23萬(wàn)噸礦砂船機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)探討

摘要：以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向是現(xiàn)代造船模式的基本思想，舾裝工程是以托盤(pán)、單元模塊等中間產(chǎn)品為基礎(chǔ)來(lái)展開(kāi)的，通過(guò)對(duì)23萬(wàn)噸礦砂船機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)的研究，將有助于降低船舶建造成本和縮短船舶建造周期。

關(guān)鍵詞：礦砂船；現(xiàn)代造船模式；機(jī)艙；單元模塊設(shè)計(jì)

1 前言

單元模塊是船舶舾裝中除重大設(shè)備外的重要部件，對(duì)提高船舶的預(yù)舾裝量、縮短造船周期起著至關(guān)重要的作用。我國(guó)造船業(yè)自上世紀(jì)末引進(jìn)模塊化造船理念，開(kāi)始了模塊化造船技術(shù)的研究和探索。船舶機(jī)艙區(qū)域由于空間狹窄，設(shè)備、管路、鐵舾件眾多，是功能性單元和區(qū)域性單元預(yù)舾裝最合適的區(qū)域，若能有效的設(shè)計(jì)和劃分單元模塊，將大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和縮短建造周期。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型船廠在該領(lǐng)域進(jìn)行了大膽地改革和嘗試，如機(jī)艙底部區(qū)域從傳統(tǒng)的船內(nèi)散裝設(shè)計(jì)改變?yōu)榉侄昔秆b綜合生產(chǎn)設(shè)計(jì)，后又改變?yōu)橐詤^(qū)域性單元預(yù)裝設(shè)計(jì)。在母型船設(shè)計(jì)時(shí)將機(jī)艙底層作為全寬型單元，即在車間內(nèi)場(chǎng)模擬船上的空間，整體制作，分塊吊裝。據(jù)此工藝變外場(chǎng)作業(yè)為內(nèi)場(chǎng)作業(yè)，取消了合攏管，改善了工作環(huán)境，縮短了船舶建造周期。

2 機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)概況

23萬(wàn)噸系列礦砂船是華南地區(qū)建造的最大噸位的散貨船，該船為單機(jī)單槳尾機(jī)型船舶，受龍穴造船公司的委托，廣船國(guó)際技術(shù)中心承擔(dān)了其生產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)前期，我們以該系列船的《詳細(xì)建造計(jì)劃書(shū)》為依據(jù)，以機(jī)艙布置圖為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)艙單元模塊組裝設(shè)計(jì)進(jìn)行了構(gòu)思。在機(jī)艙區(qū)域綜合布置（利用TRIBON進(jìn)行建模）結(jié)束后，與綜放、電氣專業(yè)協(xié)調(diào)平衡確定單元的具體界面范圍和組合力量。同時(shí)和建造部門加強(qiáng)協(xié)調(diào)溝通，確保單元模塊組裝的結(jié)構(gòu)大小和重量控制在舾裝設(shè)施能力范圍之內(nèi)。

在機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們把握三個(gè)原則：一是布置要相對(duì)集中；二是工藝要合理；三是要盡可能采用無(wú)余量設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上形成具有獨(dú)立功能、完善的接口特性、互換性強(qiáng)、具有適用性和超前性、商品性的模塊特征。

3 機(jī)艙舾裝單元模塊設(shè)置的分析

單元模塊組裝設(shè)計(jì)需立足于區(qū)域舾裝，針對(duì)分段、總段或區(qū)域的具體結(jié)構(gòu)情況，開(kāi)展單元模塊組裝的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。該系列船在進(jìn)行機(jī)艙布置設(shè)計(jì)時(shí)就提前考慮了模塊的組合形式和可能性，盡量使這些設(shè)備集中布置，以形成模塊。同時(shí)考慮設(shè)備的維修空間及操作、維修通道，以及單元的外形尺寸，以保證其布置、吊裝的可行性。該船機(jī)艙為尾機(jī)艙，設(shè)在15#～51#肋之間，總長(zhǎng)34.3 m，但機(jī)艙下平臺(tái)至上甲板之間位于15#～50#肋之間，下平臺(tái)至內(nèi)底面的連接為傾斜的壁。

