綠色船舶的設計與制造初探

摘要：本文探討了綠色船舶的內涵，并重點論述了綠色船舶設計、制造的實施方法與途徑。

關鍵詞：綠色船舶；設計；制造

1 引言

制造業在為人類提供巨大財富的同時， 也在不斷地產生污染物， 對環境造成嚴重的影響。船舶在制造過程中也存在材料選用不當而造成資源的浪費，以及對空氣、土壤和水體等環境的污染問題。因此，在20世紀90年代中期出現了“綠色船舶”的概念。

2 綠色船舶的內涵

“綠色船舶”概念的核心內容是在其全壽命周期中（包括設計、制造、營運、報廢拆解），通過采用先進技術，能經濟地滿足用戶功能和使用性能的要求，并節省資源和能源，減少或消除環境污染，且對勞動者（生產者和使用者）具有良好保護的船舶。

綠色船舶的綠色度主要取決于設計人員的環境意識、以人為本的設計理念和營運過程中的管理力度。當前綠色船舶在設計、建造和運營過程中主要體現在以下幾方面：

設計中，廣泛采用綠色無污染材料、標準化和模塊化零部件或單元；充分考慮加工制造過程中材料利用率，同時還須考慮船舶產品在營運壽命終止后，報廢、拆解不會對環境造成負面影響，以及部分材料、零部件和設備能夠再生利用；盡量簡化工藝，優化配置， 提高整個制造系統的運行效率，使原材料和能源的消耗最少；減少不可再生資源和短缺資源的使用量， 盡量采用各種替代物資和技術。

制造中，采用綠色制造工藝，即從技術入手，盡量采用物料和能源消耗少、廢棄物少、對環境污染小的工藝方案和工藝路線。目前最有效的綠色制造工藝包括：綠色加工工藝、綠色焊接工藝和綠色涂裝工藝。其中，綠色加工工藝包括凈成形制造、干式加工、工藝模擬技術、網絡技術、虛擬現實技術與敏捷制造等；綠色焊接工藝即選擇使用節能焊機，采用高效、無弧光、無粉塵污染的焊接材料和方法；綠色涂裝工藝即通過合理選擇涂料，減少涂料品種，簡化工序，提高工時效率，采用移動式涂裝系統和環保型分段涂裝房，實現環保型涂裝作業的目標。

運營中，減少發動機氮氧化物、硫氧化物等溫室氣體的排放；防止燃料油、有害液體的泄漏；合理進行垃圾、污水處理；嚴格控制艙底油的卸載等。

通過對綠色船舶的內涵的探討，我們可以得出，綠色船舶產品是指在其全壽命周期中（包括設計、制造、營運、報廢拆解），通過采用先進技術， 能經濟地滿足用戶功能和使用性能的要求， 并節省資源和能源， 減少或消除環境污染，且對勞動者（生產者和使用者） 具有良好保護的產品。

而船舶綠色制造技術是一種在船舶設計、制造中融入“綠色”理念，在保證船舶產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造技術。綠色造船技術使船舶產品在設計、制造、管理過程中對環境的污染小，資源利用率高，能源消耗低，符合可持續發展的要求。綠色造船技術是融設計、生產、管理于一體的綜合制造技術。

3 綠色船舶的設計

開展綠色造船，設計是先導。傳統的船舶設計僅從結構和功能、外觀造型、加工制造、生產管理等角度考慮，設計概念是以市場需求為基礎，技術方案也是重點考慮設計與制造兩個領域的問題，設計過程中缺乏環境保護的意識。因此，設計人員必須具備良好的環境意識。

3.1 船舶優化設計

3.1.1 船型優化設計

優化船體結構功能，如對萬噸級散貨船充分考慮環保的要求，在總體設計中大膽地將傳統設計中的燃油艙從雙層底搬到頂邊艙，并在舷側設置隔離空艙，這樣可有效地減少燃油泄漏的可能性。優化主尺度和型線，涉及空船質量、穩性、阻力、艙容等技術指標。它不但影響船舶的裝載量、航速、能耗等經濟指標，而且從根本上影響船舶的安全性能。通過優化主尺度和型線，使船舶在制造和未來的營運中，實現節能、環保和提高經濟效益。

