油气田地面工程模块化建设的设计要点分析

魏涛 董姝妙 全本军

（1.中国石油工程建设有限公司；2.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司）

0 引言

21世纪以来，石油天然气需求不断增加，勘探开发技术不断进步，油气开采区域从陆地转向海洋，从温带转向极寒极热等自然环境恶劣区域。随着勘探范围扩展，对环保要求和安全保障条件提出挑战，油气田地面建设面临的安全环保压力越来越大。传统的构件式工程建设模式已经难以满足发展需要，模块化正是在这一背景下发展起来的。

模块化建设是指设计阶段对工艺流程进行模块化分析，按功能单元或流程分为若干个模块，将工艺设备、管道、电气设备、仪表控制设备及电缆、管廊、桥架进行高度集成化；然后，利用模块化设计成果，在远离项目地点的建造厂内平行建造多个模块，在厂内最大限度地完成预制、组装、试压和防腐等工作；最后，将模块通过海运、陆运等形式运往现场，进行模块间的安装连接，完成项目试车投产的一种建设模式［1］。

油气田地面工程的模块化建设主要包含模块化设计、工厂化建造、包装运输和现场安装四个环节，其中模块化设计的任务是将站厂设施划分成若干模块，并在三维模型的基础上，进行配管、结构、设备、电气仪表等的集成和综合设计［2］。近年来，模块化建设模式的研究和推广应用表明，模块化设计是模块化建设的核心和灵魂［3］，是模块化实施过程的重中之重。

1 模块化设计的基本要求

模块化设计的前提是设计人员对各种地面工程工艺流程透彻了解和具有模块化思维，需要选择工艺技术水平高且具有丰富经验的工程公司进行模块化设计和审查。

模块化对设计人员提出了更高要求，模块化设计人员除了应当具备模块化专业技术，熟悉模块的预制、组装、拆分、包装、运输及现场安装等各环节之外，还需要考虑各环节之间的联系和配合，确保模块的顺利建造、安全运输及现场简易安装，实现最佳效果。

2 模块化设计的要点

模块的设计工作受众多影响因素制约，需要统筹整个模块化建设的全局，不但需要考虑装置的安全生产、出现事故时的逃生路线、设备的可操作性及检修的便利性，而且要从模块装置本身的特点出发，解决在实施过程中模块化设计工作的问题。

模块化设计应当重点做好以下工作：

2.1 模块划分

模块的划分需要基于一定深度的三维模型，模块划分与设备、配管等专业交叉，是模块化设计的重点。

模块划分的设计要点包括：1）满足工艺流程和操作要求。合理划分设备和管道位置，满足工艺流程要求，同时兼顾操作及维检修的需求。2）结合运输线路、重量和尺寸等运输限制条件，确定模块大小，同时考虑现场机械吊装能力。3）考虑模块的功能完整性，每个模块尽可能包含所对应的P&ID（Piping and Instrument Diagram）上的主要系统和辅助系统，并尽量以阀门、仪表等法兰连接件的法兰作为模块分界面。4）模块内的设备、管道及其他部件应该紧凑布置，同时考虑模块的平衡性，确保模块中心与几何重心偏离在合理范围内，确保模块运输和安装过程中的稳定性［4］。5）相邻模块间设置公用操作、检维修通道，减小模块尺寸。

2.2 设备布置与总体布局

设备布置的基本原则是满足工艺设计、日常生产操作和维检修的要求；模块总体布局应当符合全厂总体规划的要求，适应所在地区的自然条件等。

2.2.1 按工艺流程顺序布置

设备按照工艺流程顺序进行左右先后、高低上下的布置，确保工艺流体的顺序流动，避免因管道多次折返绕行增加压降，损耗动力；同时，设备布置按照工艺流程顺序，可以大量减少管材用量。

2.2.2 同类设备集中布置

同类设备集中布置有利于对特性相近的设备采取统一措施，进行防护。

2.2.3 设备布置应当满足操作及维修需要

模块建成后，需要为日常生产管理提供方便，确保正常生产中巡检、操作所需的空间。设备布置不能过于密集，必须满足维修维护的要求，确保大型设备拆装、调运及检修所需要的场地和大型吊机到达设备附近的通道。

2.2.4 总体布局适应总体规划

模块化总体布局需要遵循全厂总体规划。设计时，需要考虑后续开发的可能，不影响二期、三期工程的施工。根据全厂总流程设计的要求，将一些模块集中紧凑布置，组成联合装置，并合用一个仪表控制系统。

