10 000TEU集裝箱船精細(xì)化輔助作業(yè)設(shè)計及應(yīng)用研究

張　磊， 馬曉平， 王炬成

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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10 000TEU集裝箱船精細(xì)化輔助作業(yè)設(shè)計及應(yīng)用研究

張磊1， 馬曉平2， 王炬成2

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶輔助作業(yè)是指在船舶施工建造過程中，應(yīng)用于施工工藝和生產(chǎn)安全上所需要的作業(yè)，它一般不體現(xiàn)在船舶產(chǎn)品本身，而只發(fā)生在船舶建造過程之中，例如密性試驗(yàn)作業(yè)、腳手架施工作業(yè)、起運(yùn)作業(yè)、合攏支撐作業(yè)與臨時孔道作業(yè)。本文依據(jù)現(xiàn)代造船模式和精益造船的要求，分析了船舶生產(chǎn)過程中的主要輔助作業(yè)內(nèi)容，提出了現(xiàn)代造船模式下的船舶輔助作業(yè)體系的初步構(gòu)想，并以10 000TEU集裝箱船為研究載體，開展了精細(xì)化船舶輔助作業(yè)的策劃、設(shè)計和實(shí)施工作。研究結(jié)果表明，船舶輔助作業(yè)的設(shè)計與應(yīng)用能夠?qū)⒁延械募夹g(shù)積累和科技研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，積極采用先進(jìn)設(shè)計技術(shù)和先進(jìn)工藝裝備，優(yōu)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)安全、清潔、規(guī)范生產(chǎn)，確保質(zhì)量、降低成本、提高社會和經(jīng)濟(jì)效益。

10 000TEU集裝箱船現(xiàn)代造船模式精益造船精細(xì)化設(shè)計輔助作業(yè)

0　引言

我國造船企業(yè)起步較晚，船舶設(shè)計和制造技術(shù)的運(yùn)用一直停留在較低水平，尤其在生產(chǎn)過程中，建造計劃管理水平低下、工藝裝備落后、設(shè)計方案不夠細(xì)致，致使我國造船企業(yè)的規(guī)模難以擴(kuò)大、效率難以提高和經(jīng)濟(jì)效益難以發(fā)展。隨著近幾年船舶生產(chǎn)設(shè)計技術(shù)的引進(jìn)、消化與吸收，國內(nèi)主要船舶企業(yè)與日韓先進(jìn)船企的差距已經(jīng)縮小到10～15年，如何進(jìn)一步縮小差距是國內(nèi)船舶產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界共同關(guān)心的問題[1]。

本研究以船舶輔助作業(yè)這一視角作為切入點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代造船模式和精益造船的具體要求，初步構(gòu)建船舶輔助作業(yè)設(shè)計體系，并對10 000TEU集裝箱船的輔助作業(yè)進(jìn)行精細(xì)化的策劃、設(shè)計與實(shí)施。填補(bǔ)了國內(nèi)船舶輔助作業(yè)的相關(guān)技術(shù)空白，為船舶企業(yè)建立輔助作業(yè)體系提供了寶貴的參考依據(jù)和理論借鑒。為縮短船舶建造周期、規(guī)范船舶施工工藝、提高船舶產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)造安全施工環(huán)境提供有力的保障，具有重要的工程意義。

1　精細(xì)化船舶輔助作業(yè)內(nèi)容研究

1.1船舶輔助作業(yè)設(shè)計方式

現(xiàn)代造船模式本質(zhì)上是把造船作為一個系統(tǒng)工程，應(yīng)用最科學(xué)的方法，在時間和空間上，對企業(yè)各種生產(chǎn)要素實(shí)現(xiàn)最佳配置和優(yōu)化，達(dá)到消耗少、速度快的建造船舶目的，提高企業(yè)競爭力。因而，建立現(xiàn)代造船模式要通過解決設(shè)計、生產(chǎn)、采購以及體制、機(jī)制、勞動組織等一系列相互配合和協(xié)調(diào)的問題，在動態(tài)的、發(fā)展的過程中不斷尋求最佳狀態(tài)[2]，這就要求船舶輔助作業(yè)設(shè)計遵循以下原則：

