張 碩，姜美玉，龐 帥，蔡峰峰，孫 銳，程浩力

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085)

模塊化設(shè)計(jì)及建造是指將廠站設(shè)施按功能、單元或區(qū)域分解為多個(gè)模塊統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并在不同地點(diǎn)進(jìn)行工廠化建造，之后運(yùn)輸至建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝的模式[1]。起源于20世紀(jì)60年代造船工業(yè)上的模塊化技術(shù)逐漸被歐美國(guó)家在海上油氣鉆井平臺(tái)及陸上石油化工及油氣田項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始研究并借鑒該技術(shù)的應(yīng)用[2-3]。目前，在國(guó)內(nèi)外油田地面工程、長(zhǎng)輸管道及其他行業(yè)中模塊化已普遍應(yīng)用[4-8]。

對(duì)于社會(huì)依托較差、位置偏遠(yuǎn)的油氣田，模塊化設(shè)計(jì)及施工得到了廣泛地應(yīng)用，我國(guó)西北部的長(zhǎng)慶油田近年來(lái)進(jìn)行了大量推廣和使用[9-12]。在我國(guó)執(zhí)行的眾多海外項(xiàng)目中，模塊化理念由于其優(yōu)勢(shì)也得到了大量使用[13-14]。我國(guó)參與的海外油田大多環(huán)境惡劣、社會(huì)動(dòng)蕩，現(xiàn)場(chǎng)缺少建設(shè)依托；當(dāng)?shù)赜霉べ|(zhì)量差，國(guó)內(nèi)人員動(dòng)遷手續(xù)繁雜且周期長(zhǎng)。注水泵站點(diǎn)多而廣，各站具有相似性。采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工方式建設(shè)工期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)大、建設(shè)成本高，已經(jīng)不能滿足海外地區(qū)大規(guī)?？焖偕袭a(chǎn)的需求，模塊化設(shè)計(jì)及建造是項(xiàng)目執(zhí)行的必然選擇。

目前油氣田地面工程中，模塊化多應(yīng)用于氣田項(xiàng)目中，在油田采油及注水項(xiàng)目中應(yīng)用相對(duì)較少。因此，以中東某油田地面注水泵站項(xiàng)目為例，介紹模塊化設(shè)計(jì)在海外油田注水泵站項(xiàng)目中的應(yīng)用及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，為海外油田類似項(xiàng)目模塊化、橇裝化的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 海外油田注水泵站模塊化設(shè)計(jì)需求

1.1 安全需求

項(xiàng)目地處中東地區(qū)，包括5座注水泵站，總規(guī)模63萬(wàn)桶水/d，每座注水泵站包含4臺(tái)注水泵和2套6頭式配水閥組以及儀表、電氣、通訊設(shè)施擴(kuò)建等內(nèi)容。項(xiàng)目所在國(guó)政治、宗教等原因?qū)е掳踩蝿?shì)嚴(yán)峻，且5座注水泵站分布范圍廣，現(xiàn)場(chǎng)安全管理風(fēng)險(xiǎn)巨大，采用模塊化設(shè)計(jì)和建造可以實(shí)現(xiàn)“工廠預(yù)制最大化，現(xiàn)場(chǎng)施工最小化”，將90%的現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量轉(zhuǎn)移到國(guó)內(nèi)工廠執(zhí)行，從而大大降低現(xiàn)場(chǎng)施工的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 質(zhì)量需求

海外油田注水泵站項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力一般較高，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力為25 MPa，屬于高壓工藝管線，管道材質(zhì)為雙相不銹鋼，造價(jià)昂貴，對(duì)焊接技術(shù)要求較高，現(xiàn)場(chǎng)施工焊接容易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等多方面因素影響，從而影響焊接質(zhì)量。采用模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)和建造，焊接、吹掃、試壓、調(diào)試均在國(guó)內(nèi)模塊建造廠內(nèi)完成，施工條件好、管道的焊縫成型率高、外觀規(guī)整、焊縫質(zhì)量好[3]。

