國外艦艇建造工藝技術(shù)概況

陳桂明, 丁偉康

(江南造船(集團)有限責(zé)任公司， 上海 201913)

國外艦艇建造工藝技術(shù)概況

陳桂明, 丁偉康

(江南造船(集團)有限責(zé)任公司， 上海 201913)

分別從數(shù)字化造船、艦體、舾裝、焊接等方面介紹了以美國為首的軍事強國的艦艇建造工藝技術(shù)。

國外艦艇建造 數(shù)字化造船 艦體 舾裝 焊接

1 前言

艦艇建造工藝主要包括艦體建造工藝和舾裝工藝，此外還包括艦艇下水、試航和交艦等環(huán)節(jié)。艦艇建造工藝技術(shù)的最典型特征是以虛擬建造為代表的數(shù)字化造船，逐步向產(chǎn)品模塊化、信息數(shù)字化、設(shè)計虛擬化、設(shè)計制造一體化的新型造船技術(shù)發(fā)展。

本文所引用的實例以歐美軍船為主，但是部分項目只能采用日、韓主流船廠民船實例，由于日本和韓國大型軍工企業(yè)的軍民結(jié)合發(fā)展模式，因此可以判斷所述船廠在艦艇建造中將同樣采用相應(yīng)的先進建造工藝。

2 國外艦艇數(shù)字化造船技術(shù)

2.1 以虛擬建造為代表的數(shù)字化造船研究和應(yīng)用

早在2001年，美國、日本、韓國等國開展了以虛擬設(shè)計建造為代表的數(shù)字化設(shè)計建造方面的研究和應(yīng)用。

近年來，美國在艦船研制中廣泛應(yīng)用了以數(shù)字化虛擬樣機(福特級航母)、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(宙斯盾導(dǎo)彈驅(qū)逐艦)、產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理(海軍)、并行協(xié)同設(shè)計(弗吉尼亞級潛艇)以及人機工程(“布什”號航母)等為核心的數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)。

美國LPD-17 兩棲船塢運輸艦是第一次按“全虛擬設(shè)計”的大型艦船，應(yīng)用了法國達索子公司——DELMA 公司的虛擬現(xiàn)實軟件，在艦體開工建造之前已完成了80%的設(shè)計。而傳統(tǒng)設(shè)計方法同期只能完成20%～30%的設(shè)計。

美國“福特”號航母是第一艘完全利用3D產(chǎn)品模型進行設(shè)計的航母，應(yīng)用了法國達索系統(tǒng)公司的CATIA軟件，選用大屏幕顯示器來展示艦船三維立體圖像，以便隨時調(diào)整建造策略，對該航母的設(shè)計、工程、計劃編制及建造進行可視化整合。圖1所示為用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)展示“福特”號航母上2號泵室的海水管道系統(tǒng)。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)展示艦船三維圖像

2.2 美國海軍第一艘建造過程完全使用數(shù)字化管理的航母

2009年服役的“布什”號航母是美國海軍第一艘整個建造過程完全使用數(shù)字化管理的航母，管理項目包括數(shù)千名員工的分工和工資、工程進度和質(zhì)量、各種設(shè)備的維護以及多達6萬種零部件的訂購等。全程數(shù)字化管理會使各部門間的聯(lián)絡(luò)更加積極主動，并自動監(jiān)控各個環(huán)節(jié)的事件和工程進度，提醒相關(guān)人員下一步要做什么，提高了建造的效率。

2.3 日本佐世保造船廠3D-CAD的有效運用

艦艇建造是該船廠的4個領(lǐng)域之一。從2007年開始導(dǎo)入3D-CAD進行管道數(shù)字化工藝設(shè)計，生產(chǎn)部門運用3D觀測儀及等角圖，可以以圖像的形式進行復(fù)雜配管的確認及管路安裝順序的研討，降低了舾裝難度。另外，應(yīng)用3D-CAD進行組裝化管道完成狀態(tài)的確認及模擬搭載，對縮短工期和防止出現(xiàn)不對接的情況做出了貢獻。隨著數(shù)字化的推進，可在生產(chǎn)現(xiàn)場使用iPad進行圖紙、訂單狀況、交貨期的確認。

3 國外艦艇艦體建造工藝技術(shù)

國外船廠艦體制造擁有CAD/CAM集成自動號料、等離子/激光及機器人切割、水火彎板自動加工機(日本數(shù)控水火彎板成型率已經(jīng)達到80%以上)、激光線加熱系統(tǒng)(美國雙向彎曲彎板厚度可達25.4 mm)、鋼板柔性加工成形生產(chǎn)線、部件裝配流水線、焊接小合攏裝焊機器人群；并含有機器人、構(gòu)架自動安裝、激光檢測的平面分段無余量裝焊流水線、曲面分段無余量生產(chǎn)流水線等工藝裝備，整體機械化、自動化、智能化程度高。

