橇装化设备设计与施工应用

郑辉

摘 要：橇块工厂预制完毕，需经过长距离运输至施工现场，尤其是大型油气地面工程项目，复杂的运输过程对橇块包装要求更高。本文提出全新的包装设计方法，应用专业软件进行大型橇块的包装设计，此种设计方法准确、快捷、直观，能够通过接口直接利用橇块某些类型的三维模型，尺寸定位准确，节省建模时间。同时结合某油田地面集输工程，对工程的特点、装置橇装化的优势及应用情况等方面进行分析研究。

关键词：橇块；运输；包装；准确；质量和效率；三维模型

1 引言

近年来，随着国内外石油需求的迅猛发展，各油田开采油气的步伐不断加快，地面工程建设在整个开发中占据着重要地位，一般占工程总投资的50%～60%。地面工程高效、快速建成，对油田保量完成并顺利投产起着不可忽视的作用。橇块，又叫橇装化设备，将容器（设备）、管道、阀门、仪表、电气等集中组装于一个钢结构底座上，成为一个整体设备，能够单独、完全、准确地实现某项功能。橇块的制造、组装都可以在工厂内进行，预制完毕后运输至现场安装，减少现场施工时间，节约成本[1]。20 世纪70、80 年代，国内各油气田都以不同的方式提倡和推进过标准化设计工作，提出过“三化”（系列化、通用化和标准化）设计和“三化”（预制化、装配化和机械化）施工。如2006 年，中国石油长庆油田在苏里格气田试验和研究工作基础上，为统一“5+1”（即长庆油田与5 个工程承包单位）合作开发模式，各参建单位的建设模式和建设标准均需适应苏里格气田建设“低渗、低产、低压、低丰度”的开发特点，对苏6-4 集气站开展了标准化设计。虽然各油气田公司在一定程度上开展了标准化、模块化设计工作，也取得了一定成效，但与国外相比，国内油气田地面工程标准化、模块化设计工作仍处于初步发展阶段。

2 橇装化装置优势

橇装化装置的大部分安装工作在工厂内完成，因而可大大减少工程现场施工作业工程量，缩短工程安装周期，同时有利于保证安装质量，便于搬迁和运输。相对于传统的建设形式，橇装化装置具有下列优势。

2.1 减少现场施工量，缩短施工周期。传统的现场安装固定设备需要经过设备采购、现场安装和调试等环节，施工周期长。还需要与设计、施工和供货商联络协调，工作效率低下。要求施工方具有丰富的施工经验， 掌握设备厂家及配套设施的安装要求，用户需要配备专业的技术人员予以配合。橇装化装置则是一体化供货，组装、测试和检验等工作全部在工厂内完成， 大大减少了现场施工作业量，只需要在进出口管道和电气设备接线处进行连接，安装调试方便，施工周期较传统现场安装所需时间缩短一半甚至更多。

2.2 提高工程建设效率，保证工程建设质量。现场安装固定设备需要现场施工人员具有较好的专业水平和施工经验。对于本工程，当地施工队伍的技术水平难以保证站场设备的焊接安装满足质量要求。橇装化装置则是整体供应，质量容易保证，避免了现场因焊接不合格造成返工等问题发生，提高了建设质量和效率。

2.3 节约工程资源，降低工程投资。橇装化装置能够充分利用三维空间，使设备布置紧

凑，且可节省材料用量，其占地面积也仅为现场安装固定设备所占面积的40 %～60 %，可节约土地资源。橇装化装置整体供货， 减少了对现场施工技术人员的需求，降低了现场施工费用，节省了工作人员到现场安装设备的各项差旅费用及作业用设备、完工后余料等的往返运输费用。同时由于橇装化装置在出厂前进行了全面的检测工作，现场调试的工作量减小，调试费用降低。

2.4 方便运行维护.现场安装的固定设备， 由于供货商通常不是一家，对设备出现的问题以及备品备件的采购，需要供货商提供足够的技术支持，后续的运行维护费用和管理难度较

