綠色造船工藝優化新技術價值分析

秦昌媛，侯志遠,2

（1. 大連中船國域新材料科技有限公司，遼寧大連 116600；2. 大連海事大學 海底工程與裝備國際聯合中心，遼寧大連116600）

0 引言

近年來我國一直強調，科技發展必須切實提高我國關鍵技術的創新能力，加強建設海洋強國，順應建設海洋強國的需要，加快培育海洋工程制造業這一戰略性新興產業，不斷提高海洋開發能力，使海洋經濟成為新的增長點。

船舶工業是國家發展高端裝備制造業的重要組成部分，更是國家實施海洋強國戰略的基礎和重要支撐。船舶制造業的發展對造船的技術工藝性要求越來越高，海事組織對船舶質量的要求和控制越來越嚴格；隨著新技術、新工藝和船舶產業生產方式的變革，加上計算機自動化和人工智能的發展，我國必須在船舶制造領域有自己的優勢，提高自動化程度，優化造船工藝設計，更新設備，加強造船精密度，所以為了我國造船科技的發展，必須研究造船工藝優化。

本文就我國造船業市場進行分析。我國現有規 模以上大型船廠見表1。

表1 我國規模以上大型造船廠列表（部分）

根據國際海事組織公布的數據，目前全球海洋大型船舶總數為4萬艘～6萬艘，總噸位約為5億噸～8億噸，船舶總動力約為5億噸；25 m以下的捕撈船、運輸船、工程船、游艇和軍事艦艇等小型船舶的保有量超過1 000萬艘。據之前的估計，2020年全球年造船量可達到約6 000余萬噸。由于修船量為新造船量的7倍，則全球年修造船量約為2.5億噸。

我國大型遠洋船舶約4 000艘～6 000艘，遠洋船舶載重噸位達7 000萬噸，其中從事國際貿易運輸的船隊為5 700多萬載重噸。除大型遠洋船舶外，其他各類型海運船舶及漁船等數量約 100萬艘?？傮w上看，我國大小船舶數量及運載能力已占到世界航運量的 10%以上。與此同時，我國也是世界三大修造船業大國之一。2017年，我國造船量接近500萬載重噸，承接訂單850萬載重噸，據之前預計，2020年我國年造船量達到800萬～1 000萬噸或以上，占世界市場份額也估計達到25%以上。在2016年全球船舶市場處于下降趨勢時，全球新船交易額同比下滑67%，中國船企接單量占全球市場份額的65.2%。

受全球市場深度調整的影響，中國船企在接單上面臨著激烈競爭。新船交付和融資的獲取變得越來越困難，手持訂單量一直持續下滑，船企收益也明顯減少。據不完全統計，2016年，60%的中國船企接單量為零。大型船企受到了極大沖擊，一些船企甚至宣告破產。我國2018年造船完工量降至3 500萬噸，同比降低15.6%；接單量為2 110萬噸，同比減少32.6%。我國出口船舶在完工量和接單量中的占比分別為94.7%、77.2%。外媒認為，短期內，發達國家企業在高端設備制造以及設計和研究領域的壟斷地位很難打破。韓國船企在海洋工程裝備建造方面的地位也難以動搖，中國和新加坡船企在中低端市場上的競爭狀態將會持續。因此，如何加強設計和研究能力、提高高端設備制造能力是急需解決的問題。以下將對傳統和新型造船工藝進行分析。

1 傳統造船工藝法簡介

傳統拼板定位焊方法是采用馬板在焊縫正面固定，因擋住焊接方向，所以焊接接頭較多，影響焊縫的質量。焊縫焊接完成后還需去除馬板（平均間隔250 mm就需安裝1塊馬板），并進行修補和打磨，工作量較大。傳統裝配工藝完全依靠于手工操作，依靠在母材上焊接馬板進行輔助調平，調平后還需焊接固定馬板，完成焊接工作，最后就是對馬板的切割以及打磨馬腳。然而船舶構件的尺寸一般都比較大，這樣定位調平的工作量之大可想而知，與此同時焊接過程中不可控制因素很多，勢必對母材造成一些不可挽回的傷害，同時拖長了整船建造周期。目前造船拼裝焊接存在很多痛點問題，比如裝焊時間長，平臺工作焊接約40 d；拆卸工序多，上馬板和拆卸馬板；在焊接過程中浪費邊角焊接多余材料；在焊接的過程中打磨多，母材傷害較大，影響造船質量；人工成本較大，在造船效率上有待提高。

