一体化建造所需的设计工序工艺匹配探讨

郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

一体化建造所需的设计工序工艺匹配探讨

郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋工程领域，采用建造一体化可以节省施工人力、场地以及生产机具等资源，从而达到提高生产效率、降低生产成本、提升产品质量的目的。通过优化设计过程中的工序及工艺，实现设计工序及工艺与一体化建造方法的匹配，可促进一体化建造的实施。根据专业设计的特点，从促进建造一体化的角度出发，提出了诸多优化设计工序及工艺的方法，从而可以避免设计过程对一体化建造的制约。

海洋工程；一体化建造；工序；工艺；工期

0 引 言

随着海洋石油开发进程的不断加速，油田的规模越来越大，平台上部组块也越来越复杂，使得平台结构物的尺寸与重量越来越大，所需要的设计和建造的时间也随之延长[1]。而目前海洋工程的建造工期普遍较短，为了满足工期要求，往往设计的深度不够就开工建造，随着设计的深入，不可避免会有后期的修改返工。因此，促进建造一体化的实施将是未来海洋工程建造的趋势。

海洋工程传统建造模式是典型的顺序工程，把结构建造视为首道作业，结构分段建造并涂装后组装并固定于滑道上，然后进行设备、管线、支架、舾装等设施的施工[2]。在施工过程中，需要进行大量的脚手架高空作业，对结构进行切割和焊接并安装相关设备设施，破坏结构涂层后再重新补涂。

一体化建造是根据建造预舾装和公司实际生产设施情况要求，对设计方法、建造工序等进行革新，在预舾装阶段分片完成结构、设备管线等设施的安装及整体涂装，提高施工效率，降低项目成本。本文从设计角度出发，研究了设计工序及工艺与一体化建造方法的匹配，以促进一体化建造的实施。

1 一体化建造简介及设计制约因素

传统建造工序及工艺为在甲板片滑道吊装后，高空安装立柱、拉筋、管线支架、电缆托架支撑、脚手架、栏杆等散件。传统建造工序及工艺如图1所示。

一体化建造工序及工艺为在甲板片预制完成后，地面安装拉筋、管线支架、电缆托架支撑、小型设备底座、脚手架、栏杆、等散件，最后再进行整体吊装。一体化建造工序及工艺如图2所示。

图1 传统建造工序Fig.1 Conventional construction technology

图2 一体化建造工序Fig.2 Integration construction technology

在组块建造过程中，实现一体化的关键是尽早确定组块建造模块分区方案。作为最小单位的模块，既是一个作业单位，又是一个供安装用的零、部件及器材集配单位。组块建造过程中有大量的舾装件要预制与安装，为便于施工和管理，把它们按作业阶段和作业场所划分成一个个比较小的单位。每个模块建造均为一个小工程，在相同阶段、同一场所内完成，同时明确规定每个模块建造工程项目的开工和完工日期。这样，整个工程计划、工程进度和物资器材供应也都可以一一落实了。就信息和资源而言，“模块建造”意味着：设计方面，包括图纸及其材料表；材料采办方面，一整套材料的采办；生产方面，包括工作量、劳动力和设备。就工作进度计划而言，“模块建造”意味着：设计方面，图纸及其材料表的完工和发送日期；材料采办方面，一整套材料的发送日期；生产方面，一定时期内工时和设备的分配。

通过传统建造与一体化建造工序及工艺对比，发现一体化建造实施效果明显。总结在建海洋工程项目的经验，可以明确一体化建造的优势主要体现在如下几个方面。

(1) 提高生产效率。主要体现为设备管线等与结构在地面交叉施工，能明显缩短工期，加快项目进度。散件安装就位后，大部分附属构件可与甲板片一起涂装，提高涂装效率。另外，一体化地面交叉施工很大程度避免了施工人员的工作量，提高了工作效率。

(2) 降低安全隐患及劳动强度。主要体现为将部分高空作业工作量转为地面作业，减少了空间交互式作业量，大大降低安全风险，为施工人员提供了更为安全、便捷的作业环境。

(3) 降低机械台班成本。主要体现为由于施工高度下降，降低了对吊车能力的需求，同时减少了吊车的占用时间，降低机械台班成本。传统工艺拉筋、支架的安装需要大型履带吊将构件吊至高空；而一体化工艺使甲板片上方的构件用汽车吊便可完成，甲板片下方的构件用叉车就能运输到位。

(4) 保证焊接质量，减少二次补漆。低空焊接作业环境更好(如避风、预热等)，更有利于保证焊接质量；同时减少由于后上散件对甲板片油漆的破坏，省去打磨和补漆工作。图3为传统支架安装照片；图4为一体化支架安装照片。两相对比，后者显示出明显的效果。

