石油与天然气化工  2019, Vol. 48 Issue (2): 8-14
石油天然气装置模块化设计关键概念解析
王辉1 , 王佩红2 , 高威1     
1. 中石油华东设计院有限公司;
2. 中国石油集团工程股份有限公司
收稿日期：2018-06-29
基金项目：中国石油天然气集团公司工程建设分公司“300亿方/年天然气处理工程装置模块化设计制造技术研究”(2014GJTC-02-03)
作者简介：王辉(1982-)，男，工程师，学士，现就职于中石油华东设计院有限公司，主要从事石油天然气装置管道设计及装置模块化研究工作。E-mail: wanghuipg@cnpccei.cn.
摘要：自20世纪80年代以来，鉴于模块化建造技术在规避项目建设地劳动力短缺、人力成本过高、环保要求苛刻等不利因素方面所具有的独特优势，发达国家的大型油气工程建设公司已经大量采用这一建造技术，其设计和建造水平发展迅速。目前，国内设计单位尚未完全掌握大型石油化工及天然气处理装置的模块化设计技术，仅在油田地面工程、中小型天然气处理等领域采用了模块化、橇装化设计建造技术，但未形成科学、系统的技术体系。基于此，中国石油天然气集团公司装置模块化设计制造技术研究课题组依托某300×108 m3/a天然气处理厂项目，通过深入研究模块化设计技术，在国内首次对石油天然气装置模块化设计过程中橇块、模块、模/橇块规格、模块化、模块拆分点、管道拆分点、散件等几个关键概念进行了明确定义。实践表明，上述概念内涵丰富，外延明确，实用性强，能够满足装置模块化建造全流程的需要。通过深入解析上述关键概念，有助于工程技术人员理解装置模块化设计的关键概念及其设计原理，从而准确把握装置模块化的设计方向。
关键词：石油天然气装置    橇块    模块    模/橇块最大规格    模块化    拆分点    散件    
Key concepts analysis of the modular design for petroleum and natural gas device
Wang Hui1 , Wang Peihong2 , Gao Wei1     
1. CNPC East-China Design Institute Co., Ltd., Qingdao, Shandong, China;
2. CNPC Engineering Limited by Share Ltd., Beijing, China
Abstract: Since 1980s, as the advantage of modular construction technology in avoiding the labor shortage, high human cost and strict environmental requirements of the construction place, some large construction companies of petroleum and natural gas engineering in developed countries have adopted it in quantities of engineer constructions, and their design and construction level both developed rapidly. At present, the modular design technology of large petrochemical industry and natural gas treatment device has not been mastered by domestic design companies. The modular design technology and skids were adopted only in the fields such as oil field ground engineering, medium and small natural gas treatment devices and so on. The scientific and systematic technical system has not been developed. Based on the analysis presented above, the project group of "modular design and construction technology research" of CNPC, based on a project of 300×108 m3/a natural gas treatment plant, has deeply studied the modular design technology, and clearly defined the concepts in the modular design process of petroleum and natural gas devices, including the skid, module, module/skid specification, modularization, module splice, pipe splice, ship loose and so on. The above concepts are rich in content, clear in extension and practical. It can meet the requirements of modular construction process. By analyzing above key concepts, it can help the engineering technicians to understand the basic concepts and principles of modular design, so as to guide them to the correct direction of modular design.
Key words: petroleum and natural gas device    skid    module    the maximum size of module/skid    modularization    splice    ship loose    

自20世纪60年代开始，模块化技术在造船业发达的美国、苏联、韩国和日本等国得到了迅速发展，被视为模块化技术的起源；20世纪70年代，此技术被美国、欧洲多国应用在海上油气钻井平台工程项目中，即模块化技术进入了油气行业；到了20世纪80年代，随着高精度的设计手段和现代化大型装备的出现，西方发达国家将模块化技术陆续应用于油田地面工程、天然气处理厂、炼油化工厂、矿业加工厂等陆上项目的建造中，模块化技术的应用由海洋发展到陆地。