3.1 艦艇快速搭載

在艦艇總裝時，應(yīng)用三維坐標激光測量技術(shù)和精度管理系統(tǒng)，實施大型總段吊裝，減少塢內(nèi)工作量，實現(xiàn)分段快速合攏，可基本實現(xiàn)精度控制自動化，有效地縮短船塢周期。日、韓民船在塢內(nèi)總段的吊裝時間平均為2.5～3 h，實行半串聯(lián)并行建造出塢時間僅為30～40天。

3.2 巨型總段造船法

通過甲地組裝的巨型總段至乙地合攏為整船，使最貴的資源——總裝設(shè)施充分發(fā)揮作用，以形成船舶制造異地并行批量生產(chǎn)模式，大幅縮短造船周期。

3.2.1 意大利“加富爾”號航母

滿載排水量2.71萬t的“加富爾”號航母的艦體建造由意大利芬坎蒂尼公司的2家造船廠分擔(dān)建造。主艦體部分于2004年7月下水，并于2004年底借助浮船塢與另一家船廠承建的艦艏部分“合攏”(見圖2)，采用了兩船廠制造、兩半艘拖輪浮運、浮塢兩半合攏的巨型總段造船法。

圖2 “加富爾”號航母借助浮船塢進行艦艏與主艦體部分的對接合攏

3.2.2 英國45型驅(qū)逐艦

英國45型驅(qū)逐艦的多個巨型總段在不同的地方建造，然后再集中總裝, 比單家船廠建造節(jié)約大約4%的費用。

3.2.3 英國“伊麗莎白女王”號航母

將于2014年服役的滿載排水量6.66萬t的“伊麗莎白女王”號航母分成5個總噸(超級分段)在全英國多家造船廠建造，每個總段5 000 t～16 000 t，并盡可能達到80%～90%的舾裝率，然后通過駁船載運等方式運輸?shù)轿挥谔K格蘭的樂賽(也譯為羅塞斯)船廠，該駁船便潛入水中使該分段起浮，再將它拖到主港池，利用塢內(nèi)的絞盤系統(tǒng)和對中輔助設(shè)備使它座落在1號船塢的塢墩上，關(guān)閉塢門，將船塢里的水抽干，便著手進行最后的總裝。這種并行建造的效率大為提高，工期大大縮短。

3.3 使用“超級分段”或總段的塔式建造法

美國紐波特紐斯船廠和前蘇聯(lián)黑海船廠因航母排水量大以及設(shè)施、管路復(fù)雜等原因，在建造中仍然采用傳統(tǒng)的塔式建造法。

3.3.1 美國“里根”號和“福特”號航母

“里根”號航母由163個“超級分段”組成，其中最重的約900 t，利用900 t龍門吊吊到船塢內(nèi)，按照最佳的有效性順序，自下而上、從艦艉到艦艏的順序拼裝，其內(nèi)部的管道、設(shè)備和線纜及上首部分段中的大部分設(shè)備如主錨鏈部已經(jīng)安裝到位，盡量減少在浮動的艦上工作，然而電纜的鋪設(shè)工作還是要等到全艦拼裝完畢后才能進行，這樣才能避免產(chǎn)生不必要的接頭?！案Ｌ亍碧柡侥概c“里根”號航母一樣，也是按照這種最優(yōu)化的順序進行建造的。

3.3.2 前蘇聯(lián)“庫茲涅佐夫”號航母

前蘇聯(lián)黑海船廠裝備2部900 t龍門吊，同步作業(yè)時最大能吊裝1 500 t的艦體構(gòu)件。從1983年建造“庫茲涅佐夫”號航母時開始采用總段建造，該航母由24個總段組成，每個總段由若干個分段構(gòu)成。最大的總段長24 m，寬38 m，高13 m，重1 400 t。相鄰總段的對接精度達到毫米級，以便在船臺上總段安裝后馬上進行對接焊。黑海船廠把每一個總段都看作完整的制件，在船臺旁平臺上總段內(nèi)進行尾軸架、舵和軸轂的安裝，在大范圍內(nèi)實施了封艙前向總段內(nèi)吊裝機械設(shè)備、管道和其它工藝單元的工藝路線，大大縮短船臺周期。

4 國外艦艇舾裝工藝技術(shù)

