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撬装化（模块化）设计在海外工程的应用探讨

文章录入：压力管道许可证咨询网  文章来源：压力管道人  添加时间：2021/9/13
摘要
目前中国工程公司实施走出去的战略，为了提高企业竞争力，降低企业成本，缩减海外施工量成 为重点。本文以海外某脱酸装置为例首先分析了撬装化的四个优势：减少工程量、加快工程进度、提高工程可靠性和降低工程成本；其次研究了撬块划分依据，并在此基础上将脱酸装置划分为 10 个撬块，完成 了撬块的三维建模设计及模型优化；最后所有撬块在国内工厂完成预制安装，有效减少了现场工程量和施 工人员数量，达到了提高质量和降低成本的目的。总结得出了撬装化设计将是中国工程公司开展海外工程的不错选择。
项目概况
天然气脱酸装置作用是分离油田生产过程中伴生天然 气中的 H2S 和 CO2，使其浓度分别降到 7.55ppm（mol）和 2.5%（mol）以下，提供纯净天然气产品，吸收液选用甲基 二乙醇胺。工艺基本流程主要由吸收、闪蒸、换热和再生四部分组成。流量为 50MMscf 的天然气通过压缩机提升至 4.0MPa 后进入脱酸单元，经过滤器除去液体和固体后从塔 底进入吸收塔，与塔顶流入的醇胺溶液充分接触后，酸气被溶液吸收，净化后的天然气进入分液罐除去凝析液，成品气 离开分液罐进入用户管汇。富液进入闪蒸罐蒸出烃类气体后 进入贫富液换热器，与已经完成再生的高温贫液进行换热， 之后进入再生塔与高温蒸汽逆流接触，使酸气解析，吸收液 得到再生。再生后的醇胺贫液从重沸器底部流出，经贫富液 换热器换热降温，再经冷却器进一步冷却到适当温度后去吸 收塔。再生塔中分离出的酸性气体经冷凝器和回流罐分离出 凝结水后去硫磺回收单元进一步处理。国内建造脱酸装置一般将大部分设备和管道管件阀门 仪表等材料准备完毕，在现场进行组装焊接，其设计基本不 受运输尺寸和质量的限制。本项目位于中东戈壁地区，现场组装焊接的条件有限，且成本高，为了提高效率，降低成本， 该项目脱酸装置采用了撬装化的设计模式。
优势
撬装化设计即将整个天然气脱酸装置进行模块设计，通 过三维建模将装置分割成数个撬块，每个撬块在规定的长宽 高范围内布置设备、管道、阀门、支吊架和仪表等，计算每 个模块的质量，适当控制撬块的总质量，模型设计完毕后， 采购设备管道等材料，在国内工厂进行预制，完成大部分装 置组装焊接，撬块预制完毕后经海陆运至项目现场，只需少量的撬块间的连接工作即可完工。采用撬装化设计对于整个海外工程有以下几方面优点。
（1）减少工程量天然气脱酸装置地处中东荒漠地区，现场几乎没有基础 设施，人员稀少，环境恶劣，施工难度大。采用撬装设计理 念，将天然气脱酸装置分为撬块进行进行建造，90%以上的 安装工作在国内工厂预制完成。相对于中东地区现场施工 条件，国内工业装备完善，加之现代化的加工装配技术，可 有效减少工程量。现场的安装工作仅为个别高、大设备，如 再生塔、吸收塔和各个撬块的现场就位，以及撬块设备间的 工艺管道和机、电、仪表引线的连接工作。这些工作大部分 是简单的设备固定焊接、管件连接、电缆间连接器连接，不 需要大型机器设备配合，因此大大减少了现场工程量。
（2）加快工程进度该项目现场气候十分恶劣，全年有 8 个月处于高温天 气，尤其夏季温能够达到 50 摄氏度，几乎无法施工，施工 人员只能在早晨和傍晚工作，每天工作时间短。如果雇佣当 地的员工，按照风俗习惯，他们仅仅在上午工作，而且当地 节日较多，一遇节日当地员工需要休假过节，总体效率十分 低，影响工程进度。采用撬装化设计，大部分制造组装在国 内进行，能够保证全天候工作，加之完善的基础设施和良好 的工作环境，相对于现场，效率大大提高，通过这种方式有 效减少现场的工作日，推动整体工程的进度。
（3）提高工程可靠性该项目所在地区经过多年战争和动荡，整个国家的基础 设施破坏严重，质量检验检测体系不完整，测量仪器不完备， 在设备制造和工程安装过程中几乎无法保证质量，对于复杂 的脱酸装置的安装质量保证手段更是有限。采用撬装化设 计，大部分装置在国内制造厂制造组装，可以充分利用厂内 先进的生产和检测设备，保证整个装置的质量和可靠性， 撬块之间的焊接组装较为简单，在现场进行操作质量可控， 进而从整体上提高了工程可靠性。
（4）降低工程成本现场施工成本高主要从两方面体现：(1) 中东某些地区 工作环境恶劣，同时面临恐怖冲突等各种风险，国内工程公 司一般都为赴该地区工作的人员提供高额补贴，人工成本较 国内高出许多；(2) 现场施工所需的各种机具和安装物资、 器材以及生活配套设施都是经过海运或空运至现场，运输和 维护成本直接提高了工程成本。通过采用撬装设计，可大 幅减少现场施工作业人员的数量和机具使用量，进而缩减了 劳务成本和生活配套设施建设费以及安装物资、器材的运输 费支出，最终有效地降低工程的成本。
设计