陆上石油化工及天然气处理装置的模块化建造可以克服项目建设地劳动力短缺、人力成本过高、环保要求苛刻等诸多不利因素的影响，因此，该技术在福陆(Fluor)、埃克森美孚(Exxon Mobil)、康菲(Conoco Phillips)、壳牌(Shell)等国际知名跨国石油公司的工程项目中已经得到大量应用，取得了丰富的工程经验。

对我国而言，虽然一些油田地面工程、中小型天然气处理工程项目中采用了模块化设计建造技术，但由于未能从理论层面形成科学、系统的技术体系，使得在国外经济欠发达地区大型石油化工及天然气处理工程项目中仍然采用传统建造方式，即便部分制造厂商承接的大型模/橇块制造项目也均由国外工程公司设计。

基于此，中国石油天然气集团公司“300亿方/年天然气处理工程装置模块化设计制造技术研究”课题组依托某300×108 m3/a天然气处理厂项目，深入研究了模块化设计技术，编制了《石油天然气装置模块化设计导则》[1](以下简称《导则》)，并顺利通过专家评审。该导则是我国第1部关于石油天然气装置模块化设计的技术文件，以下旨在对其中的关键概念进行解析，以利于广大设计人员准确理解模块化设计的相关概念，把握模块化设计的方向。

1 模块化建造的实质

模块化建造的优缺点见表 1。从表 1可以看出，由于项目现场存在一些经济、人文、气候、环境及工程保障等难以克服的制约因素，故采用模块、橇块的型式把尽量多的工作从不具备条件的项目现场转移到条件良好的制造厂，可实现施工量“工厂最大化，现场最小化”[2]。因此，模块化的实质是转移工作。

表 1    模块化建造的优缺点 Table 1    Advantages and disadvantages of modular construction

2 概念解析
2.1 橇块与模块

橇块与模块是模块化设计中最基本的概念，但国内外对于橇块与模块均没有清晰明确的定义，往往将两者混为一谈，不加区分，给工程实践和人员交流带来极大的不便，所以在《导则》中首先对这两个概念进行了定义。

《导则》中明确：橇块(skid)是在特定大小的钢制底框上将设备、管道、保温、伴热、仪表、电气、平台、梯子等集中布置并可以整体吊装、运输和装配的集合体。

结合模块化建造的实质可以看出，橇块的定义包含两层意思：一是转移工作，二是高度集成。

把工作从不具备条件的现场转移到条件良好的制造厂，属于项目策划的范畴；把工作以一定的型式从制造厂转移到现场，属于项目实施的范畴。如果不能把转移到制造厂的工作以一定的型式转移到现场，那么模块化就失败了，这个“型式”就是橇块，它通过“特定大小的钢制底框”、以“整体吊装、运输和装配”的方式实现“转移工作”。

“转移工作”的“型式”问题明确后，紧接着便是“转移多少”的问题。比如，当建设地现场施工条件不佳时，可考虑其保温、伴热在制造厂完成，将该项工作由条件不好的项目建设地转移到条件好的制造厂，进而避免了现场不利因素对项目的影响，符合模块化建造实质的要求。因此，应将设备、管道、保温、伴热、仪表、电气、平台、梯子等尽量多的装置组成元素集中布置在橇内，从而使模块化建造的优势最大化。

《导则》中明确：模块(module)是由两个或两个以上橇块装配而成并具有一定工艺功能的组合体。

如图 1所示，在课题的依托项目中，MD-3110101A、MD-3110101B、MD-3110101C、MD-3110101D和MD-3110101E共5个橇块组成了1个名为MD-3110101的模块。

图 1     模块与橇块的关系 Figure 1     Relationship between modules and skids

近年来，在油田地面工程、天然气处理工程项目中探索了定型化、标准化、系列化的设计、施工方法，为了满足这一方法与模块化建造有机结合，在模块的定义中增加了“具有一定工艺功能”的要求，以达到“预先制造”、“可替换”的定型化、标准化、系列化要求，但这并不是强制性要求。例如，中石油苏丹油田地面工程中常见的功能模/橇块见表 2。

表 2    苏丹油田地面工程中常见的功能模/橇块[3] Table 2    Common function modules and skids in Sudan oilfield surface engineering