2 新造船工藝簡介

以“綠色無碼工裝”為例，所謂新造船優化工藝是研究者在研究幾十項造船實用新型專利理論的基礎上得出的造船優化工藝。采用專用工裝件對合龍縫進行調平作業。此工裝件的特點是在不需要焊接的情況下進行智能化調配，連接焊接兩端的母材，并能夠對焊接縫兩端的高低差進行矯正，其目的是減少分段總裝在裝配過程中使用裝配馬板焊接對母材帶來的破壞，同時降低對裝配馬板焊接磨補的作業，提升施工效率，減少材料消耗。

無碼拼裝造船優化專利如下：

1）潛艇組合肋骨腹板、面板相對位置調節無碼工裝專利；

2）調節潛艇肋骨與殼圈垂直度的無碼工裝專利；

3）潛艇殼圈合龍調節板壁差的無碼工裝專利；

4）潛艇殼圈套裝肋骨的無碼工裝專利；

5）一種結構對接工藝裝備專利；

6）潛艇組合肋骨腹板、面板角度調節無碼工裝專利；

7）潛艇、船舶用鋼管調平無碼工裝專利；

8）潛艇船舶T型材合龍調平無碼工裝專利；

9）潛艇殼圈對接無碼工裝；

10）潛艇、船舶用球扁鋼調平無碼工裝專利；

11）潛艇組合肋骨制作無碼工裝專利。

針對CO陶質襯墊單面焊焊接工藝方法，裝配對焊件定形固定的焊接工作，現采用在焊縫坡口內進行定位的方法，即取消馬板固定而采用直接在焊縫內進行定位焊，包括1道打底焊和2道填充焊，共3道焊，結合定位焊和焊接2個過程。也可取消定位焊，使用綠色工裝將整條焊縫全部裝配矯正完畢后一次焊接完成的方法。其優點在于省去了定位焊縫兩頭都需打磨的工作量，現只需對每段焊縫的起弧處進行打磨，并且減少了焊縫的接頭數量。

圖1 焊接工藝和焊接規范具體方法圖（單位：mm）

裝配工裝之間間距在500 mm～600 mm（視鋼板平整度情況而定），裝配完成后，先焊接①段位置，完成打底層和填充1層，即工裝1和工裝2之間。然后拆除工裝2并對起弧處進行打磨，接著焊接②段位置，完成打底層和填充1層。然后拆除工裝3并對起弧處進行打磨。依次類推，直至整條焊縫都完成打底層和填充1層的焊接，接著可以采用埋弧焊完成剩余的焊接工作。

無碼工裝工具的整套工裝主要由螺紋壓桿、插板基座、調整銷、旋緊桿等組成，應用杠桿原理，在不需要焊接的情況下連接焊縫兩端的母材，并對焊縫兩端的高低差進行矯正。拼裝工具前后對比如圖2所示。

圖2 無碼拼裝工具圖

3 傳統造船工藝與新造船工藝對比分析

傳統工藝要求燒制馬板，傳統馬板合龍工藝每條分段需3人作業（電焊1人，氣焊1人，裝配工1人），電焊人員焊接調平馬板，氣焊人員調坡口角度，裝配人員進行調平定位焊接，焊前人員報驗后，另一組外包隊人員1人，進行馬板切割與打磨。目前船廠出現打磨工人用工荒。人工成本上升、復合工種人員少的難題。綠色標準化合龍造船工藝取消馬板作業，直接用單人作業調平裝備，1人解決合龍調平問題，針對需合龍分段，選擇本發明準備安裝工裝調平定位，焊前報驗，收回裝配工裝，進行下一道工序，大量解決人員用工荒的問題，大量節省馬板、材料、動能等能源與資源，降低造船成本，提高造船標準化，實現綠色環保造船。