舾裝工程量通常占艦艇建造總工程量的60%～70%，甚至更高。艦艇與民船最顯著的不同之處在于“舾裝密度”。據(jù)日本船廠統(tǒng)計，對比護衛(wèi)艦和一般民船中舾裝密度最高的LNG船，配管方面護衛(wèi)艦的密度是LNG船的7倍，電纜密度則超過了15倍，且還需要很多如雷達天線安裝這類一般民船所沒有的技術(shù)。

4.1 模塊化技術(shù)

20世紀末，美國在設(shè)計建造海狼級核潛艇時首次采用模塊化技術(shù)。美國巴斯鋼鐵公司于2006年第一次采用重達1 300 t的大型模塊建造阿利·伯克級驅(qū)逐艦，船廠還致力于采用重達2 600 t的“超級模塊”建造未來的阿利·伯克級驅(qū)逐艦和DDG 1 000級驅(qū)逐艦。美國奧斯塔船廠通過應(yīng)用模塊化設(shè)計技術(shù)建造完成了美國海軍第三艘聯(lián)合高速船超過30%的工作；2012年，美國通用動力電船公司為弗吉尼亞級潛艇設(shè)計并采購?fù)ㄓ每刂破鳎詫崿F(xiàn)潛艇上的多種功能，是模塊化設(shè)計技術(shù)深入應(yīng)用的體現(xiàn)。模塊化設(shè)計技術(shù)在英國“45型”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和伊麗莎白女王級航母第二、三總段的建造中也得到充分應(yīng)用。

國外大量采用了減振隔聲的浮筏技術(shù)，即將多個機械設(shè)備緊湊地布置在一個統(tǒng)一的筏體(中間彈性支承結(jié)構(gòu))上，筏體通過隔振器柔性地支撐在艇體上以減少機械振動，對于大型潛艇，浮筏的質(zhì)量達到400 t～500 t。俄羅斯、德國、瑞典、美國等國均已實現(xiàn)了潛艇總段模塊化建造，如整個動力艙可制作成帶有浮筏的大型動力模塊，在耐壓分段合攏前從縱向進入艙內(nèi)；具有相近功能的電子模塊、生活模塊等可以按照隔聲降噪的要求分布在艙室不同部位。這樣，減振降噪隱身技術(shù)和模塊制造技術(shù)便有機結(jié)合起來了。

4.2 美國航母的舾裝

美國紐波特紐斯船廠利用新建成的CAD/CAM集成系統(tǒng)輔助三維圖形設(shè)繪、建立立體模型，以及激光測量等技術(shù)來制造航母的舾裝單元和模塊。

艦載機的彈射和攔阻裝置都是在艦體拼接合攏之后，在艦面上安裝的，這時常常需要切開完整的飛行甲板安裝設(shè)備，然后再將切開的部分焊接上。艦體拼接合攏之后進行艦面特種設(shè)備安裝的原因主要為：受船廠龍門吊的起重能力限制,這些設(shè)備分布在多個超級分段上。如果和飛行甲板裝配好了再吊裝，吊裝過程中由于重力作用產(chǎn)生的變形有可能造成損壞。

航母的核動力系統(tǒng)是整個建造過程中對精度要求最高的部分，不允許有絲毫的差錯，設(shè)計和建造過程都要經(jīng)過反復(fù)多次嚴格的審查。

當(dāng)“布什”號航母的艦體在塢內(nèi)施工完畢下水后，就會用拖船拖到旁邊的2 號碼頭進行下一步的舾裝工作，包括艦上生活區(qū)域(住艙和餐廳等)的建造、電子設(shè)備安裝、調(diào)試作戰(zhàn)系統(tǒng)(彈射器和雷達陣列等)及核動力系統(tǒng)等。2013年11月17日， 美國“福特”號航母出塢進入位于詹姆士河的3號突堤碼頭，進行為期28個月的舾裝和測試。

5 艦艇焊接工藝技術(shù)

5.1 新型高強度低合金鋼最佳焊接工藝

自20 世紀90 年代以來，美國開發(fā)了HSLA-65、10Ni 鋼和HSLA-115 鋼，用于正在建造的福特級航母的主殼體、飛行甲板和防彈結(jié)構(gòu)，并采用上述焊接材料進行了確定最佳焊接工藝和測定焊件特性的應(yīng)用研究工作。福特級航母上三分之二的鋼使用量用HSLA-65鋼來替代，可使殼體重量減輕2 400 t，使每艘航母的全生命周期成本降低2 400萬美元(按1萬美元/t計算)。

2007年美國海軍至少有7艘航母和核潛艇進行了焊接缺陷評估，其中電船公司的核潛艇進行檢查時發(fā)現(xiàn)，是由于使用了錯誤的焊接材料而引起的，在進行不銹鋼焊接時錯誤地使用了銅材料，導(dǎo)致焊接強度下降，壓力強度過高，使得焊縫裂開。

