石化钢框架模块化技术应用研究

纪 旭 张洪涛

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引言

近年来，许多资本项目都采用了模块化的概念，以适应恶劣的天气条件和日益严格的施工进度。模块化[1]定义为使用预制单元(即模块)在场外建造大量的现场工作，然后将它们运送到现场用重型起重机进行吊装。每个模块都被视为一个小型项目，需要独立设计和构建。模块化的应用要追溯到20世纪30年代，当时模块化首次作为一种概念在工业工程中得以应用，被德国的铣床设计采用，到五六十年代，欧美一些国家才真正将模块化上升到理论高度，模块化设计方法由此来研究和应用。当前，各行各业都已经应用模块化设计方法，包括汽车、机床、计算机、家电、建筑、船舶、兵器等等，在建筑工业领域，模块化的理念越来越受到行业者的喜爱，尤其是在石油化工领域，模块化的趋势深入人心。

石化钢框架结构是按梁、柱等构件为基本单元建造[2]。传统的施工和设计有：工人劳动强度大、施工速度慢、生产效率低等等，更是给环境造成严重的污染。转变传统“秦砖汉瓦”的模式，趋向工业化的发展就要创新拓展设计思路和丰富的施工手段。建筑工业化的主要形式就是模块化建筑，随着运输和施工安装技术的快速发展使之成为可能。

2013年1月1日，国务院办公厅发布〔2013〕1号文件转发国家发改委、住建部共同制定的《绿色建筑举动方案》。以钢结构为代表的建筑工业化，具有设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化、应用智能化等特征，有利于节能、节水、节材、节时、节省人工、减少垃圾和扬尘、提升安全和质量，是行业升级的必然选择。钢结构模块化技术也是发展国际高端市场的需要[3]，这能有效地降低项目总成本。

1 石化钢框架模块化划分[4]

模块划分理论基础主要有：

1)模糊聚类分析方法。

它是一个建立产品的原始矩阵，要通过考虑零部件之间的几何相关性、物理相关性和功能相关性建立的原始矩阵，然后其模块划分方法应用模糊数学中的模糊聚类分析方法，并且得到一个动态聚类树按不同水平的阈值，使得根据需求，形成最终模块。

2)面向产品全生命周期的模块划分方法。

以功能分解为基础、综合考虑功能相关、物理相关、时间相关、装配相关等相关准则的功能模块划分方法。

3)基于GT的功能模块划分。

成组技术(grouptechnology,GT)能保证原有设计信息最大限度的使用，零部件产品具有更高的相似度，大幅度缩短设计时间以及产品设计的继承性。产品的构成原则应根据具体功能要求进行模块组合,选择相互匹配模块组合成产品。

典型石油化工项目的模块划分包括：

1)工艺单元模块(Pre-assembledUnit，PAU)。

此类模块通常以一台或多台工艺设备为中心，在有限的空间里把所有的设备、钢结构框(支)架、操作平台、管道、仪表电气设备、电缆以及防火、保温等进行高度集成，典型工艺单元模块。

2)管廊模块(Pre-assembledRack，PAR)。

管廊模块通常包含钢结构、管道、电缆桥架及电缆、防火保温等，典型管廊模块。

3)厂商模块(VendorPackageUnit，VPU)。

厂商模块通常是一个具有独立功能的成橇设备，模块内的设备及其支撑(附属)钢结构、管道、仪电设备、平台、爬梯等的设计和建造完全由设备供应商完成，典型厂商模块。

4)现场机柜间及变配电所等模块化房屋。

典型模块化房屋。

2 钢框架结构模块运输

在确定建造位置和模块大小时，运输通常被认为是最重要的环节。

2.1 陆上运输

转运是模块化结构陆上运输非常重要的环节，转运过程很可能是在没有专业吊装设备和工具的情况下进行的，因此可采用如先吊底模式(如图1所示)。支撑杆件可在模块制造厂提前制作并且随运输车辆一同运输到现场，再考虑经济效益最大化问题，吊装工具以及支撑数量根据模块尺寸和重量确定，没有必要每个模块都进行配备。

