單元模塊化造船的技術設計與生產建造

左　堯，　羅崢嶸

(中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211)

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單元模塊化造船的技術設計與生產建造

左堯，羅崢嶸

(中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225211)

摘要:主要研究船舶單元模塊化預舾裝的設計和建造方法。在技術層面，從單元模塊的設計范圍、單元分類、設計方法、內容和深度等方面進行總結，并提出建立標準化設計圖庫和TRIBON三維模型庫的建議。在生產建造上，研究單元模塊的生產組織體系和詳細工藝流程，并有針對性地提出3種不同的作業方式，為實現單元模塊流水線生產作業提供可行的方案。

關鍵詞:單元模塊；設計方法；生產建造

0引言

單元模塊化造船方式是現代化造船預舾裝的重要組成部分。預舾裝又稱先行舾裝，主要包括分段、總段預舾裝和單元模塊預舾裝2個方面，其中單元模塊預舾裝是指將以往船上散裝的各種設備、管理、舾裝件及其相關附件按照不同的功能特性和安裝工藝要求，分別設計成具有相對獨立性且能脫離船體的結構,在地上和廠房里加工、組裝為一體，形成“中間產品”后再按照不同的工藝階段進行分段、總組和船內安裝的一種工藝方法。

這里主要研究船舶單元模塊化預舾裝的設計和建造方法。按照“中間產品成品化”的要求，從船舶的技術設計出發，對船舶生產設計范圍、設計方法、設計內容及設計程序進行研究和策劃;同時,通過優化建造流程和生產方式最大限度地實現舾裝作業的工序前移，減少舾裝作業對油漆涂裝的二次破壞，提高企業生產效率，縮短造船周期，降低成本。

1單元模塊的技術設計探討

實現單元模塊化的設計與建造，必須設計先行。傳統的造船模式中，舾裝各專業的制作和安裝圖都是按系統設計出圖的，舾裝各專業的舾裝件(如基座、設備、支架等)大多在船上進行散裝，因此在船舶建造過程中不可避免地會出現大量交叉作業、工序顛倒、環境惡劣、返工浪費及費工費時等現象。因此，對單元模塊的技術設計進行研究，以改變上述情況。

為達到上述目標，首先需要解決設計問題，只有通過精心設計單元模塊圖紙才能在生產中實現單元模塊的精細化建造。

1.1設計范圍和單元分類

單元模塊的設計范圍一般包括船舶的機艙和泵艙、油船的主甲板及其他機械設備比較集中的專業艙室，具體范圍如下。

1) 船舶機艙底層以上設備、管路等舾裝件集中的部位。

2) 船舶機艙各平臺設備、管路等舾裝件集中的部位。

3) 船舶機艙圍壁設備、管路等舾裝件集中的部位。

4) 煙囪結構和煙囪內的舾裝件。

5) 各種專業艙室設備、管路等舾裝件集中的部位。

6) 油船及海洋工程船主甲板上的設備、管路等舾裝件集中的部位。

7) 雷達桅、燈桅及起重桅等整體部位。

8) 油艙加熱盤管及加熱蒸汽閥組單元。

此外，目前單元模塊按其加工、制作和安裝方法的不同又可分為管子單元(管子閥組單元)、功能性單元(以設備為主體的單元)、區域性單元(大型整體單元)和綜合性單元模塊(其他單元)四大類型。

1.2設計方法

1.2.1管子單元模塊

在生產設計建模過程中，可根據系統的要求和布置空間的約束對系統中帶有旁通管路的減壓閥、溫度調節閥及疏水閥等進行最大可能性的組合設計，組成若干個管子單元模塊。這種模塊設計簡單、應用普遍、施工安裝方便且高效，雖然屬于小型單元模塊，且是舾裝件單件制作，但能在廠房里組裝，并能以單元形式在船內安裝；同時，可將交叉作業變為平面作業，能有效提高預舾裝率。

通過對不同類型船舶(如64 000 DWT船舶、208 000 DWT船舶、9 400 TEU集裝箱船及超大型油船等中常用的管路進行匯總、歸類和總結，創建通用的標準單元圖庫，簡化詳細設計和生產設計的流程以提高設計效率及設計質量。以貨油艙蒸汽加熱集合器單元模塊及油船主甲板管子和支架附件組成的甲板管子單元模塊為例,其標準模型見圖1和圖2。

