基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

劉以高，陳 浩，尹志雙

0 引言

多年來，國內(nèi)外各大船廠都致力于船舶設計、生產(chǎn)、管理方面的研究，日韓造船企業(yè)非常重視造船新工藝、新技術的研究和開發(fā)。日本造船企業(yè)開發(fā)的精度管理、單元舾裝、數(shù)控切割、高效焊接等新技術以及近幾年韓國開展的工法研究，對提高造船生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了巨大作用。特別是近幾年韓國造船企業(yè)采用的巨型總段建造、船塢快速搭載、平地造船和浮船塢造船等新技術，是對造船方式進行的一次重大變革。其中，巨型總段造船法是把由專業(yè)分段廠制造的2 000 t～3 000 t 的巨型總段用駁船運到總裝廠，并用浮吊搭載合攏成整船。為推行巨型總段造船法，韓國造船企業(yè)采取了一系列保障措施，三星巨濟、大宇玉浦和韓進影島船廠分別購置了3 000 t 和3 600 t 浮吊，現(xiàn)代蔚山船廠近年新建了一個大型總段車間。

國內(nèi)造船企業(yè)在重大工法開發(fā)應用方面也同樣取得飛速發(fā)展，各大船廠根據(jù)公司自身布局和生產(chǎn)設施能力形成了各具特色的總裝化建造方案。船塢作為船廠的重要生產(chǎn)資源，其利用效率直接影響船舶高效建造和投入產(chǎn)出比，進而影響船企生產(chǎn)經(jīng)營，基于流程優(yōu)化的船舶高效建造有助于解決以上問題，并且該技術也在一直在向前發(fā)展。

1 總段儲備對船舶高效建造的影響

總組平臺的大小影響總段儲備數(shù)量，平臺船塢面積比越大，入塢搭載總段數(shù)量越多，整船貫通成型就越快。通過對國內(nèi)幾家主流造船企業(yè)的平臺船塢配置情況進行研究，南通中遠川崎、外高橋造船、揚子江船業(yè)集團、上海長興島造船基地的平臺船塢面積比分別為1.5∶1、1.3∶1、1.3∶1、1.2∶1，平臺船塢面積比對其造船效率也起到了重要作用。在現(xiàn)有基礎建設無法改變的情況下，可以開展基于總段流程優(yōu)化的研究，在空間上向上和向外拓展，以實現(xiàn)船舶的高效建造。

空間上向上拓展，是充分利用平臺區(qū)域立體空間，一般龍門吊梁底高度在70 多米，甚至是90 多米，而部分總段高度則不足10 m，在去除吊排鋼絲繩等吊索具配置的高度，仍有大量空間未充分利用。通過優(yōu)化分段總段劃分，擴大總段二次總組，在占用相同總組平臺面積的情況下，開展總段大型化建造。總段大型化建造可將塢內(nèi)建造工序前移至總段階段實施，覆蓋船塢區(qū)域的起重能力對總段大型化影響較大，目前國內(nèi)外各大船廠配有600 t～900 t，甚至1600 t 等多種規(guī)格大型龍門式起重機，部分具備2 臺起重機聯(lián)動能力，可實現(xiàn)千噸級總段整吊搭載。煙臺中集來福士擁有兩萬噸級起重機“泰山”號，可實現(xiàn)上下船體同步建造，一步合攏的建造方式。

空間上向外拓展，則是借用總組平臺以外的場地等生產(chǎn)資源，通過平板車、模塊車等工藝裝備，完成分段總段的定位、總組及駁運等流程，實現(xiàn)不占用船塢龍門吊和總組場地的異地總組和總段異地儲備。也可以研究通過總段外協(xié)建造，借助外協(xié)生產(chǎn)資源，實現(xiàn)總段儲備，以抵消平臺船塢面積比不足的影響。

以下船舶高效建造方法主要在于打破目前固化的總段建造思路，通過幾種典型船舶總段建造流程優(yōu)化的案例進行分析，以優(yōu)化總組流程的方式增加總段儲備，實現(xiàn)船舶高效建造。

