石油化工建设项目模块化施工技术

岳敏

中石化第五建设有限公司，湖北武汉430080

石油化工建设项目模块化施工技术

岳敏

中石化第五建设有限公司，湖北武汉430080

随着石油化工及煤化工工程建设的规模化和密集化，模块化施工技术得到大力发展，成为实现工程建设多样化、标准化、专业化的有效手段。文章结合石化项目加热炉模块化施工案例介绍了我国石油化工建设项目模块化施工技术的演变与特点，分析了模块化施工的实施现状和存在问题，进一步阐述了模块的组装原则、模块化设计、模块化施工的保障措施。

石油化工；模块化；施工技术；加热炉

0 引言

规模化、集约化、节能化、效益化是目前石油化工行业发展的一种趋势，这就要求施工技术朝着更安全、更优质、更高效的方向发展。而近十年来，由于石化工业的突飞猛进，带动了制造业和装备业的快速发展，并促进了项目管理理念的提升和进步，目前国内机械厂可制造2 000 t以上的大型设备，并且在项目所在地可进行大型设备的现场组装、热处理；千吨级吊车和大型液压吊装系统的使用已非常普遍，徐工4 000吨级履带吊车在2013年8月已投入使用；大型滚装驳船、公路全方向液压板车已多次运输千吨以上大型设备和结构；石化建设项目大型设备吊装、运输一体化施工管理已推广运行多年；设计、采购统一标准化的工作已成为石油化工建设管理的重点之一，这些客观因素都为模块化施工的应用发展提供了极其必要的条件，同时也为工程建设企业产业结构的调整带来了又一次机会。

1 石油化工建设项目模块化施工的演变与特点

1.1 模块化施工的演变

随着市场对石化产品需求的不断加大，石化工业得到了快速发展，化工装置规模不断被刷新，结构、工艺多样化，使得项目关系人对建设进度、质量标准、安全风险、成本管理及环保等方面的要求越来越高，促使项目的建设者在工程建设实践中不断探索、总结，由此而产生了模块化、标准化、专业化等项目管理的一系列创新理念。

模块化施工的雏形在石油化工建设中早已经应用，如加热炉辐射段炉管分片预制后组装，梯子、平台在地面预制成块后再空中组对等，这些都属于模块化施工的基本范畴，但没有系统化地去总结提高，提炼为一种通用的、系统的、科学的施工管理理念和方法。

我国石油化工建设项目采用真正意义上的模块化施工技术始于上世纪90年代初，当时从国外引进的乙烯装置，由于裂解炉安装工作量大、场地集中、高空作业多，施工中必须使用大型塔吊作为主要吊装设备，为了充分利用塔吊的吊装能力，将裂解炉部件模块化，尽量在地面进行预制组装。裂解炉安装施工的便利、高效使得模块化施工技术进入建设者的视野，21世纪初随着大型吊装、运输设备的大量投入使用和工厂加工制造能力的大幅提升，模块化施工的定义越来越明确，模块化施工的范围越来越广，模块化施工的规模越来越大，模块化施工各专业集合的程度越来越高，对工程建设的影响越来越重要，目前在石油化工建设中已成为一种普遍和必然的发展趋势。

1.2 模块化施工的特点

（1）模块化施工能够最大限度地做到工厂化预制，其施工条件的优越性是现场施工无法比拟的，良好的工装设施，对于保证产品质量，降低安全风险有很大的益处。

（2）模块化施工可根据安装顺序进行流水作业，同时工厂、现场大部分作业可同步进行，极大地缩短施工工期。

（3）模块化施工可大量减少施工资源和材料、设备在现场的占用时间，有效地加大了现场作业空间，创造了良好的作业环境，保证了施工工期。

（4）模块化施工尽可能地做到地面组装，减少了高空作业，有效化解了高空施工带来的安全、质量、降效等方面的风险。

（5）模块化施工为现场文明施工管理创造了便利条件。

（6）模块化施工要求设计图纸提前送达、设计标准统一、设计质量高，这样既加快了设计交图进度，又减少了后期现场变更工作量。

（7）模块化施工的最大优势在于其综合、系统化的管理理念，它涵盖了吊装、运输一体化、工程建设标准化及施工专业化的许多工作内容，同时也延伸了吊装、运输一体化管理工作的范围，提升了项目标准化建设的水平，促进了专业化施工的发展，也是项目建设节能降耗的一种有效途径。