3.1.2 消除冗余功能設計

在設計階段，從系統導向型的合同設計、初步設計到區域導向型的詳細設計、生產設計，強化設計的節約意識，樹立簡約化的 設計理念，全過程地推行功能成本分析。對船舶設備選型、管系布置、電纜走向等專業設計進行優化分析，全面消除不必要的冗余功能，降低制造成本和資源消耗。

3.1.3 動力節能設計

船舶動力節能設計體現在以下幾個方面：一是探尋船舶新型動力能源，用其他能源輔助或取代石油作為動力能源，如太陽能、風能及波浪能等；二是改進推進效率的節能方式，例如柴電聯合動力推進方式，使能效轉換效率最大化；三是利用主機廢氣節能技術、應用新型燃油添加劑、采用燃油電噴技術；四是綜合使用電子技術和網絡技術，通過對動力裝置和船舶各參數實時監控，使其處于最佳運行狀態，最大限度降低能耗和排放。

3.2 從設計源頭提高鋼材利用率

運用船舶設計軟件的套料功能，合理調整船體零件套料排列，在板材零件的開孔中套補板零件等其他零件，以提高整板的利用率和生產效率；通過利用船體設計軟件中的材料管理程序，從余料數據庫中調取合適的余料進行再次套料，以提高余料的利用率。

3.2.1 材料的選擇原則

在船舶全壽命周期中，對環境影響最大的，一是制造過程中的焊接、涂裝作業； 二是船舶拆解后廢棄的艙室絕緣材料。 因此材料的選擇對船舶的綠色性能具有重要的影響，在材料選擇時應注意下述幾點：

（1） 選用便于回收、生產過程簡便、易于加工的材料，產生的廢料不污染環境；

（2） 選用無毒無害材料，避免生產過程對人體健康造成危害和對環境造成污染；

（3） 選用可再生的材料；

（4） 選用較少種類的材料，簡化設計，盡可能少用復合材料；

（5） 選用工藝性能優良的材料，以降低零件加工的難度與廢品率，節約加工過程的能源消耗。

3.2.2 各類材料的選擇重點

（1） 焊接材料。焊絲（焊條） 的添加助焊藥劑，在電弧高溫燃燒下，隨焊接煙塵一起向空氣中擴散，對操作人員和環境構成危害。因此，設計人員在生產設計上，應首先選用高效焊接工藝和低毒低煙焊絲（焊條）。

（2） 艙室絕緣材料。由于具有防火、隔音、保溫等優良性能和可加工性， 礦棉、玻璃棉被用于船舶艙室的內裝。在船舶營運壽命結束后的拆解過程中，這些保溫材料由于沒有再生利用價值而被大量拋棄。礦棉、玻璃棉的不可降解性，使這些廢棄的材料直接導致周圍的水質和土質的惡化。因此，選用保溫材料，不僅要考慮其技術性能，還應考慮環保性能，研制一種高效、環保的絕緣材料也將成為完善綠色造船技術的一項重要工作。隨著硅質納米孔絕熱保溫材料、聚酰亞胺泡沫材料等新型節能環保絕熱保溫材料的開發與應用，傳統艙室絕緣材料將逐步被替代。

（3） 涂裝材料。船舶涂裝工藝分為鋼板預處理（在鋼材預處理車間完成） 和二次除銹涂裝（在涂裝房內進行）。先進造船國家一般較少進行二次除銹涂裝，這不僅減少了資源浪費，而且生產效率大大提高。我國在引入區域造船方法的同時，也在嘗試減少二次除銹涂裝，采用跟蹤補涂技術。傳統溶劑型涂料因其對人體的危害和對空氣的污染已無法滿足綠色造船的要求，取而代之的應是一些無污染、省資源、省能源的綠色涂料。如水性涂料、粉末涂料和輻射固化涂料等。另外，船舶外板水線以下涂料，應具有只驅趕而并不殺滅海洋生物的性能，是既能防止海洋生物附著， 但又不污染海洋的綠色環保涂料。

3.3 標準化、模塊化設計

隨著科學技術的進步，各國對海洋保護意識日益提高，對船舶結構、性能提出更高的要求。由此，船舶更新換代的周期越來越短。為了避免由此造成的不良后果， 船舶在設計時， 有必要采用標準化、模塊化的設計。

