23萬噸礦砂船機艙單元模塊設計探討

摘要：以中間產品為導向是現代造船模式的基本思想，舾裝工程是以托盤、單元模塊等中間產品為基礎來展開的，通過對23萬噸礦砂船機艙單元模塊設計的研究，將有助于降低船舶建造成本和縮短船舶建造周期。

關鍵詞：礦砂船；現代造船模式；機艙；單元模塊設計

1 前言

單元模塊是船舶舾裝中除重大設備外的重要部件，對提高船舶的預舾裝量、縮短造船周期起著至關重要的作用。我國造船業自上世紀末引進模塊化造船理念，開始了模塊化造船技術的研究和探索。船舶機艙區域由于空間狹窄，設備、管路、鐵舾件眾多，是功能性單元和區域性單元預舾裝最合適的區域，若能有效的設計和劃分單元模塊，將大大減輕勞動強度和縮短建造周期。近幾年來，國內大型船廠在該領域進行了大膽地改革和嘗試，如機艙底部區域從傳統的船內散裝設計改變為分段舾裝綜合生產設計，后又改變為以區域性單元預裝設計。在母型船設計時將機艙底層作為全寬型單元，即在車間內場模擬船上的空間，整體制作，分塊吊裝。據此工藝變外場作業為內場作業，取消了合攏管，改善了工作環境，縮短了船舶建造周期。

2 機艙單元模塊設計概況

23萬噸系列礦砂船是華南地區建造的最大噸位的散貨船，該船為單機單槳尾機型船舶，受龍穴造船公司的委托，廣船國際技術中心承擔了其生產設計任務。在生產設計前期，我們以該系列船的《詳細建造計劃書》為依據，以機艙布置圖為基礎，對機艙單元模塊組裝設計進行了構思。在機艙區域綜合布置（利用TRIBON進行建模）結束后，與綜放、電氣專業協調平衡確定單元的具體界面范圍和組合力量。同時和建造部門加強協調溝通，確保單元模塊組裝的結構大小和重量控制在舾裝設施能力范圍之內。

在機艙單元模塊設計過程中，我們把握三個原則：一是布置要相對集中；二是工藝要合理；三是要盡可能采用無余量設計。在此基礎上形成具有獨立功能、完善的接口特性、互換性強、具有適用性和超前性、商品性的模塊特征。

3 機艙舾裝單元模塊設置的分析

單元模塊組裝設計需立足于區域舾裝，針對分段、總段或區域的具體結構情況，開展單元模塊組裝的規劃與設計。該系列船在進行機艙布置設計時就提前考慮了模塊的組合形式和可能性，盡量使這些設備集中布置，以形成模塊。同時考慮設備的維修空間及操作、維修通道，以及單元的外形尺寸，以保證其布置、吊裝的可行性。該船機艙為尾機艙，設在15#～51#肋之間，總長34.3 m，但機艙下平臺至上甲板之間位于15#～50#肋之間，下平臺至內底面的連接為傾斜的壁。

下面我們分析該船機艙各層設備布置特點及對單元模塊劃分的影響。

機艙雙層底設置了主機滑油循環艙、燃油泄放艙、燃油溢油艙、艙底水艙等。由于本船不設泵艙，兩臺排量為3 500 m3/h的壓載泵位于機艙內。由于壓載泵排量太大，所以根據規范要求單獨在機艙內設置壓載泵專用海底門（左右各一個）。另外，機艙還設置2個高、低位海底門，位于45#～49#肋之間，主要是為海水冷卻系統服務。三臺主海水泵布置在底層右舷39#～44#肋之間主海水總管附近，有利于減少海水管的長度。兩臺壓載泵布置在左、右舷各一臺，壓載泵進出口與壓載水總管高度一致，以避免不必要的彎管。本船內底面距離花鋼板高度為2 736 mm，因為花鋼板比較高，考慮到泵的自吸能力問題，部分臥式泵要低于花鋼板面距離內底面1 300 mm布置。由于這部分泵布置在花鋼板下，為了使船員能夠方便使用及檢修，在這些泵的周圍均設有直梯。由于艉軸密封為油、氣混合密封，所以比常規的油密封的配套設備要多一些，這些設備都需要根據艉軸管滑油系統的高度要求安裝在底層。在構思底層單元模塊時，在充分考慮到船體結構特點的基礎上，盡量將設備、管子納入單元內，設備布置在滿足通道、維修空間的要求后應盡量往船舯靠，實在無法布置時才考慮布置在舷側。根據內底D31，D32，D33分段線的位置，將其劃分成12個全寬型綜合單元和空冷器化學清洗模塊、主機填料函泄放柜模塊、防海生物裝置單元等3個模塊。在綜合單元設計時，把能夠在地面組裝的部件（如梯子、欄桿、扶手、花鋼板等鐵舾件）考慮進去，盡最大可能減少船上安裝量。