2 基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術研究應用

通過從船廠內(nèi)部建造潛力挖掘和外部資源利用兩方面，對集裝箱船、散貨船、油輪等幾種常見船型的總段高效建造方式進行研究分析，通過流程優(yōu)化，不斷疊加工序。內(nèi)部建造潛力挖掘，通過相同的場地面積，提高立體空間利用率，充分利用總組平臺高度方向的空間，充分利用龍門吊起重能力，通過抬吊或聯(lián)吊等方式開展總段大型化建造，衍生出總段大型化建造、立態(tài)總組、疊層總組等總段總組建造技術。外部資源利用，通過大型總段甚至環(huán)段外協(xié)并完整性回廠，運用滾裝技術等合攏形成整船，實現(xiàn)總裝化造船。

2.1 總段大型化建造

對某型208KBC 散貨船機艙分段總段劃分進行研究，推進機艙艉部總段二次總組，通過2 臺800 t龍門吊抬吊，即可實現(xiàn)10ZA、10ZB、10ZC 這3 個千噸級大型總段搭載，使機艙、艉部快速成型。某型208KBC 大型總段要素，見表1。

以最大的10ZB 為例，運用有限元建模計算，變形集中在主甲板和二甲板首部區(qū)域，最大位移為40.9 mm。據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗結合大量計算結果表明：船體整體的剛度安全準則設定變形量為L/800（L 為結構的最大尺寸），即最大變形值

實施機艙艉部大型總段建造有利于提高中間產(chǎn)品的完整性，特別是為軸舵系工序前移創(chuàng)造了條件，可在平臺上實現(xiàn)總段鏜孔、塞軸、裝槳，并整吊入塢搭載，將塢內(nèi)軸舵系施工前移到平臺上完成，見圖2。

總段大型化建造關鍵在于能夠最大程度地利用船廠起重能力和立體空間資源。上建生活區(qū)、舷側總段、艏部總段等完整性建造及整吊搭載均是理想的總段大型化建造方案，并在實船上得到不同程度的應用。其他裝箱船、散貨船、油輪等典型大型總段建造實施案例，見圖3。

2.2 立態(tài)總組

2.2.1 綁扎橋立態(tài)總組

集裝箱船綁扎橋過去一直采用臥態(tài)總組，占用較大的場地面積。該建造方式使得場地、龍門吊、駁運車輛等主要生產(chǎn)資源的利用率得不到提高，搬運環(huán)節(jié)過多工序繁瑣，綁扎橋總組及吊裝的工藝創(chuàng)新是必然趨勢。

表1 某型208KBC 大型總段要素表

圖1 某型208KBC 散貨船10ZB 大型總段有限元分析云圖

圖2 某型208KBC 散貨船機艙艉部大型總段建造及總段鏜孔

圖3 典型大型總段建造實施案例

綁扎橋立態(tài)總組是通過設計專用胎架，保證擱置穩(wěn)定性，并對場地采用定置化管理。對整榀綁扎橋吊裝工藝進行優(yōu)化，采用TSV-BLS吊裝分析軟件進行分析和優(yōu)化，減小吊裝變形，提高搭載精度，見圖4。某型21 000 TEU 集裝箱船綁扎橋采用立態(tài)總組后，單船可節(jié)約場地2 000 m2，節(jié)約平板車聯(lián)動27 次。

圖4 某型21 000 TEU 集裝箱船綁扎立態(tài)總組模擬分析及實船應用

2.2.2 抗扭箱立態(tài)總組

集裝箱船抗扭箱總段過去一直采用以外板為基面臥態(tài)總組的傳統(tǒng)建造方式。對某型22 000 TEU 集裝箱船抗扭箱總組流程進行優(yōu)化，采用龍門吊將抗扭箱分段翻身至正態(tài)，縱向前后三環(huán)立態(tài)擱置于預先制作的專用工裝胎架上總組，總段完工后整吊入塢搭載。