（1）通過標準化、模塊化設計，可以簡化船體結構。采用功能多樣化與復合化的零件以及簡單的連接方法，使整體裝置的零件數減少；合理地設計產品中零件、支撐、載荷的布置，確定適當的整體尺寸，提高材料利用率；設計結構符合工藝性與加工性，以減少加工過程中的材料損耗與能源消耗；設計的結構便于回收，實現資源的重復利用；設計的結構便于維修，延長產品使用壽命。

（2）通過標準化、模塊化設計，船舶設備可以有效地避免舾裝件逐件裝船， 從而降低艙室內的污染和噪聲危害，提高工作效率和工作質量，還可使勞動量和資金的消耗大大減少。而且船舶設備的標準化、模塊化設計，也較好地滿足了設備更新拆裝的互換要求。

（3）標準化設計可以提高零部件的通用性，提高零部件的重復性。標準化設計亦可以促進專業化生產。

3.4 并行設計

根據并行工程的思想，由設計者、制造者和環保工程師參與船舶的初步設計、詳細設計和生產設計整個過程，通過相互協調，綜合考慮船舶由初步設計到報廢拆解的整個壽命周期中影響資源利用與環境污染的所有因素，優化各個設計環節，提高整個制造系統的資源利用率， 降低廢品率，節約資源。另外， 還應綜合考慮產品的結構設計、材料選擇、制造環境設計、工藝設計、回收處理設計等各個方面，實現并行式綠色制造設計。

4 綠色船舶的制造

4.1 綠色加工工藝

4.1.1 凈成形制造

成形制造技術包括鑄造、塑性加工等技術。成形制造技術正從接近零件形狀向直接制成工件形狀即精密成形或凈成形方向發展。成形的零件有些可以直接或稍加處理即可用于組成產品， 這可以大大減少原材料和能源的消耗。

4.1.2 干式加工

加工過程中不采用任何冷卻液。干式加工簡化了工藝、減少了成本，而且消除了冷卻液所帶來的一系列問題，如廢液處理和排放等。目前，干式加工在國外已經得到局部應用，如干車削、干磨削、干鏜削等。我國還剛開始研究，作為一種新型的加工工藝，有望在船舶制造中發揮其應有的作用。

4.1.3 無余量制造。

無余量制造是船體建造過程中以加放尺寸精度補償量以取代余量，通過設計合理的建造公差，采用有效的工藝技術與原理，對船體零部件、結構進行尺寸精度控制的一項精度控制技術。這項技術在減少作業量、降低建造成本、提高產品質量、縮短制造周期上將發揮更大作用，也會為企業帶來經濟效益。

4.1.4 工藝模擬技術

工藝模擬技術主要用于水火彎板等熱加工過程。過去通常必須做大量的實驗才能初步控制和保證加工工件的質量。采用工藝模擬技術將數值模擬、物理模擬和專家系統相結合確定最佳工藝參數，優化工藝方案， 預測加工過程中可能產生的缺陷并采取防止措施， 從而有效地控制和保證加工工件的質量。

4.1.5 網絡技術、虛擬現實技術與敏捷制造

虛擬現實技術主要包括虛擬制造技術和虛擬公司兩部分。虛擬制造技術就是在真正產品生產之前在虛擬制造環境下生成軟產品模型來代替傳統的真實樣品進行實驗，對其性能和可制造性進行預測和評估，從而減少損耗，降低成本。虛擬制造技術和網絡技術相結合就可根據市場需求，將產品所涉及到的不同公司臨時組建成一個由計算機網絡聯系的虛擬公司。各造船企業和設計院所可通過因特網建立制造資源信息網絡來實施敏捷制造。

這些工藝和技術或減少了原材料和能源的耗用量，或可縮短開發周期、減少成本，而且有些工藝改進對環境起到保護作用，所以都被歸于綠色制造工藝。

4.2 綠色焊接工藝

4.2.1 高效焊接電源

高效、節能是焊接電源的發展方向。逆變焊接電源具有節能、高效、直流輸出穩定、焊接質量高等優點，成為焊接電源的發展方向。隨著微電子技術和計算機技術的發展，數字焊接電源日趨成熟，如與數字送絲機相配，能獲得最佳的焊接與節能效果。

4.2.2 高效焊接工藝

高效焊接熔敷效率高、速度快、操作方便且易于自動化作業， 具有生產效率高、焊接質量好、節約能源和材料等特點。常用的高效焊接方法主要有氣體保護焊，包括熔化極活性氣體保護焊（MAG焊）和熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）和埋弧焊、電渣焊、氣電自動焊、電子束焊和激光焊等。高效焊接在造船企業已成為船體建造中提高焊接生產效率和質量、節約資源和降低對環境負面影響的重要技術之一。