陆上运输环境是较为复杂多变的，在模块质量、体积、尺寸均比较大的时候，极有可能遇到坑洼、上下坡、连续转弯路段，为了保证模块不会因运输环境原因造成破坏或颠倒，可依据集装箱陆上运输方案，搭配配置扭锁的专用平板车(见图1)。

运输距离指数(TSDI)，该指数表示从异地制造组装工厂到施工作业现场的运输距离对模块运输成本的影响。TSDI假定实际运输距离为125英里为最佳运输距离，并将其分配为最佳运输值1。任何长达200英里的运输距离均应具有与该最佳运输值成线性比例的运输值。

(1)

尺寸和重量都对陆上运输有限制，包装对特殊路段也是有影响的。《超限运输车辆行驶公路管理规定》规定如表1所示。

表1 超限运输车辆行驶公路管理规定 m

2.2 海上运输

海洋运输荷载类型主要有：

1)固定荷载：包括平台结构的重量和在某个作业形式下不变化的任何永久固定设备重量以及其他附属结构的重量。

2)活荷载：平台使用期间的荷载，它可能发生变化就在一种作业形式期间，也可能两种作业形式转换时发生变化。

3)环境荷载：包括浪、风等作用在平台上自然现象的荷载。

风浪荷载是模块化结构在海上受到的主要环境荷载之一[5]，由于海上风具有非常强的随机性和不确定性,石化钢框架结构在设计基准期内所遭遇的极值风浪荷载需根据其统计特性进行研究。本文风荷载计算方法根据《海上平台状态评定指南》(2005)中的风荷载研究进行计算。陈心一等根据国家海洋学研究所、渤海沿岸8个典型台站30年的实测资料，得出风速等级为6级[6]。

F=(ω/2g)V2CSA

(2)

根据流体力学原理，势波的水质点的水平分速度u和垂直分速度w可由速度势φ导出。并代入Stokes[7]波理论二阶解速度势函数和波面函数为：

(3)

(4)

波浪力可按Morison方程来计算，进而推导出波浪加速度。波浪加速度时程曲线如图2所示。

3 案例分析

本研究依托美国某石化项目，工厂地址位于美国德克萨斯州，CorpusChristi(科帕斯科里斯蒂)的一个化工厂区，项目包括PTA装置和PET装置，以及相配套的辅助设施。总量约9 200 t钢结构，业主要求采用模块化建设。本研究针对裂解炉对流段，这个38 m长、12 m宽、61 m高，重达2 000多吨的“巨无霸”。裂解炉结构在国内完成生产制造。整体结构组成：梁、板、支撑杆件，烟囱，炉筒，排热风扇，裂解炉体，消声器，炉管，钢管，转热，对流管，楼梯等构成(见图3)。

3.1 模块划分方案

模块划分可以按照图4进行。

3.2 风荷载作用下内力分析

在前述理论研究基础上，对模块结构进行结构内力分析，由于文章篇幅所限，本文仅列出整体框架模块结果如图5所示，内力最大值符合要求,表明模块划分方案合理。

3.3 波浪荷载作用下内力分析

在前述理论研究基础上，对模块结构进行结构内力分析，得到结果如图6所示。内力最大值符合要求。表明模块划分方案合理。

4 结语

模块化钢结构是石化工业装置的重要载体和组成部分。合理的模块划分方案及结构空间布置是整个模块设计的基础，也是增加项目安全性、合理性与经济性的有效保证。

本文首先得到了石化钢框架模块化设计中的关键技术要点，包括划分方法、运输载荷等，然后针对具体工程，得到了石化钢框架模块划分方案，本研究针对某裂解炉对流段模块划分方案基于模块划分原理和典型石化划分方法的基础上，本着框架结构工艺和设备的几何相关性、物理相关性和功能相关性变化较小的原则进行划分，并且分析了风载荷和波浪载荷作用下部分模块钢结构的力学性能，结果表明结构的变形和强度均满足《钢结构设计规范》的要求，利用这些分析结果可以为模块划分方案提供依据，从而确定方案的优缺点。本文研究可以为石化钢框架模块化设计提供参考。