超大型集裝箱船舶工藝設(shè)計(jì)分析

，，

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

根據(jù)13 000 TEU船的布置特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析該船的建造工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)，提出后續(xù)船舶建造工藝的改善方案，以解決超大型集裝箱船建造精度高，新材料初次應(yīng)用、外板線型大、立體分段多等技術(shù)難點(diǎn)，為超大型船舶在設(shè)計(jì)、建造等領(lǐng)域積累經(jīng)驗(yàn)[1-3]。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 布置特點(diǎn)

1)該船共設(shè)有10個(gè)貨艙和34個(gè)壓載水艙，貨艙下方設(shè)置雙層底；除10號貨艙長度為41.4 m外，其它貨艙的長度均為28.8 m，每個(gè)貨艙均設(shè)有一個(gè)32.1 m×16.1 m的超大型貨艙開口。

2)為了增加甲板上的集裝箱裝載層數(shù)，其上層建筑采用雙島型布置，居住區(qū)設(shè)在4號與5號貨艙之間，遠(yuǎn)離船艉及機(jī)艙振動(dòng)源，提高了居住舒適性；居住區(qū)下方設(shè)有污水處理艙，滿足即將生效的壓載水管理公約。

3)在居住區(qū)下方設(shè)置燃油艙，使燃油艙有船體雙殼保護(hù)，提高其安全性，并起到防止產(chǎn)生燃油污染的作用；為了滿足MARPOL 每個(gè)燃油艙的艙容小于等于2 500 m3的要求，將燃油艙分成5個(gè)艙。

4)由于居住區(qū)遠(yuǎn)離振動(dòng)源，該船沒有設(shè)減振艙。

5)根據(jù)前船吃水與船艏甲板高度的關(guān)系，該船不再布置艏樓甲板。

6)在滿足IACS URS11要求的基礎(chǔ)上將艏尖艙設(shè)置成空艙，既減少了船體梁彎矩，減輕了船體梁的重量；又減少了艏尖艙的涂裝作業(yè)量，節(jié)約了建造成本。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)艙口圍結(jié)構(gòu)?？v向艙口圍板為連續(xù)構(gòu)造，已納入船體梁剖面模數(shù)計(jì)算中。在船艉部由于總縱強(qiáng)度應(yīng)力減小，在機(jī)艙棚處將縱向艙口圍斷開來增加左右方向的交通方便性，見圖1。

圖1 縱向艙口圍中斷

隨著板厚的增加，其脆性破壞強(qiáng)度會(huì)下降，為了降低板厚增大脆性破壞強(qiáng)度 ，采用了70 mm厚的EH47高強(qiáng)度鋼。

同時(shí)，由于上甲板是水密的而橫向艙口圍頂部是非水密的，因此舾裝品都布置在艙口圍的里面，考慮到橫向艙口圍是橫向通道，其頂部開孔都設(shè)置了防墜落的格柵；橫向艙口圍上的開孔尺寸也是在考慮了舾裝品的現(xiàn)場施工方便性的基礎(chǔ)上決定的。此外，為了減少橫向艙口圍上加強(qiáng)筋的數(shù)量，將加強(qiáng)筋制成垂向布置而不是水平布置，降低左右方向的屈曲強(qiáng)度；為了保證屈曲強(qiáng)度，適當(dāng)增加了板厚。在上甲板靠居住區(qū)船艉側(cè)處和上甲板靠機(jī)艙棚船艏側(cè)處設(shè)置了負(fù)角隅以提高其疲勞強(qiáng)度，見圖2。

2)雙層底和雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)。與以往大型集裝箱船相比，該船通過適當(dāng)縮小強(qiáng)肋板間距以減小縱骨的尺寸，從而降低船殼重量。此外，為了降低船殼重量，舷側(cè)肋板也采用了開口構(gòu)造。為了滿足水密橫艙壁和雙層底交叉部位的疲勞強(qiáng)度要求，對雙層底和縱桁進(jìn)行了局部增厚補(bǔ)強(qiáng)，見圖3。

圖2 負(fù)角隅

圖3 局部增厚

另外縱艙壁與橫艙壁在二甲板的交叉部位，為了提高疲勞強(qiáng)度，將交叉部的小肘板取消，見圖4。

圖4 艙壁交叉部

3)橫艙壁。水密橫艙壁GIR的尺寸是由破艙浸水工況的屈曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等要求決定的。因要求布置在結(jié)構(gòu)橫艙壁上的斜梯角度不能大于55°，因此取消了結(jié)構(gòu)橫艙壁上的中垂桁材，以方便斜梯的布置，見圖5。

