船體詳細設計板縫排列對生產成本的影響及其優化

楊九九，章 銳，林 偉，汪家政

（金海重工股份有限公司，浙江岱山 316291）

0 引言

在國際造船行業中，中國以低成本的優勢搶占造船市場一定份額，依現在的設計、生產技術水平來看，今后的相當一段時期，國內仍然需要以這種低成本的優勢在世界造船大國中搏得一席之地[1]。2008年金融危機以來，船價下跌、人民幣升值、材料價格波動等，這些都直接影響企業的經濟效益[2]。如何控制風險，降本增效，確保目標利潤，對船舶企業具有相當重要的意義。船舶成本當中，生產成本占絕大部分，因此，優化生產工藝是控制造船風險的重要手段之一。

目前，國內大多船舶企業，在船體結構建造方面主要由生產設計和生產部門對工藝進行設計，詳細設計涉及工藝甚少。生產設計和生產部門在船舶生產過程中通過總結經驗，不斷創新，改進生產工藝，從而提高生產效率，降低能耗。生產設計對工藝微小的改進，能為生產部門減少較大的工作量[3]。除了生產設計和生產部門可以改進生產工藝，詳細設計階段也能為生產設計提供優化生產工藝的有力支持，其中船舶結構的板縫排列就是其中的一方面。

1 板縫劃分的依據

詳細設計板縫設置對生產設計具有重要的影響，實踐證明，合理的詳細設計板縫有利于船舶生產成本的控制，縮短生產周期，最終實現降本增效[3]。船舶建造過程中，船體結構中的板縫除了生產設計設置以外，還有詳細設計的板縫，它們的目的和設置依據如下：

1.1 詳細設計的板縫劃分依據和目的

1）船舶各個區域的強度、疲勞和腐蝕等要求不同，相應的板厚材質要求不一樣，不同材質板厚之間用板縫區分。

2）減輕船舶空船結構重量，滿足船舶載重量或其它性能要求。

1.2 生產設計的板縫劃分依據和目的

1）詳細設計的板縫。生產設計階段的板縫排列，原則上須按照詳細設計方案，只有在能大大提高生產方便或節約成本等的情況下，且需要板縫修改對船舶性能并無影響的論證，方可對詳細設計板縫作少許的修改。在生產設計階段，修改詳細設計的板縫排列周期較長而且過程復雜，一般情況不作修改。

2）原材料規格。從鋼廠采購的板材和型材有規格限制，船廠切割的零件尺寸不能超過板材規格，尺寸超大的零件需增設板縫。

3）船舶企業的預處理、加工、切割、起重等設備的限制，板材的規格不能超過這些設備的極限能力。當板材超過生產企業設備極限能力時，一般采用增加板縫分割成小零件的方法解決。

4）鋼材原材料的利用率和板規數量目標要求。

5）當結構無法安裝或安裝難度較大時，在允許的條件下，增設板縫是解決方案之一。

2 一般詳細設計板縫排列特點

金海重工股份有限公司建造的176KBC項目是一系列船，共建造30多艘，涉及若干船東船檢，其主尺寸度如下：總長 291.8m；垂線間長 282.2m；型寬45.0m；設計吃水16.5m；結構吃水18.25m；載重量1758000t。

以本項目詳細設計局部外板展開圖和槽形橫艙壁圖為例，展示船體結構主要構件的詳細設計板縫排列特點，如圖1和圖2所示。

圖 1顯示的局部外板展開圖長約 21m，寬約15m，粉紅色線條代表詳細設計設置的板縫，從圖中可看出板縫設置密集，縱、橫交織，分割成許多長寬不到3m的方塊。板厚按一定規律排列，在橫向上越靠近中縱面，板厚越大；在縱向上越靠近船舯，板厚越小。大部分相鄰板厚差為0.5mm~1mm，最厚板與最薄板的厚度相差5mm，此局部展開圖所有材質都是AH32的高強度鋼。

圖2顯示為典型橫艙壁，粉紅色線條代表詳細設計設置的板縫。圖中顯示除了肋板、底墩側板、頂墩側板上布置了板縫外，槽型艙壁板設置了橫向和豎向板縫，把槽型艙壁板分割成11塊板格。板厚從下向上增厚，材質升高，但相鄰板厚相差約1.5mm，低材質采用AH32，高材質為AH36。

