某型科考船多波束及導流罩的安裝研討

梁淼森 李輝

摘要：科考船是集合多種科研考察設備的綜合性多功能船舶，多波束是科考船重要的聲學設備，用于探測海底地貌、地形，多波束系統集成高、結構復雜，本文通過某型科考船的多波束基座及導流罩的設計、制造、安裝過程，說明多波束基座制造和安裝的高精度要求、導流罩的安裝難度，討論了技術工藝難點和解決方案，為同行進行類似工程提供參考。

關鍵詞：多波束;導流罩;制造;安裝精度;設計

一、引言

隨著我國加快由海洋大國向海洋強國邁進，壯大海洋經濟、加強海洋資源環境保護，對海洋的探索、對海底地形的探測需求要越來越準確，科考船通過加裝先進的科考設備能快速大幅提升科考探索能力。本型科考船船長110米，型寬15.2米，設計吃水5.5米，十幾年前在船艏肋位線型比較瘦削的底部安裝了多波束及導流罩，以及整套多波束系統，隨著科考設備技術的發展和市場需求的變化，整套多波束探測系統已經不能完全滿足市場及國家發展任務的需求，因此，船東將采用探測更先進、更精確的多波束探測系統。

多波束測深系統包含發射多波束換能器陣列、接收換能器陣列、信號控制處理、聲速剖面儀、船舶各類輔助設備、數據處理軟件等。在導流罩內布置的縱向陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，橫向陣列接收返回聲波窄波束，船舶航行形成條帶式測量，包含高性能、高分辨、高精度導航定位等多種高新技術，能夠探測水底多個位置不同點的水深值，經過軟件處理后可得到高精度的水底三維地形圖，在江河湖、淺海、深海海底地形測繪和海洋資源探測等領域具有很高的應用價值。

二、多波束基座及導流罩的設計

多波束及導流罩布置在船艏底部，主要是考慮減少船舶與水流產生的激流、空泡影響，多波束的縱向、橫向發射換能器陣列呈T字形布置，陣列通過螺栓固定在鋼結構基座上，周邊鋼結構和船殼相連再加倒流板，整體形成導流罩。

原船的多波束型號為RESON的 SeaBat 8150，多波束縱向、橫向發射陣列尺寸分別是6.5m ×8m，多波束及導流罩布置在船艏FR108～FR136肋位，導流罩的縱向、橫向尺寸分別達到18.2m ×1.8m+最大8.1m，導流罩外形比較狹長、多角凸出、形狀像飛機展翼，在船舶快速航行的時候容易產生空泡，阻力較大。

本次新加裝的多波束型號為Kongsberg的EM122，多波束縱向、橫向發射換能器陣列尺寸分別是6.5m ×8m，設計者將多波束及導流罩布置在船艏FR110～FR130肋位，導流罩的縱向、橫向尺寸分別是8.2m ×（1.8～8.3）m+最大8.3m，底部平板離船舶中龍骨高度0.55m，最大凈高1.4m。導流罩外形整體呈流線型，沒菱角、尖角，與舊的多波束和導流罩相比，位置靠后6個肋位—每個肋距是0.65m，新的導流罩長度縮短了10米，橫向由小到大的加寬流線型，流水阻力得到優化，使得航行油耗減少約10%;在船舶快速航行的時候不容易產生空泡，周邊流水均勻，對多波束發射和接收聲波有好處。由于導流罩在橫向是逐漸加寬，在T字形直角和后部的空間可以布置更多的小型設備和探頭，增加了聲學多普勒流速剖面儀、表面聲速儀、淺層剖面儀，同時為以后再增加其他科考探測儀器留有空間。

三、多波束基座及導流罩的制造

多波束的縱向、橫向換能器陣列本身是自帶設備基座，需要安裝在導流罩內的鋼結構框架基座上，按設備廠家的要求，鋼結構框架基座的平整度要求很高，精度要求達到±2mm，要保證制作精度是很困難，制作過程中需設計好整體制作方案、焊接方案和精度控制方案，才能確保質量。

（一）多波束及導流罩結構的分段劃分策劃

新的導流罩整體外形像飛機形狀，內部結構多、高度低，在周圍轉圓的空間狹小，外形總尺寸長×寬×高≈13.1m×8.7m×1.92m，總重約22噸，與普通船舶分段相比，其重量不算大，尺寸不算大，可看做是一個鋼結構分段。

