海上平台模块化设计技术分析与应用

焦圣华，孙 锐

(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)

1 模块化技术分析

1.1 模块化概念

所谓模块化是指建造一个大型工程时自上而下逐层分解并把系统划分成若干模块的过程，是一种高效管理及操作一个大型工程的思维方式。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按照某种方法组装起来成为一个整体，从而完成整个系统所要求的全部功能。

模块化概念的先进性在于大量引入了平行作业，在传统建造中需要在同一地点依次完成的工作，可以多地点同时开展[1]。模块化的精髓在于依靠科学的管理和先进的技术，将设计、建造、安装等工序进行深度的交叉，从而实现有效缩短项目工期的目标。模块化的目的在于提高装置的工厂预制化率，最终实现项目建设质量的提高和建设成本的最优。

用户的需求千差万别，但不同用户的差异化服务需求又有一些共同之处，找到共性，然后将他们做成一个个模块，可以让用户像搭积木一样，选择不同的服务模块，使模块标准化，最终降低成本[2]。对于特殊之处，可通过调整子模块或零部件来进行调整修改，通过这种可变性来适应不同项目、不同用户的需要[3]。

装置模块化方案通常主要有2种形式：一种是撬装化分布式模块化装置，多以设备为核心的单层结构；另一种是多层框架集中式模块化装置，根据装置功能或设备安全类别采取联合布置结构。简单来说就是单个设备成撬即设备模块，多个设备单一功能的成撬即功能模块，以及多撬块组成的可以实现多种工艺流程或功能的大型模块。

对于海上设施，一般由设备模块或功能模块组合成为大型模块。例如换热器撬、清管球撬即为设备模块，E-house、化学注入撬、灰罐撬可划为功能模块范畴，生活楼、模块钻机甚至上部组块都可以理解为大型模块。根据划分好的工作内容和界面，设备模块或功能模块一般由设备厂家提供，各个中小型模块或单元在不同的地点同时进行建造工作，然后在滑轨上进行总装和调试，进而完成整个平台的建造工作。

1.2 模块化的生命周期

中小型模块需要陆地运输，需要考虑尺寸，还有试装及到货再安装的过程，因此中小型模块生命周期包括：设计、建造、预装、拆卸、运输、组装几个过程。大型海上模块的生命周期中没有预装和拆卸过程，由于没有陆地运输环节可以直接建造后通过大型船舶运输。

1.3 模块化设计技术

海洋工程产品模块设计时按照通用化、系列化、组织化的设计和生产原则，将海工产品按系统或功能分出若干个有接口关系的相对独立的单元[4]。影响模块划分的因素和原则主要有以下5个方面。

1)模块划分必须要保证整体工艺功能，不能以牺牲项目的功能来进行模块的划分。

2)要保证项目的安全，不能因为进行模块化设计，而产生不安全因素。

3)要考虑模块场地的建造能力、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、重量和重心控制。

对于中小型模块的划分总体规划主要需要考虑以下8点内容。

1)根据每个装置的设备尺寸大小，确定装置内设备计划进行模块化的原则。

2)大型立式设备，不宜进行模块化设计。

3)对于直径≥3.0 m的卧式设备，设备和模块的整体运输尺寸超过了常规汽车运输的限制条件，不建议模块化。

4)对于振动设备，不建议进行模块化设计。

5)连接管路少的设备，且管路上阀门很少，不宜进行模块化设计。

6)集中载荷物宜进行模块化布置设计，如多个并排的泵、调节阀组等。

7)模块形状应设置为方正的形状，以便于包装和运输。

8)直径小于1.0 m的细长塔器(如吸收塔、再生塔)，可根据项目特点确定是否采用模块化建设。若采用，则塔器应考虑分段设计，结合模块框架结构，重点设计拆分点、受力形式及约束点。

1.4 模块化建造技术

模块化建造，大幅缩短了海上安装时间，减少了海上气候条件对施工的影响，降低了海上作业风险[5]。根据施工资源情况或项目执行方案将平台分成多个小模块或多个单片结构进行并行建造。建造完成后经过总装和调试合格后运往预定油田进行海上安装。这要求在项目前期研究阶段就对预制场地进行合理评估，布置各模块的位置，以满足建造和整体组装需要。

