64kDWT散貨船甲板管路布置優化

中圖分類號：U664.84 文獻標志碼：A

Optimization of Deck Piping Layout for 64k DWTBulk Carrier

WANG Quanjun1， WANG Quanbing2（1.COSCOHeustoud，saeegusd）

Abstract： Digital-intelligent approaches for lightweight ship design are increasingly applied in modern shipbuilding.Takinganew 64k DWTbulk carrier as an example， this study optimizes deck piping layout through precision design methods combined with Partran stress analysis software，AM3D modeling，and piping stress analysis.Results show 12% steel reduction and 9.5% pipe material reduction， achieving lightweight objectives.

Key Words： digital-intelligent; lightweight design; precision design; piping layout

1 引言

船舶管路的綜合布置是一項綜合性專業技術，在船舶管路的優化設計中，不僅僅是縮短管路的長度節省成本，還需要考慮整體的美觀性、實用性、施工便利、易于維護保養等多個因素，進而做到美觀、簡潔、實用，從而更好地發揮出船舶的功能，提高運輸效率]。

散貨船輕量化設計與建造經濟性和使用經濟性息息相關，而數智化設計手段能科學地推進輕量化設計進程。謝國術重點基于提高散貨船上甲板管路先行裝率的方法及對策做了重點介紹。徐歡等重點研究了船舶管路布置優化與船舶的經濟性、安全性和整體布局的科學性及可維修性等之間的關系。張翼等基于船舶數字化設計技術的發展、困境及突破做了分析研究。王軍偉[重點對船舶管路綜合布置要點的布置原則、優化措施和重要意義做了詳細闡述。魏豪基于三維建模的船舶管路布局優化設計，系統地進行了深入探究。

當前散貨船艙口圍對主甲板管路布置影響的研究較少涉及。本文將以 64k DWT散貨船的艙口圍優化為研究對象，針對目前10多艘已完工營運船舶反饋液壓管路容易受到抓斗碰傷和管排寬度太寬，增加船舶營運的日常維護難度和成本等痛點，認真分析客戶的痛點和難點，借鑒國內外建造營運船舶的布置優點，采用市場調研和技術研討相結合的方式，開展設計改進的可行性研究，在船舶破艙穩性和結構強度許可的情況下，采用精益化和數字化設計手段，盡可能減少甲板面的管路布置數量和艙口圍的結構重量，以降低船舶材料重量和施工成本。既滿足船舶輕量化設計的性能要求，也能增加船舶的載貨量。

2 艙口圍布置優化

2.1艙口圍甲板管路布置要點

1）涉及到的管路系統布置依據及原則

貨艙甲板管路，一般包括海水消防、系泊設備液壓、艙蓋液壓、雜用淡水、壓縮空氣、二氧化碳、閥門遙控、電纜管等管路系統。各個系統按照國際規范、規則，輪機設計手冊等為依據，以詳細設計圖紙和廠家設備資料為基礎，確保各系統的功能性和使用便利性。管路系統信息如表1所示。

管路系統的數量和布置位置對艙口圍結構至關重要，管路的布置優劣直接影響到艙口圍的結構強度、散貨船的裝卸貨效率和船員的日常維護成本。如液壓管路系統，其作用是為錨系泊和裝卸貨設備及遙控閥門等提供動力，布置在露天甲板上容易受到機械損壞，布置在艙口圍內要考慮艙口圍的結構開孔和強度。

2）船廠施工便利性及綜合成本因素

目前隨著勞動力成本的逐年提高，為控制建造成本實現盈利，各個船廠都在生產施工中減少返工率，提高功效等方面做了大量的工作。輕量化設計和智能化制造無疑是實現成本持續可控的最重要途徑。

3）客戶營運過程中維護便利性訴求

檢驗船舶產品是否具有持續競爭力的標準就是能否在不斷變化的市場中，在成本可控的前提下，提高船舶的性能、安全性和經濟性。

2.2艙口圍總體優化概述

根據艙蓋結構特點等要求， 64k DWT散貨船主甲板管路布置比較靈活。所有管路布置到艙口圍板以外，有利于生產建造和成本管控，如圖1所示；如管路布置在艙口圍板上，則甲板空間較大，有利于船東的日常維護和運貨量改善。本文從管路優化到艙口圍內進行探討和可行性分析，提出兼顧成本和維護方便性的可行方案。