在開始設計之初，經過討論考慮到塢期比較長，所以確定了進下水駁小塢，其塢墩的高度只有1.1米，導流罩分段的高度超過了塢墩的高度，將會使得分段在橫向不能拉移進位，初步策劃將其按中心線偏左100mm分成左分段、右分段的2個分段，單分段做好之后吊到塢底就可以往中間拉移合攏，后來隨著設計的深入，知道多波束基座的安裝精度要求達到±2mm，那么在塢底現場采用這樣的合攏方式，按目前的建造工藝水平是達不到的，需要在船臺胎架上整體建造才能達到精度要求，最后經過技術人員、現場工藝主管研討分析，確定導流罩可以從首部往后拉移套進的安裝方案（見后文），最終確定整個導流罩及多波束基座分段按1個分段整體制造，不劃分左右2個分段。

（二）多波束及導流罩結構的生產設計

該分段雖小，但是結構比較復雜，因此生產設計采用AVEVA軟件來進行3D建模，方便建狹小帶線型的外板和轉換成加工圖紙。由于導流罩周邊圓弧板的線形都是變化的，沒有平直板，寬度小于1米，很難整張加工，考慮工廠現有的外板加工設備參數和后期安裝的焊接難度，將左舷的圓弧板設計成8小塊，參見圖1和圖3，右舷對稱布置。對于狹小空間的區域，為了方便工人能焊接得到，采用貼襯墊的單面焊雙面成形，見圖3;對于圓弧板連接船殼外板的狹窄點，該處的設計要考慮到是后期分段合攏的時候才能燒焊，這時候由于有船殼板，在導流罩里面的高度非常矮，因此設計成事先在船殼外板焊接一塊復板FB80x12，將圓弧板開單面坡口，設計成在導流罩外側燒單面焊，這樣就有足夠的空間可以保證燒焊質量。對于左右的2個小飛翼，將其再細分化成6塊。

（三）多波束及導流罩結構分段的制造

1.選擇胎架。由于多波束導流罩結構的形狀比較特別，底部是中空的、不是平直的板，存在一個呈“中”字形狀的區域往上方中空，周邊的形狀是流線型、外殼需要加工，上方合攏口與船舶外殼板的連接處是一條變化的線型，需要預留較多的余量為以后安裝可調整修割。將該分段放在內場胎架上制造，胎架需要高于地面0.5米，用以方便工人鉆到分段下面燒焊、打磨和處理。圓弧板有16塊，需要在外板加工機器上按照線型放樣圖紙進行緩慢加工，必要的時候需制作木模，防止加工跑偏。

2.零部件制作和加工。各個結構零件需先按生產套料圖數控下料，然后拼接成小部件，最后到胎架上按生產圖組裝成分段。分段鋼結構的制作需要提前在內場胎架上制作，導流罩周邊的圓弧板需分成比較多的小塊來加工。FR.114、FR.115是2個水密橫肋位，它們之間就是布置多波束橫向接收陣列，是一個橫艙壁，結構比較強，而在左右的2個小飛翼需單獨制造成零部件，然后再合攏到分段主體。

3.零部件焊接。由于分段空間狹小，安裝困難，從焊接防變形考慮，焊接不能同時大范圍展開，因此需要事先根據工藝經驗來制定焊接順序，確定由外而內、從中間往前后來焊接。對本分段需要安排熟練的工人，才能做到良好的焊接精度和變形控制。導流罩周邊的轉圓及過度線型外殼板可先加工，但是在不規則連接處則需要工人在現場調節好，通過火工加熱、乙炔割刀進行修割。

4.分段尺寸測量。由于存在縱向和橫向多波束機匣的兩個大凹口，還有ADCP水箱口、淺剖水箱開口，使得分段容易變形，為了保證建造精度，分段在胎架上焊接過程中，需要做到經常測量分段的主尺度和多波束基座的嵌入口尺度。測量的時機選擇在早上開工前，因為經過了一夜的冷卻已經將昨天的燒焊引起的變形固化;待全部總段組裝之后需做一次精度測量，由工藝人員根據后續上塢合攏燒焊會產生的變形經驗來判斷和給出反變形預留精度量。

