船體詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列對(duì)生產(chǎn)成本的影響及其優(yōu)化

楊九九，章 銳，林 偉，汪家政

（金海重工股份有限公司，浙江岱山 316291）

0 引言

在國(guó)際造船行業(yè)中，中國(guó)以低成本的優(yōu)勢(shì)搶占造船市場(chǎng)一定份額，依現(xiàn)在的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)水平來(lái)看，今后的相當(dāng)一段時(shí)期，國(guó)內(nèi)仍然需要以這種低成本的優(yōu)勢(shì)在世界造船大國(guó)中搏得一席之地[1]。2008年金融危機(jī)以來(lái)，船價(jià)下跌、人民幣升值、材料價(jià)格波動(dòng)等，這些都直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。如何控制風(fēng)險(xiǎn)，降本增效，確保目標(biāo)利潤(rùn)，對(duì)船舶企業(yè)具有相當(dāng)重要的意義。船舶成本當(dāng)中，生產(chǎn)成本占絕大部分，因此，優(yōu)化生產(chǎn)工藝是控制造船風(fēng)險(xiǎn)的重要手段之一。

目前，國(guó)內(nèi)大多船舶企業(yè)，在船體結(jié)構(gòu)建造方面主要由生產(chǎn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門對(duì)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)涉及工藝甚少。生產(chǎn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門在船舶生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，從而提高生產(chǎn)效率，降低能耗。生產(chǎn)設(shè)計(jì)對(duì)工藝微小的改進(jìn)，能為生產(chǎn)部門減少較大的工作量[3]。除了生產(chǎn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門可以改進(jìn)生產(chǎn)工藝，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段也能為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化生產(chǎn)工藝的有力支持，其中船舶結(jié)構(gòu)的板縫排列就是其中的一方面。

1 板縫劃分的依據(jù)

詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫設(shè)置對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有重要的影響，實(shí)踐證明，合理的詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫有利于船舶生產(chǎn)成本的控制，縮短生產(chǎn)周期，最終實(shí)現(xiàn)降本增效[3]。船舶建造過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)中的板縫除了生產(chǎn)設(shè)計(jì)設(shè)置以外，還有詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫，它們的目的和設(shè)置依據(jù)如下：

1.1 詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫劃分依據(jù)和目的

1）船舶各個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度、疲勞和腐蝕等要求不同，相應(yīng)的板厚材質(zhì)要求不一樣，不同材質(zhì)板厚之間用板縫區(qū)分。

2）減輕船舶空船結(jié)構(gòu)重量，滿足船舶載重量或其它性能要求。

1.2 生產(chǎn)設(shè)計(jì)的板縫劃分依據(jù)和目的

1）詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫。生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的板縫排列，原則上須按照詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，只有在能大大提高生產(chǎn)方便或節(jié)約成本等的情況下，且需要板縫修改對(duì)船舶性能并無(wú)影響的論證，方可對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫作少許的修改。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，修改詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫排列周期較長(zhǎng)而且過(guò)程復(fù)雜，一般情況不作修改。

2）原材料規(guī)格。從鋼廠采購(gòu)的板材和型材有規(guī)格限制，船廠切割的零件尺寸不能超過(guò)板材規(guī)格，尺寸超大的零件需增設(shè)板縫。

3）船舶企業(yè)的預(yù)處理、加工、切割、起重等設(shè)備的限制，板材的規(guī)格不能超過(guò)這些設(shè)備的極限能力。當(dāng)板材超過(guò)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備極限能力時(shí)，一般采用增加板縫分割成小零件的方法解決。

4）鋼材原材料的利用率和板規(guī)數(shù)量目標(biāo)要求。

5）當(dāng)結(jié)構(gòu)無(wú)法安裝或安裝難度較大時(shí)，在允許的條件下，增設(shè)板縫是解決方案之一。

2 一般詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列特點(diǎn)

金海重工股份有限公司建造的176KBC項(xiàng)目是一系列船，共建造30多艘，涉及若干船東船檢，其主尺寸度如下：總長(zhǎng) 291.8m；垂線間長(zhǎng) 282.2m；型寬45.0m；設(shè)計(jì)吃水16.5m；結(jié)構(gòu)吃水18.25m；載重量1758000t。

以本項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)局部外板展開圖和槽形橫艙壁圖為例，展示船體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列特點(diǎn)，如圖1和圖2所示。

圖 1顯示的局部外板展開圖長(zhǎng)約 21m，寬約15m，粉紅色線條代表詳細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)置的板縫，從圖中可看出板縫設(shè)置密集，縱、橫交織，分割成許多長(zhǎng)寬不到3m的方塊。板厚按一定規(guī)律排列，在橫向上越靠近中縱面，板厚越大；在縱向上越靠近船舯，板厚越小。大部分相鄰板厚差為0.5mm~1mm，最厚板與最薄板的厚度相差5mm，此局部展開圖所有材質(zhì)都是AH32的高強(qiáng)度鋼。