3.1 脱酸装置撬装化依据为了合理的划分撬块，设计前期需要调研限制撬块体积 和质量的实际情况。由于撬装化的模块是从中国海港出发经 过海运送至中东某港口，再从该港口经公路运送至现场，这 就需要考虑外界运输工具、道路、桥梁的限制条件。首先要保证撬块的大小形状能够满足海运轮船和陆运车辆的装载 要求，同时每个撬块的质量要控制在现场吊装能力范围内。其次要满足该国境内沿途公路通行条件，由于连年战争，该 国境内公路上每隔一段距离设有路障，需要测量沿途所有路 障的间距，控制撬块宽度，以保证车辆顺利通行。再次，要 满足该国境内桥梁和桥洞通行条件，确保运货载重小于桥梁 承重，确保所运货物高度和宽度能够通过沿途桥洞。根据实 际调研情况，综合考虑，确定脱酸装置的撬块设计的尺寸和 质量要求，见表 1。
此外中东地区恶劣的气候条件不同于其他地区，对脱酸 装置的运行有一定影响，因此，撬块的设备和管道管件选材 时需要充分考虑当地气候因素。表 2 所列气候条件是撬块选 材的重要依据。
3.2 脱酸装置撬装模块划分撬装模块的划分需要工艺专业统筹全局考虑，配管、仪 表、设备专业协调配合，根据各个设备的功能和布置特点以 及撬块尺寸重量要求来确定。虽然尽可能的利用撬块空间是 撬装化的重点，但各个撬块内设备布置仍需严格遵守安全性 和操作性要求，撬内装置的布置应该保证最低的操作、调试、 维修空间。本项目脱酸装置的模块划分 7 个功能区域，经 三维建模反复调整后，最终确定 10 个撬块。吸收塔和再生塔由于体积较大，作为单独设备运往现场。
实施
撬块划分完毕后，接下来需要各个专业进行详细设计， 其中最主要的是配管专业通过建模来完成整个撬装化的设计。
4.1 撬块配管原则撬块配管原则主要有以下几点：（1）符合工艺流程要求， 满足撬块尺寸和重量要求；（2）便于操作管理，并能保证安全生产；（3）便于管道的维护和阀门的操作；（4）要求整体和谐美观，尽量节省材料。设计人员在撬块建模时应认真遵 守配管原则，从设备布置方面下功夫，将相对高的设备布置 在中间，相对低矮的设备和阀门布置在撬块周边，如此维修 人员及其工具能够很方便地接近设备，对日常运行、维护以 及检修、拆装都具有重要意义。如图 1 所示，脱酸装置中较 大的再生塔回流罐布置在撬块中间，两个较小的回流泵及阀 门布置在周边。
为了方便将来现场的快速可靠连接，撬块与撬块之间的 管道应尽量设计为法兰连接。撬块内如果设置人员通道的话，其宽度不能小于 900mm，高度不得低于 2150mm。
4.2 撬块的三维建模本项目采用 SP3D 进行三维建模，设计人员可以根据工 艺流程合理安排撬块内各个设备管线布局，紧凑布置，使用 最小的空间达到预期安装效果，对撬装化设计质量的保证和 提高工厂预制的效率具有重要的意义。脱酸装置根据已经划分好的撬块进行 SP3D 建模：（1） 用钢结构框架和板材建立撬块占位空间，以此控制撬块尺寸，此后的所有设备、管道阀门、仪表电气和支吊架等都不 能超出此范围；（2）设计人员在框架结构上依次建立设备、 管道、仪表电气等模型，其中最重要的是设备定位，设备定位时一定要反复校核，一旦定位完毕，不再调整，否则和设 备接口的所有管道都要跟着移动，可能导致整个配管系统大量修改调整，仪表和电气专业根据各自要求进行布置；（3） 管道仪表等布置后，根据支撑需求为管道、仪表电气电缆分别建立支吊架和桥架模型，支吊架一 般安装在结构上，特殊情况下可焊接在设备上。建立模型时可以通过软件自带的碰撞检测功能及时调 整管道桥架布置，预先避免管道、设备和仪表桥架等之间的 碰撞[6]。
4.3 撬块模型优化校核撬块模型的优化主要基于可靠性和安全性两方面考虑。撬块建模完毕后，根据工艺流程中高温高压或输送危险介质 等性质列出重要管道，进行应力分析，然后调整管道布置的 方式或改变支吊架的形式，使管道或设备管嘴在运行时的受 力控制在合理范围内，提高可靠性。最后对设备和仪表电气 进行核算，重点核对定货的设备、仪表阀门的模型占位，验 证实际采购设备仪表等和模型中的尺寸规格是否一致，确保 模型中撬块的空间满足安装操作要求。
4.4 撬块试压和运输整个撬块完成设计出图后在工厂进行制造安装，完工后 对每一个撬块按照国家标准要求进行水压试验和气密性试 验，以保证撬块的质量与可靠性。撬块经历海运和陆运，情况复杂，保证运输过程中撬块 不受损伤非常重要。运输时需将设备和撬块分类包装，放置 防水箱内，同时为了方便现场布置和拆卸，每个箱子附带清 单，写明设备撬块的名称编号、设备清单和图纸编号等。此 外，为了方便清关，所有箱体都要在外面显著处表明项目名 称、装置名称、设备标签和采购订单等。
结语
该天然气脱酸项目通过撬装化设计理念，顺利完成了工 程设计，大部分装置的安装在国内工厂完成，有效减少了现 场安装工程量和施工人员数量，达到了提高工程质量和降低 成本的目的。总而言之，撬装化设计在实施海外工程过程中 具有相当优势，随着中国工程公司走出去战略的实施，这种 设计模式将会被越来越多的海外工程采用。