25萬(wàn)t大型礦砂船建造關(guān)鍵技術(shù)

錢海煒， 錢 娣， 曹越新

(1. 舟山長(zhǎng)宏國(guó)際船舶修造有限公司， 浙江 舟山316052；2. 上海船舶工藝研究所， 上海 200032；3.常石(上海)船舶設(shè)計(jì)有限公司 秀山分公司， 浙江 舟山 316261)

0 引 言

隨著船舶建造技術(shù)的逐步發(fā)展，特別是大型甚至超大型船舶的大規(guī)模建造，為提高船舶建造效率，提高各階段設(shè)備、場(chǎng)地利用效率，造船工序提前使得分段劃分、總段劃分越來越趨向于大型化。25萬(wàn)t礦砂船分段、總段跨度大，質(zhì)量重，數(shù)量多，因而在其設(shè)計(jì)和建造過程中，對(duì)吊裝技術(shù)、精度控制、焊接工藝和單元模塊化的研究和運(yùn)用具有重要意義。

1 大型分段吊裝技術(shù)

1.1 全船分段吊裝分析

25萬(wàn)t礦砂船全船吊裝統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 25萬(wàn)t礦砂船全船吊裝統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)25萬(wàn)t礦砂船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及各區(qū)域分段、總段質(zhì)量、尺寸等可以分析得到，上層建筑整體吊裝難度較大，涉及龍門吊的設(shè)計(jì)起吊能力和上層建筑本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此在設(shè)計(jì)階段優(yōu)先考慮上層建筑整體吊裝方案。

1.2 上層建筑整體吊裝的優(yōu)缺點(diǎn)

目前在國(guó)內(nèi)各大船廠，萬(wàn)噸以上的船舶在建造過程中基本將上層建筑居住區(qū)各分段作為總段進(jìn)行合龍，一次完成整體吊裝[1]。

上層建筑整體吊裝有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 可對(duì)上層建筑各分段進(jìn)行提前總組合龍作業(yè)，將其作為一個(gè)整體一次性吊裝至主船體上進(jìn)行合龍，既節(jié)省吊裝次數(shù)，又降低合龍難度，盡可能地減少船舶建造所占用的塢期，同時(shí)擴(kuò)大和加長(zhǎng)了上層建筑內(nèi)船體制造、電氣安裝、管系安裝與鐵舾裝等30多個(gè)工種的作業(yè)面和作業(yè)周期。

(2) 上層建筑整體吊裝也可相對(duì)降低高空作業(yè)量，方便材料的運(yùn)輸。

(3) 減少與機(jī)艙作業(yè)工種因相互干擾而產(chǎn)生的矛盾。

上層建筑整體吊裝也有如下缺點(diǎn)：

(1) 整體吊裝質(zhì)量較大，要求起重能力較強(qiáng)。

(2) 整體吊裝對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，對(duì)于上層建筑板薄結(jié)構(gòu)弱的特點(diǎn)需更注意局部加強(qiáng)。

1.3 吊裝配鉤設(shè)計(jì)

根據(jù)上述準(zhǔn)備工作和900 t吊車的性能參數(shù)，編制配鉤設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

圖1 上層建筑整體吊裝900 t龍門吊配鉤示例

1.4 有限元分析

由于上層建筑整體結(jié)構(gòu)薄弱，通過MSC.Patran對(duì)整體吊裝強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析校核。根據(jù)25萬(wàn)t 礦砂船上層建筑吊裝方案和900 t龍門吊使用參數(shù)，吊排布置在C甲板，橋樓甲板左右舷距中14 400 mm 處。左舷吊排對(duì)應(yīng)龍門吊1#與2#吊鉤，共8 個(gè)吊點(diǎn)；右舷吊排對(duì)應(yīng)龍門吊3#吊鉤，共9個(gè)吊點(diǎn)。

有限元模型如圖2所示。

圖2 上層建筑整體吊裝有限元模型

根據(jù)吊裝前結(jié)構(gòu)在自重作用下的響應(yīng)，在型深方向施加慣性載荷時(shí)，上層建筑結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力最大[2]，其中應(yīng)力讀取von Mises應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。分析結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 上層建筑整體吊裝應(yīng)力云圖和剪力云圖

