基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術(shù)

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913）

劉以高，陳 浩，尹志雙

0 引言

多年來，國內(nèi)外各大船廠都致力于船舶設(shè)計、生產(chǎn)、管理方面的研究，日韓造船企業(yè)非常重視造船新工藝、新技術(shù)的研究和開發(fā)。日本造船企業(yè)開發(fā)的精度管理、單元舾裝、數(shù)控切割、高效焊接等新技術(shù)以及近幾年韓國開展的工法研究，對提高造船生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了巨大作用。特別是近幾年韓國造船企業(yè)采用的巨型總段建造、船塢快速搭載、平地造船和浮船塢造船等新技術(shù)，是對造船方式進行的一次重大變革。其中，巨型總段造船法是把由專業(yè)分段廠制造的2 000 t～3 000 t 的巨型總段用駁船運到總裝廠，并用浮吊搭載合攏成整船。為推行巨型總段造船法，韓國造船企業(yè)采取了一系列保障措施，三星巨濟、大宇玉浦和韓進影島船廠分別購置了3 000 t 和3 600 t 浮吊，現(xiàn)代蔚山船廠近年新建了一個大型總段車間。

國內(nèi)造船企業(yè)在重大工法開發(fā)應(yīng)用方面也同樣取得飛速發(fā)展，各大船廠根據(jù)公司自身布局和生產(chǎn)設(shè)施能力形成了各具特色的總裝化建造方案。船塢作為船廠的重要生產(chǎn)資源，其利用效率直接影響船舶高效建造和投入產(chǎn)出比，進而影響船企生產(chǎn)經(jīng)營，基于流程優(yōu)化的船舶高效建造有助于解決以上問題，并且該技術(shù)也在一直在向前發(fā)展。

1 總段儲備對船舶高效建造的影響

總組平臺的大小影響總段儲備數(shù)量，平臺船塢面積比越大，入塢搭載總段數(shù)量越多，整船貫通成型就越快。通過對國內(nèi)幾家主流造船企業(yè)的平臺船塢配置情況進行研究，南通中遠川崎、外高橋造船、揚子江船業(yè)集團、上海長興島造船基地的平臺船塢面積比分別為1.5∶1、1.3∶1、1.3∶1、1.2∶1，平臺船塢面積比對其造船效率也起到了重要作用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)建設(shè)無法改變的情況下，可以開展基于總段流程優(yōu)化的研究，在空間上向上和向外拓展，以實現(xiàn)船舶的高效建造。

空間上向上拓展，是充分利用平臺區(qū)域立體空間，一般龍門吊梁底高度在70 多米，甚至是90 多米，而部分總段高度則不足10 m，在去除吊排鋼絲繩等吊索具配置的高度，仍有大量空間未充分利用。通過優(yōu)化分段總段劃分，擴大總段二次總組，在占用相同總組平臺面積的情況下，開展總段大型化建造。總段大型化建造可將塢內(nèi)建造工序前移至總段階段實施，覆蓋船塢區(qū)域的起重能力對總段大型化影響較大，目前國內(nèi)外各大船廠配有600 t～900 t，甚至1600 t 等多種規(guī)格大型龍門式起重機，部分具備2 臺起重機聯(lián)動能力，可實現(xiàn)千噸級總段整吊搭載。煙臺中集來福士擁有兩萬噸級起重機“泰山”號，可實現(xiàn)上下船體同步建造，一步合攏的建造方式。

空間上向外拓展，則是借用總組平臺以外的場地等生產(chǎn)資源，通過平板車、模塊車等工藝裝備，完成分段總段的定位、總組及駁運等流程，實現(xiàn)不占用船塢龍門吊和總組場地的異地總組和總段異地儲備。也可以研究通過總段外協(xié)建造，借助外協(xié)生產(chǎn)資源，實現(xiàn)總段儲備，以抵消平臺船塢面積比不足的影響。

以下船舶高效建造方法主要在于打破目前固化的總段建造思路，通過幾種典型船舶總段建造流程優(yōu)化的案例進行分析，以優(yōu)化總組流程的方式增加總段儲備，實現(xiàn)船舶高效建造。