从表 2可以看出，在油田地面工程中，不仅模块具有一定的工艺功能，有些橇块也具有一定的工艺功能。但考虑到位于内陆的天然气处理工程项目常采用汽车运输的方式，橇块的规格一般都很小，很难实现“具有一定的工艺功能”。因此，橇块的定义中没有此项要求。

需注意，由于炼油和化工装置工艺复杂，流程长，设备、管道尺寸大，介质种类多，操作温度高，所以大多数炼油和化工装置的模块化仅适用于“海(制造厂)对海(现场)”的情况，其模块质量一般都在5000吨级左右甚至上万吨级。在设计过程中，一般是以满足“模块规格”为前提，以“一定工艺功能”为范围，划分成一个或者多个模块而没有橇块。橇块是在模块的制造阶段，由制造厂根据自身车间、场地、机具等限制因素划分的。

2.2 模/橇块最大规格

《导则》中明确：模/橇块最大规格(the maximum size of module/skid)是指在模/橇块的制造、运输和安装过程中，最不利条件下模/橇块的最大长、宽、高、质量和重心位置等的限制性数值。

把工作从制造厂转移至项目现场是装置模块化建造和传统建造方式最大的区别，也是模块化建造的关键环节。而要使这一过程能够顺利完成，模/橇块最大规格是最根本的保障，不超过模/橇块最大规格的限制是实现“工作转移”的先决条件。

在具体的项目中，要限制橇块的最大规格还是模块的最大规格需要具体问题具体分析。从运输的方式来看，最不利运输条件如果是公路运输或铁路运输，则一般限制的是“橇块最大规格”；如果是水路运输，则一般限制的是“模块最大规格”。从装置的类型来看，处于内陆的油田地面工程、中小型天然气处理工程项目的“最不利条件”通常出现在以汽车运输为主的运输环节，所以一般限制的是“橇块最大规格”，通常也称为“运输规格”；大型天然气处理和炼油、化工项目的“最不利条件”往往是由制造、运输和安装等多个环节综合决定的，且一般以水路运输为主，所以一般限制的是“模块最大规格”。以下主要阐述运输环节对模/橇块最大规格的限制。

大多数模块化项目在同一条线路上的运输方式不是单一的，而是公路、铁路、水路等多种方式联运的形式，这就存在因运输工具的不同而产生的“最不利运输条件”，而运输规格就是要确保货物在最不利条件下能够顺利通过，从而保证货物在整条线路上畅通无阻。因此，运输规格是根据同一条线路中“最不利运输条件”确定的。应当注意，在多种方式联运的条件下，“最不利条件”并不是某一段或某一种运输工具决定的，它很可能是由多种运输工具“最不利条件”叠加而成。例如，采用公路与铁路联运的运输方式时，铁路运输货物的宽、高和重心高度都比公路运输小，但长度和质量却比公路运输大，所以，运输规格的宽、高和重心高度由铁路运输决定，而长度和质量由公路运输决定。

同一条运输线路上的运输规格一般只有一个；而一个项目可能有多条运输线路，从而会有多个运输规格，以便满足多种货物的运输。表 3所示的是依托项目的运输规格表，其中A类用于运输模/橇块散件，B类用于运输橇块，C类用于运输装置散件。

表 3    某300×108 m3/a天然气处理厂项目运输规格 Table 3    Transportation size of a 300×108 m3/a natural gas processing plant project

需注意，以汽车运输为“最不利条件”的油田地面工程和中、小型天然气处理装置的“橇块最大规格”一般是在项目前期由物流公司通过详细的路勘直接确定的，并且不允许有所突破，否则有可能需要更换运输车辆甚至无法通行；以船舶运输为“最不利条件”的大型天然气处理和炼油、化工项目的“模块最大规格”通常在项目前期由物流公司根据制造场地、船舶、航道、气象、现场等制约因素确定一个理论的“模块最大规格”，然后在项目运行过程中以此为基准，与模/橇块设计、制造单位通过结构和运输的力学稳定性计算、制造可行性和经济性对比分析，不断优化模块的大小、质量和重心高度。也就是说，汽车运输的“橇块最大规格”是一个定数，不允许突破；船舶运输的“模块最大规格”是一个参考数，需要针对每个模块进行计算、分析，才能做到最优化。

