大型气田地面工程模块化建设模式的优点剖析

陈朝明 陈伟才 李安山 汤晓勇 陈祖翰

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大学机电工程学院， 四川 成都 610500



大型气田地面工程模块化建设模式的优点剖析

陈朝明1陈伟才1李安山1汤晓勇1陈祖翰2

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都 610041；2.西南石油大学机电工程学院， 四川 成都 610500

传统建设模式下，大型气田地面工程的建设受到诸多因素的影响，为项目的顺利实施带来诸多困难。大型气田地面工程模块化建设模式，从安全管理，生产效率，质量保证，采购、运输及仓储管理，资源综合利用和项目实施可塑性等方面提供了一套全新的气田地面工程建设模式，该模式较传统模式更优，是气田地面建设的主流方向。

建设模式；模块化；气田地面工程

0 前言

随着能源需求全球化和科学技术的迅猛发展，大型油气资源的发现以及开发步伐的加快，使得工程建设项目的规模越来越大，工程内容越来越复杂，质量要求越来越高，项目的控制及管理越来越精细化，工期要求越来越短。采用传统的地面工程建设模式将会遇到安全、进度、质量、资源利用等方面的问题，给项目的建设提出了挑战。为了解决大型工程项目建设过程中遇到的难题，国外工程公司不断寻找新的解决方案。工程模块化建设方案是较好的解决方案。为了验证模块化建设模式对大型气田地面工程建设的适应性，2010年中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司(下称CPE西南分公司)开始对模块化建设模式进行探索研究[1-6]。

1 大型气田地面工程特点和建设模式

大型气田地面工程具有规模大、投资高、结构复杂、实施难度大、运营安全风险大等特点。项目往往是由多个子项目组成，且多个子项目存在同时并行实施的情况。项目实施过程中，常受到人力资源、机具资源、物资供应、建造能力、资金供应、工期要求、管理能力、安全风险、质量管理等因素的影响，有时还受到国外工程项目所在国的签证限制、安全局势等的困扰[1,7]。

国际上，大型气田地面工程建设模式目前主要存在传统建设模式和模块化建设模式两种。模块化建设模式是新兴的建设模式，优点突出，给工程建设带来了许多便利，是国际工程上较常用的建设方案[2-3]。

传统建设模式是指将工程建设物资全部运到项目现场，在现场开展安装工作的建设模式。先由土建人员完成土建施工，然后完成钢结构、设备、管道、仪表及电气设备设施施工，最后待整个系统施工完成后进行调试与投产运行。

模块化建设模式根据工程的工艺特点和功能要求，将整个工程分割成若干个模块进行制造，模块经预组装及初步调试，再通过海运或陆路运输到项目现场进行安装、调试并投产运行。模块的制造可在某个地区的一个制造厂进行，也可以在不同国家或地区的多个制造厂实施[1-2,8]。

CPE西南分公司作为国内天然气处理领域技术领先的企业，从2010年开始通过所承担的几个海外及国内大型气田地面工程的集气装置、脱硫、脱碳、脱水、脱烃、凝析油稳定、硫黄回收装置、天然气液化装置和公用工程辅助装置进行模块化建设模式的研究和实践，验证了模块化技术在大型气田地面工程建设的适应性，并在研究实践过程中积累总结出了模块化建设模式的系列经验。

2 传统建设模式与模块化建设模式对比

通过传统建设模式与模块化建设模式的实施过程对比，可以看出两者从设计、建设不同阶段的施工重点和关注的重心不一致，建设单位或制造厂的倚重在不同阶段也各不相同。

2.1 设计

传统建设模式下，设计对工程建设的实施具有指导意义，项目建造实施工作均在现场进行，建设周期较长，若设计的深度和精度略有欠缺，仍有时间和机会进行调整和修改。

模块化建设模式下，设计是工程实施的灵魂，是指导模块化实施的关键。没有模块化设计的精心策划就谈不上模块化实施的成功。模块化设计过程中，首先需要熟悉工艺流程，建立模块化意识，具备模块化专业技术，了解模块的预制、组装、拆分、包装、运输和吊装；其次，要考虑很多其他方面，如对模块进行有效的保护，模块安装的方法及要求，构件在预制、运输和吊装等环节存在的特殊状态、特殊受力情况；再次，还需考虑模块的尺寸、重量以及与施工、运输的密切配合等。这些无疑都对设计人员提出更高的要求，保证模块在安装过程中简单易行、减少现场安装工程量，达到模块化的最佳预期效果[3,7]。图1为某项目脱硫、脱水及硫黄回收三个单元模块化装置，该项目总产量为60×108m3/a，项目13个月完成设计、制造、调试并投产成功。