图3 传统支架安装Fig.3 Conventional support installation

图4 一体化支架安装Fig.4 Integration support installation

综上所述，一体化建造的优势十分明显，而其中最主要的表现是建造阶段的施工效率高、建造周期大大缩短。例如，渤海某海洋平台上部组块重5 271 t,从详细设计启动到陆地建造结束并完成平台拖拉装船，总共历时不足1年，刷新了当时的组块陆地建造纪录。之所以能取得如此业绩,一体化建造起到了非常重要的作用[3]。

然而，一体化建造也存在一些不足，比如实行一体化建造对前期方案设计的要求较高，这势必导致设计周期延长及投入的人力增加；另外，一体化建造需要分成多个模块进行托盘设计，无形中增加了诸多界面方面的工作及陆地总装拼接的工作。但是考虑到建造阶段的人力和财力投入远远大于设计阶段，从整个工程角度出发，实行一体化建造还是利远大于弊。

从设计角度出发，设计对一体化的制约因素主要体现在两方面：设计阶段和深度，设计工期。

在国内的海洋工程行业中，在设计的前期阶段，与一体化建造相关的设备、管线、舾装等设施的基础规划、布置类方案或图纸是不涉及的。而按照国际惯例，前期设计包括所有的主要预舾装件布置、规划的图纸、设计文件、清单，而且必须做到一定深度；后期设计阶段结合厂家资料，进行加工设计。为推进一体化建造工作，根据新的设计、建造需求，有必要参考国际同行的经验和做法，对现有的设计阶段和深度重新思考和配置，合理调整、充实各阶段设计内容和深度，提高设计各阶段的效率和成果。

在设计工期方面，当设计满足施工要求时，就可以有条件地边设计边施工，而且设计与施工部门能有效地交流互动，从而节省工期、优化方案、提升项目效益。从总体上看，实施一体化建造要考虑的设计工期，一是要满足基本的设计方案的确定，二是要考虑影响施工的厂家资料信息的获取时间。站在设计角度，主观和客观上都要考虑技术方案与采办的有效配合。否则非但达不到一体化建造的效果，还给现场施工带来重大影响甚至造成返工。

综上所述，通过研究优化设计过程中的工序及工艺，实现设计工序及工艺与一体化建造方法的匹配非常必要。

2 设计工序工艺匹配研究

2.1 设计工序中一体化的限制因素及改进建议

首先是设计理念及设计要求完善。近年来的海洋工程项目，设计工序可理解为从整体到局部进行的设计思路，这与一体化设计建造理念相吻合。然而，由于大多数项目并未执行一体化建造，在设计工序中并不会体现出如何满足一体化建造需求来进行设计，从而导致在设计工序中的确认设计要求这一阶段，不会提出将一体化建造的思路作为重点考虑项贯穿整个设计。

因此，建议增加如下工序，完善目前专业设计工序以匹配一体化建造：(1)增加一体化设计建造的要求及理念，要求建造方在项目初期就参与到设计当中，提出一体化设计建造思路并跟踪执行；(2)设计初期各方协调确认一体化建造的分块方案、建造工序及工艺；(3)根据已确定的建造方案，总体设计时按照建造资源协调相关方进行模块化设计；(4)设计阶段按照一体化思路，按计划配合提供设计图纸及设计、采办料单。图5为建议完善后的设计工序流程图。

图5 设计工序完善Fig.5 Optimization of design procedure

其次是图纸计划差异。在设计过程中，由于内部因素和外部因素，各个项目不同程度地存在设计施工图纸提交时间晚于现场一体化建造需求时间的现象。针对此问题，建议在满足设计工期的条件下，在设计工序方面采取如下措施进行匹配：(1)加强设计方与建造方之间的沟通，熟悉组块每一分段的建造方法及顺序，并据此微调设计工序，保证设计文件的提交顺序匹配建造需求；(2)建议在制定设计计划工序方面，根据一体化建造方法编制详设出图计划，调整出图顺序和时间；(3)在人力计划方面，建议协调调整关键点上的人力和计划，另外，可根据模块建造计划的顺序，制定出图计划，做到不影响一体化施工；(4)根据合理的设计计划，适当保证设计工期，确保详设文件提交时间匹配一体化建造。

2.2 设计工艺中促进一体化建造的方法

在设计工艺范畴，布置类图纸及典型安装图与一体化设计建造息息相关。因此，促进一体化需要从模块化标准化、新技术新方法、新材料新产品三方面进行优化。

2.2.1模块化标准化

模块设计定义为模块的划分及其模块内物资的确定。这需要根据总体建造方案的划分原则，由设计方以模块管理表形式分类规划物资的集配，以便据此进行物资采购或制造，并按规定的交付期送到生产现场。

方案设计中针对组块中的密闭空间区域，如房间等，如果不执行一体化设计及建造，将会有大量的返工，严重影响施工进度和施工质量。因此建议前期总体布置时尽量将密闭空间区域集中布置，设计时将其作为独立模块进行一体化建造。

