、建造工艺及管理上的重大变革。

1 模块化建造概述

针对施工中工期、场地等资源限制，目前在海洋石油平台建造过程中，越来越重视模块化建造技术的应用。模块化施工是一种先进的施工理念，它的先进性在于它大量引入了平行作业，在传统建造中需要同一地点依次完成的工作，现在可以多地点同时开展，从而大大缩短了工期。其理念在于对传统施工方法进行优化，依靠先进的建造技术，将钢结构预制、安装、线路、管路设备的安装，包括后期调试等工序进行了深度交叉，缩短建造周期，提高建造质量，降低建造成本，提高社会经济效益。具体施工流程如图 1所示：

图1 平台模块化施工流程Fig.1 Modular construction process of a platform

2 模块化技术应用

2.1 模块化设计技术

模块化设计在设计阶段就要按照要求进行有效设计，这是实施模块化技术的主导和关键。项目进行模块化设计不同于传统的整体设计建造模式，设计的角度和思路既要着眼项目的整体功能，又要考虑各个模块的相对独立性，把握好整体和单模块的关系。项目的模块划分是实施模块化建造的关键技术之一，项目对象是包含多个工艺流程和系统的设备管道系列，要成功达到模块化的预期，即要以功能的实现和工艺流程为基础，合理的顶层规划也至关重要。模块划分受到众多因素和原则的影响和制约，这些因素和原则包括：

①项目要实现的功能，模块划分必须要保证这个功能，不能以牺牲项目的功能进行模块划分。

②要保证项目的安全，不能因为进行模块化设计，而产生一些不安全因素。

③要考虑模块建造、装船、海运、安装过程的可行性，例如场地的建造能力、吊装能力、港口的承受能力、海运船舶的运输能力、装船方案等因素。

④模块的划分最好与装置各相应功能相对应。

⑤要保证各模块安装连接的安全性，有助于建造过程的质量控制、尺寸精度控制、重量和重心控制。

2.2 模块化建造技术

模块化建造一般在建造场地上直接进行，大大节省了滑道资源。在需要对预制场地进行承载力评估的地方，合理布置各模块位置，以满足建造需要。模块一般采用一体化进行建造，由于一个项目模块很多，对大型吊装机械的需求量很大，整个装置进行模块化后，划分成多个模块进行并行建造，这是模块化建造的重要优势之一。并行建造是对各个模块建造过程进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。在建造过程中要注意以下事项：

①在基本设计前就要明确建造方法，根据建造方法编制总体计划，做出总体建造方案。在基本设计过程中，不断细化和调整总体建造方案。除传统的施工图之外，要重视模拟施工技术的应用，如图2、图3为某平台三维模型。在充分利用三维制图软件后，对于施工情况提前进行模拟，发现施工中可能存在的诸如干涉等问题，采取解决措施。

图2 机、电和管专业与钢结构同时施工Fig.2 Synchronized construction of mechanical, electrical and tube operations and steel structures

图3 模块化建成平台图Fig.3 A modularization platform

② 模块支撑选取，对于支撑性结构，考虑施工的便利性及潮水影响，一般结构支撑的高度在 600～800,mm 左右。过高不利于施工，而且会增加脚手架的搭设工作。对于功能模块，建造所要求的钢结构临时垫墩高度宜为1,500～1,800,mm之间，利于甲板下部辅助性结构如支架、电缆马脚等附件的安装。

③ 模块化结构预制，在海洋石油平台预制中存在大量的功能性结构，如设备底座、风机支架、穿仓件等，在建造过程中要注意此类结构的模块标准化，此部分工作在预制安装过程中可以提高施工效率。

④ 部分成品件提前安装于模块之上，在进行后续工作及最后平台喷砂时有可能会对这些成品件造成影响，需要提前采取保护措施。如为了适应海洋腐蚀性环境，有部分支架需要通过镀锌和涂装进行防腐，镀锌支架必须在焊接前完成热侵锌。而甲板喷砂除锈时，会有大量的沙粒喷到结构表面，将破坏镀锌层。为防止这种破坏，需要甲板喷涂前，对镀锌支架进行保护，在施工中可以使用棉布、塑料包裹到镀锌支架表面等。

⑤ 由于模块化建造中存在着大量的资源约束和不确定性，施工时面临复杂的多项目并行条件下的资源冲突问题，实现对资源的动态管理和分配非常困难，对此项工作在施工中需要重点关注。此外，并行建造要充分考虑设计的可行性，人员、施工资源配备情况，原材料的到货进度，施工流程逻辑性，季节、其他项目对施工进度的影响，合理编制施工计划和方案。

3 模块化建造优势

3.1 节省场地资源

由于大型钢结构建成后，需要装船运到海上进行安装，尽管目前装船存在吊装装船、滚装装船等方法，但从技术成熟性和费用方面考虑，仍多采用滑道牵引装船的方法。

为了便于装船，对于滑道牵引装船，需要组块在滑道上预制。在项目建造高峰期，滑道便成为稀缺资源，需要各项目尽量缩短在滑道上的停留时间。模块化施工大大增加了预舾装和预安装的场地要求，缩短了滑道总装的时间，充分利用滑道外的工期，节省了场地资源。

3.2 并行施工，缩短工期

模块化设计、建造技术的建造思路是把整个LNG站场通过优化设计成不同的区域模块，这些区域模块在不同的地点进行并行建造，建造完成后进行总装和调试，进而完成整个平台的建造，缩短项目工期。

3.3 减少高空作业工作量

甲板片预制完成后需要吊装至滑道上进行空间安装，涉及舷外作业、高空作业情况。采用模块化建造，大部分舷外支架、马脚等附件可在甲板片安装期间同时完成，极大减少了各专业间施工矛盾和重复性工作，节省人力，缩短工期；减少设备侧进等复杂工况，减少吊机作业；减少高空作业。

3.4 降低项目成本

模块化技术便于对施工流程进行优化，降低项目成本。例如，由于钢结构涉及大量焊接工作，采用模块化建造后，大量的附件在未涂装前进行焊接，完成后整体喷涂，减少了二次涂装的工作量及油漆的破坏，同时节省工作及人工投入。经实际项目初步计算，采用模块化建造对于一个1,500,t组块，节省费用达百万左右。

4 结 论

模块化技术对于是海洋平台建造是发展趋势，对于平台建造业来说既是一种挑战，也是一种机遇。设计时综合考虑建造的便利性大大提高了设计能力；在建造过程中充分考虑海洋平台的施工程序，统筹安排平台施工顺序及建造场地安排，大大提高了施工管理能力；同时，施工成果对设计进行反馈，提升了设计、建造的综合水平。不断总结海洋平台模块化设计、建造方法和经验，将会很大程度地提高海洋平台模块化设计和建造水平，缩短项目工期，降低项目成本，对提高经济效益和社会效益具有重要的意义，能够促进海洋工程行业的快速、高质量的发展。

［1］ 马永康. 浅论海上石油平台模块的设计[J]. 船舶，1991(4)：8-16.

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