船舶建造工藝發展現狀分析及對策

張 晗，符 道，閆大海，李紅燁

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.中國船舶重工集團公司，北京 100097)

1 造船模式與造船方法發展歷程

1.1 造船模式發展歷程

造船模式已經歷了3個發展階段，目前正處于第4個階段，正在形成第5個階段。第1階段:系統導向型造船模式——船臺散裝、碼頭舾裝、整船涂裝;第2階段:系統和區域導向型造船模式——分段建造、預舾裝、預涂裝;第3階段:區域、類型和階段型造船模式——分道建造、區域舾裝、區域涂裝;第4階段:中間產品導向型階段——殼舾涂一體化;第5階段:產品導向型階段——設計制造一體化。前2個階段屬于傳統造船模式，中間2個階段屬于現代造船模式，第5階段屬于未來造船模式。現代造船模式可以理解為以統籌優化理論為指導，應用成組技術原理，以中間產品為導向，按區域組織生產，殼舾涂作業在空間上分道，時間上有序，實現設計、生產、管理一體化，均衡、連續的總裝造船。

1.2 造船方法發展歷程

船舶建造方法出現過3次重大變革。第1次是在二戰期間，焊接技術替代鉚接技術，并廣泛采用分段建造法，大幅度提高了造船效率。第2次出現在20世紀60年代前期，歐洲一些船廠為了快速建造大型油船和散貨船，建設了大型干船塢，添置大型門式吊車，制造出重達數百噸的大型分段。這種大型分段建造法再一次顯著提高了造船效率。第3次是目前韓國船廠采用的巨型總段造船法，可以使吊進船塢進行大合攏的分段 (已完成大部分舾裝工作)重量提高到2000～3000 t。相對于大型分段造船法，巨型總段造船法有以下3個重要變化:一是巨型總段吊入船塢，通常由巨型浮吊完成;二是巨型總段既可以在船廠內制造，也可以由廠外專業分段廠甚至國外分段廠制造，分段制造完成后，通過海上拖航到船塢邊，直接吊入塢內;三是巨型總段建造法可以方便地與平地造船法、浮塢造船法、駁船造船法等方法結合使用，進一步提高了造船效率。

2 船舶建造工藝發展趨勢

2.1 總體發展趨勢

隨著船舶建造模式、建造方法和先進造船工藝的蓬勃發展，船舶企業生產和管理方式發生了變革，船廠變得干凈整潔，勞動人數大為減少，船舶工業從勞動密集型轉變為設備密集型，并正在向信息密集型方向發展。目前，船舶建造總體上呈現出總裝化、精益化、數字化、綠色化和智能化等發展趨勢。

1)總裝化

總裝化是現代造船模式發展的重要方向，其主要特征是充分發揮船廠核心資源作用，盡可能將船舶中間產品從造船作業主流程中分離出去，使企業集中力量從事總裝生產，提高總裝造船生產規模和專業化水平。總裝廠的主要任務是船體制造和管子制作，而鋼材加工、分段制造、上層建筑加工、單元模塊加工、大型鑄鍛件加工、軸系加工以及其他各類舾裝件加工制造由與之配套的專業化協作企業完成。

2)精益化 (精益生產)

精益生產模式源于日本汽車工業，核心思想是消除生產中的浪費和一切非增值環節，使企業同時具備大批量生產經濟性和多品種生產靈活性的能力。這是一種以最大限度減少企業生產所占用資源、降低企業管理和運營成本為主要目標的生產方式，它還是一種經營管理理念和企業文化。精益造船由精益生產概念引申而來，是精益生產理論在船舶工業中的應用，首先由美國造船界提出，指從造船合同簽約開始到船舶完工交付使用的過程中，通過對員工的激勵，不斷改進造船過程，減少浪費，達到縮短造船周期、降低造船成本、提高造船質量的目的。