(1) 貫徹按區(qū)域設(shè)計的設(shè)計原則；

(2) 貫徹以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的設(shè)計原則；

(3) 貫徹設(shè)計、工藝、管理一體化的設(shè)計原則；

(4) 貫徹殼舾涂一體化的設(shè)計原則；

(5) 貫徹生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備與各設(shè)計階段相互結(jié)合的設(shè)計原則。

1.2船舶輔助作業(yè)設(shè)計體系

任一生產(chǎn)過程均可分為：有效生產(chǎn)作業(yè)、輔助作業(yè)和生產(chǎn)管理三大部分[3]。船舶建造過程中的輔助作業(yè)主要分為生產(chǎn)輔助、檢驗(yàn)輔助、起重運(yùn)輸輔助三個部分，每個部分都由專項(xiàng)輔助作業(yè)技術(shù)作為支撐，船舶輔助作業(yè)的設(shè)計內(nèi)容與專項(xiàng)輔助作業(yè)技術(shù)對應(yīng)，其設(shè)計體系如圖1所示。

圖1　船舶輔助作業(yè)設(shè)計體系圖

2　精細(xì)化船舶輔助作業(yè)設(shè)計及應(yīng)用

本研究以Y船廠承建的10 000TEU集裝箱船為研究對象，該船為遠(yuǎn)洋單機(jī)、單槳、方艉、球艏集裝箱船，總長約337 m，垂線間長320 m，型寬48.2 m，型深27.2 m，設(shè)計吃水13.0 m，服務(wù)航速約為25.1 kn，沿船長方向共劃分為23個環(huán)段359個普通分段，56個甲板艙口蓋分段和40個綁扎橋分段。10 000TEU集裝箱船具有主尺度大，分段和艙室多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，基于該船開展精細(xì)化船舶輔助作業(yè)設(shè)計及應(yīng)用研究，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益和工程示范價值。

2.1腳手架的設(shè)計與應(yīng)用

結(jié)合目前國內(nèi)的設(shè)計與施工實(shí)際情況，船用腳手架可以粗略分為扣件式鋼管腳手架和工裝式腳手架。由于暫不具備船用腳手架的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，扣件式鋼管腳手架的節(jié)點(diǎn)形式、材料規(guī)格、布置方式、承載能力等標(biāo)準(zhǔn)完全引自于建筑行業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，這難免會造成不適應(yīng)、不匹配的問題。工裝式腳手架興起于上世紀(jì)70年代的日本船舶工業(yè)，這種腳手架采用的是一系列的工裝零件裝配而成，具有結(jié)構(gòu)輕便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

為了減少10 000TEU集裝箱船在建造過程中的腳手架搭設(shè)工作量，按照分段、總段、船塢的作業(yè)階段劃分，開展了扣件式腳手架和裝配式腳手架的綜合布置方案設(shè)計，并以三維模型的形式示意，實(shí)現(xiàn)了腳手架布置與舾裝布置的協(xié)調(diào)。通過現(xiàn)場腳手架的實(shí)際搭設(shè)，與布置方案基本吻合。圖2為貨艙雙層底分段腳手架形式對比圖，圖3為底部總段腳手架布置方案示意圖，圖4為貨艙、艉部和機(jī)艙區(qū)域船塢階段的腳手架布置示意圖。

圖2　貨艙雙層底分段腳手架形式對比圖

圖3　底部總段腳手架布置方案示意圖

圖4　貨艙、艉部和機(jī)艙區(qū)域船塢階段的腳手架布置示意圖

2.2合攏馬板的設(shè)計與應(yīng)用

在合攏過程中，為提高搭載定位的效率，保證分段與分段之間、分段與總段、總段與總段之間的合攏精度要求，一般需設(shè)置導(dǎo)向馬板，花籃螺絲眼板和合攏馬板對合攏間隙進(jìn)行控制，以便后續(xù)的定位、合攏、焊接工作的順利進(jìn)行。合攏馬板分為三種形式：導(dǎo)向馬板、花籃螺絲眼板以及強(qiáng)力馬板。導(dǎo)向馬板用于搭載分段的快速初步定位；花籃螺絲眼板用于搭載分段之間相對位置的精確定位；強(qiáng)力馬板由于其尺寸較大，一般用于搭載分段的強(qiáng)力構(gòu)件連接，以迅速實(shí)現(xiàn)搭載分段之間的剛性固定，為快速脫鉤提供基礎(chǔ)，三種合攏馬板的形式和裝配節(jié)點(diǎn)示意圖如圖5所示。