圖1和圖2顯示了建造的176KBC項目詳細設計板縫排列的特點，板縫密集，縱橫交錯。但對其它已建造或正在設計的項目進行分析后發現，國內詳細設計在結構板縫排列上類似，板縫密集，板縫兩邊的板厚材質相差甚小。詳細設計設置密集的板縫是依據有限元計算，在板厚排列時，按照強度要求分布的特點進行設置，以期得到最輕的結構重量。

圖1 176KBC船舯局部外板展開

圖2 176KBC橫艙壁圖

3 一般詳細設計板縫排列對生產工藝的影響

上述一般的詳細設計板縫排列僅從結構重量的角度出發，為了達到控制空船重量的目的，在滿足有限元計算的前提下對板厚材質進行的排列。但從船舶設計、生產和營運整個過程研究，一般板縫的排列的合理性需進一步提高。通過生產設計和現場建造的經驗總結發現，圖1和圖2所示的板縫排列設計，雖然可以作為控制空船重量的一種途徑，但設計周期增加、生產成本上升，而且減少營運過程中結構安全壽命。國家倡導資源節約型、環境友好型社會，為響應國家的倡導，在船舶設計、生產和營運整個過程中都要達到最優的經濟指標，為社會創造更多的財富[4]。

在生產設計過程中，建模需要增設大量的板縫，增加了建模的周期。板縫越多，產生的零件數量越多，套料、套料圖紙設繪、編制零件表等生產設計階段的工作量相應地大幅度增加。零件數量越多，在生產設計階段的錯誤率也就越高，同時，現場車間切割、加工和裝配的過程中也會因零件數量增多而可能導致更多的返工。

板縫設置密集，板厚材質種類多，導致套料的板規種類繁多，同種板規的數量減少。板規越多、同種板規數量越少，增加采購的成本。因為在采購中，同種板規數量越多，價格越優惠。板規數量越多，增加了船廠原材料堆放管理難度，管理成本上升[1]。

板縫密集增加了零件切割、加工等的成本，因為板縫越多，零件的數量成倍地增加，大量的零件，切割車間的切割成本升高，緊隨其后的零件的吊運、開坡口、打磨、加工的工作量成倍增加，拉長了生產的周期。

被板縫分割成小塊的板需用埋弧自動焊或其它焊接方式進行拼接，大大增加了焊材和動能資源等的消耗。拼板前進行拼板對中（圖3）。拼板過程中受熱脹冷縮的影響，拼接以后的板會發生變形（圖4），因此在造船過程中需花大量的人物和能源對拼接的板材進行矯正。現在船廠最為常用的校正方法就是在焊縫兩邊各約 100mm的范圍內進行火燒，然后立即水冷的方法，俗稱火工，即利用熱脹冷縮原理把發現變形的板矯平，如圖5所示。

圖3 待拼接的板

圖4 變形的板

圖5 火工矯平的板

從材料學和焊接學的知識分析，焊接不利于材料物理性能，因此在船舶建造過程中，船東、船檢希望焊縫越少越好。板材從待焊接到火工矯平過程，焊縫兩邊材料內部晶粒發生變化。焊接后，焊縫兩邊產生熱影響區，熱影響區的材料性能比母材性能降低。火工相當于熱處理學的淬火，鋼材經過淬火以后晶粒長大、變硬、變脆。焊縫容易產生缺陷，如內部產生氣泡、層狀裂紋、夾雜等，外部產生未熔合、氣孔等。因此，焊縫密集降低了板材的整體性能，降低了船舶在營運過程中的安全性。

板縫密集，零件增多，精度控制的工作量和難度加大。零件切割時需對零件的尺寸進行測量，以保證其正確的大小。同時大量的拼板工作，也增加了精度管理的難度和工作量。零件尺寸的測量工作簡單，但反復而又繁重，要求精度測量員具備細心、耐心和責任心。