單元序號標準單元模塊重量/kgUMP-1蒸汽減壓閥組單元—UMP-2啟動溫度控制閥組單元—UMP-3貨油艙加熱蒸汽單元—UMP-4貨油艙加熱凝水疏水單元—UMP-5壓縮空氣減壓閥組單元—UMP-6上甲板管子單元—

此外，以船舶三維建模軟件TRIBON為例，可通過應用該軟件建立各種船型單元模塊的三圍標準模型庫，供后續進行船舶設計時選擇和調用。建立的標準管子單元模塊見表1。

1.2.2功能性單元模塊

由前述單元分類可知，功能性單元是以設備作為服務對象對管子、附件及電氣等舾裝件進行集中布置，并利用基座結構進行支撐而組成的單元模塊。其要根據所在艙室的大小、設備外形尺寸、操作空間和系統等相關技術設計要求及單元加工、制作、運輸和吊裝相關工藝要求進行精心設計和出圖。但是,功能性單元也有其共性，只要產品設備選型相同，則其在產品上應用就大同小異。因此,可利用該共性，根據設備型號的不同設計出幾種常用的不同標準形式的功能性單元，為新船參照使用。建立的標準功能性單元模塊見表2。

圖2　油輪甲板管子單元模塊標準模型

表2　建立的標準功能性單元模塊

根據設備選型或船型的不同，可設計出不同標準形式的功能性單元。這里以國際上常用的2種標準型燃、滑油凈油機單元模塊為例進行說明。

(1) 在綜合布置凈油機轉子維修空間高度允許的前提下，將油渣柜設計為主要支承結構，凈油機落在油渣柜上并與其連為一體的標準凈油機單元(見圖3)。

(a) 燃油凈油機單元平面圖

(b) 燃油凈油機單元標準模型

(2) 在凈油機轉子維修空間高度不允許的前提下，以槽鋼或角鋼為主要支撐結構進行設計,組成一體化的標準凈油機單元。該種單元因與油渣柜分離，其部分與油渣柜連接的管子需通過模塊外連接點與油渣柜連接，是一種比較輕巧的標準凈油機單元(見圖4)。

此外,還可適當進行小功能性的單元組合，例如由淡水、熱水壓力罐、消毒器及相關的管子、閥件、基座和支架等組合而成的功能性單元模塊(見圖5)。

1.2.3區域性單元模塊

在設計區域性單元模塊時,應在詳設總體布置階段就充分考慮其特點和范圍;然后在生產建模階段根據設備技術要求并考慮操作、維修空間，制作、安裝和吊運的最大可能性，研究設計出以設備為主體,與管子、附件等(或管子、支架、框架等)一起組成各種區域性單元。區域性單元可將船內舾裝件最大限度地集中在一起，然后前移到廠房內提前進行組裝;在考慮運輸和吊裝的條件下，可再將其分為若干個分體吊裝，但要充分考慮整體組裝及分體吊裝模塊間的連接工作。

所設計的區域性單元模塊的大小不限，但一定要考慮安裝的方便性，以減少后期吊運及合攏安裝的工作量。船舶各區域都可組成區域性單元，一般區域性單元模塊劃分的越大，效果和效益越顯著，所帶來的生產效率也越高。例如機艙底層主機兩側整體單元、發電機平臺組合的發電機平臺整體性單元模塊及機艙底層管子與花鋼板架等組成的區域性整體單元中的艙底壓載消防泵單元模塊等(見圖6)。

圖4　框架式燃油凈油機單元標準模型(mm)

區域性單元模塊設計是一種大型的、整體的綜合性設計；有的區域性單元模塊的設計還可考慮與船體分段或總段的設計融為一體，稱之為盆舾裝。盆舾裝主要是指在完成機艙內單元模塊的整體設計并按照區域性單元劃分將其劃分為分塊后，在機艙底層總組分段形成類似盆狀的狀態下進行底層單元的盆舾裝。這種組裝方式對提高預舾裝的工作效率、產品質量和節約成本發揮了其他舾裝方式不可替代的作用，是目前單元模塊與分段總組結合率較好的一種預舾裝形式。

1.2.4綜合性單元模塊

在設計綜合性單元模塊時，要盡可能地將這些以往在船上散裝的舾裝件組合成可在地面上或廠房里提前組裝的單元模塊。這種單元品種多、規格復雜，設計時應該充分考慮保持相對集中、工藝合理及盡可能地進行無余量的設計，以從根本上提高舾裝件制作及安裝的精度、質量和效率。