2.3 結構優化可行性分析

該船基本設計時，艙口圍圍高為 1.9m ，經過Partran等有限元計算反復驗證，最終實現了3/4/5艙口圍的高度降 ～0.7m ，減輕近45t左右的鋼板和型材用量，實現減重 18% 。新船型的設計給管路布置帶來了一定難度。艙口圍的降低，造成了較多的小管路不能走到艙口圍內部進行保護，進而增加了船東日常維護的難度和貨物駁運時損壞管路的風險。為此利用AM軟件對艙口圍的管路布置方案進行了建模，用結構應力分析軟件進行比對。

方案一，管路均布置到艙口圍內（如圖2），優點是甲板面上管路較少，有利于船東增加裝載量，缺點是所有艙口圍肘板向外部擴大至少 800mm ，且板厚由 15mm 增加到 20mm ，初步核算要增加15t左右的鋼材量，增重 6% 。

方案二，部分規格較大的電纜管和消防管布置到艙口圍外，且做成單元的型式吊裝，所有小管路均布置到艙口圍內（如圖3），優點是大管子做成單元可整體吊裝，小管子在艙口圍內得到了有效的保護，且方便了船員的日常維護和操作，結構僅有3處肘板加厚，增加重量約 50kg ，船東和船廠都易于接受此方案。缺點是艙口圍板需要數控開孔，且艙口圍內的管子的安裝和焊接，需要將部分管段移到搭載階段安裝到位，后行增加一定的施工工作量。

2.4艙口圍開孔的可行性分析

對比以上2個方案，方案二比較適合目前的設計優化目標，使用Partran有限元軟件對增加開孔后的艙口圍結構應力大小進行校核，結果如表2所示。

以FR93為例，原艙口圍板未開孔，經應力分析，最大應力值為 476MPa ，增加 420×320 開孔且增加護圈和扁鐵補強后，艙口圍板最大應力值為 544.2MPa 滿足設計標準和船級社規范要求，詳見如圖4所示，符合設計優化的預期。

2.5管路布置優化

為減小管排寬度對船員檢修的影響，提出2根電纜管合并為1根電纜管的方案。在不降低管子預裝率的前提下，為減少管子安裝到艙口圍內對結構搭載焊縫效率的影響，分析艙口圍內的管子排布與搭載焊縫之間的關系。經反復研討和計算，最終將1根DN150和DN300的電纜管，優化為1根DN350的電纜管，部分法蘭優化為套管連接，電纜箱外形變小，最終1條船減重約 5t ，實現減重 9.5% ，單船節約成本6萬多元。選取的管子是離主甲板面最近，且離艙口圍結構最遠的一路，原因是人員手拿焊槍可以焊到艙口圍的平角縫。管子離主甲板面凈尺寸 ?260mm ，離艙口圍的凈尺寸 ?400mm ，確保搭載施工效率不受影響。

3主甲板管路布置優化實船驗證

經過兩個方案利弊分析，最終采用方案二，在新設計船舶上予以實施且保證了船舶建造周期不受影響。經有限元分析，本船降低艙口圍高度和甲板管路優化方案，整體上減少鋼材約 45t ，管材 5t ，合計減少鋼材用量約 50t ，可相應增加貨物載運量。輕量化設計節約了船舶建造材料和人工成本。經過傾斜試驗和試航等充分驗證，此方案性能指標滿足規范要求。

4結語

在分析實船便利性操作和船廠提質增效的基礎上，采用精益化設計的思路，結合AM三維模型和有限元分析軟件進行計算校核，利用數智化手段，完成了 64k DWT散貨船主甲板管路布置優化設計，節省鋼材45t和鋼管 5t ，鋼材減少 12% ，管材減少 9.5% ，實現了輕量化設計目標，提高了船舶日常維護便利性，美觀實用，為類似船舶甲板管路布置提供了新的思路。

參考文獻

[1]姜季江，李磊.船舶全生命周期數據庫管理平臺建設研究[J].船舶標準化與質量，2024（3）：36-41.

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[3]徐歡，徐飛，沈翔.船舶管路布置優化的若干思考[J].船舶物資與市場，2020（5）： 1-2.

[4]張翼，雷玉瑩，齊鳴.船舶數字化設計技術的發展、困境及突破[J].船舶，2024，35（2）：70-77.

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[6]魏豪.基于三維建模的船舶管路布局優化設計[D].大連：大連理工大學，2020.