圖2顯示為典型橫艙壁，粉紅色線條代表詳細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)置的板縫。圖中顯示除了肋板、底墩側(cè)板、頂墩側(cè)板上布置了板縫外，槽型艙壁板設(shè)置了橫向和豎向板縫，把槽型艙壁板分割成11塊板格。板厚從下向上增厚，材質(zhì)升高，但相鄰板厚相差約1.5mm，低材質(zhì)采用AH32，高材質(zhì)為AH36。

圖1和圖2顯示了建造的176KBC項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列的特點(diǎn)，板縫密集，縱橫交錯(cuò)。但對(duì)其它已建造或正在設(shè)計(jì)的項(xiàng)目進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)詳細(xì)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)板縫排列上類似，板縫密集，板縫兩邊的板厚材質(zhì)相差甚小。詳細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)置密集的板縫是依據(jù)有限元計(jì)算，在板厚排列時(shí)，按照強(qiáng)度要求分布的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，以期得到最輕的結(jié)構(gòu)重量。

圖1 176KBC船舯局部外板展開

圖2 176KBC橫艙壁圖

3 一般詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列對(duì)生產(chǎn)工藝的影響

上述一般的詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫排列僅從結(jié)構(gòu)重量的角度出發(fā)，為了達(dá)到控制空船重量的目的，在滿足有限元計(jì)算的前提下對(duì)板厚材質(zhì)進(jìn)行的排列。但從船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和營(yíng)運(yùn)整個(gè)過(guò)程研究，一般板縫的排列的合理性需進(jìn)一步提高。通過(guò)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)建造的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，圖1和圖2所示的板縫排列設(shè)計(jì)，雖然可以作為控制空船重量的一種途徑，但設(shè)計(jì)周期增加、生產(chǎn)成本上升，而且減少營(yíng)運(yùn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全壽命。國(guó)家倡導(dǎo)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，為響應(yīng)國(guó)家的倡導(dǎo)，在船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和營(yíng)運(yùn)整個(gè)過(guò)程中都要達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為社會(huì)創(chuàng)造更多的財(cái)富[4]。

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，建模需要增設(shè)大量的板縫，增加了建模的周期。板縫越多，產(chǎn)生的零件數(shù)量越多，套料、套料圖紙?jiān)O(shè)繪、編制零件表等生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的工作量相應(yīng)地大幅度增加。零件數(shù)量越多，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的錯(cuò)誤率也就越高，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)車間切割、加工和裝配的過(guò)程中也會(huì)因零件數(shù)量增多而可能導(dǎo)致更多的返工。

板縫設(shè)置密集，板厚材質(zhì)種類多，導(dǎo)致套料的板規(guī)種類繁多，同種板規(guī)的數(shù)量減少。板規(guī)越多、同種板規(guī)數(shù)量越少，增加采購(gòu)的成本。因?yàn)樵诓少?gòu)中，同種板規(guī)數(shù)量越多，價(jià)格越優(yōu)惠。板規(guī)數(shù)量越多，增加了船廠原材料堆放管理難度，管理成本上升[1]。

板縫密集增加了零件切割、加工等的成本，因?yàn)榘蹇p越多，零件的數(shù)量成倍地增加，大量的零件，切割車間的切割成本升高，緊隨其后的零件的吊運(yùn)、開坡口、打磨、加工的工作量成倍增加，拉長(zhǎng)了生產(chǎn)的周期。

被板縫分割成小塊的板需用埋弧自動(dòng)焊或其它焊接方式進(jìn)行拼接，大大增加了焊材和動(dòng)能資源等的消耗。拼板前進(jìn)行拼板對(duì)中（圖3）。拼板過(guò)程中受熱脹冷縮的影響，拼接以后的板會(huì)發(fā)生變形（圖4），因此在造船過(guò)程中需花大量的人物和能源對(duì)拼接的板材進(jìn)行矯正?，F(xiàn)在船廠最為常用的校正方法就是在焊縫兩邊各約 100mm的范圍內(nèi)進(jìn)行火燒，然后立即水冷的方法，俗稱火工，即利用熱脹冷縮原理把發(fā)現(xiàn)變形的板矯平，如圖5所示。

圖3 待拼接的板

圖4 變形的板

圖5 火工矯平的板

從材料學(xué)和焊接學(xué)的知識(shí)分析，焊接不利于材料物理性能，因此在船舶建造過(guò)程中，船東、船檢希望焊縫越少越好。板材從待焊接到火工矯平過(guò)程，焊縫兩邊材料內(nèi)部晶粒發(fā)生變化。焊接后，焊縫兩邊產(chǎn)生熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的材料性能比母材性能降低?；鸸は喈?dāng)于熱處理學(xué)的淬火，鋼材經(jīng)過(guò)淬火以后晶粒長(zhǎng)大、變硬、變脆。焊縫容易產(chǎn)生缺陷，如內(nèi)部產(chǎn)生氣泡、層狀裂紋、夾雜等，外部產(chǎn)生未熔合、氣孔等。因此，焊縫密集降低了板材的整體性能，降低了船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的安全性。