大。橇装化装置出现问题可由供货商及时解决，提高了装置运行的稳定性、可靠性，同时也便于设备的维护管理。

2.5 重复利用价值高。橇装化装置移动性强，重复利用率高。橇装模块可多次、多地重复整体搬迁使用，设备的再次利用率高達90 %。

3 设计原则

一般施工现场距离工厂较远，尤其是海外项目，橇块在运输过程中要经过多次吊装，还要考虑铁路运输、公路运输以及海运对物件尺寸、重量等要求，此种情况下对包装设计要求较高。另一方面，橇块制造完毕后，由于工期的原因，留给包装和吊装设计的时间很少，尤其对于大型橇块，使用准确、快捷、直观的设计方法和设计软件很重要，既能加快业主审核过程，也能提高效率和减少失误。设计过程中采用Tekla Structures软件进行设计，该软件能将包装效果立体呈现在业主面前，在力学计算通过以及符合相关标准规范的前提下，根据业主对包装外观的要求及时调整方案，在接近真实的环境下模拟整个包装过程，省时省力，事半功倍。在大型橇块包装时，该软件更能体现优势。同时，软件能够与PDSOFT等三维设计软件通过接口实现模型数据的共享，可以直接利用配管专业的三维模型做参考。软件用户可以在一个虚拟的空间中搭建一个完整的3D模型，然后自动生成自己所需样式的图纸，如整体布置图、构件图、零件图等，自动生成各种精确报表[2]，如材料表、构件表、零件表、螺栓表、零件开孔清单等，为材料采购，工厂材料发放和整理等提供直接帮助，避免浪费和错误。所有图纸报表与模型智能关联，模型修改，图纸和报表自动更新。软件通用性强，以多种形式实现与其他分析和设计软件的数据模型共享。作为一款主要针对钢结构详设的软件，Tekla Structures能够用于包装设计是因为其截面型材库和材料库的多样性和灵活性。软件截面库能提供各种各样的截面，也可以根据需要编辑新截面，这样保证包装使用的各种材料都能进行三维展示，如各种型钢、方木、圆木等。材料库中除钢材、钢筋、混凝土外，还有木材选项等，只要在通用性中输入木材密度，就能够保证包装设计中经常用到的木材、木板等在材料表中自动生成。

4 橇块包装设计

4.1 橇块设计方案确定

该橇块应用于某国外油田地面工程，重约40吨，长宽高约为13600mm×4300mm×6100mm。

由于該橇块要运输至国外，如果分体运输，现场组装，将大大增加用工成本。而且运输距离长，时间久，还要经过高湿、高温的海洋运输，过程中要多次进行装卸。经过讨论，决定采用整体包装、整体运输的方案，同时采用包装吊装一体化的铁木箱框架结构，包装箱底部增加辅助底座与吊装框架结构连接进行整体包装，利用包装框架进行吊装。

4.2 设计过程

（1）设计以螺栓强度计算、等边角钢计算、吊耳计算等理论计算为基础，采用SAP2000软件对吊装框架结构进行力学分析计算。（2）该橇块本身的详细设计使用PDSOFT三维配管软件。该软件可以将模型以DWG/DXF文件形式输出三维模型。Tekla Structures通过“输入参考模型”直接导入该模型。图3为参考模型属性对话框，设定比例为1：1，保证模型尺寸的一致性。输入Tekla中的三维模型不能修改，如图4。直接按照原尺寸输入橇块详细设计的三维模型，以该模型作为背景进行包装框架设计，尺寸定位精确，节省建模时间，整个设计过程直观而有效。

（3）设计时优先考虑使用项目部库存钢材，然后进行受力计算校核。该橇采用铁木箱包装，包装框架和箱体底座为钢结构，也用于承担吊装受力。箱体箱体底座及顶部主受力框架材料为H300×150×6.5×9型钢。立柱采用4根L180×16和2根L125×10角钢，为吊装拉力承受部件，斜撑为6根L50×6角钢。六个面用12mm胶合板封闭，筋骨为60mm×20mm熏蒸木条。胶合板、木条的具体规格及节点的处理由木材供货厂家根据具体情况确定。箱体进行防雨和防潮处理。设计完毕后，包装箱总尺寸为14000mm×5000mm×6900mm，包装箱与橇的总重量约48吨。（4）包装箱底座与原有橇块底座连接示意图：可见二者通过螺栓连接，充分利用原设计的地脚螺栓孔，同时方便橇块与包装箱的拆卸。吊装框架立柱与包装箱底座的连接示意图：立柱底部设置连接底板并与立柱焊接，连接底板与包装箱底座型钢（下部可以采用钢板加强）采用螺栓连接，同样也是为了方便大型包装箱的组装与拆卸。立柱与顶部型钢直接焊接，如图7所示。最终的包装效果图见图8。吊装效果图：吊装框架顶部设置4个吊耳，单个吊耳吊装能力为15吨。吊装时要根据吊装工况进行吊装计算以便于选择吊车.

采用Tekla进行设计，一大优势在于材料的精确控制。型钢、木条、木板、钢板、螺栓等都能自动生成报表，如表1和表2。同时还有零件、构件图纸，工厂加工后直接进行组装。

5 结论

随着国内石油公司在海外开采石油天然气的步伐不断加快， 橇装化装置是确保气田高效开发的重要手段，不仅能够加快气田建设速度，保证建设质量，方便运行维护管理，而且能有效降低整个工程的投资，有着巨大的发展潜力。应用专业软件于橇块包装设计中，提出全新包装设计方法，拓展了包装设计思路，使包装的设计变得准确、快捷、直观，改变了传统的包装设计方法，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 胡益武， 缪晖， 刘棋. 天然气三甘醇法脱水橇装装置的开发研究[J]. 天然气与石油， 2002， 20（4）：41-44.

[2] 马山玉.钢结构深化设计软件Tekla Structure 应用综述[J].山西建筑，2010，36（6）：56-57.