2 基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術(shù)研究應(yīng)用

通過從船廠內(nèi)部建造潛力挖掘和外部資源利用兩方面，對集裝箱船、散貨船、油輪等幾種常見船型的總段高效建造方式進行研究分析，通過流程優(yōu)化，不斷疊加工序。內(nèi)部建造潛力挖掘，通過相同的場地面積，提高立體空間利用率，充分利用總組平臺高度方向的空間，充分利用龍門吊起重能力，通過抬吊或聯(lián)吊等方式開展總段大型化建造，衍生出總段大型化建造、立態(tài)總組、疊層總組等總段總組建造技術(shù)。外部資源利用，通過大型總段甚至環(huán)段外協(xié)并完整性回廠，運用滾裝技術(shù)等合攏形成整船，實現(xiàn)總裝化造船。

2.1 總段大型化建造

對某型208KBC 散貨船機艙分段總段劃分進行研究，推進機艙艉部總段二次總組，通過2 臺800 t龍門吊抬吊，即可實現(xiàn)10ZA、10ZB、10ZC 這3 個千噸級大型總段搭載，使機艙、艉部快速成型。某型208KBC 大型總段要素，見表1。

以最大的10ZB 為例，運用有限元建模計算，變形集中在主甲板和二甲板首部區(qū)域，最大位移為40.9 mm。據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合大量計算結(jié)果表明：船體整體的剛度安全準則設(shè)定變形量為L/800（L 為結(jié)構(gòu)的最大尺寸），即最大變形值

實施機艙艉部大型總段建造有利于提高中間產(chǎn)品的完整性，特別是為軸舵系工序前移創(chuàng)造了條件，可在平臺上實現(xiàn)總段鏜孔、塞軸、裝槳，并整吊入塢搭載，將塢內(nèi)軸舵系施工前移到平臺上完成，見圖2。

總段大型化建造關(guān)鍵在于能夠最大程度地利用船廠起重能力和立體空間資源。上建生活區(qū)、舷側(cè)總段、艏部總段等完整性建造及整吊搭載均是理想的總段大型化建造方案，并在實船上得到不同程度的應(yīng)用。其他裝箱船、散貨船、油輪等典型大型總段建造實施案例，見圖3。

2.2 立態(tài)總組

2.2.1 綁扎橋立態(tài)總組

集裝箱船綁扎橋過去一直采用臥態(tài)總組，占用較大的場地面積。該建造方式使得場地、龍門吊、駁運車輛等主要生產(chǎn)資源的利用率得不到提高，搬運環(huán)節(jié)過多工序繁瑣，綁扎橋總組及吊裝的工藝創(chuàng)新是必然趨勢。

表1 某型208KBC 大型總段要素表

圖1 某型208KBC 散貨船10ZB 大型總段有限元分析云圖

圖2 某型208KBC 散貨船機艙艉部大型總段建造及總段鏜孔

圖3 典型大型總段建造實施案例

綁扎橋立態(tài)總組是通過設(shè)計專用胎架，保證擱置穩(wěn)定性，并對場地采用定置化管理。對整榀綁扎橋吊裝工藝進行優(yōu)化，采用TSV-BLS吊裝分析軟件進行分析和優(yōu)化，減小吊裝變形，提高搭載精度，見圖4。某型21 000 TEU 集裝箱船綁扎橋采用立態(tài)總組后，單船可節(jié)約場地2 000 m2，節(jié)約平板車聯(lián)動27 次。

圖4 某型21 000 TEU 集裝箱船綁扎立態(tài)總組模擬分析及實船應(yīng)用

2.2.2 抗扭箱立態(tài)總組

集裝箱船抗扭箱總段過去一直采用以外板為基面臥態(tài)總組的傳統(tǒng)建造方式。對某型22 000 TEU 集裝箱船抗扭箱總組流程進行優(yōu)化，采用龍門吊將抗扭箱分段翻身至正態(tài)，縱向前后三環(huán)立態(tài)擱置于預(yù)先制作的專用工裝胎架上總組，總段完工后整吊入塢搭載。

根據(jù)某型22 000 TEU 集裝箱船整體建造策劃方案和船塢區(qū)域龍門吊的起重能力等技術(shù)資料，將貨艙平行中體區(qū)域劃分為5 對抗扭箱總段，總段要素見表2。