下面我們分析該船機(jī)艙各層設(shè)備布置特點(diǎn)及對(duì)單元模塊劃分的影響。

機(jī)艙雙層底設(shè)置了主機(jī)滑油循環(huán)艙、燃油泄放艙、燃油溢油艙、艙底水艙等。由于本船不設(shè)泵艙，兩臺(tái)排量為3 500 m3/h的壓載泵位于機(jī)艙內(nèi)。由于壓載泵排量太大，所以根據(jù)規(guī)范要求單獨(dú)在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置壓載泵專用海底門（左右各一個(gè)）。另外，機(jī)艙還設(shè)置2個(gè)高、低位海底門，位于45#～49#肋之間，主要是為海水冷卻系統(tǒng)服務(wù)。三臺(tái)主海水泵布置在底層右舷39#～44#肋之間主海水總管附近，有利于減少海水管的長(zhǎng)度。兩臺(tái)壓載泵布置在左、右舷各一臺(tái)，壓載泵進(jìn)出口與壓載水總管高度一致，以避免不必要的彎管。本船內(nèi)底面距離花鋼板高度為2 736 mm，因?yàn)榛ㄤ摪灞容^高，考慮到泵的自吸能力問(wèn)題，部分臥式泵要低于花鋼板面距離內(nèi)底面1 300 mm布置。由于這部分泵布置在花鋼板下，為了使船員能夠方便使用及檢修，在這些泵的周圍均設(shè)有直梯。由于艉軸密封為油、氣混合密封，所以比常規(guī)的油密封的配套設(shè)備要多一些，這些設(shè)備都需要根據(jù)艉軸管滑油系統(tǒng)的高度要求安裝在底層。在構(gòu)思底層單元模塊時(shí)，在充分考慮到船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，盡量將設(shè)備、管子納入單元內(nèi)，設(shè)備布置在滿足通道、維修空間的要求后應(yīng)盡量往船舯靠，實(shí)在無(wú)法布置時(shí)才考慮布置在舷側(cè)。根據(jù)內(nèi)底D31，D32，D33分段線的位置，將其劃分成12個(gè)全寬型綜合單元和空冷器化學(xué)清洗模塊、主機(jī)填料函泄放柜模塊、防海生物裝置單元等3個(gè)模塊。在綜合單元設(shè)計(jì)時(shí)，把能夠在地面組裝的部件（如梯子、欄桿、扶手、花鋼板等鐵舾件）考慮進(jìn)去，盡最大可能減少船上安裝量。

機(jī)艙下平臺(tái)右舷20#～22#肋之間主要布置了熱井和大氣冷凝器，為了節(jié)省空間，將大氣冷凝器布置在熱井上面做成了一個(gè)模塊。制淡裝置單元、主機(jī)缸套水冷卻泵組單元、主機(jī)缸套水冷卻器單元、主機(jī)滑油冷卻器單元、主機(jī)滑油自清濾器單元布置在20#～22#肋之間。由于下平臺(tái)不設(shè)發(fā)電機(jī)室，3臺(tái)發(fā)電機(jī)敞開(kāi)布置在17#～25#肋之間，為此我們根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)布置了10個(gè)綜合性單元。同時(shí)將發(fā)電機(jī)平臺(tái)花鋼板高度設(shè)計(jì)為600 mm，將單元延伸至舷旁，熱井摸塊和制淡裝置單元布置在其上，便于吊裝上船。3臺(tái)低溫淡水冷卻泵和兩臺(tái)中央冷卻器布置在33#～42#肋之間，按原設(shè)計(jì)3臺(tái)低溫淡水冷卻泵與兩臺(tái)中央冷卻器和船舯線平行布置，但因?yàn)?3#～42#肋之間船體結(jié)構(gòu)上有3根工字型的柱子，這樣就使得兩臺(tái)中央冷卻器被中間的一根柱子擋住，而造成了兩臺(tái)中央冷卻器沒(méi)有空間進(jìn)行檢修，也不利于做成單元，后來(lái)我們將這些設(shè)備旋轉(zhuǎn)了90度，終于順利解決了該問(wèn)題。分油機(jī)室里設(shè)置六個(gè)綜合單元，里面包括分油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模塊、主機(jī)供油單元標(biāo)準(zhǔn)模塊、輔機(jī)供油單元標(biāo)準(zhǔn)模塊、鍋爐燃油供給泵單元。其中分油機(jī)及其相關(guān)附件安裝于分油機(jī)間油渣艙上，按原計(jì)劃分油機(jī)油渣艙是作為船體結(jié)構(gòu)的一部分，屬G2D31P分段，未組裝進(jìn)分油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模塊，這樣就導(dǎo)致分油機(jī)單元上有下平臺(tái)封閉下有油渣柜封底而無(wú)法進(jìn)行吊裝，同時(shí)分油機(jī)模塊也缺乏完整性。最后考慮將分油機(jī)油渣艙分離出來(lái)做成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，和分油機(jī)等設(shè)備及部件組合成標(biāo)準(zhǔn)模塊，在船塢進(jìn)行吊裝。

