石油化工装置钢结构模块吊装设计常见问题及探讨

赵春侠

摘 要：随着国家提出“一带一路”政策，国际化EPC工程日益走向成熟。石油化工装置模块因为其周期短，成本低的独特优势受到业主的一致青睐，装置模块化也将是未来石化工程项目发展的必然趋势。文中以钢结构管廊模块为例，着重阐述模块在吊装中存在的一些实际问题和改进措施探讨。为此类钢结构模块吊装设计提供设计参考。

关键词：石油化工装置;钢结构模块;吊装工况;吊耳

随着国家“一带一路”倡议的深入实施，越来越多的国内工程公司“走出去”承接大型的海外石油化工装置项目，其中模块化装置项目因为其独特的优势被各大业主客户追捧，模块化设计能力已经成为衡量一个工程公司海外项目承接能力的一个决定性指标。

1 石油化工装置模块化概念

工业钢结构管廊模块是将管廊按照工艺功能，管道，桥架布置，设备尺寸及道路限高，车载吨位限制等条件将管廊划分为若干模块单元，将钢结构构件的加工组装，管道的安装试压，电气仪表的初步调试都放在施工条件较好的国内工厂里完成。每个钢结构模块的最终安装就位完成都经过了施工图设计--材料--预制工厂建造—吊装/滚装装船--海运--国外现场就位安装的一系列流程。总之：石油化工装置模块就是一个个按照工艺要求被在国内搭接好的完美积木，漂洋过海运往海外安装就位，投产使用。

2 石油化工装置模块特点

依据实际工程造价经验总结，北美等海外地区工程材料，建造人工时造价成本远高于国内，甚至达10倍以上，特别是一些工艺设备，管线复杂的大型装置成本相差更大。而就工期而言，北美海外的建造工期普遍远长于国内。

石油化工装置模块化极大减少了海外现场钢结构安装工作量，避免了过多的现场交叉作业，显著缩短了建造周期，节省了大量人工时消耗，也便于后期海外施工质量安全管理。无疑，石油化工装置模块化为客户大大减少成本投入，成为近些年海外工程客户的最佳选择。

3 石油化工装置模块化现状

近些年，随着越来越多的国内工程公司进军海外EPC市场，在人工成本不断提高，低价竞标，讲求效率的施工大环境下，模块化设计在日益成熟的同时也暴露出了越来越多的实際问题值得我们探讨研究。

文中以某北美工程项目管廊模块工程为例，介绍分析当前模块化设计在装船吊装阶段存在的问题及思考。

4 管廊模块的工程吊装实例分析

吊装计算是模块设计中非常重要的计算工况。吊装工况一般发生在模块预制工厂的港口装船阶段和国外施工现场的安装就位阶段，其中预制工厂的装船阶段是比较典型的吊装工况，也是应当引起重视的环节。见图1所示某模块的吊装装船。

本模块500G为北美某石油化工厂内，乙二醇装置中的换热器设备钢结构模块。图2为3D模型，本模块有2台立式换热器设备，3层操作钢结构平台，设备间根据工艺流程，采用管道与其他设备连接，此钢结构模块平面占地尺寸为120m×4.2m，总高度为20m。设备总空重为25t，起重钢结构重量为45t。

此模块的预组装在国内某建造工厂内进行，然后以厂区内陆运，吊装装船，海运，海外陆运方式转运到海外施工现场进行最终就位安装。此处探讨模块在完成预组装后即将装船的吊装工况。

设计阶段的吊装分析是为了确保模块在吊装过程中不发生翻转，摆动，倾斜的情况，并验算模块各构件是否能够满足强度和挠度的要求。并对吊装节点进行设计。对于吊装工况的计算，首先要根据结构形式及重量，起吊设备的吊装能力，作业空间等确定吊装方案。吊装方案给出了吊装所需的吊具类型，吊点布置和吊点数量以及吊点与锁具的角度。设计阶段采用的吊装方案是实际吊装须遵循的的指导方案。也是模块吊装节点设计的假定依据。