模块的划分通常根据如下因素进行确定：(1)根据平台整体功能体系，按照系统将其分类分区进行模块化设计，使每个模块自成体系，例如典型的平台一般可考虑分为主工艺处理模块、公用设备模块、电站模块、生活模块等；(2)模块划分及布置时，须考虑将危险的生产设施和非危险的生活设施进行隔离，确保平台整体的安全最大化；(3)综合考虑平台整体的重量中心以及主钢结构受力因素，尽量使各个模块的整体重心偏移不大，并使各个模块的结构受力至最佳；(4)模块划分须提前考虑建造资源的因素，比如滑道资源、吊装资源等，建造资源对单独模块的规模、尺度及重量等具有一定的限制。

图6为国外某半潜式平台上部组块的模块划分布置图，可供一体化建造模块设计参考。

图6 某半潜式平台模块划分布置图Fig.6 Modules layout of a semi-submersible platform

在各个模块之间的接口精度控制方面，主要体现在如下几个方面：(1)在设计阶段，应根据场地的施工条件及能力，各个模块之前的施工间距确保足够以保证安全拼接及管线电缆等正常连接；(2)在建造阶段，应制订合理的合拢方案及合拢顺序，以保证各个模块的总装精度；(3)在焊接控制方面，应根据各个工序的实际情况进行模拟试验，尽量控制焊接收缩量对模块建造精度的影响。

在标准化方面，以管道设计为例，需加强地漏布置设计及管廊支架设计的标准化设计程度，降低图纸受其他因素制约的程度，保证与钢结构同步施工。另外，建议开发研究一些非焊接支架标准安装形式，应用于工况不太苛刻的场合中，可以减少由于后续修改导致的焊接施工破坏；针对管廊支架型钢尺寸无法提前确定的问题，建议在主管廊区域设计标准化的管廊，这样可以保证管支架与结构同步施工。

2.2.2新技术新方法

在新技术方面，建议大力推行智能管道仪表流程图(PI&D)的应用，便于后续专业的阀门采办工作及其他工作顺利进行，进而促进一体化的实施。

在新方法方面，建议根据一体化建造各个模块的需求料单，按照计划提供料单，同时局部调整采办策略，将设备资料提供时间作为关键节点进行控制，尽早消除影响施工图纸的因素，如设备管口信息、滑道梁信息、仪表元件资料等，尽量做到与结构同步施工以促进一体化建造。

2.2.3新材料新产品

以管线的保温材料为例，目前项目应用的管线保温材质为玻璃棉材质，由于其纤维较短小，添加了结合剂，韧性差，抗拉强度小，使用寿命短，因此不太适合施工大管道和保温设备，这在一定程度上影响了一体化建造的进程。而目前市场上开发的新型保温产品，如无机保温毯，有幅面大、强度高、柔韧性好等优点，在大气环境中使用寿命一般在10年以上，最重要的是适宜于任意曲面形状施工，可以大大提高施工效率，促进一体化建造。

以管线支架产品为例，针对尺寸较小的管线，建议适当应用一些非焊接的新型支吊架，这样可以从一定程度上避免动火焊接，提高施工效率，促进一体化建造的实施。

另外，关于管道非焊接连接的方法，通常应用的有法兰连接、螺纹连接、卡箍连接等。这些连接形式存在一些很明显的弊端或应用局限性。因此，寻求经济、可靠、易于安装的管道非焊接产品对促进一体化是有利的。

3 结 语

一体化建造对设计和采办提出了丰富而具体的高标准、高要求，是设计、采办、建造综合匹配的应用活动。本文从设计角度出发，探讨了开展一体化建造对设计工作的影响，提出了针对一体化建造需要而改进设计工作的建议和措施。

近年来，已有不少海洋工程项目明确提出按照一体化建造实施。通过不断的工程实践，逐步将一体化的理念和技术投入应用，海洋工程一体化设计建造的程度将不断提高并取得令人瞩目的成绩。一体化设计建造的推广应用将成为海洋工程项目的必由之路。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会．海洋石油工程设计概论与工艺设计[M]．北京：石油工业出版社，2007．

[2] 杨胜, 于琦, 杜伟, 等. 海洋平台生活楼一体化建造技术研究[J]. 中国海洋平台,2015,30(6):31.

[3] 张占立, 沈留兵. 海洋平台一体化建造新工艺的效益浅析[C]. 深海能源大会，2015.

DiscussiononMatchingDesignProcedureandProcesstoIntegrationConstruction

HAO Meng-jiang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

In the field of offshore engineering, integration construction technology can save manpower, construction sites and machines etc., so as to speed up the production efficiency, reduce production costs, and improve product quality. If the design procedure and process could match the integration construction technology, then we can promote the implementation of the integration construction through optimizing the design procedure and process. According to the design characteristics and perspective of promoting construction integration, some optimization methods for the design procedureand process are put forward, so as to solve the restricting factors of the integration construction.

ocean engineering; integration construction; procedure; process; project time limit

2016-09-23

郝孟江(1983—)，男，工程师，主要从事平台总体布局与管道设计方面的研究。

P75

A

2095-7297(2016)05-0310-05