2.2.5 总体布局应当满足安全生产

危险区域的模块与含有火源和引爆源区域的模块分隔布置，确保安全距离。降低危险区域泄漏的可燃气体进入防爆区域的可能性。救生设备放置在安全且容易到达的位置，以便险情发生时，人员能够利用它快速撤离［5］。

2.2.6 总体布局应当适应自然条件

模块化总体布局设计应当适应所在地区的自然条件，包括：气候、风向、地形和地质等。根据项目所在地的气温、降雨量、风沙等气候条件和某些设备的属性要求，确定设备是露天布置还是放置在室内。对于占地面积大的超大模块，根据装置内可能出现地质条件好坏不同的地段，考虑将重载荷设备和有振动的设备布置在地质条件好的地段，使其基础牢固可靠，确保装置安全生产操作。为避免事故出现后的次生危险，模块的布置应当考虑风向影响。

2.3 各专业设计协同

相比于传统设计，模块化的设计内容和工作量有所增加，设计精度和制造准确度要求更高。做好模块化设计，需要各专业紧密联系，协同设计。

设备选型时，设备专业应当首先考虑卧式设备，其有利于设备成模块及运输；其次考虑避免模块内设备的顶部平台、配管等出现超高问题；不考虑大型立式设备的模块化设计，避免增加运输难度。

配管专业的主要工作是布置设备和管道，在P&ID的指导下，将工艺设备通过管道、管件、阀门和仪表等联系起来，组成一个模块整体［6］，需要其与各专业进行沟通和协调。管道布置必须满足安全逃生的需要，模块与外界管道的布局和形式应当统一设置，同时，注意管道与设备位置的协调性。工艺设备布置与电仪设备相结合，避免管道与电缆桥架、穿线管、信号变送器等位置相冲突。

结构设计是模块设计的基础［7］，钢结构必须确保设备安全运行。结构专业应当做好一般工况下的整体结构计算，同时进行模块吊装分析，验证吊装过程中的挠度和形变，分析是否会发生倾斜和转动。计算过程中，既要考虑静载荷要求，又要考虑模块运输过程中的动载荷［8］。模块重要节点的设计，如：柱脚节点、模块的连接点、临时支撑点和吊耳节点等的设计，是结构专业的重点。

电气专业分配的空间需要满足区域划分的要求；仪表专业要对仪器仪表位置、信号输入和输出点一级控制柜的大小进行确定［9］。电仪和外界的连接应当考虑统一的连接形式，电仪接线箱适宜布置在模块靠近主桥架一端，确保仪表流量计前后直管段的要求，如：某些流量计要求前后直管道长度一般不小于20D和5D（D为管道直径）［10］。

2.4 三维设计与审查

模块化设计采用三维设计，具有直观性和形象性。在三维模型建立完毕后，图纸和设备材料表可以直接从三维模型生成，用于原材料采购和现场施工。可以通过实景模拟，用三维模型指导碰撞检查、安全逃生、检测维修和可操作性等方面的设计，为模块的预制、组装、拆分、包装、吊装和运输提供帮助［11］。

2.4.1 三维设计软件选择

目前主流的三维设计软件系统主要包括PDMS（Plant Design Management System）和PDS（Plant Design System）系统。PDMS源于英国剑桥计算机辅助设计中心开发的集成设计布置数据库平台，PDMS三维设计可以通过数据传递，最大程度地渗透到EPC（Engineering Procurement Construction）项目整个过程，提高EPC项目整体水平，是目前应用最为广泛的三维设计软件［12］。

2.4.2 三维协同建模

利用PDMS软件，管道专业可以通过数据库中的数据进行设备和管道的建模，土建专业可以进行钢结构、基础、房屋和地坪等的建模。PDMS软件展示立体模型，可以直接、方便地对模型进行校对和修改［13］。

同时，各专业开展三维协同设计：总图专业在模型中建立轴网坐标，规划道路、埋地管道、管沟、路灯和管廊的位置；配管专业组织各专业开展建模，统筹考虑各专业的需求；结构专业开展钢结构和构筑物设计；电气自控专业完成电气仪表、电缆槽体建模；暖通专业负责暖通设施建模，供各专业参考避让；依托其他专业设施，通信、防腐专业进行本专业三维布置，确定重要设施位置。