图3为本项目所使用的吊排形式，模块吊点与索具夹角为90度，为垂直吊。

图4为基于图三垂直吊装方案下的吊装工况结构计算模型及支座约束假定，计算软件采用STAAD Pro V8i。

图5为基于设计吊装方案下的吊装节点，为石油化工装置钢结构管廊模块中常用的吊耳形式。

值得注意的是，此吊点耳板的平面外承载力特别小，近似为承载力的5%，见图5，图6，此节点对垂直吊装的要求非常高。

然而，实际装船吊装阶段，由于各种工装造价，船运公司的设备资源，船运进度，操作空间等原因，吊装实际采用的吊装方案有可能会现场临时调整，一般情况下，正规的船运公司会走正常程序向设计方确定临时修改方案的可行性。由于500G实际设计吊耳平面内为管廊纵向，故经设计建议的修改方案为图8。但最终由于其他不可知原因，此建议方案未被使用，图7为500G模块实际现场吊装情况。如设计图纸未注明强调所执行的吊装方案，此种情况更易发生。

在实际吊装方案中，我们可以看见吊索在模块横向和纵向均存在夹角，横向夹角尤为明显，此实际吊装情况与设计阶段吊装方案假定是完全相背的，在实际两个方向存在夹角的情况下，吊装工况的支座形式发生了变化，也将对原结构构件梁、柱、支撑等会产生内力重新分布，会导致在原设计假定情况下的结构构件应力超限，进而有破坏的可能。另外，横向夹角方向是在吊耳板件的平面外方向（吊点耳板详见图6）。由于原吊装设计执行方案为垂直吊，而且模块已经预制完成，吊耳平面外并未进行任何补强，板的平面外强度非常有限，最终会导致吊耳板件的破坏，此种不严格遵循设计吊装方案的施工行为为工程安全隐患埋下了伏笔，是应被严格禁止的。

在船运公司临时调整吊装方案时曾向我方设计确认，设计方给出基于当时情况下的较可接受的修改方案，见图8，然而在实际的吊装中并未被执行。由此可知，设计的考量因素在实际施工操作中并不是100%被执行，安全隐患防不胜防。

另外本例中由于工期进度的要求，模块预制完成后通常需要尽快吊装装船，现场临时改变吊装方案经常给设计方核算的时间非常少，在有限的时间内，完成大量模块的吊装方案核算通常是一个巨大的工程量。一般对于这种非垂直吊装，需要根据实际角度在STAAD里模拟出吊具和绳索，再对绳索设为只拉杆件，进行分析。（如图9 非垂直吊装计算简图）。但是此种方法比较耗时，短期完成核算任务的工作压力会非常大。一种比较好的处理方法是利用STAAD里的倾斜支座进行设计，只需要根据船运公司给的吊装方案中的夹角计算出参考点坐标，即可进行计算，如图10所示。倾斜支座在石油化工结构设计中是一种不太常用的支座形式，具体定义方法参考STAAD.PRO V8I.使用说明。

5 关于模块吊装工况，有以下几点心得

①设计者务必在图纸说明中将吊装方案明确约定;

②即使在垂直吊装的假定下，设计工程师应该考虑到实际操作中的不可预知因素，做好构造措施，吊耳板的厚度计算要考虑到有可能的平面外受力，做足安全储备。务必在吊耳平面外增加加劲板，（如图11所示）;

③在模块的吊装工况设计阶段，工程师应根据模块自身特点，应深入研究模块从设计完成到现场最终安装就位的整个阶段可能存在的所有吊装工况，给出一个合理的吊装方案。

另外，在设计阶段施工吊装工程师要深入参与吊装方案制定和决策，吊装工程师应该根据现场的场地布置、施工顺序、地面承载、吊车载重等实际工程信息与设计工程师一起制定出最优的吊装方案。并把确定好的吊装方案正式尽早告知船运公司，给他们足够的时间准备与之匹配为的吊装设备。尽量避免因后期的临时吊装方案调整而引起的潜在风险。

6 结束语

石油化工装置钢结构模块化设计因为其自身的优越性必然是未来石化项目发展的必然趋势，与此同时，模块化钢结构设计也向从事者提出了不同于常规设计更高的要求。设计人员不仅要有扎实的结构设计能力，还要同建造方，施工方，运输方密切配合，从现场施工顺序、计划进度、道路码头、设备供应等综合考虑才能保证模块的安全、顺利就位。才能保证项目的顺利进行。

参考文献：

[1]梁田甜.石油化工装置模块化钢结构设计[J].低温建筑技术，2015（4）.

[2]黄卫明.石油化工装置模块化施工[J].化工设备与管道，2013（2）.

[3]杨晓东.工业装置模块化的钢结构设计探讨[C]//.2013 年全国钢结构技术学术交流会论文集，2013.

[4]郭弘翔.钢结构模块化设计初探[J].建筑设计管理， 2013（6）：65-67.