1.3 工期需求

該項(xiàng)目工程總承包周期18個(gè)月，油田低壓注水部分要提前投產(chǎn)，此部分工期僅為10個(gè)月，若采用傳統(tǒng)模式現(xiàn)場(chǎng)施工幾乎不可能完成，采用模塊化方式進(jìn)行建造可使施工工序深度交叉，土建基礎(chǔ)與工廠模塊化建造同時(shí)進(jìn)行，90%焊接工程量和鋼結(jié)構(gòu)工作量轉(zhuǎn)移到國(guó)內(nèi)建造廠，規(guī)避項(xiàng)目所在地自然環(huán)境惡劣造成的施工影響和社會(huì)動(dòng)蕩導(dǎo)致的停工及阻工風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率，縮短了工期。

1.4 降本增效需求

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多次總承包談判降價(jià)，項(xiàng)目成本壓力巨大，采用模塊化設(shè)計(jì)和建造，加強(qiáng)對(duì)質(zhì)量和進(jìn)度的控制，可以降低項(xiàng)目成本，提高效益。

2 海外油田注水泵站模塊化設(shè)計(jì)原則

2.1 全面覆蓋原則

海外油田注水泵站模塊化設(shè)計(jì)不僅集中在工藝和配管上，也涵蓋了結(jié)構(gòu)、電氣、通信、自控、防腐等配套工程上，地上部分模塊化率達(dá)到100%。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一原則

在模塊化設(shè)計(jì)之初，結(jié)合建設(shè)、生產(chǎn)和運(yùn)行的實(shí)際情況，將5座注水泵站的工藝流程、配管方式、電氣儀表集成模式統(tǒng)一到一個(gè)層面上，同時(shí)處理好各個(gè)泵站的差異性，盡可能做到統(tǒng)一化、通用化。

2.3 安全經(jīng)濟(jì)原則

模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到運(yùn)輸條件對(duì)模塊尺寸的限制應(yīng)緊湊布置，但也應(yīng)該充分考慮逃生、檢修、維護(hù)、運(yùn)行等空間應(yīng)達(dá)到“安全、經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)效果。

3 海外油田注水泵站模塊化設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 模塊的劃分

模塊的劃分受運(yùn)輸條件、建造場(chǎng)地、工藝流程等因素的限制。該項(xiàng)目綜合考量了各種限制因素，確定出模塊最優(yōu)邊界尺寸為32 m×5.5 m×4.9 m(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)量上限為110 t。根據(jù)工藝流程和平面布置進(jìn)行布局與劃分，共劃分出3類模塊，分別為泵進(jìn)出口模塊(PAU，圖1中01部分)、匯管管廊模塊(PAR，圖1中02部分)、注水閥組模塊(PAU，圖1中03部分)，1座注水站共12個(gè)模塊。注水泵站平面布置及模塊劃分如圖1所示。模塊類型及尺寸如表1所示。

表1 模塊劃分統(tǒng)計(jì)表

3.2 模塊的類型3.2.1 泵進(jìn)出口模塊(PAU模塊)

泵進(jìn)出口模塊集成了過(guò)濾分離器、流量計(jì)、閥門、管道、接線箱、配電箱、槽盒、底座、操作平臺(tái)和管線支撐機(jī)構(gòu)。模塊布置充分考慮維檢修空間和逃生通道，通過(guò)應(yīng)力、抗振和降噪分析滿足管系整體穩(wěn)定性；通過(guò)強(qiáng)度、剛度和抗振計(jì)算滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；通過(guò)吊裝和包裝防護(hù)設(shè)計(jì)滿足運(yùn)輸安全穩(wěn)定性。具體布置如圖2所示。

3.2.2 匯管管廊模塊(PAR模塊)