模块化建造过程中需要注意以下4方面内容。

1)前期研究阶段应明确建造方法，根据建造方法编制总体计划，制定总体建造方案。在设计过程中，不断细化和调整总体建造方案。要格外重视三维建模技术的应用，充分利用三维模型软件，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。

2)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、穿舱件等，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。

3)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，需要提前采取防护措施。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。而甲板喷砂除锈时，会有大量的砂粒喷到结构表面，会破坏镀锌层。为防止这种破坏，需要在甲板喷涂前对镀锌支架进行防护，在施工中可以使用棉布、塑料包裹镀锌支架表面等。

4)由于模块化建造中存在大量的资源约束和不确定性，施工时面对复杂的多项目并行条件下的资源冲突问题，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，原材料的到货进度及时间顺序，施工流程逻辑性，季节等对施工进度的影响，合理编制施工计划和方案。

1.5 模块运输

一般情况下模块运输分为3种形式：陆上运输、水上运输、铁路运输。

1)陆上运输对尺寸和重量都有限制，特殊路段对包装也有要求。

2016年《超限运输车辆行驶公路管理规定》规定：①不超限运输，车货总高度≤ 4.00 m,宽度≤2.55 m，货长度≤18.10 m；②一级超限运输,车货总高度≤4.20 m，宽度≤ 3.00 m，货长度≤20.00 m；③二级超限运输,车货总高度≤4.50 m，宽度≤3.75 m，货长度≤28.00 m；④三级超限运输,车货总高度>4.50 m，宽度>3.75 m，货长度>28.00 m；⑤当货物宽度超4.50 m，国家高速公路存在拆除收费站的风险。

2)水上运输对装置尺寸和重量限制较小，主要考虑码头船舶的停靠能力，河流桥梁的通过能力等，模块化装置拆分设计不考虑此因素。

3)铁路运输对货物的包装、重心等有严格要求。原则上火车运输货物的尺寸限制条件为：长不超过13.0 m，宽不超过2.5 m，高不超过2.8 m。铁路运输限制较多因此不常用。

推荐的运输方式：对于国内建设项目中小型模块，由于运输环境好，运输距离短，且一般不存在仓储情况，推荐采用祼装方式。若模块化装置内设备或物资需要防雨措施，可采用雨布包裹方式。对于国外建设项目中小型模块，主要为海运方式，路运时间短，沿途社会治安条件好时，路运推荐采用热缩膜包装方式。国外建设项目中小型模块，有下列其中一种情况时，推荐采用木箱包装方式：①存在长距离公路运输；②多次转运；③长时间仓储；④运输公司强烈要求并给出合理理由。另外受模块化装置主体设备尺寸限制，选择木箱包装会导致运输尺寸增大而且运输费用提高，如模块化装置为框架结构，推荐采用铁皮包装。

1.6 采用模块化技术的优势

采用模块化技术的优势有以下3方面内容。

1)合理利用场地资源。平台建造多采用滑道牵引装船的方法。滑道资源有限，减少滑道上项目建造的周期，减少滑道占用时间意义重大，中小型模块在其他场地由厂家制作，只在滑道组对，合理利用场地优势。

2)并行施工，缩短工期。中小型模块在其他场地由厂家制作，主建造场地进行框架、工作间等制作，组装完毕后联调，快速完成大型模块建造。

3)减少高空作业。对于相同或者类似的单元模块，可以对吊装方案及其相关文件进行统一编制，可以大大提高技术方案的利用率，施工协调方便。模块化技术可以减少高空作业，易于控制误差，提高施工安全性[6]。

1.7 模块化项目的质量控制

模块化建造的一个特点是界面多、接口多，因此模块化建造是对项目管理全方位的考核，高质量的模块化项目在执行过程中需要有专业经验的管理团队，才能将业主方、设计方、建造方、设备供应商和检验方等各方人员有力配合起来。项目管理团队需要将各方人员串联起来，使之成为一个控制有效、高效运转的整体。