5.2 激光焊接、激光-電弧復(fù)合焊與焊接機器人

5.2.1 高強低合金焊

美國航母上廣泛使用激光焊接得到的高強度、低合金鋼的T型構(gòu)件，可使該航母的重量降低大約200 t。美國開展將激光焊夾層鋼板應(yīng)用于新一代航母的關(guān)鍵部位應(yīng)用開發(fā)工作，正在解決接頭連接、螺栓應(yīng)用、可維修性等問題。美國海軍已將CO2激光焊接技術(shù)應(yīng)用于航母蒸汽彈射器導(dǎo)架蓋板(每個彈射器有100多塊導(dǎo)架蓋板)的修復(fù)，費用僅為更換新導(dǎo)架蓋板的50%～60%。

5.2.2 激光-電弧復(fù)合焊

激光-電弧復(fù)合焊(HLAW)結(jié)合激光焊接和熔化極氣體保護電弧焊(GMAW)的優(yōu)勢，其焊接速度的提高和熱輸入的減少使焊接變形大幅減少。美國2008年開發(fā)出一套搭載HLAW系統(tǒng)的移動設(shè)備，用于船廠角焊縫的焊接。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，HLAW 焊件已可應(yīng)用于甲板、艙壁、艙蓋、舷梯等多個部件，將用于福特級航母以及多種型號艦艇等。

5.2.3 焊接機器人

美國船廠從20世紀80年代起應(yīng)用機器人。早在1992 年時日本日立造船廠應(yīng)用機器人焊接的工作量就已達到總焊接量的20%，目前日本先進船廠焊接機械化自動化率已達到90%以上。韓國從1995年起在船廠的平面分段流水線應(yīng)用了機器人。2013年5月，現(xiàn)代重工研發(fā)成功船用微型焊接機器人，并開始在造船生產(chǎn)中使用該焊接機器人。

5.2.4 薄板材料焊接及甲板室與甲板結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

美國瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)的 ASTMA710薄板材料較少變形將使每艘艦降低結(jié)構(gòu)成本60萬美元。美國DDG 1 000驅(qū)逐艦研究急劇減少甲板室結(jié)構(gòu)與甲板連接的必要時間以防止相鄰的非金屬復(fù)合材料過熱，使焊接速率約從0.457 m/h增加到6.096 m/h。

6 結(jié)束語

工藝技術(shù)是制造技術(shù)的核心。水平先進、高效可靠、綠色環(huán)保的工藝技術(shù)，支撐著軍工制造業(yè)的不斷發(fā)展與前進。我國于上世紀80年代從國外引進了造船成組技術(shù)和造船生產(chǎn)設(shè)計方法，對船體分段建造技術(shù)、預(yù)舾裝技術(shù)、精度控制技術(shù)、高效焊接技術(shù)等進行了研究與應(yīng)用，造船工藝技術(shù)包括軍船工藝技術(shù)已有了較大進步，但各項關(guān)鍵技術(shù)的銜接、協(xié)調(diào)較差，工藝集成度有待提高，與國外先進造船國家差距較大。從國內(nèi)外的分析來看，從造船整體綜合技術(shù)水平評估，日本和韓國大約領(lǐng)先中國10年。

通過我們對以美國為首的軍事強國艦船信息化與制造技術(shù)的深度融合,以及工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新的分析研究，堅持自主創(chuàng)新與技術(shù)引進、消化、吸收相結(jié)合，加快技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)造船工藝技術(shù)的跨越式發(fā)展，加快縮短與先進造船國家在制造工藝技術(shù)上的差距，將有利于提升我國艦艇產(chǎn)品制造研發(fā)效率和工藝的持續(xù)改進，為武器裝備研制提供有力支撐保障。

[1] 周熾煒，劉博巍，陳蕾. 工藝工裝領(lǐng)域先進造船技術(shù)發(fā)展分析[J].造船技術(shù),2013,1:1-6.

[2] 陽明，應(yīng)智善.披露：“布什”號航母建造細節(jié)[J].艦船知識,2009,7:44-49.

The Survey of Building Technologies for Foreign Naval Ships

CHEN Gui-ming, DING Wei-kang

(Jiangnan Shipyard Group Co., Ltd, Shanghai 201913, China)

The survey of building techniques for naval vessels in powerful military countries leading by U.S.A. are introduced, such as digital building, hull building,outfitting,painting,welding, etc.

Foreign naval vessels building Digital building Hull Outfitting Welding

陳桂明(1970-)，男，高級工程師。

U671

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