4)燃油艙(含污水處理間)。在基本設(shè)計(jì)階段布置了3層水平桁材(HOR.GIR.)，但詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)燃油加熱設(shè)備廠家的要求在燃油艙的下部設(shè)置了Small Compartment，相應(yīng)的NO.7 舷側(cè)縱桁的大部分變成了板式構(gòu)造。

圖5 取消中垂桁材示意

污水處理間內(nèi)根據(jù)居住區(qū)補(bǔ)強(qiáng)的需要設(shè)置了4道縱向艙壁?？紤]到燃油產(chǎn)生的載荷，作為補(bǔ)強(qiáng)，對雙層底的GIR&FLOOR的板進(jìn)行了增厚、對雙層舷側(cè)內(nèi)的龍筋貫穿孔追加了補(bǔ)板。此外，為了保證船體梁的剪切強(qiáng)度，對燃油艙前后附近的縱艙壁進(jìn)行了增厚補(bǔ)強(qiáng)。由于燃油艙的存在，燃油艙處成了船體梁的扭轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，為降低扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，將上甲板的角隅設(shè)置成負(fù)角隅，并且對二甲板的角隅進(jìn)行了增厚補(bǔ)強(qiáng)。

1.3 生產(chǎn)設(shè)施

該船安排在公司50萬t級船塢進(jìn)行建造。

加工車間共分成19棟，其中鋼板預(yù)處理2棟，最大處理能力達(dá)到4.5 m×22.5 m規(guī)格的鋼板； NC數(shù)控切割5棟，各配有HIVAS拼板設(shè)備一套；型鋼、條材自動(dòng)化生產(chǎn)線、平直主板火焰切割各1棟。

其中型鋼生產(chǎn)線采用數(shù)控切割方式，條材生產(chǎn)線采用機(jī)器人切割，該生產(chǎn)線的投產(chǎn)，代替了原有的純手工加工作業(yè)方式，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)如下。

1)操作簡單，短期培訓(xùn)后即能上機(jī)作業(yè)；能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)型鋼、條材的印字、劃線、端部及開孔的切割；自動(dòng)化程度高，效率大大提升。

2)切割精度高，錯(cuò)誤率幾乎為零。采用新設(shè)備后，切割精度相對原手工方式有很大的提高。

3)部材分類自動(dòng)化，物流更暢通。由于型鋼線將采用分揀裝置，對加工完的部材將分類自動(dòng)放置，節(jié)省了部材分類時(shí)間。

4)安全、環(huán)保性能好。該生產(chǎn)線有完善的自診斷系統(tǒng)，具有故障自動(dòng)報(bào)警與自保護(hù)停機(jī)功能，并提示解決故障的信息，系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄每次故障發(fā)生的時(shí)間及內(nèi)容；生產(chǎn)線上配備了機(jī)載除塵系統(tǒng)，粉塵捕集率達(dá)98%。

型鋼數(shù)控切割生產(chǎn)線的工藝流程如下。

①型鋼搬入(從預(yù)處理輸出輥道吊入加工區(qū)域)→②型鋼橫移(通過橫移裝置輸送到切割線待加工區(qū))→③縱向移動(dòng)(輸送到切割區(qū)域)→④型鋼切割(印字，劃線，開孔及端部切割)→⑤型鋼分類(由分揀裝置自動(dòng)完成)→⑥成品搬出(通過叉車或平板車搬出車間)。

條材機(jī)器人切割生產(chǎn)線的工藝流程如下。

①鋼板搬入(從預(yù)處理輸出輥道吊入加工區(qū)域)→②鋼板開條(通過多頭平行切割機(jī)作業(yè))→③自動(dòng)倒角(通過倒角機(jī)進(jìn)行清渣及R倒角)→④條材印字(由MARKING機(jī)器人進(jìn)行印字及劃線)→⑤條材切割(由切割機(jī)器人進(jìn)行開孔及端部切割)→⑥端部打磨(切割后部材被推向打磨區(qū)域進(jìn)行手工打磨處理)→⑦成品搬出(通過叉車或平板車搬出車間)。

分段裝配車間共分為6個(gè)跨，其中4個(gè)立體棟，2個(gè)平直流水線裝配棟，后者配有分段移位輥道、多極自動(dòng)焊接裝置、肋板壓入設(shè)備及400 t分段頂升裝置各1套，最大起吊能力可達(dá)到200 t。該船建造配有兩個(gè)涂裝車間，其中，噴涂一體車間3跨、噴砂車間2跨，涂裝車間4跨。