2.3 模块化与散件

《导则》中明确：模块化(modularization)，又称装置成橇或装置的橇装化, 就是将一套装置的部分或全部划分成若干模块、橇块进行设计、制造、运输和装配的建造方式。

散件(ship loose)，就是采用模块化设计的装置中无法成模、成橇或模块、橇块因运输需要而拆卸的部分。

近年来，由于大型施工机具的出现，使得中、小型天然气处理装置的模块化率达到了相当高的程度，但对于大型天然气处理装置和炼油、化工装置，尚无法完全实现模块化。因此，在进行此类装置的模块化设计时，应遵循“宜橇则橇、宜散则散”的原则，所以，在模块化的定义中着重强调了“一套装置的部分或全部”这一深度范围。

散件通常可分为以下两种情况：①当一套装置只有部分可以实现模块化时，“无法成模、成橇”的部分；②无论一套装置的全部还是部分成模、成橇，模块内有些穿橇大口径、高等级材质的管道，模/橇块内的精密仪表、控制阀、电缆槽盒、外挂平台梯子等“因运输需要而拆卸的部分”。其中，前者通常称为装置散件，一般采用深度预制的方法；后者通常称为模/橇块散件，与模/橇块同步制造，随模/橇块一起运输。

由此可见，大型天然气处理装置和炼油、化工装置的模块化布置一般包括模/橇块内设备的布置和模/橇块外设备的布置两大部分，其一般过程为：工艺专业在工艺流程图上将每个工艺单元划分成若干具有完整工艺处理功能的区块，但并不需要考虑区块内哪些设备在模/橇块内、哪些设备在模/橇块外，这需要配管专业根据设备、管道、仪表、电气、操作、检修、防火、防爆等的空间布置要求，结合模/橇块运输规格限制加以确定。在考虑了上述布置空间后，能够布置在模/橇块内的设备即按照模/橇块内设备布置的要求进行布置，这就是装置的模块、橇块；若设备过大，无论采用何种布置方式均超出模/橇块运输规格限制，或对设备进行切割后虽能满足模/橇块运输规格限制，但成本过高或在现场难以复原时，便不能布置在模/橇块内，而应该布置在模/橇块外，这就是装置散件，但其配套的工艺管道可按模块化进行设计。装置模块化布置的一般步骤如图 2所示。

图 2     装置模块化布置的一般步骤 Figure 2     General steps of unit module layout

图 3为依托项目脱硫脱碳装置的三维模型，该项目中共有脱硫脱碳装置6套，此为其中的1套。图中①为模块，②为橇块，其他则为装置散件。

图 3     某300×108m3/a天然气处理厂脱硫脱碳装置三维模型 Figure 3     3D model of desulfurization and decarburization unit for a 300×108m3/a natural gas process plant

值得注意的是，在大型天然气处理装置和炼油、化工装置的模块化布置过程中，“具有完整工艺处理功能”的一个区块应尽量布置成一个模块或多个模/橇块相邻布置，从而尽可能减少敞口管道，为制造厂对模/橇块的水压试验、气密性试验和调试等工作带来极大的便利。

2.4 模块拆分点与管道拆分点

《导则》中明确：模块拆分点(module splice)是将模块拆分成橇块或由橇块组装成模块的钢结构连接节点。管道拆分点(piping splice)则是用于管道拆卸与回装的连接节点。

模块与管道的拆分，目的都是为了满足运输规格的限制，从而实现“工作转移”。

从橇块和模块的定义可以看出，橇块是不需要拆分的，所以橇块没有拆分点，只有模块才有拆分点。模块拆分点宜优先选用非焊接的连接方式，主要包括全螺栓拼接(见图 4(a))和法兰盘式连接两种，法兰盘连接又分为有腿型法兰盘连接(见图 4(b))和无腿型法兰盘连接(见图 4(c))两种。