2 石油化工建设项目模块化施工现状与案例

2.1 模块化施工现状

随着石化装置规模的大型化，于工程建设方对工期、质量及安全的要求越来越高，模块化施工已成为确保项目按期、高标准建成的一个非常重要的手段。由于起重、运输机械的超大型化，构件、设备加工制造能力的快速发展，实施模块化施工的客观条件越来越成熟，模块化施工由过去单一材料的装配方式变成了多专业复合式的模块组合安装。

由于建设环境、项目管理模式等不同，石化建设项目的模块化施工模式也不尽相同，主要有三种模式：第一种为基本模式，施工单位接到图纸后，根据现场作业环境、施工进度安排，自行安排预制，将单根构件做成片或框架，这种模块较为简单，一般不超过三个专业的结合，如塔器在吊装前，安装完劳动保护构件、附塔管道、保温结构；管廊分段预制时将结构框架和管道固定在一起等。第二种为单体模式，对装置中某一个部分或某一个单体进行模块化设计，目前国内比较典型的如加热炉的模块化施工，整个加热炉按多个模块在制造厂预制好，然后运到现场组装。第三种为集成式功能模块，这种模块将一个小型装置或装置中某一个单元的所有相关专业在预制厂或制造厂全部装配成型并调试后，运到现场只进行简单的固定安装碰头即可投入使用，目前这种施工模式在国内应用较少，而在国外许多大型石化企业和工程公司已作为一种普遍应用的建设模式，如由多个功能模块组装而成的海上作业平台、小型天然气液化处理装置集成模块等。

2.2 石化项目加热炉模块化施工案例

国内石化建设模块化施工由最初的施工单位独自设计制作，发展为由设计部门牵头多方协作，经历了由简单到复杂，由初级到高级的发展过程。下面仅以石化项目加热炉施工为例，反映模块化施工的发展过程。

2.2.1 案例一

2007年，在某施工现场重整装置四合一炉辐射炉管施工中，施工人员采用模块化流水作业方式，使施工质量、工效得到极大提高，见图1。

2.2.2 案例二

2012年，在某石化炼油二期改造180万t/a加氢处理装置改造项目的两台加热炉施工过程中，采用模块结构形式，制造和施工合理分工，保证了模块化施工的顺利进行。

2.2.2.1 反应加热炉

依据厂区运输通过条件，反应加热炉（方炉）主体结构通过管架的最低高度只有4.5 m，这是本模块化施工的最大制约因素，因此将加热炉分为：辐射室模块一（2件）、辐射室模块二（2件）、辐射室模块三（2件）、集合烟道模块（1件），见图2。这7件模块均为长方体，长度14 m、高度2.5 m，宽度约3.2 m，最大质量14 t（辐射室模块一），最大安装标高10.7 m（集合烟道模块）。

施工中，在加热炉基础完工后，将预先制作的模块根据安装标高由低至高的顺序分别运到现场，使用200 t汽车吊依次安装，模块与模块之间使用螺栓连接。模块组装完成后，最后进行内部炉管的安装及耐火隔热块施工。

图1 某重整装置四合一炉辐射炉管施工

图2 反应加热炉模块划分示意

2.2.2.2 分馏进料加热炉

分馏进料加热炉（圆炉），直径8 122 mm，高度31 300 mm，整个加热炉共分为26个模块，见图3。

具体施工步骤如下：

（1）炉底柱脚及环梁分为3个环型模块，现场安装就位后拼接成环型，在拼接好的环梁上安装两块半圆型炉底板模块。

（2）辐射段筒体分为8个弧型模块，在炉底板上依次安装，拼接成一个整体。辐射段筒体安装完成后，进行内部隔热块及炉内附件的施工，并在胎具上将炉管预制成4个弧型模块，待内部隔热保温施工完成后成块吊入安装（见图4），各块炉管模块安装完成后，仅需两道焊口即可完成整个辐射段炉管的安装。炉管安装完成后，拼装辐射段顶部结构。