通過設(shè)計專用胎架，實施抗扭箱立態(tài)總組，可節(jié)省占用場地面積，減少舷側(cè)入塢吊數(shù)30%，厚板施工前移到總段階段完成，并且完成貨艙快速搭載，見圖5。

2.3 疊層總組

某型22 000 TEU 集裝箱船橫隔艙疊層總組主要工藝流程為：堪劃角尺線、地線→布置塢墩→吊裝非水密隔艙分段→腳手平臺搭設(shè)→吊裝水密隔艙分段→擱墩拉撐→搭設(shè)安全欄桿→殼、舾、涂施工→水密隔艙總段吊裝搭載→非水密隔艙總段吊裝搭載。

非水密隔艙距離地面1 800 mm，水密隔艙距地面約5 560 mm，隔艙板材間距約1 800 mm，水密隔艙擱置采用圓管支撐，圓管穿過非水密隔艙鏤空結(jié)構(gòu)。水密和非水密隔艙在高度方向上錯位2 m 擺放，間隔設(shè)置斜撐，增加防倒穩(wěn)性。

表2 某型22000TEU 集裝箱船抗扭箱總段要素表

圖5 某型22 000 TEU 集裝箱船抗扭箱立態(tài)總組方案及實船應(yīng)用

2.4 異地總組

為進一步實現(xiàn)總段快速入塢搭載，縮短船塢周期，需要增加總段儲備量。在現(xiàn)有總組平臺資源受到限制的情況下，要想擴大總段總組，需要借助船塢龍門吊以外的場地開展總段總組，完工后采用SPMT 等設(shè)備駁運至船塢區(qū)域并吊裝搭載或移位對接合攏。異地總組可分為無大型起重機和有大型起重機2 種方案，其中無大型起重機較為普遍，需要預(yù)先借助起重機撤出門架，將分段直接擱置于平板車上，并駁運至總組場地。有大型起重機對異地總組來說較為靈活，總段擱置面平直就基本具備實施條件。

一般異地總組的大型總段具有尺寸和重量較大等特點。從安全角度考慮，超寬和超高件運輸?shù)年P(guān)鍵問題是穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)性，我們放寬平板車的輪距，即通過橫向組合，經(jīng)研究液壓懸掛回路選用三點支承系統(tǒng)更有利，形成的裝載區(qū)域就是?ABC的面積（陰影區(qū)域），貨物的重心落在平板車的承載區(qū)域內(nèi)，可通過監(jiān)視液壓系統(tǒng)的壓力表確保裝載正確，見圖6。根據(jù)行業(yè)規(guī)范（歐盟運輸安全規(guī)范及mammoet 運輸安全規(guī)范），穩(wěn)定角大于7°即為安全。

圖6 運輸穩(wěn)定性模型及穩(wěn)定角示意圖

2.4.1 平直總段異地總組

某型21 000TEU 集裝箱船舷側(cè)抗扭箱分段與壓載艙分段上下臥態(tài)總組及某型109.9KPOT 成品油輪的底部均通過策劃實現(xiàn)實船應(yīng)用。

2.4.2 小線型總段異地總組

小線型如舭部分段，由于形狀不規(guī)則，重心偏離嚴重，為保證撤出門架后分段駁運的穩(wěn)定性，采用托架將舭部做平，保證駁運穩(wěn)定性。

2.4.3 半立體總段異地總組

某型180KBC 散貨船舷側(cè)、甲板、隔艙分段分別借助異地300 t龍門吊總組，總段總重約500 t，完工后使用2 臺378 t 平板車聯(lián)運至船塢區(qū)域并整吊搭載，見圖7。

圖7 180KBC 散貨船貨艙異地總組方案及實船應(yīng)用

2.5 多島建造

根據(jù)船廠船臺或船塢的配置情況，將主船體劃分為多個建造區(qū)（即島）[4]，各島有若干平面分段和立體分段組成，可分別按塔式建造法進行安裝，各島完工后，合攏形成整船。多島建造法可根據(jù)船廠實際情況，與總段搭載法、水平搭載法及塔式搭載法等組合使用。目前國內(nèi)外高橋船廠及上海長興造船基地等均已成熟應(yīng)用多島建造技術(shù)，采用多臺三維液壓頂升小車集中同步控制對中合攏，見圖8。其中外高橋船廠在散貨船上應(yīng)用后，可以達到最短船塢周期40 天的記錄。