機艙下平臺右舷20#～22#肋之間主要布置了熱井和大氣冷凝器，為了節省空間，將大氣冷凝器布置在熱井上面做成了一個模塊。制淡裝置單元、主機缸套水冷卻泵組單元、主機缸套水冷卻器單元、主機滑油冷卻器單元、主機滑油自清濾器單元布置在20#～22#肋之間。由于下平臺不設發電機室，3臺發電機敞開布置在17#～25#肋之間，為此我們根據船體結構的特點布置了10個綜合性單元。同時將發電機平臺花鋼板高度設計為600 mm，將單元延伸至舷旁，熱井摸塊和制淡裝置單元布置在其上，便于吊裝上船。3臺低溫淡水冷卻泵和兩臺中央冷卻器布置在33#～42#肋之間，按原設計3臺低溫淡水冷卻泵與兩臺中央冷卻器和船舯線平行布置，但因為33#～42#肋之間船體結構上有3根工字型的柱子，這樣就使得兩臺中央冷卻器被中間的一根柱子擋住，而造成了兩臺中央冷卻器沒有空間進行檢修，也不利于做成單元，后來我們將這些設備旋轉了90度，終于順利解決了該問題。分油機室里設置六個綜合單元，里面包括分油機標準模塊、主機供油單元標準模塊、輔機供油單元標準模塊、鍋爐燃油供給泵單元。其中分油機及其相關附件安裝于分油機間油渣艙上，按原計劃分油機油渣艙是作為船體結構的一部分，屬G2D31P分段，未組裝進分油機標準模塊，這樣就導致分油機單元上有下平臺封閉下有油渣柜封底而無法進行吊裝，同時分油機模塊也缺乏完整性。最后考慮將分油機油渣艙分離出來做成一個獨立的結構，和分油機等設備及部件組合成標準模塊，在船塢進行吊裝。

在上平臺區域22# ～28#肋右舷，布置了兩個臥式主空氣瓶，由于外形較大，為了便于操作及檢修，在兩個主空氣瓶之間布置了兩把梯子，中間部分布置框架并鋪設花鋼板，考慮將其做為一個功能性單元進行整體吊裝。在上平臺右舷其它區域，同時還布置了主壓縮機組單元、伙食冷藏裝置單元、空調壓縮機組單元及氣缸油日用柜模塊。集控室位于上平臺右舷22# ～28#肋之間，我們在設計時將集控室做成獨立分段，把集控室內集控工作臺、各種儀表管路、控制管路、電纜、空調器及管路和電纜的所有通艙件做成一個完整體，在上平臺合攏時吊入就位，然后連接外部管子和敷電纜，這樣就形成了標準的集控室模塊。

總的來說，機艙上下平臺甲板側重于采用模塊和功能單元，如有條件，盡可能考慮把分油機室和集控室做成獨立于分段建造的模塊。通過分油機模塊、熱井模塊等標準模塊的采用，有利于我們簡化設計和縮短設計周期。為提高標準模塊的適用性，我們也可將標準模塊拆分，組合成若干子模塊。布置形式也可根據空間位置靈活組織，可以是一字形地排開，也可是丁字形的布置。但在劃分時，要盡量減少產品所含的子模塊數量，簡化模塊自身的復雜程度，避免模塊組合時產生混亂。

圍井區域上甲板布置有焚燒爐單元、焚燒爐廢油柜單元等設備。在A甲板4個帶百葉窗風機室分別布置了4臺機艙風機，可連同其基座一起組合成功能性單元。除此之外根據圍井和煙囪區域的建造特點，將1A2、2A2、3A2、4E2分段組合成X1A2 總段，側放在胎架上，進行組合鍋爐、消音器等設備，排氣管和透氣管等管系以及相關直梯、格柵等鐵舾件的預裝，最后在船塢將整個總組總段吊上船合攏。因此，對于圍井和煙囪區域，可充分利用船體結構的特點，采用分段預裝的綜合單元。