图3 辐射段筒体的模块划分示意

图4 预制好的炉管与胎具一起运输、吊装

（3）安装好对流段框架，开始吊装对流段模块。对流段模块有4个（见图5），其箱体结构长6.4 m、宽3.5 m、高3.2 m，模块内部管板、炉管及隔热安装均在厂家完成，运到现场后分块吊装安装，然后焊接各模块之间的炉管，并与辐射段炉管通过转油线连接在一起，这样整个炉管得以贯通。总共只有12道焊缝需要现场焊接。

（4）对流段模块安装完成后，安装加热炉的热烟道系统，热烟道系统也是预制好的模块，现场只需吊装此模块就位，然后用螺栓连接即可。

在整个分馏进料加热炉施工过程中，最大安装模块质量约30 t，最高安装高度为31.3 m，使用吊车最大吨位为300 t。

3 石油化工建设项目模块化施工存在的问题

（1）项目建设条块分割，各自独立，没有形成总体规划。在20世纪末以前，我国工程建设的结构模式是横向分割，勘探、设计、制造、施工、试车等单位分属不同的建设主体，虽然从本世纪初开始出现了部分纵向整合的建设主体单位以及诸如EPC、PMC等先进的管理模式，但即便是这些纵向整合过的单位，因组建时间较短，多数设计人员仍然不太熟悉施工，对便于模块化施工的结构形式综合考虑不足。

图5 对流段模块划分示意

（2）制造厂家受自身利益驱动，加之其多数技术人员对现场施工也不太熟悉，使得结构设计更多的是考虑方便制作，而对现场的施工条件未给予足够重视，甚至出现由于结构形式考虑不周使得现场工作量和难度不但没有减小、反而增加的情况，增大了建设成本。本文介绍的某石化项目加热炉模块化施工由于前期在业主的组织下，经设计、制造、施工各方针对现场模块施工多次对接沟通，较好地解决了这一问题。

（3）物资供应方一味考虑自身便利，致使到货次序混乱，出现先安装的后到、后安装的先来的情况，增加了现场施工准备工作量；而且由于到货的部件长时间不能安装，也使得施工现场场地被长期占用，增加了不安全因素。本文介绍的加热炉模块化施工由于对现场到货进度进行动态管理、协调，甚至仔细到掌握每一件梯子、平台的到货情况，所以保证了现场整体施工安装有序进行。

（4）设计、制造、施工三方结合不够，对模块化施工认识深度不够，未能充分发挥模块化施工的优势。本文介绍的加热炉模块化施工由于充分结合了施工现场，以现场安装便利作为主要考虑因素，较好地发挥了模块化施工的特点。

（5）由于近年来物价指数上涨，造成施工成本不断增加，特别是人工成本上涨极快，施工定额的更新跟不上市场价格的变化。模块化施工相对于现场散件安装节省了大量的现场作业成本、加快了施工进度、降低了作业风险，但是还需要尽快出台和完善模块化施工统一、标准、可接受的费用定额，否则由于设计、采购、制作、安装费用的分配不均或不合理会影响模块化施工的工作进程。

4 实施石油化工建设项目模块化施工的途径

4.1 模块的组装原则

（1）稳定性原则。框（块）结构、集合多专业的结构一般优先组装，易成框的片结构为其次，尽量减少高空组对片结构。

（2）可施工性原则。综合考虑吊装能力（以自有吊车为主）、运输能力、道路通过能力、结构形式、施工场地（包括预制厂的加工能力）等条件。

（3）综合效益原则。总体效率优先，如按照现场安装次序到货等。

4.2 模块化设计

要真正实现模块化施工，仅仅从制造、施工角度来考虑是难以做到的，主要原因是设计决定了装置布局、结构型式、采购的原材料种类，以及不同系统之间的衔接关系、连接方式和后续的开车工作等。因而决定模块化施工的主要因素是模块化的设计、标准化的采购，首先必须从基础设计开始，来确定设计“可模块化”结构需要达到的基本条件：