具體工裝步驟對比、材料使用對比和流程對比見表2、表3和圖3。

表2 傳統裝配方式與綠色工裝方式步驟對比表

表3 材料使用對比表

圖3 傳統裝配方式與綠色工裝流程對比

4 無馬腳工裝的優勢表現分析

1）節能降耗。無馬腳工裝無需借助馬板就可以實現調平定位工作，實現無焊結構定位，僅此就可節約大量的材料、人工和動力能源等相關費用，其中節省的材料包括焊條、砂輪片和炭棒等，使結構對接技術更加節能環保。

2）縮短船臺建造周期，降低制造成本。無碼拼裝裝拆方便，調整對接構件的速度快、質量優，由于沒有碼板和碼角，因此相應取消了現有合龍技術中的釘焊、氣割、氣刨、補焊、打磨、補油漆等多個合龍工序，由此大大縮短了船臺合龍周期、降低了人工成本。以船臺分段合龍為例，對于82 000 t大合龍縫的施工來說，以現有合龍技術一般需要施工人員30人左右施工7 d可以達到合龍焊前報驗要求，而使用本發明則通常僅需施工人員10人左右施工2 d即可達到焊前報驗要求，同時改善工人的作業環境。

3）減少涂層破損率，完全滿足PSPC涂層保護要求，真正實現了綠色環保造船。無馬腳焊接拼裝在船舶建造過程中，對接合龍口兩邊無馬腳和馬板，焊道兩邊光潔美觀、不傷母材、保護油漆，大幅度減少了涂層破損率。焊接方式采用逐步退焊法，即邊焊接邊拆除工裝件的方式。焊接工作量小，焊接速度快，作業效率高，保護母材的耗損，增加安全性。

4）提升造船精度。對于調平的狀態判斷，擺脫人眼判斷的局限性和任意性，提升船舶建造精度、保證建造質量優化。

5 綠色造船工藝的優化價值性分析

綠色造船工藝價值型研究是研究者在大型造船企業實踐應用分析的基礎上得出的優化價值型分析，無馬腳工裝代替原有的馬板輔助焊接合龍方式，簡化結構裝配步驟，減少不必要的焊接工作，避免焊接帶來的殘余應變以及焊接變形，節省材料消耗，保護母材漆面，保障船舶建造質量，同時減少焊后處理工作，并帶來了經濟效益的提升，不僅縮短工作周期，降低建造成本，提高生產質量，同時保證建造精度，可謂一舉多得。機械化的合龍工裝，操作簡便，順應時代的發展，適用于當今社會的要求，是現代船舶建造結構裝配工作的一個很好的選擇。

目前，國內外在造船領域還沒有更先進的工藝技術，本專利研發的無碼造船裝備技術、FDH-P型合龍工裝技術、水下結構裝備無馬腳工裝技術，無論在研發還是在產業化進程方面都具有相當的優勢。2020年1月～11月我國手持船舶訂單量已達到7 000萬載重噸以上。根據上海工藝研究所的匯報資料顯示，綠色無碼造船工藝的應用和推廣，每1噸材料將節省造船成本30元人民幣。按我國7 000萬噸造船量的標準，僅無碼拼裝工藝一項技術將為企業和國家節省21億元人民幣。在時間成本上以3萬噸的船舶為例，按我國目前造船行業的造船技術，上臺拼裝周期是40 d，而無碼拼裝技術只需20 d。無論從造船成本上還是造船周期上，在我國造船業推廣和應用無碼綠色造船拼裝技術都是國家海洋裝備發展的戰略需要。

6 結論

綠色無碼拼裝工藝的開發與應用是我國智能化造船拼裝工藝的開端。通過傳統造船工藝和新型造船工藝的對比和分析，指出了新型造船工藝的諸多優勢，應用推廣綠色無碼造船拼裝技術將在提高造船質量、節約資源和時間成本、綠色環保等多方面起到重要作用。