圖5　三種合攏馬板的形式和裝配節(jié)點(diǎn)示意圖

2.3涂裝保留的設(shè)計與應(yīng)用

涂裝保留是為了避免焊接時油漆釋放出的有毒氣體對施工人員的身體造成傷害，同時為了避免焊接時由于油漆產(chǎn)生的雜質(zhì)對焊接質(zhì)量造成不利的影響，對分段在總組或搭載階段的相應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)不做涂裝的施工方法[4]。涂裝保留技術(shù)實(shí)際上是一種對涂層的主動防護(hù)技術(shù)，它不僅僅適用于壓載艙，還適用于船舶其他涂裝位置。通過涂裝保留技術(shù)的應(yīng)用，對在裝配、搭載、割除等施工階段有可能造成涂層破損的區(qū)域提前貼膠帶進(jìn)行保護(hù)，待相應(yīng)施工作業(yè)結(jié)束后，再對涂裝保留區(qū)域?qū)嵤┐蚰?、補(bǔ)涂，明顯縮小了補(bǔ)涂的范圍，顯著提高了涂裝的有效率。

涂裝保留的設(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 對合線的涂裝保留設(shè)計；(2) 分段合攏縫的涂裝保留設(shè)計；(3) 密性焊縫的涂裝保留設(shè)計；(4) 馬板、眼板、支撐底座的涂裝保留設(shè)計；(5)設(shè)備底座的涂裝保留設(shè)計；(6) 標(biāo)記區(qū)域的涂裝保留設(shè)計。

據(jù)統(tǒng)計，10 000TEU集裝箱船的船體結(jié)構(gòu)涂裝面積約為425 696 m2(不含甲板艙口蓋和綁扎橋)，有效涂裝保留面積達(dá)到11 703 m2，占比2.75%(見表1)，極大地節(jié)省了現(xiàn)場油漆打磨的工作量。

表1　10 000TEU集裝箱船涂裝保留面積統(tǒng)計表

2.4施工通道及工藝孔的設(shè)計與應(yīng)用

隨著船廠產(chǎn)品大型化的發(fā)展趨勢，船舶主尺度相比以往已經(jīng)有了明顯的增長，艙室數(shù)量也相應(yīng)增加。為了施工環(huán)境的改善、建造周期的縮短、生產(chǎn)成本的降低和建造質(zhì)量的保證，有必要在船體結(jié)構(gòu)上開始一系列臨時性的工藝孔，用于人員施工、緊急逃生和通風(fēng)[5]。

施工通道和工藝孔的設(shè)計是船舶建造過程中不可或缺的工藝技術(shù)措施， 10 000TEU集裝箱船在設(shè)計階段，綜合考慮各方面的因素，策劃了全船作業(yè)通道和工藝孔的布置方案，設(shè)置施工通道和應(yīng)急逃生通道，劃定施工人員的作業(yè)區(qū)域?，F(xiàn)場施工時，在作業(yè)通道的路徑上設(shè)置警示標(biāo)示，并鋪設(shè)三防布，在引導(dǎo)施工人員施工的同時，有力地控制了對完工涂層的破損。圖6為合攏區(qū)域的作業(yè)通道設(shè)計與應(yīng)用情況。

圖6　合攏區(qū)域的作業(yè)通道設(shè)計與應(yīng)用

2.5分(總)段焊縫預(yù)密性試驗(yàn)的設(shè)計與應(yīng)用

船體焊縫密性試驗(yàn)是通過檢查外板、甲板、平臺板、橫艙壁等水密艙壁的焊縫有無滲漏現(xiàn)象，以保證船舶在使用周期內(nèi)的航行安全，此外，船體焊縫密性試驗(yàn)還能夠起到分析焊接缺陷產(chǎn)生原因、改進(jìn)焊接方案和配合船體強(qiáng)度試驗(yàn)的作用。當(dāng)船體某一區(qū)域內(nèi)的裝配、焊接、火工矯正等工作完全結(jié)束后，便需要對船體相應(yīng)區(qū)域的焊縫進(jìn)行密性試驗(yàn)[6]。密性試驗(yàn)的方式一般有艙室充氣密性試驗(yàn)、抽真空試驗(yàn)、著色試驗(yàn)等，但這些密性試驗(yàn)方式的試驗(yàn)周期長，對艙室結(jié)構(gòu)的整體涂裝效果影響大，對試驗(yàn)條件的要求高，且往往只能保證焊縫的單側(cè)氣密合格，密性試驗(yàn)工作存在一定的局限性。