匯管管廊模塊集成了各注水泵的進(jìn)出口管線匯管、回流管線匯管以及電纜主槽盒，與各泵進(jìn)出口模塊設(shè)有管線及槽盒分支接口；出口匯管上設(shè)有閥門，用以連接注水閥組模塊，并可通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)斷操作對(duì)注水閥組進(jìn)行作業(yè)切換。匯管模塊分支接口定位可根據(jù)不同項(xiàng)目情況進(jìn)行調(diào)整，匯管模塊受運(yùn)輸?shù)跹b限制時(shí)，可進(jìn)行長(zhǎng)度方向上拆分，拆分點(diǎn)處的管段可通過(guò)焊接或法蘭形式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連接。具體布置如圖3所示。

3.2.3 注水閥組模塊(PAU模塊)

注水閥組模塊與匯管模塊中的出口管線閥門相連，承載多套注水分支管線，相鄰2套分支管線背靠背對(duì)稱布置，為了降低鋼結(jié)構(gòu)投資，只在操作通道采用鋼格柵；電氣配電箱與儀表接線箱分別設(shè)置在模塊底座兩側(cè)，電纜出分線箱后，用以連接控制流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥組，經(jīng)注水泵增壓后的生產(chǎn)水由注水閥門模塊完成各井口的分注工作。具體布置如圖4所示。

3.3 模塊的接口3.3.1 管道接口

模塊與模塊間管道的連接方式有2大類：可拆卸連接(法蘭連接)和不可拆卸連接(焊接)。本項(xiàng)目法蘭材質(zhì)造價(jià)昂貴，為節(jié)約投資采用焊接的方式連接，該種方式對(duì)預(yù)制及現(xiàn)場(chǎng)就位的精度要求很高，以保證復(fù)裝的準(zhǔn)確性。

3.3.2 自控系統(tǒng)接口

模塊內(nèi)的儀表穿管敷設(shè)至接線箱處，局部電纜密集處設(shè)置橋架。電纜敷設(shè)方式整潔、統(tǒng)一。接線箱放置在模塊的邊緣。

3.3.3 電氣系統(tǒng)接口

模塊中較大的負(fù)荷由配電室直配。小負(fù)荷在模塊上設(shè)置分配電箱，模塊內(nèi)部配電電纜由分配電箱配出，模塊外部電纜接口在配電箱處。

3.4 臨時(shí)加固設(shè)計(jì)

模塊在建造、運(yùn)輸過(guò)程中由于制作條件和受力狀況與正常使用工況不同，需采取相應(yīng)的加固措施以保證穩(wěn)定性。所有臨時(shí)加固所使用的U型卡、絲杠、螺母為鍍鋅件，槽鋼用防腐油漆處理，所有臨時(shí)支撐材料與正式產(chǎn)品材料接觸的部位必須使用白色的膠皮作隔離。臨時(shí)加固全部采用高強(qiáng)螺栓連接，方便安裝、拆卸和重復(fù)利用。

3.5 吊裝設(shè)計(jì)

模塊整體吊裝需要做好前期設(shè)計(jì)：完成模塊平面布置圖后，根據(jù)整體吊裝構(gòu)想合理確定主、副吊耳位置；模塊圖紙完備后，對(duì)模塊整體進(jìn)行建模和受力校核計(jì)算，確定模塊吊裝過(guò)程中的受力狀況、穩(wěn)定性和形變量，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬分析，確保吊裝作業(yè)期間模塊吊裝按照分析結(jié)果安全進(jìn)行[4]。

4 結(jié)論

采用模塊化設(shè)計(jì)和建造提高了建設(shè)質(zhì)量，焊接一次合格率達(dá)到99.8%，焊縫外觀更加平滑美觀，整體施工質(zhì)量得到提高。模塊運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后只有少量的焊接組裝工作，減少了高空作業(yè)和交叉作業(yè)，縮小了作業(yè)范圍，降低了場(chǎng)站施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，模塊到現(xiàn)場(chǎng)一次復(fù)裝、試壓、投產(chǎn)，工期縮短了20%，綜合項(xiàng)目成本可降低15%以上。