圖4 上層建筑整體吊裝變形云圖

根據(jù)分析結(jié)果，在整體吊裝時(shí)上層建筑結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為 31.7 MPa，最大剪應(yīng)力為16.6 MPa，最大變形為9.44 mm。上層建筑結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大變形都較小，滿足強(qiáng)度要求，無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

2 全船精度控制技術(shù)

船舶建造精度控制是船舶制造企業(yè)管理的重要組成部分，隨著船舶所有人的要求越來越嚴(yán)格，各船企對(duì)精度控制也越發(fā)重視。全船精度控制是對(duì)船舶建造過程實(shí)行全程的尺寸控制，保證制造尺寸處于標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)，避免后期整改，使船舶質(zhì)量得到保證，有效地降低船企的生產(chǎn)成本。

2.1 整體精度控制

根據(jù)現(xiàn)有精度控制體系、設(shè)備設(shè)施能力和船體結(jié)構(gòu)，劃分總段，梳理25萬(wàn)t礦砂船精度控制目標(biāo)，并在設(shè)計(jì)階段逐步落實(shí)到加工、制造、總組和搭載各階段，逐步研究各階段最有效、成本最低的精度控制方法，達(dá)到提高精度控制的目的，高質(zhì)量地完成精度控制任務(wù)。

25萬(wàn)t礦砂船的精度管理方案如表2所示。

表2 25萬(wàn)t礦砂船整船精度控制情況

由表2可知：25萬(wàn)t礦砂船全船各分段的裕量率為20.51%，補(bǔ)償裕量率為25.21%，總段切割裕量率為45.30%，搭載切割裕量率為8.97%。相對(duì)地，該船各分段無(wú)裕量率為79.49%、無(wú)補(bǔ)償裕量率為74.79%、無(wú)總段切割裕量率為54.70%、無(wú)搭載切割裕量率為91.03%。在設(shè)計(jì)期間確定整船分段的裕量和補(bǔ)償量加放方案，提高無(wú)裕量率，能有效地縮短分段、總段和搭載周期。

2.2 船舶建造精度控制

船舶建造過程中的精度控制方法主要有以下幾種：

(1) 基準(zhǔn)對(duì)合線?；鶞?zhǔn)對(duì)合線是指在船舶船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，把設(shè)計(jì)選定的水線、縱剖線和肋位線在模型中建立，零件對(duì)合線下料以噴粉的形式體現(xiàn)，分段對(duì)合線以洋沖的形式體現(xiàn)，在船體零件裝配和分段搭載過程中，對(duì)合線對(duì)于裝配和搭載的精度控制具有重要的作用。

(2) 裕量、補(bǔ)償量和收縮量。裕量是對(duì)船體合龍時(shí)分段或者總段之間的預(yù)留修割量， 根據(jù)實(shí)際搭載情況修割；補(bǔ)償量的加放是對(duì)船體合龍的裕量進(jìn)行預(yù)估，抵消在合龍期間裝配和焊接的收縮，以保證搭載精度，減少裕量修割[3]；對(duì)船體分段組裝焊接收縮量的加放可保證組裝完成后分段的尺寸精度。

(3) 變形和反變形。切割和焊接由于機(jī)械因素和物理因素會(huì)使板材產(chǎn)生變形，預(yù)先實(shí)行變形和反變形工藝，對(duì)套料、切割和焊接裝配的優(yōu)化可有效控制板材切割和焊接的誤差。

(4) 保形模板。保形模板是指在帶曲形外板的分段首尾，增加外板線形模板：一是有助于檢驗(yàn)外板加工精度，及時(shí)調(diào)整加工誤差；二是可有效保證分段合龍口結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少運(yùn)輸和吊裝過程中的變形,提高分段合龍精度。保形模板如圖5所示。