2.4.3 三维模型审查

三维模型的设计不但要做好模型搭建、管道和设备布置，而且各专业对三维模型的审查也极为重要。三维模型审查通常按照阶段划分，从三维设计开始到完成，按照30%、60%和90%三个节点分阶段审查。30%阶段审查模块设计的总体方案；60%阶段审查设备供应商资料与整体的冲突，需要各专业详细逐条审查确认，避免设计返工；90%阶段审查各专业协作与分工的合理性，重点检查专业间的碰撞及生产操作界面的合理性，需要具有丰富现场经验的人员参与。

2.5 模块包装及防护

模块到达施工现场前需要经过长距离运输、多次吊装转运，因而出厂前需要对其进行有效包装防护。包装防护应当牢固、美观，模块包装的具体要求如下：

1）选择包装方式

首先根据项目所在地的自然条件和模块类型，选用适合的包装方式。不同项目实施地到模块化工厂的距离不同，所采用的包装方式也不同。单体模块常见的包装防护方式有裸装、木箱、雨布、铁皮和热收缩膜等。

2）适应运输条件及天气

模块的包装应当适应运输条件和天气条件。运输条件主要是指运输工具和路线对模块的重量和尺寸的限定，模块的包装需要满足运输条件的限制；天气条件会对路况产生影响，雨雪等天气会对模块中的设备和仪器仪表产生腐蚀、进水等危害，模块包装应当能够防护恶劣天气带来的危害。

3）满足仓储要求

模块到达目的地后有可能存放一段时间，因此，其外包装应当满足仓储要求［14］。

2.6 吊装及运输

模块运输是模块化实施过程的重要环节，模块的装车或装船、转运、卸车等过程需要紧密结合［15］。模块的运输及装卸方式直接影响模块设计，正确合理的运输和吊装方案，可以确保模块安全、顺利地运抵目的地［16］。

2.6.1 确定运输方式

在模块设计之初，需要在对不同运输方式、运输路径进行实地调研及考察后，确定模块安全经济的运输方式和运输工具。目前大型模块的运输多采用自行式模块运输车（SPMT，即Self-propelled modular transporter），可用于高、大、重的货物的运输，灵活方便，车载质量可达数万吨。

2.6.2 考察运输条件

需要充分考察、确认模块制造厂与项目现场之间的运输条件限制，主要是对货物重量和尺寸的限制。运输路由和运输工具会限制货物长、宽、高的最大尺寸及货物最大重量，模块运输需要满足这些条件，并以此计算各模块的最终尺寸和重量。

2.6.3 模块的拆分

在确定了运输路径、运输方式和相应的运输条件后，需要开展模块的整体布局及模块划分与拆分的设计，满足运输要求。模块拆分要尽量确保装置的完整性，减少拆分工作量；结合设备、管道等布置形式进行拆分，减少临时支架等外设。

2.6.4 模块的吊装

由于模块的重量和尺寸较大，其吊装高空作业量大，具有一定的难度和风险。模块整体吊装需要做好前期设计：完成模块总图后，根据整体吊装构想，合理确定主、副吊耳位置；模块图纸完备后，对模块整体进行建模，进行受力校核计算，确定模块吊装过程中的受力状况、稳定性和形变量，并进行运动模拟分析，确保吊装作业期间模块吊装按照分析结果安全进行［17］。

2.7 现场复位安装

模块化的设计原则是工厂预制最大化，将项目现场的工作量尽量在制造厂内完成，减少现场复位安装的工作量［18］，特别是焊接工作量。模块连接应当设计成插件式安装，采用法兰连接，螺栓螺母固定，实现快速复位安装［19］。模块现场复位安装工作包括钢结构安装、单个模块安装、设备和电缆安装、模块间的钢结构及管道连接，以及保温、电伴热等施工。

模块的现场复位安装与传统建造的现场施工差别较大。模块的现场复位安装需要在制造厂的指导下，按照制造厂制定的复装手册进行。在模块出厂包装过程中，需要做好复位安装顺序的标识和说明，确保复位安装顺利进行［20］。

项目施工现场安全风险较高。为减少现场高空作业，有效控制安全隐患，模块化设计应当尽可能地实现地面安装，避免高空施工带来的安全和质量风险［21］。

3 结束语

模块化技术优势明显，已经成为大型油气田工程建设高效施工的关键手段。模块化设计上的问题对模块化的顺利实施和成功应用影响很大，如何做好模块化设计工作，是模块化发展过程中的关键课题。在模块化设计过程中，需要从模块划分、设备布置与总体布局、各专业设计协同、三维设计与审查、包装及防护、吊装及运输、现场组装等多方面进行考虑，才能确保模块化的顺利实施。