由于产品质量对项目进度、成本和效率都有很大的影响。所以为了减少质量隐患和风险，在质量控制方面需要做好以下4方面的工作。

1)设计阶段把控好PDMS模型，严格按设计要求施工，减少返工现象的出现。

2)严格控制装配尺寸和精度，防止总装过程的偏差。

3)设计、施工和检验等各方驻现场代表协调配合。

4)设计和施工要采用标准化。

1.8 模块化技术的未来发展前景

大量采用模块化技术建造符合海工项目的实施特点，也是海工项目建造的未来发展趋势。采用模块化设计和建造大大缩短了项目实施周期，降低了项目成本，对于提高企业经济效益和社会效益以及保护环境等都有重要的意义。

2 海上平台大型模块化应用研究

2.1 平台功能和设施介绍

研究平台位于渤海南部海域，是一座8腿固定式导管架海上平台。平台以海上油气水处理为主，上面设有工艺及水处理设施、电站及100人生活楼等。平台接收来自周边各个井口平台的污水，经过处理后通过海底管道输送到陆地终端，脱出的生产污水经过污水处理系统处理后全部作为注水水源注入地层。

研究平台所在海域水深为32 m，平台设计寿命按25年考虑。研究平台共有5层甲板，分别为直升机甲板、上层、中层、下层和工作甲板。

直升机甲板设在上层甲板生活楼的顶部。上层甲板西侧布置了100人生活楼，楼顶布置泡沫浓缩液罐撬、压力水罐和热水罐。生活楼东侧为电站、余热回收装置、热介质循环泵和热介质膨胀罐。电站东侧布置了淡水罐、淡水泵、仪表气储罐撬、公用气储罐撬等。

中层甲板西侧布置二层房间，一层布置：应急发电机间、应急开关间、柴油消防泵间、实验室、CO2间、工作间、主变压器间及电池间；二层甲板布置有中控室、储藏间和主开关间。甲板中部及东侧布置有：换热器、一级分离器、加热器、冷却器、二级分离器、化学药剂注入撬、斜板隔油器、注水缓冲罐、反冲洗水泵、燃料气除液罐、燃料气涤气罐、燃料气加热器、燃料气过滤器、燃料气冷却器和燃料气压缩机撬等设备。

下层甲板主要布置水处理系统和公用系统。主要设备有：气体浮选器、生产水增压泵、双介质过滤器、滤前水罐、注水增压泵、注水泵、反冲洗污水收集罐、反冲洗污水泵、闭式排放罐/泵、电动消防泵、海水提升泵、海水过滤器、自动反洗粗过滤器和防海生物装置等。

工作甲板主要布置有：污油罐/泵、开式排放罐/泵、生活污水处理装置、热介质泄放罐、热介质补给泵、清管球收球筒等设备。

2.2 总体设计

总体布置将平台划分区块，分为生活区、工作区、非危险区和危险区。生活区即生活楼，属于独立模块独立设计。其余区域为上部组块模块。

工作区即平台上的办公室、电气房间、储藏室、应急发电机室等这些房间，该区域需要设置在非危险区内，并且确保在发生事故时工作区内的人员可以顺利、快速地到达集合区域或者逃生。现平台的工作区设置在平台西侧，分布在中层和下层甲板区域。

非危险区域除了工作区的房间外，还包括那些不含油、气的公共系统设备，例如柴油系统、淡水系统、仪表风系统、公用风系统、注水系统等。

危险区和非危险区之间用A60墙分隔，主要包括油气处理系统、燃料气系统、化学药剂系统等。

2.3 机械设计

本次研究考虑主工艺设备、含油污水处理设备、重要的公用系统设备、大型旋转设备成撬供货。设备模块成撬原则为设备主体、底座、撬内管线、仪表控制、仪表盘和就地控制盘(LCP)、电缆等在同一撬体上。设备模块成撬划分的界面应清楚体现在相应工艺管线及仪表控制图(P&ID)上。以下为阐述方便，设备模块描述为橇块或成橇设备，设备模块内部即撬内，设备模块外部即撬外。