图 4     模块拆分点的型式 Figure 4     Types of module split points

如果运输规格限制的是橇块，则模块制造完成后需要拆分成橇块运抵现场后再组装模块；如果限制的是模块，则将橇块制造完成组装成模块后运抵现场直接就位即可。

由于模块拆卸和模/橇块与外界连接的需要，大多数穿越橇块界面的管道需要在橇块界面处设置用于管道拆卸与回装的管道拆分点。管道拆分点按连接形式可分为螺纹连接、法兰连接和焊接3种；按位置可分为两端都在模/橇块内和一端在模/橇块内、另一端在模/橇块边界处两种情况。其中，位于模/橇块内的一端应尽可能在不增加法兰、焊口情况下利用位于不同橇块内的阀门和设备的法兰面连接作为拆分点，但当管线长、宽、高任一维度超过运输限制时，需进行再拆分，以满足运输要求。

图 5所示的是某天然气处理厂项目中的一个模块，运输规格限制的是橇块。图中①为模块拆分点，②、③为管道拆分点，④为设备接管口法兰。在③处所设的管道拆分点低于模块拆分点①，立管部分在运输过程中需要拆卸下来作为上层橇块的散件来运输，这也是较为常规的管道拆分点设置方法。为了尽可能不增加法兰作为管道拆分点，可以以设备接管口④作为一个拆分点，但此拆分点高于模块拆分点①，即在高度上超过了运输限制。因此，需要在②处再设一个管道拆分点，②与④之间的管段作为橇块散件运输，这样便可以满足运输规格的要求。图 5中其他拆分点设置原理与上述方法相同，不再赘述。

图 5     模块拆分点与管道拆分点设置的工程实例 Figure 5     Engineering examples for setting module and pipe split points

需注意，在大型天然气处理装置和炼油、化工装置中存在大量高温、高压管道，尽量减少法兰连接是确保装置安全运行的必要手段。前已述及，此类装置的运输对象一般是模块，在制造厂分橇制造完成组装成模块后不需要再拆分，所以其内部橇间管道拆分点通常采用焊接连接方式。出于安全考虑，模块与装置散件或模块与模块之间的管道拆分点也采用焊接的型式，通常有一道焊口和两道焊口两种方式，因一道焊口需要更高的制造和现场安装精度、更宽的管道间距和更小的调节裕量，制造和现场安装难度大，所以一般采用两道焊口的型式，如图 6所示。

图 6     两道焊口的设置 Figure 6     Settings of two welds

3 结论

(1) 目前，由于经济、人文、气候、环境及工程保障等因素，石油天然气装置采用模块化方式建造主要应用在海外欠发达、气候、环境条件苛刻的国家或地区。这种建造方式可以有效降低项目运行风险，规避制约因素，缩短项目工期，提高项目质量。

(2) 橇块、模块的定义是模块化设计的基础性概念，深入理解和准确把握定义的内涵和外延是确保装置模块化设计方向正确的关键。

(3) 模/橇块最大规格是实现装置模块化建造的关键，科学合理的模/橇块最大规格可以大大降低项目投资和风险。模/橇块最大规格一般由专业的物流公司与设计、制造单位共同确定，以汽车运输确定的规格在设计开始后一般不允许再调整，以船舶运输确定的规格需要不断进行计算、分析，以达到最优化。

(4) 模块化的定义既表明了装置模块化建造的基本流程，又指明了装置模块化布置的大方向。

(5) 模块拆分点和管道拆分点的设置与运输规格直接相关，是模块、橇块设计的关键，它关系到制造、运输和现场装配的各个环节，需要在设计过程中仔细推敲、不断优化，并与制造厂、物流公司紧密结合。

(6) 装置的模块化建造涉及到设计、采购、制造、运输、调试、运行的各个环节，在今后的工作中，需要对上述各个环节不断进行优化和创新，才能不断提高装置模块化建造水平，更好地为石油天然气工程项目服务。

参考文献
[1]
王辉, 刘景涛, 马燕妮, 等.石油天然气装置模块化设计导则[Z]. 2017.
[2]
陈朝明, 陈伟才, 李安山, 等. 大型气田地面工程模块化建设模式的优点剖析[J]. 天然气与石油, 2016, 34(1): 8-13. DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.002
[3]
陈玉海, 谢灿波, 高光军, 等. "模块化、橇装化、工厂化"集成技术在苏丹石油地面工程建设中的应用[J]. 石油工程建设, 2013, 39(5): 33-37. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2013.05.010
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