根據(jù)某型22 000 TEU 集裝箱船整體建造策劃方案和船塢區(qū)域龍門吊的起重能力等技術資料，將貨艙平行中體區(qū)域劃分為5 對抗扭箱總段，總段要素見表2。

通過設計專用胎架，實施抗扭箱立態(tài)總組，可節(jié)省占用場地面積，減少舷側入塢吊數(shù)30%，厚板施工前移到總段階段完成，并且完成貨艙快速搭載，見圖5。

2.3 疊層總組

某型22 000 TEU 集裝箱船橫隔艙疊層總組主要工藝流程為：堪劃角尺線、地線→布置塢墩→吊裝非水密隔艙分段→腳手平臺搭設→吊裝水密隔艙分段→擱墩拉撐→搭設安全欄桿→殼、舾、涂施工→水密隔艙總段吊裝搭載→非水密隔艙總段吊裝搭載。

非水密隔艙距離地面1 800 mm，水密隔艙距地面約5 560 mm，隔艙板材間距約1 800 mm，水密隔艙擱置采用圓管支撐，圓管穿過非水密隔艙鏤空結構。水密和非水密隔艙在高度方向上錯位2 m 擺放，間隔設置斜撐，增加防倒穩(wěn)性。

表2 某型22000TEU 集裝箱船抗扭箱總段要素表

圖5 某型22 000 TEU 集裝箱船抗扭箱立態(tài)總組方案及實船應用

2.4 異地總組

為進一步實現(xiàn)總段快速入塢搭載，縮短船塢周期，需要增加總段儲備量。在現(xiàn)有總組平臺資源受到限制的情況下，要想擴大總段總組，需要借助船塢龍門吊以外的場地開展總段總組，完工后采用SPMT 等設備駁運至船塢區(qū)域并吊裝搭載或移位對接合攏。異地總組可分為無大型起重機和有大型起重機2 種方案，其中無大型起重機較為普遍，需要預先借助起重機撤出門架，將分段直接擱置于平板車上，并駁運至總組場地。有大型起重機對異地總組來說較為靈活，總段擱置面平直就基本具備實施條件。

一般異地總組的大型總段具有尺寸和重量較大等特點。從安全角度考慮，超寬和超高件運輸?shù)年P鍵問題是穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)性，我們放寬平板車的輪距，即通過橫向組合，經(jīng)研究液壓懸掛回路選用三點支承系統(tǒng)更有利，形成的裝載區(qū)域就是?ABC的面積（陰影區(qū)域），貨物的重心落在平板車的承載區(qū)域內(nèi)，可通過監(jiān)視液壓系統(tǒng)的壓力表確保裝載正確，見圖6。根據(jù)行業(yè)規(guī)范（歐盟運輸安全規(guī)范及mammoet 運輸安全規(guī)范），穩(wěn)定角大于7°即為安全。

圖6 運輸穩(wěn)定性模型及穩(wěn)定角示意圖

2.4.1 平直總段異地總組

某型21 000TEU 集裝箱船舷側抗扭箱分段與壓載艙分段上下臥態(tài)總組及某型109.9KPOT 成品油輪的底部均通過策劃實現(xiàn)實船應用。

2.4.2 小線型總段異地總組

小線型如舭部分段，由于形狀不規(guī)則，重心偏離嚴重，為保證撤出門架后分段駁運的穩(wěn)定性，采用托架將舭部做平，保證駁運穩(wěn)定性。

2.4.3 半立體總段異地總組

某型180KBC 散貨船舷側、甲板、隔艙分段分別借助異地300 t龍門吊總組，總段總重約500 t，完工后使用2 臺378 t 平板車聯(lián)運至船塢區(qū)域并整吊搭載，見圖7。