结合本次研究，设备模块化设计、制造的产品应满足以下2点要求。

1)建设周期短，减少现场安装的工作量，缩短项目建设、安装周期，节约投资费用。

2)集成度高，设计紧凑、占地面积小，要求利用有限空间进行最佳配置。

撬装装置采用密集型布置，可大大节省空间，对于造价昂贵的平台建设具有重大意义。

2.4 管道设计

海上平台配管专业设计的管道为撬块外部管线，撬块内管线由撬块厂家负责，对于撬块内不满足配管要求的部分管线，设计方需要反馈给撬块厂家，由厂家根据设计方意见进行修改。撬块内管线在撬块边界需要使用法兰来收尾，厂家可根据要求确定是否提供配对法兰。

2.5 仪讯设计

对于仪表来说，模块化设计是实现海洋平台上中控系统分散控制、集中监控的一种重要手段。对于功能相对独立、工艺流程相对复杂的设备，采用整体成撬的原则，将撬内流程控制划分给设备承包商来完成，通过在撬块增加现场就地盘来实现撬内流程的统一监控。

本次设计海上中控系统与现场就地盘之间保留硬线接口及RS485通讯接口2种通讯方式，由RS485接口将撬内工艺流程参数及撬内工艺流程参数报警信号上传至中控过程控制(PCS)系统显示；通过硬线联系将现场就地盘运行指示、停止指示、关断报警、故障报警及应急关断系统(ESD)紧急停车指令上传至PCS系统及ESD系统。需要设置现场就地盘的撬块主要有生产分离器、透平发电机组、空压机撬、各种大型泵类设备等。

对于工艺流程控制逻辑相对简单、控制回路较少的设备撬块，现场一般不设就地盘，而是在撬内统一设置仪表接线箱，将撬内I/O点位统一上传至PCS及ESD系统，实现统一监控。这些设备主要有化学药剂撬、原油加热器撬、原油换热器撬等。

2.6 结构设计

相对于陆地油田设施的建造而言，海洋石油开采设施要遭受更为恶劣的海洋环境的考验，因此通常海洋结构物选择陆地模块化建造海上进行组装连接。而这样就必然需要将陆地建造完成的各个模块运输并安装至海上油田所在目的地，在这一过程中大型海洋安装设施的应用对整个技术方案的实施将起到至关重要的作用。

在整体的结构设计中，除了要考虑在操作、极端环境、地震以及杆件疲劳寿命等的影响下平台结构的安全性。还需要考虑在安装过程中，场地实施、运输船舶以及浮吊资源对结构选型的影响。

组块的重量、重心、结构形式等，这些是安装分析计算的基本要素，也是影响安装方式及设备选择的重要因素之一。

滑道的承载能力尤其是码头前端的能力，这也是影响安装安全的重要因素，因为吊装上船或者牵引上船通常结构物都要拖拉经过此区域。

驳船的尺寸、整体强度和甲板强度、装载能力以及装船过程中的稳性，这是驳船能否满足结构物运输需要的前提。

码头的高度、潮水、码头及航道水深等也是非常重要的限制条件，尤其在牵引装船或使用运载工具装船时，驳船要在低潮位时满足航道水深要求，高潮位时满足滑道高度要求。

综合考虑钢材、设备、施工资源、作业时间以及连接调试工作量的差异等因素，对于大型模块通常采用分块吊装或者浮拖法进行整体安装。本项目中综合考虑各个因素，最后确定了左右分块的方案，在进行安装分析时，需对东、西2个模块分别核算，分别校核其吊装、运输以及装船工况下结构的强度。

3 结束语

综上所述，目前海上平台已经在安装模块化思路进行设计、建造。通过一点一滴的创新和实验，模块必将更加精细化，更加便于安装、拆卸、搬迁，向更高分离度与更合理的组对方向发展。