3)數字化

數字化是信息化的核心。以信息化為核心的艦艇總段建造和模塊化生產，是造船方式的一次革命。它不僅涉及設計制造技術的改變，更涉及生產組織和管理方法的改變。把過去按工種串行作業的生產方法，轉變為按總段和模塊多工種并行作業。數字化已經成為現代造船技術的主要內容，數字化造船的基本特征體現為“三全”:船舶研制的全過程信息融合及過程集成管理、全面數字化建模仿真與優化、面向產品全生命周期。實施數字化造船的核心是實現集成、協同和優化。集成和協同，不僅僅是技術上的集成和協同，更是現代組織管理模式下的資源、信息、工具、手段的集成和協同。并且，集成和協同是先進造船模式的固化和積累，是在工程層面、管理層面、企業層面實現真正意義上的數字化的支撐和核心［1］。

4)綠色化

綠色即為“節能、環保、和諧”。國際上對綠色造船并沒有統一的定義。根據對船舶各個方面的環保要求，綠色造船可以認為是船舶在設計、制造、營運、報廢拆解的全壽命周期中，采用環保技術、設備和材料，最大限度地降低資源消耗，提高建造材料回收利用率，最大限度地減少環境污染，對船舶設計者、生產者和使用者具有良好保護的先進造船技術。

綠色造船技術不是單一的綠色制造技術，涉及船舶設計、建造、配套、原材料、標準、管理等各個環節，是一項復雜的系統工程。實施綠色造船的源頭在綠色設計，實現的手段是綠色工藝技術與裝備，實現的基礎在于綠色管理。通過頂層策劃，可以實現綠色造船的資源、信息、工具、手段的集成和協同，可以使船舶設計、生產、管理、配套、使用、維護、報廢等成為一體考慮，充分考慮到每個環節的問題［2］。

5)智能化

智能制造是21世紀先進制造技術發展的重要方向。它將人工智能融進產品設計、工藝過程設計、生產計劃調度、工藝過程控制、制造和裝配等環節，提高制造系統各個環節的智能水平，使制造系統具有更高的柔性。研究表明，現代造船正逐步用自動化制造裝備代替人工操縱的各種加工機械、用智能化設備替代人的腦力勞動，向著工廠無人化方向發展。

2.2 造船主要工藝技術現狀和發展趨勢

1)全面推行殼舾涂一體化

殼舾涂一體化是以船體為基礎，舾裝為中心，涂裝為重點，把殼、舾、涂不同性質的三大作業類型建立在空間上分道，時間上有序的立體排序，體現了設計、生產、管理一體化。應用殼舾涂一體化造船，可以顯著提高造船效率，提高建造質量和建造安全水平、改善作業環境、降低勞動強度、降低成本，提升企業的綜合競爭力。

2)船體裝配采用流水線生產

船體裝配一般分為部件裝配、分段裝配、船體裝配3個步驟。船體裝配和焊接的工作量占船體建造總工作量的75%以上。目前，先進造船國家船廠的船體部件和曲面分段裝配基本上采用了流水線生產。例如，日本萬國造船公司有明船廠裝備有1條大型平面分段裝配生產線，最大可拼焊24 m×25 m的殼板。該系統由2人控制、10個焊機同時焊接時，每分鐘焊接總長度為10 m，大約3.5 h可完成重約100 t的24 m×25 m平面分段。

3)焊接向自動化、高效化、綠色化、數字化等方向發展

在船體建造中，焊接工時約占船體建造總工時的30%～40%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%，焊接效率和質量對造船質量、周期和成本有重要影響。由于船舶制造多以大厚板材的焊接為主，增加了焊接的難度，對焊接材料和焊接工藝都提出了很高、甚至苛刻的要求。