1.3設計內容與設計深度

1) 單元模塊的設計內容主要是設計繪制單元模塊內所有設備等的安裝信息,所有管子、基座、支架等舾裝件的安裝信息,相關托盤表等集配、生產管理信息,單元模塊安裝定位信息及單元模塊中管子絕緣包覆、單元模塊組裝后涂裝、吊運加強等信息。

圖5　淡水、熱水罐和消毒器組合單元模塊

圖6　機艙底層整體單元模塊(mm)

2) 單元模塊的設計深度主要是按照中間產品化的要求將單元模塊像成品一樣進行設計，減少后續的額外施工，提高生產效率;同時,最大限度地考慮將能在單元中安裝的設備和舾裝件等都設計進去，但應注意把單元中每個細節(包括模塊外連接口的關系信息)描繪清楚。

1.4設計標準化

隨著單元模塊技術被廣泛應用，對其設計標準進行研究也就變得尤為重要。實現單元模塊化設計的標準化和規范化更能使其在船舶設計與建造過程中發揮明顯的作用。例如,建立單元模塊標準化圖樣及標準的TRIBON三維模型庫等能使復雜、繁瑣的設計工作變得簡單化，能大量減少圖樣的重復設計工作，縮短設計周期，降低技術成本。同時,企業可根據內部需求，組織專業人員按照設備、管路及舾裝件布置并結合應用實際情況總結歸納和精心研究，編制規范單元設計、出圖的指導性標準。

2單元模塊的生產建造探討

2.1生產建造的組織

對于單元模塊的生產建造，除了設計圖樣之外還有許多問題需要研究。單元模塊在生產建造的組織上具有多工種、交叉作業和相互配合的特點，在一個單元模塊上既有管子支架的安裝,又有設備基座、電氣及其他舾裝件的安裝等。因此,在生產組織上打破傳統的專業和工種界限組成多工種符合作業的班組及建立專業化的單元生產體系，是提高單元模塊建造水平和建造效率需要解決的問題。

此外，物資采購和設備按期到貨也是保證單元模塊化造船的重要環節，對單元建造所用到的物資和設備的訂購及按期到貨提出了更多的要求。對于所有影響單元制作的設備、閥件，應認真研究設計、盡早出圖，將閥件、設備和圖樣等相關材料托盤表及采購信息提供給相關部門，然后根據生產計劃進行單元模塊的按期生產建造。

2.2工藝流程的研究

單元模塊建造的工藝流程是單元模塊專業化加工和流水線生產的重要內容，這里根據目前國內外應用較為成熟的工藝流程進行總結，內容如下。

1) 根據各船舶對單元模塊的需求，編制單元模塊的制作計劃。

2) 熟悉圖樣，掌握圖中的技術要點；對于整體單元，要在制作場地劃出船中和肋骨的坐標等相關的尺寸線。

3) 按照托盤表領取設備、閥件、管件及其他制作材料。

4) 按照圖樣要求加工、制作單元基座和框架；校對檢查結構件組裝的尺寸。

5) 研配設備基座、墊板、鉆孔及安裝設備。

6) 安裝管子、閥件、管子支架及相關舾裝件。

7) 安裝設備、管子及閥件前必須檢查和清理內部的雜物，使系統內保持清潔。

8) 按照系統進行密性試驗，并做好設備和管子封口的封堵工作。

9) 進行電氣專業設備和焊接件的安裝及接線工作。

10) 材料安裝絕緣。

11) 在整體單元調運前進行分離檢查和處理為管子。

12) 對單元吊運加強和吊點設置等單元進行完整性檢驗。

13) 完成單元整體表面處理、涂裝、安裝保護等工作。

14) 完成成品單元吊運前的全面檢查和報驗。

具體的生產建造工藝流程框架見圖7。

2.3單元模塊作業研究

隨著單元模塊逐漸規?；a，如何快速、高效地建造單元模塊開始成為船舶企業日常生產中需要重點研究和規劃的問題。下面依據單元模塊的分類并結合流水線生產思路對單元模塊的生產作業進行研究。