1.4 鋼材選用

為了滿足貨艙部甲板大開口結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，大量采用高厚度、高強(qiáng)度、高韌性的鋼板，上甲板、舷頂列板、縱壁頂板的最大厚度達(dá)到60 mm，強(qiáng)度等級最大為EH40，同時(shí)，由于縱向艙口圍結(jié)構(gòu)連續(xù)的特點(diǎn)，作為參與總縱強(qiáng)度的主要構(gòu)件，在抵抗結(jié)構(gòu)疲勞損傷方面，發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，因此，在縱向艙口圍的腹板、面板、及其縱向龍筋等構(gòu)件，采用了新開發(fā)的EH47級極厚鋼板，厚度達(dá)到70 mm。

在大型集裝箱船上，隨著極厚板的大量應(yīng)用，脆性裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，而一旦在極厚板中出現(xiàn)裂紋，該裂紋將會(huì)沿著焊縫不斷傳播、擴(kuò)散，有時(shí)即使裂紋轉(zhuǎn)向至母材，該裂紋也不會(huì)停止，因此，作為安全設(shè)計(jì)的雙保險(xiǎn)之一，本船在中部貨艙的上甲板處，應(yīng)用了新開發(fā)的防裂紋傳播的高強(qiáng)度鋼板，與艙口圍EH47鋼板側(cè)重于防止脆性裂紋產(chǎn)生相比，上甲板的抗裂紋鋼更能夠防止一旦艙口圍產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)散至主船體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)。

與傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼板生產(chǎn)工藝相比，上述兩個(gè)新品種除了仍采用TMCP軋制工藝外，壓延溫度更低，冷卻速度更快，鋼材組織晶粒更細(xì)微化。EH40鋼板在板厚為65 mm時(shí)，在機(jī)械缺口狀態(tài)下，斷裂韌性指數(shù)Kc超過了3 820 N/ mm1.5，其抑制脆性裂紋擴(kuò)展能力的特性值在-10 ℃時(shí)超過了6 000 N/mm1.5；EH47鋼板在板厚為70 mm時(shí)，在機(jī)械缺口狀態(tài)下，斷裂韌性指數(shù)Kc超過了4 350 N/ mm1.5。

該船所采用的FAB、FCB以及SEGARC焊接都屬于大線能量焊接工藝，其焊接線能量分別達(dá)到335、255和550 kJ/cm。為了確保高強(qiáng)鋼焊縫的韌性，所有采用FAB、FCB及SEGARC焊接工藝的鋼板，必須是大線能量焊接專用鋼板。

1.5 焊接工藝

小組拼板主要是采用HIVAS雙面埋弧自動(dòng)焊來完成；采用普通埋弧焊或KX法來完成分段內(nèi)平直主板的拼接；對于部分分段間的立向?qū)雍缚p，初次引入新穎的SEGARC焊接。這是一種單面施焊，雙面成形的焊接方式。借助于軌道，采用KL-4陶瓷襯墊氣體保護(hù)焊，應(yīng)用于外板和縱壁立向焊縫處。焊接線能量最大達(dá)550 kJ/cm。不僅可以垂直焊接，上向傾斜20°、下向傾斜45°的立向焊縫也可以焊接，見圖6、7。

圖6 立向應(yīng)用范圍

圖7 典型應(yīng)用部位

焊接速度非常快，達(dá)到180 g/min(焊絲熔敷量 380 A時(shí))。其適用板厚范圍廣、焊接速度快、成型效果好。另外根據(jù)其焊接姿勢、主板線型、施工空間等情況，可以選擇FAB單級或多極焊接，或者是CO2單面焊，或者是手工雙面焊。

2 工藝優(yōu)化

2.1 提高鋼材利用率

1)針對不規(guī)則部材，在初套料后產(chǎn)生的較大面積余白，通過對現(xiàn)場增加的施工成本和節(jié)約的材料成本的比較，調(diào)整或增加拼板板縫。

2)將小物部材的板厚代用范圍由2 mm調(diào)整為3 mm，增加較大的邊角余材的二次利用率。

3)對部材進(jìn)行鏡像處理，實(shí)現(xiàn)契合套料。

4)原則上以分段為單位進(jìn)行套料，但對于初次套料后產(chǎn)生的大面積余白，在考慮加工間隔的長短以及加工順序的基礎(chǔ)上，考慮大、小組部材或不同分段間的混套。