4.2.3 高效焊接裝備

例如，橫向對接焊縫焊機是針對船體垂直位置橫向對接焊縫的自動化焊接設備，具有施工效率高、焊縫質量好的特點。有效地解決了橫向焊縫采用手工焊接所無法解決的焊縫成形質量差、生產效率低、作業條件差、勞動強度大等問題。門架式雙絲埋弧焊接裝備是拼板焊接的專用設備，其焊接速度高、反面焊接不需清根，既使工藝簡化，又壓縮了作業時間，是一款高效環保拼板焊接裝備。

4. 3 綠色涂裝工藝

4.3.1 應用現代造船理念， 實現涂裝環保作業

實現船舶綠色涂裝，應根據現代造船理念，從全局出發，以系統工程的思想加以實施。應按照船體分道、區域舾裝、區域涂裝的原則，深化涂裝生產設計，注重鋼材預處理質量，縮短分段制造周期，提高預舾裝率和分段完整性，加強涂裝生產的動態管理，通過環保型的涂裝工藝、涂裝設施的應用，以及跟蹤補涂等措施，實現環保型涂裝作業的目標。

4.3.2 合理選擇涂料，優化施工工藝

采用高性能專用涂料，減少熱加工區域的涂膜損傷，以提高保護效果和生產效率：采用長效型車間底漆，減少分段制造期間的銹蝕；采用厚膜型涂料，減少涂裝次數；采用低表面處理涂料，選擇合理的除銹等級；采用萬能型底漆，減少涂料品種，簡化工序，提高工時效率。

4.3.3 推進標準化和計算機輔助管理

以殼舾涂一體化為目標，完善涂裝設計、施工、質量管理、物料管理等標準，嚴格按涂裝作業計劃和標準要求施工作業。同時廣泛應用計算機輔助涂裝生產管理，特別是計算機輔助涂裝工程動態管理，提高工時利用率，降低物料消耗。

4.3.4 推廣移動式涂裝系統和環保型分段涂裝房

移動式涂裝系統，以模塊化設計為指導思想，以輕鋼彩板結構為主體，輔以各類專用系列接扣件、鋼架件以及多種專用緊固件。涂裝系統裝置，可根據工程需要的容積在指定地點按要求快速搭建。工程一旦完工，又可方便地拆卸并運至下一個工程所在地再行搭建， 繼續涂裝施工。

移動式涂裝系統，設有各種標準的設備接口模塊，主要有進氣管道模塊、除塵設備接口模塊、除漆霧接口模塊、噴砂設備接口模塊、吸砂設備接口模塊、溫濕度控制設備接口模塊、傳感系統接口模塊、動力設備接口模塊等。

環保型分段涂裝房內的空氣溫度和濕度可自動控制，為船體分段涂裝提供適宜的環境條件，全天候作業。同時，采用粉塵和漆霧分離技術，有效控制有機溶劑排放，實現環保型的分段涂裝。

4.3.5 室內造船

受技術和資金等因素的限制，目前分段建造，尤其是曲面分段建造仍然以手工電弧焊為主，而且大多數在露天平臺上施工，施工過程中的弧光、煙塵是影響環境的主要因素。隨著國家對環境的生態要求越來越高，這就要求我們改變傳統的露天作業方式，建立擴大室內分段建造比例，最大限度地減少露天焊接作業量，使焊接盡可能控制在室內，并通過空氣循環處理系統凈化焊接煙塵， 把對環境的不良影響在室內消除掉。

此外，為了更快地推進綠色船舶的發展進程，國際海事組織（IMO）、歐盟以及其它一些國家也都紛紛出臺各種規范、標準，從制度上確保全球海洋環境或區域海洋環境盡可能地免受污染。因此，綠色船舶在設計、建造、營運以及后期的報廢拆解過程中都要嚴格地遵守各項規范、標準的要求，同時還須密切關注未來將要頒布、執行的各項規范、標準。

5 結束語

綠色船舶是船舶工業發展的大趨勢，綠色船舶的設計與制造技術，能夠成為貫徹國家“節能減排”方針的重要措施，也將為全面提高我國船舶工業的國際競爭力，為船舶工業的持續發展提供重要的推力。

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