2.3.1功能性單元模塊流水線作業

功能性單元生產建造的技術水平相對而言要求較高。例如燃、滑油凈油機單元，由于要求設備的精度高、安裝時拂配好，同時需要組成一個單元體的各凈油機間相互并聯或串聯，且為凈油機服務的加熱器、泵、閥門、管路及電氣箱電氣設備等存在不同專業、不同工種的高度集中的綜合作業，因此對施工作業工人的專業技術和復合工種技術要求相對較高。因而針對該種單元，應制訂符合其特點的工藝流程，按流程確定施工工位，并根據工位設置施工人員，以實現專門工種、專門工位流水作業。同時，在穩定的生產過程中對相近工種進行復合，減少人員輪換，以培養出一支較為全面、穩定的功能性單元施工隊伍。每艘船的功能性單元則由該生產線施工隊伍來完成，以形成類似的專業化生產準流水線作業，這樣建造速度和建造質量均能得到保證。

圖7　生產建造工藝流程

2.3.2區域性單元模塊流水線作業

圖8　機艙底層區域性單元

區域性單元模塊中比較有代表性的是機艙底層和發電機區域的單元模塊，其特點是型大體重、單元里設備和附件多、內容復雜，且各單元到船上是要相互連在一起的，施工精度要求最高，因此必須控制好整體建造精度，保證建造速度。除了組建專門的施工隊伍之外，模擬船上的建造方式把每個單元按照船上的位置在車間里組裝成一體是特別重要的一環，通過這種方式可最大程度地避免建造過程中出現的工程誤差及將分塊單元相互銜接時發現的問題提前在車間內消除(區域性單元較大，適當時將其劃分為小塊單元進行吊運)，減少返工率，縮短船上舾裝時間，使產品質量得到有效保障。機艙底層區域性單元見圖8。

2.3.3管子單元模塊與綜合性單元模塊作業

管子單元模塊和綜合性單元模塊的種類較多,安裝位置分散;同時,施工較為簡單，形成流水線生產作業相對比較困難。因此,在制作過程中需根據各自單元的不同特點采取不同的加工方式，因地制宜。

例如：對于油船而言,甲板管子單元模塊主要是由管子支架組成的，其平面幾何尺寸較大，吊裝運輸較困難，因此可采用在船塢吊車下進行組裝的方式，而后直接吊裝到主甲板上安裝。同時,通過適當的計劃組織，加快場地流轉速度，避免占用場地過久。甲板管子單元作業見圖9。

圖9　甲板管子單元作業

管子閥組單元主要是由小型管子和閥件組成的，制作工序較為簡單，場地占用較小，可在廠房內由熟練工種迅速建造，同時也可與前面兩種單元的人員施工作業進行有效互補。

3結語

主要探討了單元模塊化造船的技術設計方法和單元模塊生產建造的方式、在技術層面，從單元模塊的設計范圍、設計劃分、單元分類、設計方法、內容及深度進行了研究和總結，且針對不同類型的設計方法做了詳細闡述，提出了建立標準化設計圖庫和TRIBON三維模型庫的建議；在生產層面，結合國內外優秀船舶企業的單元模塊應用，探究了生產建造的生產組織體系和詳細工藝流程，同時有針對性地提出了3條不同的生產建造作業體系，對實現單元模塊流水線生產作業提供了可行的方案。

隨著現代造船工業不斷發展，推行單元模塊化造船，不斷提高船舶建造的預舾裝率將成為趨勢。提高單元模塊化的建造技術，實行專業化、標準化、規范化造船將為船舶企業提高造船質量、縮短建造周期、提高企業的經濟效益作出重要貢獻，同時也能促進我國造船水平的不斷提高。

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Modular Shipbuilding: Technical Design and Construction

ZUOYao，LUOZhengrong

(China Shipping Industry (Jiangsu) Co., Ltd., Yangzhou 225211, China)

Abstract:This paper mainly discusses the technical design and the production of the construction unit in modular shipbuilding. At the technical level, it summarizes the scope of the modular unit design, the unit classification, the design method, and the content and the depth of the design. Besides, it puts forward the suggestion about establishing the standardized design gallery and TRIBON 3D model library. The detailed process flow and the module production organization system are studied and three feasible operation schemes for the unit module production line are provided.

Key words:unit module; design method; construction

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：左堯(1987—)，男，湖南湘鄉人,助理工程師,主要從事船舶建造設計工作。

文章編號：1674-5949(2016)02-0019-09

中圖分類號：U671.4

文獻標志碼：A