圖8 多島建造主要流程示意圖及實船應(yīng)用

圖9 船底結(jié)構(gòu)模型及承載有限元分析

從圖9 有限元分析圖示可以看出，環(huán)段頂升時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及最大位移在小車墊板四周靠近肋板及縱桁的外板區(qū)域。某型180KBC 散貨船船體結(jié)構(gòu)最薄弱的區(qū)域，板厚14 mm，材質(zhì)A 級，通過計算，單點最大頂升可達220 t，見圖10。

圖10 180KBC 船底外板頂升承載能力分析

上海長興造船基地已在180KBC、208KBC散貨船，18 000 TEU、21 000 TEU 集裝箱船，109.9KPOT、300KVLCC 油輪等船型上廣泛應(yīng)用，在縮短船塢周期、提高造船效率方面，效果顯著。上文中所提到的三維液壓頂升小車，也可以用軌道對中小車、SPMT 等移位對中設(shè)備替代。

2.6 巨型總段建造

借助市場化手段，將環(huán)段等巨型總段作為中間產(chǎn)品，交給具備條件的外協(xié)廠家建造，并以商品形式完整性交付，采用浮吊等方式實現(xiàn)整船快速對接合攏。運用CATIA等三維設(shè)計軟件進行工藝仿真，分析與船廠生產(chǎn)設(shè)施的匹配性，檢查環(huán)段吊裝發(fā)生碰撞的影響分析，見圖11。

圖11 2 500 t 浮吊要素表及某型9 400 TEU 集裝箱船環(huán)段吊裝工藝仿真

巨型總段造船法已在韓國船廠廣泛應(yīng)用，三星重工在該技術(shù)應(yīng)用方面不斷突破，總段重量已增加到5 000噸級，見圖12[5]。目前，國內(nèi)部分主流船廠也已成功開發(fā)和應(yīng)用巨型總段造船法，造船效率顯著提升。

圖12 總段異地建造回廠總裝建造流程

3 結(jié)論

本文研究內(nèi)容具有可靠的理論研究基礎(chǔ)和豐富的實船應(yīng)用案例，基于流程優(yōu)化的建造技術(shù)能夠明顯提升造船效率。船舶總段高效建造是目前研究的主要方向之一，關(guān)鍵在于工藝創(chuàng)新，以總段為依托，深化殼舾涂中間產(chǎn)品的完整性。船廠可以根據(jù)承建的船型以及自身的生產(chǎn)設(shè)施能力，制定與之相匹配的總段高效建造方案。同時，總段高效建造實施對前道生產(chǎn)效率提升具有拉動作用，對設(shè)計狀態(tài)、準時生產(chǎn)、分段儲備、物資配套等提出更高的要求，是以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，均衡連續(xù)地總裝造船為代表的現(xiàn)代造船模式的體現(xiàn)。

基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術(shù)不限于文中所列幾種方式，應(yīng)該具有靈活性和多樣性的。船舶建造工藝工法是不斷發(fā)展和創(chuàng)造的，是與時俱進且需要實踐論證的。未來很長一段時間，仍以總裝化造船模式為主，并向智能化方向發(fā)展。在流程優(yōu)化的同時，充分利用信息化、智能化手段，向智能制造方向逐步轉(zhuǎn)型。目前，總段激光三維精密測量和計算機模擬計算技術(shù)是日韓造船企業(yè)廣泛使用的測量定位技術(shù)。我國也在總段智能對接研究方面取得不少成果，先進船廠通過三維掃描收集總段數(shù)據(jù)并分析，完成基于視覺的相對應(yīng)位姿求解算法研究，形成了一套由圖像解析、特征提取、位姿計算所組成的位姿求解算法，實現(xiàn)數(shù)千噸級總段一次性快速定位合攏，大幅縮短船舶建造周期。