圖5 25萬(wàn)t礦砂船分段保形模板示例

船舶建造精度控制主要分為以下幾個(gè)階段：

(1) 加工零件階段。在該階段有板材下料、型材下料、成型加工和坡口加工這幾道工序，主要是為了保證零件的精度，使零件在裝配時(shí)不會(huì)對(duì)船體產(chǎn)生太大的影響。該階段控制標(biāo)準(zhǔn)的主要檢驗(yàn)內(nèi)容是檢査零件切割面的光滑程度和尺寸，保證零件的寬度、高度、角度等全部符合裝配標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 裝配階段。該階段對(duì)裝配工藝流程和裝配重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督和控制，如：檢驗(yàn)T型材腹板的直線度，確保T型材符合加工精度標(biāo)準(zhǔn)；檢驗(yàn)裝配時(shí)各板材的焊接情況，保證焊接尺寸，確保焊接零件的裝配間隙；對(duì)裝配后的對(duì)合線、中心線進(jìn)行精度檢驗(yàn)，保證裝配拼板可達(dá)到精度標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 船塢合龍階段。在該階段將零件、組件、分段、總段的部件進(jìn)行合龍焊接，最終形成完整的船體。該階段的精度控制須保證船體基準(zhǔn)段的定位精度與總段和分段的定位精度相吻合，確保相關(guān)精度符合標(biāo)準(zhǔn)之后再進(jìn)行船體合龍[4]。

3 焊接工藝

3.1 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接及不銹鋼管焊接工藝

根據(jù)焊接工藝規(guī)程，結(jié)合25萬(wàn)t礦砂船的相關(guān)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙，制訂需要增加的焊接工藝評(píng)定規(guī)程清單，然后再根據(jù)焊接設(shè)備和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制訂相應(yīng)的焊接參數(shù)和焊接工藝。

(1) 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接。本船主機(jī)座面板厚度為70 mm，涉及藥芯焊絲電弧焊對(duì)接焊縫，需增加能覆蓋70 mm的焊接工藝評(píng)定，制訂的坡口形式及參數(shù)如圖6和表3所示，船級(jí)社認(rèn)證覆蓋厚度范圍為25～100 mm，材質(zhì)分別為A、B、D、E、AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36。

圖6 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接坡口形式

表3 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接參數(shù)

(2) 不銹鋼管焊接。本船還需增加DNV-SUS 316L不銹鋼管的對(duì)接焊焊接工藝評(píng)定，對(duì)于要求單面焊雙面成型的不銹鋼管子拼縫，焊前管子內(nèi)充氬氣保護(hù)，并采用鎢極氬弧焊焊接。Φ60× 3 mm的不銹鋼管的坡口形式和焊接參數(shù)如圖7和表4所示，船級(jí)社認(rèn)證覆蓋管子厚度范圍為25～100 mm，材質(zhì)分別為SUS316L、SUS316、SUS304L、SUS304。

圖7 不銹鋼管焊接坡口形式

表4 不銹鋼管鎢極氬焊焊接參數(shù)

3.2 采取焊前預(yù)熱措施

預(yù)熱可降低焊接接頭的冷卻速度，使焊接接頭熱影響區(qū)的溫度梯度得以降低，并在較寬的范圍內(nèi)均勻分布，從而減小由溫差造成的焊接應(yīng)力。對(duì)于大厚度板，尤其是對(duì)于高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)，焊前預(yù)熱是提高焊接內(nèi)在質(zhì)量的有效措施。一般對(duì)于30 mm以上的高強(qiáng)度鋼焊前預(yù)熱120～160 ℃，焊接時(shí)層間溫度控制在120～250 ℃，焊接質(zhì)量良好。

3.3 全面推進(jìn)自動(dòng)焊焊接工藝

考慮到該船在建造時(shí)有較多部位采用CO2襯墊單面立焊工藝，由于厚板立向?qū)雍覆僮鞅旧硎且淮罂简?yàn)，且厚板焊接又需預(yù)熱，建議采用CO2自動(dòng)立向?qū)雍腹に?。通過對(duì)坡口形式、噴嘴、導(dǎo)電嘴的改進(jìn)和使用專用軌道小車，厚板立向?qū)雍赣蒀O2半自動(dòng)焊向自動(dòng)化、機(jī)械化邁進(jìn)，船在船塢內(nèi)焊接機(jī)械化率達(dá)100%，抗扭梁、艙口圍區(qū)域焊接自動(dòng)化率達(dá)75%，可有效縮短建造周期，確保焊接質(zhì)量發(fā)揮巨大的作用。