图1 脱硫、脱水及硫黄回收装置三维模型

2.2 安全管理

工程建设的成败，安全管理起着至关重要的作用。在研究过程中，发现传统建设模式和模块化建设模式下安全方面有不同的特点。

2.2.1 传统建设模式的特点

1)传统建设模式下，大型气田地面工程项目实施现场的作业面广，交叉作业面多，存在很多安全隐患[4]。

2)传统建设模式下，多层结构装置的建造过程中，安装工人长期处于高空作业的工作环境，时时刻刻存在着高空坠落的安全隐患。

3)项目所在地远离城市或安全救护中心，现场医疗器械匮乏，一旦出现重大安全事故，伤员将面临无法及时救治的危险。

4)对于国外的工程总承包项目，如在中东、西亚、非洲等工程项目所在地本身的安全隐患非常突出，其实施过程将给安全保障及管理方面带来极大的挑战。

图2为中东某国项目传统建设模式现场，离市中心约300 km。

图2 传统建设模式现场

2.2.2 模块化建设模式的特点

通过研究和实践，发现模块化建设模式下，装置布置紧凑，模块集成度高，装置的生产操作、日常检维修安全要求较传统建设模式更高[2-3,5,9-11]。

2.2.2.1 工厂最大化，现场最小化

模块化建设模式是一种工厂预制最大化、项目现场施工最小化的建设模式。项目实施过程中大量的工程建造在制造厂内进行，待模块组装完成后运至项目现场；大大地缩短了项目现场安装时间及现场各工种同时交叉作业的时间，也缩短了现场建造工人在不安全环境下的工作时间，降低了项目运行风险[12-13]。

图3为模块化硫黄回收装置，图4为模块化低温脱水、脱烃装置。

2.2.2.2 地面作业最大化，高空作业最少化

模块化建设模式，要求模块内的结构和管道的预制工作尽量地面进行，最大程度减少高空作业。对于多层结构的模块，每个小模块可大面积铺开在地面建造，待每个单元小模块组装完成后，再按照装置形式叠加组装起来。这大大减少了安装工人高空作业量和时间，降低了高空作业风险[4,12,14]。

2.2.2.3 预制工厂更靠近安全急救中心

模块制造厂相比项目现场更靠近城市和急救中心。模块建造过程中，一旦出现较大的安全事故，可把伤员及时送到救助中心，得到救治，最大程度地降低人员的伤亡。

图3 模块化硫黄回收装置

图4 模块化低温脱水、脱烃装置

2.2.2.4 现场复装的安全性

模块化建设在现场复装是一个搭积木的过程。一方面，模块化装置最大程度地采用螺栓螺母连接，尽量减少现场焊接工作；另一方面，模块化装置的复装本身就缩短了高空作业时间，进一步降低项目现场的高空作业安全风险[4,12,15]。

图5～6为国内某项目模块装置复装现场。

图5 单个模块吊装

图6 一层模块已复装完成

据模块制造厂统计，模块化建设模式下，模块制造厂内每100万人工时的伤害率非常低，几乎为零。

2.3 产品质量

传统建设模式和模块化建设模式相比，模块化建设模式焊缝质量相对较好，焊缝外观成型效果好[9]。

2.3.1 传统建设模式

传统建设模式下，项目现场配套设施不完善，自动化机具缺乏，主要以手工电弧焊为主，导致焊缝一次成形率低、焊缝外观较差、焊接质量相对较低，焊缝一次合格率约93%；另外，由于多区域多装置多工种交叉作业，导致项目监管人员难以面面俱到地对项目施工质量进行监督和管理。

2.3.2 模块化建设模式

模块化建设模式下，模块制造厂配备自动化设施，管道及钢结构在自动化设施的协助下，完成下料、组对、预制焊接、无损检测、热处理等，管道及钢结构的焊缝成型率高、外观完好、焊缝一次合格率可达98.7%，焊缝的整体质量明显提高，减少了现场焊接的返工量[4-5,10-12]。

模块制造厂具有较完善的质量控制及管理体系，质量管理过程更加细致、严格，为工程施工整体质量提供有力的保障。

2.4 生产效率管理

2.4.1 传统建设模式

1)1个焊工平均每天完成约30个达因的焊接工作量。

2)地面平整和基础的施工需经历时间长，而结构、设备、管道及电仪设备设施的安装无法与其并行实施，导致项目实施的工程周期很长，过程容易受到外部因素的影响。

3)管道及结构的预制焊接在项目现场实施，容易受到项目所在地的天气影响，导致预制及焊接工作无法正常实施。

4)由于项目现场水、电、气、人力资源、机具等相关物资缺乏，预制及焊接工作难以实现大面积自动化施工，导致设备、管道及钢结构的焊缝成形率低、返修率高，整体生产效率低下，影响进度。

2.4.2 模块化建设模式

1)1个焊工平均每天可完成45～50个达因的焊接工作量。

2)由于模块制造厂内自动化设施比较齐全，焊接工人在自动化设施的协助下，管道及钢结构焊接的速率可大幅提高[9]。

3)模块化装置的结构和管道的预制、组装、试压、检验、包装及运输等一系列的工作，并行于项目现场地面平整、结构框架基础、地下管网敷设施工等工序，这就大大减少了现场的安装工程量。实施项目的结果统计表明，1个拥有15个模块的主体装置，现场复装一般10 d就能完成，大大节约了现场施工的时间和工程量[1,3-5,11]。