在上平臺(tái)區(qū)域22# ～28#肋右舷，布置了兩個(gè)臥式主空氣瓶，由于外形較大，為了便于操作及檢修，在兩個(gè)主空氣瓶之間布置了兩把梯子，中間部分布置框架并鋪設(shè)花鋼板，考慮將其做為一個(gè)功能性單元進(jìn)行整體吊裝。在上平臺(tái)右舷其它區(qū)域，同時(shí)還布置了主壓縮機(jī)組單元、伙食冷藏裝置單元、空調(diào)壓縮機(jī)組單元及氣缸油日用柜模塊。集控室位于上平臺(tái)右舷22# ～28#肋之間，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)將集控室做成獨(dú)立分段，把集控室內(nèi)集控工作臺(tái)、各種儀表管路、控制管路、電纜、空調(diào)器及管路和電纜的所有通艙件做成一個(gè)完整體，在上平臺(tái)合攏時(shí)吊入就位，然后連接外部管子和敷電纜，這樣就形成了標(biāo)準(zhǔn)的集控室模塊。

總的來(lái)說(shuō)，機(jī)艙上下平臺(tái)甲板側(cè)重于采用模塊和功能單元，如有條件，盡可能考慮把分油機(jī)室和集控室做成獨(dú)立于分段建造的模塊。通過(guò)分油機(jī)模塊、熱井模塊等標(biāo)準(zhǔn)模塊的采用，有利于我們簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和縮短設(shè)計(jì)周期。為提高標(biāo)準(zhǔn)模塊的適用性，我們也可將標(biāo)準(zhǔn)模塊拆分，組合成若干子模塊。布置形式也可根據(jù)空間位置靈活組織，可以是一字形地排開(kāi)，也可是丁字形的布置。但在劃分時(shí)，要盡量減少產(chǎn)品所含的子模塊數(shù)量，簡(jiǎn)化模塊自身的復(fù)雜程度，避免模塊組合時(shí)產(chǎn)生混亂。

圍井區(qū)域上甲板布置有焚燒爐單元、焚燒爐廢油柜單元等設(shè)備。在A甲板4個(gè)帶百葉窗風(fēng)機(jī)室分別布置了4臺(tái)機(jī)艙風(fēng)機(jī)，可連同其基座一起組合成功能性單元。除此之外根據(jù)圍井和煙囪區(qū)域的建造特點(diǎn)，將1A2、2A2、3A2、4E2分段組合成X1A2 總段，側(cè)放在胎架上，進(jìn)行組合鍋爐、消音器等設(shè)備，排氣管和透氣管等管系以及相關(guān)直梯、格柵等鐵舾件的預(yù)裝，最后在船塢將整個(gè)總組總段吊上船合攏。因此，對(duì)于圍井和煙囪區(qū)域，可充分利用船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用分段預(yù)裝的綜合單元。

4 機(jī)艙舾裝單元模塊設(shè)計(jì)的實(shí)施

通過(guò)對(duì)機(jī)艙布置的分析，我們可以確定底層單元模塊、下平臺(tái)單元模塊、上平臺(tái)單元模塊和圍井煙囪區(qū)單元模塊的范圍和包括的相關(guān)設(shè)備和附件（詳略）。

單元模塊劃分和組裝時(shí)，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，布置上應(yīng)力求緊湊、美觀，使外形尺寸盡可能小。設(shè)備的控制箱等電氣設(shè)備也需盡量布局于設(shè)備單元中，做到控制箱與設(shè)備的電纜接線，在單元安裝前就可以接線完畢。同時(shí)還需兼顧滿足船舶艙室布置要求和保證其操作維護(hù)方便。

如空冷器化學(xué)清洗模塊和熱井模塊，我們將化學(xué)清洗泵和大氣冷凝器分別布置在化學(xué)清洗柜和熱井及凝水觀察柜頂上，不僅可以滿足功能要求，而且也節(jié)省了空間和便于操作維護(hù)。