4 機艙舾裝單元模塊設計的實施

通過對機艙布置的分析，我們可以確定底層單元模塊、下平臺單元模塊、上平臺單元模塊和圍井煙囪區單元模塊的范圍和包括的相關設備和附件（詳略）。

單元模塊劃分和組裝時，在滿足系統功能的前提下，布置上應力求緊湊、美觀，使外形尺寸盡可能小。設備的控制箱等電氣設備也需盡量布局于設備單元中，做到控制箱與設備的電纜接線，在單元安裝前就可以接線完畢。同時還需兼顧滿足船舶艙室布置要求和保證其操作維護方便。

如空冷器化學清洗模塊和熱井模塊，我們將化學清洗泵和大氣冷凝器分別布置在化學清洗柜和熱井及凝水觀察柜頂上，不僅可以滿足功能要求，而且也節省了空間和便于操作維護。

根據單元模塊設備組成的情況，每個單元均設有設備基座、框架、管支架，用以安裝設備和固定管路及相關附件。本船設備基座盡量采用角鋼或其他型材來制作，一方面減輕了空船重量，另一方面也避免了板材結構給管路布置帶來的困難。在設計框架時，我們統一選用了L75×75等邊角鋼。由于綜合單元的外形尺寸一般都較大，且設備管路密集，往往較重，但框架腳卻是散的，容易造成變形。考慮到采用不同吊裝方式時的受力和強度問題，選用L63×63角鋼提供給現場進行臨時加強，單元吊裝就位后割除。管支架盡量利用框架角鋼作為碼腳，對于通徑>200 mm的管子，局部采用相應的大尺寸角鋼或槽鋼作為碼腳。對于大型的綜合單元，我們在框架面上鋪設了4 mm厚的花鋼板，同時設置直梯、扶手欄桿等鐵舾件。花鋼板面上也設計了手孔蓋以便于閥件操作，除應急吸口閥的手輪露出花鋼板面460mm外，其他花鋼板下的管子閥門操縱手輪、泥箱蓋等，低于花鋼板平面100 mm。

由于模塊單元一般外形尺寸較大，在設計時需考慮進機艙的時間、順序及吊裝的要求，同時避開船體的大結構和柱子。機艙舾裝單元模塊的作業階段需遵循以下基本原則：按擴大先行工程的原則，單元盡可能在X階段吊裝到位；大型單元，如綜合單元，可在Y階段吊裝，按照單元的安裝順序吊裝；對某些可能影響船體結構裝配單元（或封艙件單元），可先在船上臨時擱置，待船體結構裝配完成后再安裝到位。

5 機艙舾裝單元模塊設計出圖方式的優化

為滿足單元模塊托盤設計和優化要求，需要改善機艙舾裝單元的設計方法，我們在23萬噸礦砂船上對機艙舾裝單元進行了相關探索。在TRIBON系統中對組成舾裝單元的框架、設備、花鋼板、梯子、欄桿、管碼等都進行了準確的建模，經過對機艙舾裝單元的深化設計，我們可以在TRIBON系統中提取設備、單元框架、花鋼板、梯子、欄桿、管碼等的制作及安裝信息。這樣不但保證舾裝圖紙的準確性，還為管舾裝綜合布置提供了良好的條件。經過深化后的機艙單元模塊設計圖紙包括單元框架制作圖、花鋼板制作圖、單元框架安裝圖，共三份圖紙。單元框架制作圖集中體現了框架、管件的固定支架、鐵舾件的制作信息及設備座架在單元中安裝信息。花鋼板制作圖包含了花鋼板及手孔蓋的制作信息。單元框架安裝圖反映了該單元在船上的安裝位置。

深化后的機艙單元模塊設計圖紙，減少了設計的差錯率，實現了單元鐵舾件100%的預裝率和單元整體吊裝，托盤的設計和劃分也得到優化，大大減少現場工作量。同時單元框架精度控制和無余量安裝也減少了材料的浪費，節省了成本。

6 總結

通過現場建造的反饋情況來看，23萬噸機艙區單元模塊設計和劃分是成功的，其深化設計也取得了預期效果，不僅滿足了龍穴總裝化造船模式的要求，而且極大的促進了生產流程的優化，提高了建造效率，縮短了造船周期。隨著造船技術的發展，生產工序的優化和完善，對設計的要求也越來越高，我們只有不斷的優化設計方法，提高設計效率才能滿足生產的需要。