板縫密集，零件增多，精度控制的工作量和難度加大。零件切割時(shí)需對(duì)零件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，以保證其正確的大小。同時(shí)大量的拼板工作，也增加了精度管理的難度和工作量。零件尺寸的測(cè)量工作簡(jiǎn)單，但反復(fù)而又繁重，要求精度測(cè)量員具備細(xì)心、耐心和責(zé)任心。

4 板縫排列優(yōu)化方案及優(yōu)勢(shì)

4.1 優(yōu)化方案

為了減少板縫對(duì)船舶建造的影響，需對(duì)板縫排列進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的依據(jù)如下：

1）船廠訂貨的規(guī)格清單。板縫的間距參照清單里的規(guī)格寬度排列，且考慮板材切割和余量的因素，要求實(shí)際板縫間距比板規(guī)寬度小10mm~25mm。目的是減少零件的數(shù)量，減少船舶生產(chǎn)過(guò)程中零件管理、吊運(yùn)、打磨、加工、焊接、精度控制等工作量。增加原材料的利用率，減少余料的產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本。

2）結(jié)合船廠的設(shè)備設(shè)施的工作能力。被板縫分割成單個(gè)零件的重量、寬度等應(yīng)適合船廠設(shè)備設(shè)施的工作能力，重量不超過(guò)吊車的最大起吊能力，寬度不超過(guò)預(yù)處理及切割機(jī)的平臺(tái)寬度，目的是減少二次板縫的布置[5]。

3）有限元分析。板縫優(yōu)化后，需對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，獲得滿足要求的有限元計(jì)算報(bào)告。

對(duì)圖1和圖2的板縫排列進(jìn)行優(yōu)化后，其結(jié)果如圖6和圖7所示。外板取消了橫向板縫，僅設(shè)置了縱向板縫，板縫之間的間距為3980mm、2580mm、2980mm，套料時(shí)可使用4m、2.6m、3m寬的整板。材質(zhì)與原方案一致，均采用AH32高強(qiáng)度鋼。由于橫縫的取消，厚度略有變化，但分布的規(guī)律不變，越靠船中板厚越厚。橫艙壁圖取消槽型艙壁板兩條豎向和一條橫向板縫，上下邊艙肋板板縫取消，材質(zhì)不變，厚度調(diào)整。優(yōu)化以后的重量未發(fā)生很大的變化，圖6外板展開的重量比圖1外板展的重量重0.4t，圖7橫艙壁與圖2橫艙壁的重量相差在1t范圍內(nèi)。通過(guò)重量的對(duì)比，重量相差不大，但重量的問(wèn)題可通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整而消除影響。

圖6 板縫優(yōu)化后外板展開

圖7 板縫優(yōu)化后的橫艙壁圖

4.2 板縫優(yōu)化后的優(yōu)勢(shì)

板縫優(yōu)化后有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

1）板縫減少，零件的數(shù)量明顯減少。圖1的外板展開，優(yōu)化前的零件數(shù)量達(dá)到30個(gè)，優(yōu)化后的零件數(shù)量?jī)H有5個(gè)，圖2橫艙壁的零件數(shù)量也減少了三分之一。

2）零件數(shù)量的變少，減少了生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的建模、圖紙?jiān)O(shè)繪等工作量，船廠生產(chǎn)車間零件切割、吊運(yùn)、加工、焊接、打磨等一系列的工作量也大大降低，同時(shí)也有利于精度的控制。

3）原材料的板規(guī)種類減少，同種板規(guī)的數(shù)量增加，降低了原材料采購(gòu)及鋼板堆放管理的成本。

4）提高了原材料的利用率。如果 176KBC全船外板、艙壁板、甲板、平臺(tái)板采用上述方法對(duì)板縫排列進(jìn)行優(yōu)化，板材的利用率可以提高約 2%，大概可節(jié)約鋼材452t。

采用板縫優(yōu)化方法可以明顯降低造船成本，節(jié)省原材料，降低生產(chǎn)過(guò)程中的工作量，縮短建造周期。176KBC可節(jié)約鋼材總價(jià)值約226萬(wàn)元人民幣，可降低采購(gòu)成本10萬(wàn)元人民幣。生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省人力、物力及縮短建周期，預(yù)估節(jié)約近214萬(wàn)元人民幣的生產(chǎn)成本。采用板縫優(yōu)化方法，單條船舶可降低約500萬(wàn)元人民幣的成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

板縫優(yōu)化方法是在大量船舶建造過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，旨在減小詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫對(duì)生產(chǎn)工藝的影響，也是響應(yīng)公司“精益造船，敏捷造船”要求，降低生產(chǎn)成本，控制風(fēng)險(xiǎn)，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。詳細(xì)設(shè)計(jì)的板縫優(yōu)化不僅可以減少生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的工作量，更為突出的作用是節(jié)省原材料，減少船廠車間工作量和設(shè)備的損耗，縮短船舶建造周期，降低了詳細(xì)設(shè)計(jì)板縫對(duì)生產(chǎn)工藝的不利影響。

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