根據(jù)單元模塊設(shè)備組成的情況，每個(gè)單元均設(shè)有設(shè)備基座、框架、管支架，用以安裝設(shè)備和固定管路及相關(guān)附件。本船設(shè)備基座盡量采用角鋼或其他型材來(lái)制作，一方面減輕了空船重量，另一方面也避免了板材結(jié)構(gòu)給管路布置帶來(lái)的困難。在設(shè)計(jì)框架時(shí)，我們統(tǒng)一選用了L75×75等邊角鋼。由于綜合單元的外形尺寸一般都較大，且設(shè)備管路密集，往往較重，但框架腳卻是散的，容易造成變形?？紤]到采用不同吊裝方式時(shí)的受力和強(qiáng)度問(wèn)題，選用L63×63角鋼提供給現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)，單元吊裝就位后割除。管支架盡量利用框架角鋼作為碼腳，對(duì)于通徑>200 mm的管子，局部采用相應(yīng)的大尺寸角鋼或槽鋼作為碼腳。對(duì)于大型的綜合單元，我們?cè)诳蚣苊嫔箱佋O(shè)了4 mm厚的花鋼板，同時(shí)設(shè)置直梯、扶手欄桿等鐵舾件?；ㄤ摪迕嫔弦苍O(shè)計(jì)了手孔蓋以便于閥件操作，除應(yīng)急吸口閥的手輪露出花鋼板面460mm外，其他花鋼板下的管子閥門操縱手輪、泥箱蓋等，低于花鋼板平面100 mm。

由于模塊單元一般外形尺寸較大，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮進(jìn)機(jī)艙的時(shí)間、順序及吊裝的要求，同時(shí)避開(kāi)船體的大結(jié)構(gòu)和柱子。機(jī)艙舾裝單元模塊的作業(yè)階段需遵循以下基本原則：按擴(kuò)大先行工程的原則，單元盡可能在X階段吊裝到位；大型單元，如綜合單元，可在Y階段吊裝，按照單元的安裝順序吊裝；對(duì)某些可能影響船體結(jié)構(gòu)裝配單元（或封艙件單元），可先在船上臨時(shí)擱置，待船體結(jié)構(gòu)裝配完成后再安裝到位。

5 機(jī)艙舾裝單元模塊設(shè)計(jì)出圖方式的優(yōu)化

為滿足單元模塊托盤(pán)設(shè)計(jì)和優(yōu)化要求，需要改善機(jī)艙舾裝單元的設(shè)計(jì)方法，我們?cè)?3萬(wàn)噸礦砂船上對(duì)機(jī)艙舾裝單元進(jìn)行了相關(guān)探索。在TRIBON系統(tǒng)中對(duì)組成舾裝單元的框架、設(shè)備、花鋼板、梯子、欄桿、管碼等都進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模，經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)艙舾裝單元的深化設(shè)計(jì)，我們可以在TRIBON系統(tǒng)中提取設(shè)備、單元框架、花鋼板、梯子、欄桿、管碼等的制作及安裝信息。這樣不但保證舾裝圖紙的準(zhǔn)確性，還為管舾裝綜合布置提供了良好的條件。經(jīng)過(guò)深化后的機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)圖紙包括單元框架制作圖、花鋼板制作圖、單元框架安裝圖，共三份圖紙。單元框架制作圖集中體現(xiàn)了框架、管件的固定支架、鐵舾件的制作信息及設(shè)備座架在單元中安裝信息?；ㄤ摪逯谱鲌D包含了花鋼板及手孔蓋的制作信息。單元框架安裝圖反映了該單元在船上的安裝位置。

深化后的機(jī)艙單元模塊設(shè)計(jì)圖紙，減少了設(shè)計(jì)的差錯(cuò)率，實(shí)現(xiàn)了單元鐵舾件100%的預(yù)裝率和單元整體吊裝，托盤(pán)的設(shè)計(jì)和劃分也得到優(yōu)化，大大減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。同時(shí)單元框架精度控制和無(wú)余量安裝也減少了材料的浪費(fèi)，節(jié)省了成本。

6 總結(jié)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)建造的反饋情況來(lái)看，23萬(wàn)噸機(jī)艙區(qū)單元模塊設(shè)計(jì)和劃分是成功的，其深化設(shè)計(jì)也取得了預(yù)期效果，不僅滿足了龍穴總裝化造船模式的要求，而且極大的促進(jìn)了生產(chǎn)流程的優(yōu)化，提高了建造效率，縮短了造船周期。隨著造船技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工序的優(yōu)化和完善，對(duì)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，我們只有不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)效率才能滿足生產(chǎn)的需要。