圖7 180KBC 散貨船貨艙異地總組方案及實船應用

2.5 多島建造

根據(jù)船廠船臺或船塢的配置情況，將主船體劃分為多個建造區(qū)（即島）[4]，各島有若干平面分段和立體分段組成，可分別按塔式建造法進行安裝，各島完工后，合攏形成整船。多島建造法可根據(jù)船廠實際情況，與總段搭載法、水平搭載法及塔式搭載法等組合使用。目前國內(nèi)外高橋船廠及上海長興造船基地等均已成熟應用多島建造技術，采用多臺三維液壓頂升小車集中同步控制對中合攏，見圖8。其中外高橋船廠在散貨船上應用后，可以達到最短船塢周期40 天的記錄。

圖8 多島建造主要流程示意圖及實船應用

圖9 船底結構模型及承載有限元分析

從圖9 有限元分析圖示可以看出，環(huán)段頂升時結構最大應力及最大位移在小車墊板四周靠近肋板及縱桁的外板區(qū)域。某型180KBC 散貨船船體結構最薄弱的區(qū)域，板厚14 mm，材質(zhì)A 級，通過計算，單點最大頂升可達220 t，見圖10。

圖10 180KBC 船底外板頂升承載能力分析

上海長興造船基地已在180KBC、208KBC散貨船，18 000 TEU、21 000 TEU 集裝箱船，109.9KPOT、300KVLCC 油輪等船型上廣泛應用，在縮短船塢周期、提高造船效率方面，效果顯著。上文中所提到的三維液壓頂升小車，也可以用軌道對中小車、SPMT 等移位對中設備替代。

2.6 巨型總段建造

借助市場化手段，將環(huán)段等巨型總段作為中間產(chǎn)品，交給具備條件的外協(xié)廠家建造，并以商品形式完整性交付，采用浮吊等方式實現(xiàn)整船快速對接合攏。運用CATIA等三維設計軟件進行工藝仿真，分析與船廠生產(chǎn)設施的匹配性，檢查環(huán)段吊裝發(fā)生碰撞的影響分析，見圖11。

圖11 2 500 t 浮吊要素表及某型9 400 TEU 集裝箱船環(huán)段吊裝工藝仿真

巨型總段造船法已在韓國船廠廣泛應用，三星重工在該技術應用方面不斷突破，總段重量已增加到5 000噸級，見圖12[5]。目前，國內(nèi)部分主流船廠也已成功開發(fā)和應用巨型總段造船法，造船效率顯著提升。

圖12 總段異地建造回廠總裝建造流程

3 結論

本文研究內(nèi)容具有可靠的理論研究基礎和豐富的實船應用案例，基于流程優(yōu)化的建造技術能夠明顯提升造船效率。船舶總段高效建造是目前研究的主要方向之一，關鍵在于工藝創(chuàng)新，以總段為依托，深化殼舾涂中間產(chǎn)品的完整性。船廠可以根據(jù)承建的船型以及自身的生產(chǎn)設施能力，制定與之相匹配的總段高效建造方案。同時，總段高效建造實施對前道生產(chǎn)效率提升具有拉動作用，對設計狀態(tài)、準時生產(chǎn)、分段儲備、物資配套等提出更高的要求，是以中間產(chǎn)品為導向，均衡連續(xù)地總裝造船為代表的現(xiàn)代造船模式的體現(xiàn)。

基于流程優(yōu)化的船舶高效建造技術不限于文中所列幾種方式，應該具有靈活性和多樣性的。船舶建造工藝工法是不斷發(fā)展和創(chuàng)造的，是與時俱進且需要實踐論證的。未來很長一段時間，仍以總裝化造船模式為主，并向智能化方向發(fā)展。在流程優(yōu)化的同時，充分利用信息化、智能化手段，向智能制造方向逐步轉型。目前，總段激光三維精密測量和計算機模擬計算技術是日韓造船企業(yè)廣泛使用的測量定位技術。我國也在總段智能對接研究方面取得不少成果，先進船廠通過三維掃描收集總段數(shù)據(jù)并分析，完成基于視覺的相對應位姿求解算法研究，形成了一套由圖像解析、特征提取、位姿計算所組成的位姿求解算法，實現(xiàn)數(shù)千噸級總段一次性快速定位合攏，大幅縮短船舶建造周期。