20世紀70年代中期以來，自動化成為船舶焊接技術發展的一個顯著的特點。日本的裝配焊接機器人已經從船體零部件制造發展到平面分段縱向構件的裝配焊接、外場焊接、塢內船底仰焊，曲面船殼板單面焊接和縱橫構件裝配焊接等，目標是實現船體焊接的全面自動化。20世紀90年代以來，各先進造船國家非常注重船舶高效焊接技術的開發和應用。如美國開發的一種焊接速度可達5 m/min以上的Tandem熔化極氣體保護焊技術，通過提高焊縫熔敷速率，焊接成本顯著降低。目前這種技術已在德國船廠中得到使用，使得高效化成為目前船舶焊接技術的一大特點。綠色化已經成為21世紀船舶焊接技術必須解決的重大課題。攪拌摩擦焊、激光焊和激光復合焊、電子束焊等先進焊接技術的開發和應用，為船舶焊接綠色化提供了工藝手段。20世紀70年代末以來，日本、英國、美國、德國等工業發達國家，相繼開始了焊接數據庫系統的研究工作，取得了豐碩的成果。通用數字工業公司專門為美國海軍開發了NEWCS焊接系統，可實時智能控制焊接過程，焊后可離線進行缺陷診斷，對焊接檢驗結果進行分析。隨著各國數字化造船工程的不斷推進，船舶焊接數字化的進程會越來越快。

3)加工成形技術向全面自動化方向發展

全自動切割系統在船舶建造過程中得到廣泛應用。全自動切割系統包括數控切割系統和機器人切割系統。這2種系統可建立專用的切割生產線，或與焊接系統一起組成自動化生產線，具有自動輸料、減少積存、操作人員少、切割前不需要劃線、可與CAD系統接口等特點。

船體板材成形工藝由以手工為主向自動化方向轉變。通常，船廠一般采用手動生產線來完成熱成形工藝的加熱過程，即通稱的水火彎板。目前，大部分復雜曲度的船殼板都用該方法加工，是一種勞動力密集型生產流程，最終成形產品的質量很大程度上依賴于操作者的知識、經驗和技能。90年代中期以來，水火彎板工藝由以手工為主向自動化方向邁進。日本石川島播磨重工和大阪大學焊接研究所從1994年共同研制了線加熱自動化系統IHI－α，它是以高頻加熱為熱源的船體外板自動線加熱成形系統。截止到2005年，該系統已經發展到第三代加熱方式，系統全部實現了自動化。一個高度復雜的船體曲面以前要2～3 d的手工成形，現在只需要5～6 h，其中還包括2～3 h的方案計算時間。

4)造船精度控制技術得到重視和發展

所謂造船精度控制，就是用數理統計的方法，通過對造船生產過程中的加工公差和焊接熱變形等進行精度控制，用補償量代替余量的辦法，減少造船加工、裝配和焊接當中的無效勞動。造船精度控制是現代造船的一項關鍵技術，造船精度控制技術的源頭是生產設計。從生產設計開始，對船體零部件的尺寸精度進行控制，最大限度地減少分段制造、分段總組及塢內搭載裝配工作量，實施外場無修割、少修割，一次定位，快速裝配、快速搭載，縮短船舶建造的周期，從而取得降低船舶建造成本的效果。

3 對策與建議

3.1 以轉變觀念為先導，做好工藝工作頂層設計

目前，造船市場競爭激烈，工藝技術水平和保障能力已成為爭奪市場的重要因素，迫切需要我們要以轉變觀念為先導，做好工藝工作頂層設計。在政策和制度上支持工藝工作，將基礎建設、人才培訓、獎勵政策等與工藝創新、工藝技術推廣與儲備、自主投入等掛鉤，營造工藝技術創新、先進工藝推廣、降耗革新的氛圍。制訂工藝工作的目標體系、責任體系和考核體系，強化協作機制。按照目標清晰、職責明確、考核嚴格的要求，制訂并落實工藝計劃，加強現場檢查與考核。

3.2 以規范運行為目標，加強工藝體系建設

缺少工藝規范，憑主觀和經驗主導下的工藝過程，受人為和環境因素影響大，容易造成工藝穩定性和一致性差，產品合格率低，制造成本高。實踐表明，在船舶產品所發生的質量故障中，有相當一部分是由于工藝的不確定性造成的。工藝的規范化不僅僅是技術問題，更重要的是要有統一的認識，需要以規范運行為目標，加強工藝體系的建設，形成結構優化、布局合理、資源共享、運行有效的工藝研發體系。