3.4 厚板氣電垂直自動(dòng)焊的應(yīng)用

氣電垂直自動(dòng)焊是一種高效、先進(jìn)的焊接方法，目前國(guó)內(nèi)各大船企已普遍使用。目前垂直氣電焊法采用的焊接裝置只適用于9～32 mm的鋼板，無(wú)法全面滿足大型集裝箱船的建造需要。為使氣電垂直自動(dòng)焊得到更好的運(yùn)用，對(duì)垂直氣電焊法的焊接裝置實(shí)施兩方面的改進(jìn)：(1)利用原垂直氣電焊焊接裝置擺動(dòng)機(jī)構(gòu)將單一的前后擺動(dòng)改進(jìn)成既能用于第1層打底時(shí)前后擺動(dòng)，又能滿足后續(xù)焊沿坡口寬度方向的橫向擺動(dòng)，從而確保厚板多層垂直氣電焊法焊接的需要；(2)對(duì)第1層和第2層焊縫燒焊時(shí)成形銅滑塊的形狀進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，由此解決不同焊層的焊縫成形問題，最終取得良好的效果。

4 模塊化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

隨著現(xiàn)代化船舶設(shè)計(jì)與建造模式的發(fā)展，模塊化設(shè)計(jì)與建造逐漸在各大船廠中得到推廣與運(yùn)用。在舾裝生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，將相應(yīng)設(shè)備和管道合理布置成單元模塊，可有效提高預(yù)舾裝率，保證船舶殼、舾、涂一體化的完整性。

本船一共劃分了30個(gè)單元，底部、下平臺(tái)、上平臺(tái)和煙囪圍井區(qū)域均有單元分布。單元模塊設(shè)計(jì)體積較大(最長(zhǎng)達(dá)13 m)、質(zhì)量較大(最大達(dá)40 t)，且設(shè)計(jì)完整性較高。單元模塊制作難度較大，需場(chǎng)地設(shè)施、起重裝備等合理布置調(diào)配，技術(shù)中心協(xié)同模塊制作部門、現(xiàn)場(chǎng)起重部門聯(lián)合制定模塊建造加強(qiáng)方案、模塊吊裝方案。單元模塊設(shè)計(jì)如圖8所示?，F(xiàn)場(chǎng)制作如圖9所示。

圖8 單元模塊設(shè)計(jì)圖

圖9 單元模塊現(xiàn)場(chǎng)制作與吊裝

模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用可使機(jī)艙總組單元在船體分段還未上船臺(tái)時(shí)就提前組裝完工。如果組裝的機(jī)艙單元達(dá)到了一定數(shù)量的“庫(kù)存量”，可徹底改變以往管子設(shè)備安裝無(wú)秩序爭(zhēng)道的施工現(xiàn)象，降低船臺(tái)(船塢)管子舾裝的難度，縮短裝配周期，減少生產(chǎn)費(fèi)用。

5 總 結(jié)

25萬(wàn)t大型礦砂船建造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可縮短分段、總段建造周期約30 d，縮短船塢搭載周期約20 d，提高全船無(wú)裕量搭載率5%，可實(shí)現(xiàn)大型分段、總段吊裝技術(shù)、精度控制技術(shù)和模塊化技術(shù)的變革，帶來建造工藝上的進(jìn)步。優(yōu)化吊裝方案可減少吊裝次數(shù)；采用精度控制技術(shù)可減少現(xiàn)場(chǎng)總組、搭載施工裕量修割或返工，提高造船效率，減少資源消耗，從而縮短建造周期、節(jié)約造船成本并提高造船企業(yè)產(chǎn)值。