（1）工程项目的可施工性研究与周边的地理环境条件结合，找出适用于模块化施工的条件，主要是考虑道路通过能力、吊装能力、设计成大型模块的可能性等。

（2）实施模块化施工时，在成本、质量、安全等方面都能满足要求。

（3）对于模块化施工已达成一致意见，设计、采购标准适用于模块化的施工。

其次在项目实施阶段，将模块化施工程序纳入到设计管理的一个主要部分去执行和完成。例如，将一个化工装置的不同单元进行模块化设计，增加其“集中度”，调整支撑的结构体系，使建造后便于长、短途运输和吊装；将管道工程的调节阀组统一为一个标准尺寸，便于“橇装”出厂；将系统管廊钢结构、附属管道工程和电气、仪表工程等进行模块化，改变目前的结构型式，形成在工厂内制造“管廊”的主体结构；将支撑部分进行分解，便于运输和吊装等。

近年来在中石化已开工和即将开工的许多建设项目中，明确提出了模块化、标准化和专业化施工的建设标准和要求，在项目建设中也产生了许多先进的模块化设计理念和思想，其中做得最好的就是加热炉模块化施工。目前应用在石化行业的加热炉，基本上已经达到了模块化预制、现场组装的程度，从最初的加热炉对流室的模块化，发展到炉体和钢结构的联合模块化、炉管的模块化供货等。这些进步大大加快了工程的建设速度，也提高了工程的施工质量，减少了劳动强度，改善了现场的操作环境，更加有利于HSE的管理。

4.3 模块化施工的保障措施

大型模块化施工对于运输、吊装能力的要求较高，石油石化行业大型施工企业随着近年来起重、运输装备的配置更新，基本都具备这方面的能力。石油化工建设中已推行十年的大型设备吊装、运输一体化管理办法，也有力地保证了模块化施工的顺利实施。关于模块化施工的制造能力，以现有的结构、管道的工厂化预制能力而言都是可以达到的，只要根据项目规模要求，建设以模块化施工为条件的大型预制工厂，特别是可灵活拆卸组装的工厂化车间，就具备了适应模块化施工的最有效手段。此外，预制场地到安装现场的运输通过能力也是非常关键的因素，在国内新建的许多大型项目，一般都有极好的运输通过能力。

5 结束语

模块化施工是目前国际工程建设的一种发展趋势，特别是海上钻井平台等都大量采用了模块化预制技术。目前国外许多工程公司在石化装置施工中，已设计开发出以单元为模块的集合模块化施工技术，代表了模块化施工向更高层次的发展方向。

[1]刘剑强，蒋明道.大庆10万t/a乙烯裂解炉对流段模块组对与吊装[J].石油工程建设，2004，30（6）：56-59.

[2]韩建成，杨拥军，张青士，等.长庆油田标准化设计、模块化建设技术综述[J].石油工程建设，2010，36（2）：75-79.

Modular Construction Technologyin PetrochemicalIndustry

Yue Min
Sinopec Fifth Construction Company，Wuhan 430080，China

Along with more intensive and large-scale construction of petrochemical and coal chemical projects，modular constructiontechnology hasbeendevelopedrapidly andbecomestheeffectivemeanstorealize diversification，standardization and specialization of engineering construction.This paper introduces the development and characteristics of modular construction technology in China petrochemical construction projects with heating furnace modular construction cases for example，analyzes its current implementation status and existing problems，then describes the modular assembly principle，modular design and modular construction guarantee measures.

petrochemical；modularization；construction technology；heating furnace

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.015

岳敏（1968-），男，甘肃兰州人，高级工程师，1990年毕业于兰州大学，现从事石油化工建设项目管理和起重运输技术工作。

2014-07-03；

2015-01-30