1)進一步加強工藝基礎研究。重視和加強工藝標準化工作和工藝資源數據庫建設，提高行業和企業工藝標準化水平;梳理現有工藝技術，根據造船需求，結合工藝技術現狀和發展，編制和完善船舶工藝技術譜系，以指導船舶工藝自主創新的各項工作。

2)進一步完善工藝技術研究體系。對于原理性、材料制備和加工、元器件制造等基礎性工藝技術研究，應鼓勵產、學、研相結合開展科研攻關，加強科研成果向企業的轉化;對于引進工藝技術的消化吸收和再創新、工藝技術集成創新性工藝研究，應強調以企業為主體，開展科研工作，注重工藝創新成果的實際應用。

3)建立健全工藝技術評價體系。主要包括工藝科研項目計劃、立項、實施、驗收的評價體系及工藝科研成果創新性指標評價體系。

4)建立健全工藝技術升級換代機制。根據工藝技術發展和應用情況，編制淘汰、改進提高、推廣應用及新研工藝技術和裝備的目錄和時間表，有計劃、有步驟地推動工藝技術和工藝裝備水平的提高。

3.3 以管理創新為保障，大力推進工藝管理創新

做好工藝工作，提高工藝技術整體水平， “三分靠技術，七分靠管理”。只有不斷探索新形勢下工藝管理的新思路，統籌抓好工藝綜合管理、工藝科研管理和工藝信息化管理，在思想觀念、工作制度、管理體制、運行機制及管理手段等方面不斷創新，才能推動造船模式向集成化、敏捷化、柔性化方向發展，實現從經驗設計、制造向預測設計、制造的轉變，從傳統制造向現代集成制造的轉變。應建立健全工藝管理體系，明確各級工藝主管部門(機構)，明確工藝主管領導、工藝管理人員及職責，抓好各項工藝管理工作。建立健全企業工藝師體系，落實相應的責、權、利，規范工藝技術和科研管理，加強工藝評審工作，保證工藝設計質量，充分發揮工藝師在生產中的作用。成立工藝專家咨詢組織，進一步發揮工藝專家的咨詢作用。建立健全工藝知識產權保護和轉讓制度，保護科研人員的積極性和企業競爭優勢。構建技術交流及成果推廣服務平臺，加強企業內部和不同行業間工藝工作的技術交流，實現科技成果資源共享，促進工藝技術的快速發展。

3.4 以培養人才為根本，加強工藝技術隊伍建設

工藝技術進步與創新關鍵在人才。應重視加強工藝技術隊伍建設，在工藝技術隊伍中充實和培養一批事業心強、富有創新和實干精神、理論和實踐經驗豐富的人才。確保工藝人才的待遇，調動廣大工藝技術人員的積極性和創造性。制定和完善工藝工作的評價、考核和獎懲辦法，建立激勵機制。在科學技術獎和技術職稱的評定工作中，充分重視和體現工藝創新成果的價值。創造尊重工藝知識、尊重工藝人才的環境，培養和造就一批工藝大師和高技能工人，凝聚工藝隊伍，提高整體素質，推動船舶行業又快又好地發展。

［1］張晗，閆大海，符道.數字化造船——現代造船技術的發展方向［J］.艦船科學技術，2009，31(3):4 －7.ZHANG Han，YAN Da-hai，FU Dao.Digital shipbuilding，the developmentalorientation ofmodern shipbuilding technology［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):4－7.

［2］張林，閆大海，符道.船舶綠色制造技術［J］.現代制造工程，2009(S):176－177.ZHANG Lin，YAN Da-hai，FU Dao.Developing green shipbuilding［J］.Modern Manufacturing Engineering，2009(S):176－177.