图7～8分别为某项目模块化装置的自动焊机管段预制和车间内预组装。

图7 自动焊机管段预制

图8 模块在车间内预组装

4)模块化建设模式下，设备、管道和钢结构的焊接和预制，模块的组装，均在室内进行，避免施工过程受天气影响；由于室内施工条件良好，赶工期时还可在室内24 h倒班作业，充分保证项目的总体工期要求[3-4,11-12,16]。

模块化建设模式和传统建设模式的工程建设进度对比见图9。

图9 模块化建设模式和传统建设模式的工程建设进度对比

多个模块化建设项目实施的最终统计数据表明，相同规模下，按照模块化建设模式实施的项目比传统建设模式实施的项目，建设周期可缩短约30%。

2.5 工程建造人员及机具

2.5.1 传统建设模式

传统建设模式下，项目的实施过程，需要大量的工程建造人员到达项目现场；人员的衣、食、住、行等需求同时出现在项目建造现场附近，给项目所在地的物资供应及分配带来困难。

在工程建造所需机具方面，建造单位需要配套足够的机具资源长期应用于该项目的施工。项目所在地往往难以满足这样的资源要求，面临长时间从其他地方租赁机具的问题[8]。

2.5.2 模块化建设模式

模块化建设模式下，项目实施过程中的不同阶段，可利用各种社会资源为项目的顺利实施及完成提供保障[5,17-18]。

2.5.2.1 工程设计

结合在工艺技术及模块化设计方面有丰富经验的工程公司，为项目的技术进行总体把关[8,18]。

2.5.2.2 模块制造厂

近年来，由于国内特别是东南沿海和长江三角地区的一些模块制造厂，参与了海洋工程及国际工程项目的模块化建设，积累了大量的模块制造及组装技术经验，具备建造能力和实力。这些模块制造厂原来以造船行业和海洋工程行业起步，为海洋平台提供上部生产装置的大型模块或为船舶制造提供分段模块。他们有较为完善的生产管理体系和焊接制造技术，能够完全承担陆上天然气处理地面工程的各种单元装置模块化建设工作[8,13,18]。

2.5.2.3 驻厂监理

模块化建设模式下的建造主要在模块制造厂内实施，相当于模块制造是小型总包工程项目，需要有专业的现场建造监理队伍对现场产品的生产过程进行检验、监督和管理。现场建造监理人员具有丰富的现场管理和监督检查的经验，能为项目产品质量保驾护航。

2.5.2.4 现场安装单位

现场安装可聘请国内有丰富施工和建设经验的单位，保障项目的顺利实施。

2.6 采购、运输及仓储管理

传统建设模式下，项目的实施建造所需的材料物资数量庞大、品种众多，相互关联和交错。这些数量庞大的物资采购、运输、堆放、仓储等问题就是一项大工程。对建造单位的物资管理系统提出很高的要求[8,16]。

模块化建设模式下，工程物资的采购有多种实施形式，物资可由EPC总包方、模块化分包商和现场建造承包商三方根据项目实施过程的控制要点，分别采购所需物资。把繁重的采购工作按照实施的阶段和实施的主体分解开来，并进行管理，既能综合利用各阶段实施主体采购人员的资源，又能合理地把采购物资分解进行管理[5,12,15-17]。

同时，运输的工作也按照不同阶段由不同的实施主体负责控制和管理，避免运输管理的工作过于集中难以控制和管理。

2.7 项目实施可塑性难题

传统建设模式下，由于工程建造流程比较呆板，可调整性不强，项目实施的可塑性差，为工程的顺利实施带来困难，也为工程的总承包带来较大的风险，特别是国际工程项目。

模块化建设模式下，安装工作是在短时间内集中大型吊机进行模块的复装就位，以及模块与模块之间、模块与管廊系统接口处的法兰连接等工作；现场的安装工期短，大型机具及人员的集中工作时间短，人员和机具的利用和管理方面可塑性强，方便项目现场的安装及管理[8,19-20]。

对于装置外管廊系统，可根据项目实际情况，确定钢结构及管道是否按照模块化形式执行，或以预制的形式进行供货，提高项目的施工可塑性和安装方便性。根据不同项目的特点，充分利用和结合以下几点：中、小型项目全场模块化；大型及超大型项目装置模块化，管廊系统预制；项目EPC、EPSC或EP等运营模式可塑性强；模块制造厂家选择性宽，可在项目所在地就近，也可根据需求选择；模块的制造可室内，亦可室外；模块制造厂分包形式可塑性强。

3 结论

通过对模块化建设模式的研究和实施，验证了模块化建设模式适用于大型气田地面工程的建设，并在实施过程中可降低项目运行安全风险，提高生产效率，缩短项目建造周期，提高项目质量，方便物资采购、运输及仓储管理，在国内有利资源和提高项目实施可塑性等方面充分发挥优势，是大型气田地面工程建设实施的一套合理、有效的建设方案，是一种项目实施新技术，值得应用和推广。

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2015-01-05

中国石油天然气集团公司安岳气田磨溪区块龙王庙组气藏60×108m3/a开发地面工程(S 2013-015 E)

陈朝明(1976-)男，广西贵港人，工程师，学士，主要从事气田地面工程模块化研究及设计工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.002