用积木搭建一栋自己设计的房子，是不少人童年美好的回忆。石油化工装置也能像搭积木一样建造起来。随着计算机设计技术、施工机械化程度提高，现代化大型吊装运输能力不断增强，模块化设计、制造正在取代传统设计与传统现场施工。


  模块化技术起源于19世纪70年代，随着近些年数字化、智能化设计手段的提高，模块化设计又被注入了新的因素。装置模块化设计是通过集成设计，将石油化工装置按区域划分成若干可在制造厂或项目建设场地内进行建造的模块，现场完成组装和连接，以最大限度地减少项目现场施工量的设计过程。


  浙江至德钢业有限公司技术人员参与负责设计的某国外工程采用模块化设计与施工，建设工期减少了50％，恶劣环境施工现场人员减少70％。压力管道专业主导的模块化设计，在设计时将整套装置分为了若干个模块，在异地独立的生产车间内，所有的设备、管道、仪表、电线等都在钢结构的框架内进行预组装，完成后被运往施工现场，与公用设施对接并进行拼装。


1. 模块化设计建造的优势


  模块化设计建造具有诸多优势，包括工期短、施工现场人员少、施工效率与质量可控性更好、施工安全性更高等。


  a. 工期短 


   传统建设工程需要先完成建筑工地土建，再进行上方工厂管道建设。而模块化设计建造，由于工厂在异地车间预制，土建和管道建设可以同时进行，因此能够节省工期。


  b. 施工效率高 


   这种异地车间预制在厂房内进行，不受天气、环境等外界因素的影响，因此工人的工作效率显著提升，工程质量也更高。传统的装置建造在雷雨天就得暂停焊接工作，而厂房内则完全没有这些因素的干扰，温度、湿度得到控制，还大大提高了焊接的质量。


  c. 安全性高 


   预制模式还免去了不少安全和污染隐患，提高了施工安全性。传统建设工程需配置固定脚手架，施工人员爬上爬下有不少潜在风险。而车间内预制建造，减少了固定脚手架。预制车间内还能进行管道自动焊接，没有烟雾、减少噪声。


2. 模块化设计的特点


  尽管模块化设计建造好处较多，但想要建成一座模块化工厂着实不易。需要考虑设计及模块化施工的限制很多，例如，石油化工装置一些大型设备无法分割成能运输的模块，一些高温高压剧毒流体管道的模块化设计也有较大的问题，特别是预制模块“最后两公里的陆路运输条件”影响较大。


  首先进行道路勘察，包括运输时将经过的轮船、码头、陆路等情况，在掌握模块制造、运输、拼装过程中的各项外界因素后，再着手设计。


  模块化设计中既要考虑装置本身，也要考虑模块的分割问题。例如，有的装置大型设备不能拆分，每个模块设计都需符合运输条件，模块间的连接也要尽量减少。模块在吊装、运输中的变形会对拼装造成困难。需要全方位计算模块的受力条件，找到精确的重心，从而结构专业可以精准设计钢结构和模块的连接。


  ①. 装置应具备成熟的工艺，在工艺流程中将每个工艺单元划分成若干具有完整工艺过程功能的区块。机泵、换热器等设备应尽量选择体积小的设备。如果设备尺寸较大无法满足模块布置要求，则需进行设备拆分划块。


  ②. 将设备、管道、电气、仪表、平台和梯子等尽可能集中布置在模块内。减少模块或模块组之间的接口。


  ③. 设计时需满足标准规范对安全、操作、维护和检修等空间的要求。管道设计还需考虑运输、吊装过程中临时加固措施。泵、换热器等设备和管道阀组等安装在钢结构底板上。


  ④. 每个模块的尺寸需严格控制在最大尺寸和最大重量范围内。将超大设备整体或局部单独视作一个模块设计。例如，可将加热炉整个炉体分为对流室、辐射室、余热回收和烟囱等几个模块，有些平台设计为可拆卸式平台，以满足运输的要求。


  ⑤. 模块化设计制图，可采用三维或二维软件设计。设计文件以模块为基本单位完成，文件编号细分到每个模块。


  ⑥. 模块内部的钢结构以焊接为主，模块之间的钢结构连接尽量采用螺栓等形式连接，模块中的辅助支承构件、设备管道的临辅助运输时支承件可采用螺栓连接，以便于组装就位后拆除。


  ⑦. 模块之间管道连接处可采用法兰或焊接连接，对于高温、高压、有毒和可燃介质管道宜采用焊接连接。模块在制造厂内完成模块内部管道、结构涂装，完成设备和管道的无损检验、吹扫试压、绝热涂漆、仪表及平台安装。模块建造完成后需对相邻的模块在制造厂内进行预拼装，确保在项目现场模块的精准对接。


  ⑧. 模块之间的仪表、电气等电缆需在项目现场完成。


3. 模块化建造的过程及问题


  预制完成后，数日的海路、陆路运输及运输起吊期是对模块结构的一次严峻检验。避免吊装时模块变形。所有的模块运到现场后，完成整套装置的拼装，所有螺栓进行连接。


  相对于传统装置的建设模式，模块化设计周期和模块运输时间有所延长，相应增加制造模块的运输防护、装卸、钢结构、防变形辅助支承构件、大型吊装等费用，从而导致设计、施工费用的增加。因此，装置是否采用模块化设计还需充分考虑项目工程的综合造价和总体进度。


  在一些建设地人工成本更高、气候环境恶劣的地区，压力管道模块化设计建造具有优势。对于一些工艺流程标准化程度较高的石油化工装置，模块化设计成为一种理想的建造方案。