角焊縫密性試驗(yàn)是指向角焊縫內(nèi)部注入壓縮空氣，確保角焊縫內(nèi)部的壓力達(dá)到規(guī)定的壓強(qiáng)和持續(xù)時間的要求，然后在被檢驗(yàn)的角焊縫表面噴涂肥皂水等檢驗(yàn)液，檢查焊縫表面有無氣泡產(chǎn)生，進(jìn)而檢查焊縫密性的方法。角焊縫密性試驗(yàn)通過后，再對其進(jìn)行涂裝，節(jié)省了后續(xù)大量的腳手架搭設(shè)、拆除、焊縫打磨和焊縫補(bǔ)涂工作，提高了中間產(chǎn)品的完整性，為縮短后續(xù)各階段的生產(chǎn)周期創(chuàng)造了有力條件。分(總)段角焊縫充氣預(yù)密性試驗(yàn)不僅滿足工序前移的要求，還顯著降低了船臺密性試驗(yàn)的工作量，縮短了船臺周期，優(yōu)化了密性試驗(yàn)作業(yè)環(huán)境，將高空封閉作業(yè)變成平地敞開作業(yè)，且密性試驗(yàn)方法簡單可靠，極大地提高了工作效率，降低了密性試驗(yàn)成本[9]。

在設(shè)計階段，依據(jù)《全船結(jié)構(gòu)密性試驗(yàn)圖》的要求，對圖中所有需要做滲漏試驗(yàn)的艙室，都需要根據(jù)分段或總段的結(jié)構(gòu)形式，選取合適的預(yù)密性試驗(yàn)方案，分別完成分段和總段階段的預(yù)密性設(shè)計，繪制《分段預(yù)密性圖》和《總段密性圖》，標(biāo)示出分(總)段中密性焊縫的位置，注明每條密性角焊縫采用的密性試驗(yàn)方法、實(shí)施密性試驗(yàn)的階段，并對每條密性角焊縫進(jìn)行編號，編制分段密性試驗(yàn)表，詳見圖7。

圖7　典型分段預(yù)密性試驗(yàn)圖

10 000TEU集裝箱船全船船體結(jié)構(gòu)的焊縫長度達(dá)421.25 km，約為82 000 dwt極限巴拿馬型散貨船焊縫長度的2.5倍，焊接工作量巨大。而且，不同于散貨船，集裝箱船具有貨艙壓載艙密性角焊縫多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全船密性焊縫的長度達(dá)25.66 km，密性焊縫試驗(yàn)工作的工序前移勢在必行。

根據(jù)角焊縫預(yù)密性試驗(yàn)的設(shè)計，能夠在分段涂裝前完成密性試驗(yàn)的水密角焊縫的長度約為16.69 km，則全船65%的水密焊縫都在分段階段完成密性試驗(yàn)工作，即使考慮目前企業(yè)的角焊縫充氣預(yù)密性試驗(yàn)的綜合成功率約為60%，這也為企業(yè)節(jié)省了大量的試驗(yàn)成本和時間成本，為提高船舶檢驗(yàn)效率提供了有力保障。

2.6吊耳及其加強(qiáng)的設(shè)計與應(yīng)用

吊耳主要用于承受結(jié)構(gòu)重量載荷，在船舶建造過程中的應(yīng)用十分廣泛，如船體分段總組合攏、主機(jī)吊裝、托盤調(diào)運(yùn)等。為保證構(gòu)件從制作到安裝整個過程中的人身安全和設(shè)備安全，需要在設(shè)計階段就對吊耳進(jìn)行合理的布置，準(zhǔn)確預(yù)估吊耳的受力情況，并預(yù)先提出臨時加強(qiáng)的方案，只有這樣，才能最大限度地減少施工現(xiàn)場不良事故的發(fā)生。

隨著造船技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)設(shè)施的不斷優(yōu)化，船舶建造過程中的中間產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、重量越來越大，制造工藝的要求也越來越高，吊裝作業(yè)在中間產(chǎn)品的制造、運(yùn)輸、組裝等各個環(huán)節(jié)中起到的作用越來越大。吊裝方案及吊耳設(shè)計的優(yōu)劣直接影響吊裝安全、結(jié)構(gòu)變形等，尤其對重量達(dá)到600 t以上大型總段，對吊耳的承載能力及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分析是保證吊裝安全，順利完成吊裝作業(yè)的保障[7]。