（四）多波束機匣結構的精度加工和安裝

縱向多波束機匣和橫向多波束機匣制作完成之后，需要運送到外面專業的加工廠對兩側的底部頂板（寬度66mm×厚度30mm）進行刨平加工，達到平整度±2mm的精度要求。經過加工之后運輸回來，再嵌入導流罩的多波束基座結構口，嚴格控制焊接順序，每焊接一段距離就做一次精度測量，防止反生變形。

四、導流罩的安裝策劃研討

導流罩的安裝方案是策劃在前、實施在后，方案對制造分段劃分有影響。本型科考船的船艏都是瘦削型的肋位線形，整條船舶的方形系數約0.51，船底沒平直龍骨板、橫向基線是傾斜的，對導流罩的定位和安裝帶來很大困難。導流罩內比較狹小，在與船殼外板連接線型的內部沒足夠的空間燒焊，只能貼襯墊從外部燒單面焊。導流罩底部平直部分離塢面也僅有0.5米高度，使得工人沒充足的空間來燒焊、安裝，還要考慮設備及電纜的鋪設、穿船殼到船艙等施工工程，所以，安裝方案需早起從工程整體出發來考慮策劃。

由于導流罩換新的工程的塢期比較長，超過了3個星期，而該輪的船長較小，策劃進公司大塢里面不劃算，性價比不高，因此選擇小塢（下水半潛駁）來做換新工程，但是下水駁的塢墩高度比較矮，高度只有1.1米，而導流罩分段的最大高度有1.4米，因此如何安裝導流罩整體分段成了一個難題，因此策劃安裝方案有2個。

（一）設計方案一是橫向移動安裝

分成左右2個分段來制作可以將單個分段重量降低到10噸，在塢里也方便從左右往中間推進去合攏，但是多波束基座對周邊鋼結構框架基座的平整度要求達到±2mm，按現有工藝水平在現場塢里合攏焊接是做不到，因此導流罩不適宜分開2個分段制造，需要將其當做1個分段整體制造，這樣才能更好的控制焊接順序、焊接變形，在內場制作制造過程中可測量監控，進而保證達到精度要求。還有一個問題是導流罩最高是1.4米，這個超過了下水駁上的1.1米塢墩的高度，如果當做1個分段整體制造，塢墩上的船底會阻擋拉移;如果將高過塢墩1.1米以上的外板先不焊接，將低矮部分做成一個整理拉移進去再安裝，這些焊接、定位也不能保證框架平整度精度要求，而且導流罩里面空間狹小，無法處理焊接，不能保證焊接質量，因此不能橫向拉移分段艏部船底安裝。

（二）設計方案二是縱向移動安裝

將導流罩分段拉移進塢里船底的方向除了橫向，還有縱向，該船不能在垂直方向下吊。將導流罩結構當做1個分段整體制造，由于船艏的肋位線型是瘦削型，分段兩側1.4米高的在外側，可以將整個分段從船頭往后拉移進去，不會碰到船殼外板，但是需要將船首幾十米區域的塢墩拆掉，同時在橫向增加斜撐做好船舶首部的支撐加強，防止船首下垂和變形。

經過項目組討論，結合公司的制造工藝水平、設施和設備，分析2個方案的可行性，最后選定設計方案二。實際工程中做到了塢期不緊張，下水駁上作業環境良好，工人不處于緊張狀態，焊接效率得到提高，做到了多波束基座鋼結構框架平整度的精度要求±2mm，得到多波束設備商的認可。

五、總結

在工程展開的過程中，碰到了許多技術難點和工藝難題，尤其是對多波束導流罩的結構設計涉及多波束其他系統集成的影響，需提前統籌策劃在狹小空間里如何施工、焊接，才能保證電氣設備的和電纜的安裝，過程中對設計進行多處修改和完善，大家集思廣益、統籌策劃去解決難題，做到了較低的成本、高效地、高質量地完成了船舶加裝多波束探測系統的工程，為國家邁向海洋強國增添了一份力量。

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[5] 全國海洋船標準技術委員會. GB/T 34001-2016中國修船質量標準[S]. 2016.

作者簡介：

1、梁淼森（1982—），男，本科，工程師，從事船舶與海洋工程設計工作，具有豐富的工藝經驗。

2、李輝（1976—），男，專科，助理工程師，從事船舶與海洋工程設計工作，具有豐富的工藝經驗。