4 板縫排列優化方案及優勢

4.1 優化方案

為了減少板縫對船舶建造的影響，需對板縫排列進行優化，優化的依據如下：

1）船廠訂貨的規格清單。板縫的間距參照清單里的規格寬度排列，且考慮板材切割和余量的因素，要求實際板縫間距比板規寬度小10mm~25mm。目的是減少零件的數量，減少船舶生產過程中零件管理、吊運、打磨、加工、焊接、精度控制等工作量。增加原材料的利用率，減少余料的產生，降低生產成本。

2）結合船廠的設備設施的工作能力。被板縫分割成單個零件的重量、寬度等應適合船廠設備設施的工作能力，重量不超過吊車的最大起吊能力，寬度不超過預處理及切割機的平臺寬度，目的是減少二次板縫的布置[5]。

3）有限元分析。板縫優化后，需對內部結構進行修改，獲得滿足要求的有限元計算報告。

對圖1和圖2的板縫排列進行優化后，其結果如圖6和圖7所示。外板取消了橫向板縫，僅設置了縱向板縫，板縫之間的間距為3980mm、2580mm、2980mm，套料時可使用4m、2.6m、3m寬的整板。材質與原方案一致，均采用AH32高強度鋼。由于橫縫的取消，厚度略有變化，但分布的規律不變，越靠船中板厚越厚。橫艙壁圖取消槽型艙壁板兩條豎向和一條橫向板縫，上下邊艙肋板板縫取消，材質不變，厚度調整。優化以后的重量未發生很大的變化，圖6外板展開的重量比圖1外板展的重量重0.4t，圖7橫艙壁與圖2橫艙壁的重量相差在1t范圍內。通過重量的對比，重量相差不大，但重量的問題可通過內部結構調整而消除影響。

圖6 板縫優化后外板展開

圖7 板縫優化后的橫艙壁圖

4.2 板縫優化后的優勢

板縫優化后有以下幾方面的優點：

1）板縫減少，零件的數量明顯減少。圖1的外板展開，優化前的零件數量達到30個，優化后的零件數量僅有5個，圖2橫艙壁的零件數量也減少了三分之一。

2）零件數量的變少，減少了生產設計階段的建模、圖紙設繪等工作量，船廠生產車間零件切割、吊運、加工、焊接、打磨等一系列的工作量也大大降低，同時也有利于精度的控制。

3）原材料的板規種類減少，同種板規的數量增加，降低了原材料采購及鋼板堆放管理的成本。

4）提高了原材料的利用率。如果 176KBC全船外板、艙壁板、甲板、平臺板采用上述方法對板縫排列進行優化，板材的利用率可以提高約 2%，大概可節約鋼材452t。

采用板縫優化方法可以明顯降低造船成本，節省原材料，降低生產過程中的工作量，縮短建造周期。176KBC可節約鋼材總價值約226萬元人民幣，可降低采購成本10萬元人民幣。生產過程中節省人力、物力及縮短建周期，預估節約近214萬元人民幣的生產成本。采用板縫優化方法，單條船舶可降低約500萬元人民幣的成本。

5 結束語

板縫優化方法是在大量船舶建造過程中總結的經驗，旨在減小詳細設計的板縫對生產工藝的影響，也是響應公司“精益造船，敏捷造船”要求，降低生產成本，控制風險，提高企業生產效益。詳細設計的板縫優化不僅可以減少生產設計階段的工作量，更為突出的作用是節省原材料，減少船廠車間工作量和設備的損耗，縮短船舶建造周期，降低了詳細設計板縫對生產工藝的不利影響。

[1]蒙昌松, 林萬春. 29000DWT化學品船外板展開及套料優化[J]. 廣船科技, 2006(2): 1-2, 6.

[2]劉松, 楊曄. 船舶設計中多準則決策方法綜述[J]. 武漢造船, 2001(1): 19-21.

[3]陳章蘭, 熊云峰. 我國船舶設計建造技術現狀及展望[J]. 造船技術, 2007(4): 36-38.

[4]陳曉川, 方明倫. 先進設計技術在船舶設計中的應用策略[J]. 機械設計與制造, 2003(6): 115-117.

[5]張光明, 寧宣熙. 與現代造船模式相適應的船廠管理[J]. 造船技術, 2001(1): 5-15.