在10 000TEU集裝箱船的吊裝方案設(shè)計之初，我公司與Y船廠就分段的建造場地、建造方式、車間吊裝能力、外業(yè)吊裝能力等進(jìn)行了詳細(xì)而全面的交流，確保了吊耳設(shè)計的準(zhǔn)確性，并對所有自重10 t以上的中組立吊耳均進(jìn)行了設(shè)計。

2.7支撐底座和支撐的設(shè)計與應(yīng)用

支撐底座用于總組及大合攏，配合支撐柱的應(yīng)用，能夠有效提供搭載定位效率。與此同時，支撐柱通過支撐底座向船體提供剛性支撐，能夠抵消一定受結(jié)構(gòu)重力影響造成的結(jié)構(gòu)變形。10 000TEU集裝箱船支撐底座的布置采用逆向設(shè)計的方法，依據(jù)塢內(nèi)搭載網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮分段結(jié)構(gòu)形式、分段重量和外板線型等多方面因素影響，最終確定支撐底座的位置和形式。通過對支撐底座位置的放樣和繪圖表達(dá)(見圖8)，并在分段制作階段予以安裝，為現(xiàn)場的總段制作和搭載作業(yè)提供了便利，現(xiàn)場塢內(nèi)支撐布置如圖9所示。

圖8　支撐底座的設(shè)計方案　　　　　　　　　　[][]

圖9　塢內(nèi)支撐的現(xiàn)場應(yīng)用

3　結(jié)束語

本研究緊密圍繞10 000TEU集裝箱船的輔助作業(yè)設(shè)計與應(yīng)用，初步構(gòu)建了輔助作業(yè)體系，并對各項(xiàng)輔助作業(yè)技術(shù)展開說明與討論，通過量化分析的手段，評估了輔助作業(yè)設(shè)計與應(yīng)用的效果，研究成果均已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，為企業(yè)推廣輔助作業(yè)的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)船舶輔助作業(yè)的研究尚處于起步階段，設(shè)計體系不健全、設(shè)計能力不強(qiáng)和資金投入不足是存在的三大主要問題。國內(nèi)船舶企業(yè)只有堅(jiān)持不懈地對船舶輔助作業(yè)進(jìn)行深入研究、實(shí)施和總結(jié)，才有可能進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。輔助作業(yè)設(shè)計作為工法設(shè)計的一個重要組成部分，承擔(dān)著聯(lián)系生產(chǎn)設(shè)計與現(xiàn)場生產(chǎn)的任務(wù)，只有輔助作業(yè)提供的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、提供的設(shè)計方案更合理，才能提升企業(yè)的管理水平。

為此，進(jìn)一步完善船舶輔助作業(yè)體系、開發(fā)新型工藝裝備、逐步建立輔助作業(yè)物量與工時之間的關(guān)系等研究工作將成為下一步的研究重點(diǎn)。

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Design and Application Research on the Fine Shipbuilding Auxiliary Operations for 10 000TEU Container Vessel

ZHANG Lei1, MA Xiao-pin2, WANG Ju-cheng2

(1. Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co., Ltd., Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

Auxiliary operations in the shipbuilding process refer to some manufacturing technology and security assignments such as tightness tests, scaffold operation, lifting operation, support operation, temporary channel operation, etc. Firstly， main auxiliary operations were discussed in detail and the preliminary conception of auxiliary operation system under the modern shipbuilding mode was proposed. Then it uses the 10 000TEU Container Vessel as the carrier and combines the general construction program with the actual situation to carry out a series of planning, design and implementation work. The research results show that the design and application of the fine marine auxiliary operations can transform the technology accumulation and research results into productive forces. By means of actively adopting advanced technology and equipment and optimizing construction technology, it will realize security, cleanliness and standardized production. It also devotes to establish auxiliary operation design system, standardize auxiliary operation construction technology and improve auxiliary operation management level for the ship enterprises.

10 000TEU Container VesselModern shipbuilding modeLean shipbuildingFine designAuxiliary operation

張磊(1985-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇跋冗M(jìn)制造技術(shù)及工藝工法。

U671

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