5)充分利用鋼板廠家的板邊制作余量，長、寬尺寸分別減10 mm后訂購。

6)對長短不同的條材進(jìn)行分類套料，對端部削斜的條材進(jìn)行契合套料。

通過以上舉措，本系列船首制船的一次鋼材利用率達(dá)到92.5%,在國際同型船中處于領(lǐng)先水平。

2.2 施工工藝優(yōu)化

1)橫向艙口圍板與橫艙壁一體化。傳統(tǒng)的橫向艙口圍、橫艙壁與上甲板的結(jié)構(gòu)形式見圖8。

圖8 甲板連續(xù)示意

通過對施工工藝的研討，將圖8結(jié)構(gòu)改為如圖9所示結(jié)構(gòu)，將橫向艙口圍與橫艙壁連成一體，并作為一個(gè)分段。

此改善的優(yōu)點(diǎn)主要有:①降低焊接工作量，減少定盤預(yù)合攏及船塢搭載量；②更加精確地保證艙口圍與橫艙壁的上下一線對齊；③更大程度地實(shí)現(xiàn)預(yù)舾裝，改善工作環(huán)境和縮短造船周期。

2)集裝箱導(dǎo)軌下端形式優(yōu)化。以往集裝箱導(dǎo)軌下端是直接沿伸至底部甲板的，而本船的導(dǎo)軌下端終止于最下層集裝箱頂部向下300 mm，并且對端部進(jìn)行了折彎處理，見圖10。這樣做單船節(jié)約型鋼約3 400 m。

圖9 艙壁與艙口圍一體示意

圖10 不同導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意

3)集裝箱導(dǎo)軌提前取付。公司在建造1萬TEU時(shí)因吊機(jī)起吊能力的限制，集裝箱導(dǎo)軌多數(shù)在塢內(nèi)取付，不僅焊接難度大，還極度占用吊機(jī)的使用。該船在滿足施工條件的基礎(chǔ)上，將多數(shù)導(dǎo)軌提前到分段裝配時(shí)或定盤預(yù)合攏時(shí)進(jìn)行取付，既改善了施工條件，又減少了吊機(jī)的使用，對縮短工期有很大作用。

4)燃油艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化。燃油艙的結(jié)構(gòu)為前后艙壁加上各層平臺(tái)，原設(shè)計(jì)方案是橫艙壁在各層平臺(tái)處斷開，以各平臺(tái)為單位進(jìn)行分段劃分，見圖11。

圖11 原燃油艙結(jié)構(gòu)形式

分段裝配時(shí)以平臺(tái)為基準(zhǔn)面，考慮到現(xiàn)場施工的方便性，將分段劃分改為以前后橫艙壁為單位，并以橫艙壁為基準(zhǔn)面進(jìn)行分段裝配，橫艙壁在各平臺(tái)處為連續(xù)構(gòu)造，見圖12。

圖12 現(xiàn)燃油艙結(jié)構(gòu)形式

改善后的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)如下：①由于分段數(shù)量由8個(gè)減少為4個(gè)，因此吊耳數(shù)量、吊機(jī)及定盤的占用時(shí)間會(huì)相應(yīng)地減少；②減少焊接的工作量；③減少腳手架的搭設(shè)數(shù)量；④減少了橫艙壁與各平臺(tái)間的密性試驗(yàn)的工作量。

3 結(jié)束語

超大型集裝箱船在南通申遠(yuǎn)川崎船舶工程有

限公司為首次建造，根據(jù)現(xiàn)有的建造計(jì)劃，采用半串聯(lián)的方式連續(xù)建造，工期非常緊張，任何一艘船的計(jì)劃如不能按期推進(jìn)，都會(huì)影響到其它后續(xù)船的順利建造。因此，針對該船的特點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)、工藝難點(diǎn)等事先做好充分的研討，有針對性地制定行之有效的措施，顯得尤為重要。

[1] 初艷玲.超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范校核及有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[2] 張 鼎,黃小平,丁仕風(fēng),等.大型集裝箱船高強(qiáng)度鋼甲板裂紋缺陷的安全壽命評估[C]∥紀(jì)念徐秉漢院士船舶與海洋結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，無錫：中國造船工程學(xué)會(huì)，中國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)，中國船舶重工集團(tuán)第702研究所，2011.

[3] 魏莉潔.船舶建造工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.