船舶建造工藝發(fā)展現(xiàn)狀分析及對策

張 晗，符 道，閆大海，李紅燁

(1.中國艦船研究院，北京 100192;2.中國船舶重工集團(tuán)公司，北京 100097)

1 造船模式與造船方法發(fā)展歷程

1.1 造船模式發(fā)展歷程

造船模式已經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，目前正處于第4個(gè)階段，正在形成第5個(gè)階段。第1階段:系統(tǒng)導(dǎo)向型造船模式——船臺散裝、碼頭舾裝、整船涂裝;第2階段:系統(tǒng)和區(qū)域?qū)蛐驮齑Ｊ健侄谓ㄔ臁㈩A(yù)舾裝、預(yù)涂裝;第3階段:區(qū)域、類型和階段型造船模式——分道建造、區(qū)域舾裝、區(qū)域涂裝;第4階段:中間產(chǎn)品導(dǎo)向型階段——?dú)竿恳惑w化;第5階段:產(chǎn)品導(dǎo)向型階段——設(shè)計(jì)制造一體化。前2個(gè)階段屬于傳統(tǒng)造船模式，中間2個(gè)階段屬于現(xiàn)代造船模式，第5階段屬于未來造船模式?，F(xiàn)代造船模式可以理解為以統(tǒng)籌優(yōu)化理論為指導(dǎo)，應(yīng)用成組技術(shù)原理，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼舾涂作業(yè)在空間上分道，時(shí)間上有序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化，均衡、連續(xù)的總裝造船。

1.2 造船方法發(fā)展歷程

船舶建造方法出現(xiàn)過3次重大變革。第1次是在二戰(zhàn)期間，焊接技術(shù)替代鉚接技術(shù)，并廣泛采用分段建造法，大幅度提高了造船效率。第2次出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代前期，歐洲一些船廠為了快速建造大型油船和散貨船，建設(shè)了大型干船塢，添置大型門式吊車，制造出重達(dá)數(shù)百噸的大型分段。這種大型分段建造法再一次顯著提高了造船效率。第3次是目前韓國船廠采用的巨型總段造船法，可以使吊進(jìn)船塢進(jìn)行大合攏的分段 (已完成大部分舾裝工作)重量提高到2000～3000 t。相對于大型分段造船法，巨型總段造船法有以下3個(gè)重要變化:一是巨型總段吊入船塢，通常由巨型浮吊完成;二是巨型總段既可以在船廠內(nèi)制造，也可以由廠外專業(yè)分段廠甚至國外分段廠制造，分段制造完成后，通過海上拖航到船塢邊，直接吊入塢內(nèi);三是巨型總段建造法可以方便地與平地造船法、浮塢造船法、駁船造船法等方法結(jié)合使用，進(jìn)一步提高了造船效率。

2 船舶建造工藝發(fā)展趨勢

2.1 總體發(fā)展趨勢

隨著船舶建造模式、建造方法和先進(jìn)造船工藝的蓬勃發(fā)展，船舶企業(yè)生產(chǎn)和管理方式發(fā)生了變革，船廠變得干凈整潔，勞動(dòng)人數(shù)大為減少，船舶工業(yè)從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備密集型，并正在向信息密集型方向發(fā)展。目前，船舶建造總體上呈現(xiàn)出總裝化、精益化、數(shù)字化、綠色化和智能化等發(fā)展趨勢。

1)總裝化

總裝化是現(xiàn)代造船模式發(fā)展的重要方向，其主要特征是充分發(fā)揮船廠核心資源作用，盡可能將船舶中間產(chǎn)品從造船作業(yè)主流程中分離出去，使企業(yè)集中力量從事總裝生產(chǎn)，提高總裝造船生產(chǎn)規(guī)模和專業(yè)化水平?？傃b廠的主要任務(wù)是船體制造和管子制作，而鋼材加工、分段制造、上層建筑加工、單元模塊加工、大型鑄鍛件加工、軸系加工以及其他各類舾裝件加工制造由與之配套的專業(yè)化協(xié)作企業(yè)完成。

2)精益化 (精益生產(chǎn))

精益生產(chǎn)模式源于日本汽車工業(yè)，核心思想是消除生產(chǎn)中的浪費(fèi)和一切非增值環(huán)節(jié)，使企業(yè)同時(shí)具備大批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和多品種生產(chǎn)靈活性的能力。這是一種以最大限度減少企業(yè)生產(chǎn)所占用資源、降低企業(yè)管理和運(yùn)營成本為主要目標(biāo)的生產(chǎn)方式，它還是一種經(jīng)營管理理念和企業(yè)文化。精益造船由精益生產(chǎn)概念引申而來，是精益生產(chǎn)理論在船舶工業(yè)中的應(yīng)用，首先由美國造船界提出，指從造船合同簽約開始到船舶完工交付使用的過程中，通過對員工的激勵(lì)，不斷改進(jìn)造船過程，減少浪費(fèi)，達(dá)到縮短造船周期、降低造船成本、提高造船質(zhì)量的目的。

3)數(shù)字化

數(shù)字化是信息化的核心。以信息化為核心的艦艇總段建造和模塊化生產(chǎn)，是造船方式的一次革命。它不僅涉及設(shè)計(jì)制造技術(shù)的改變，更涉及生產(chǎn)組織和管理方法的改變。把過去按工種串行作業(yè)的生產(chǎn)方法，轉(zhuǎn)變?yōu)榘纯偠魏湍K多工種并行作業(yè)。數(shù)字化已經(jīng)成為現(xiàn)代造船技術(shù)的主要內(nèi)容，數(shù)字化造船的基本特征體現(xiàn)為“三全”:船舶研制的全過程信息融合及過程集成管理、全面數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化、面向產(chǎn)品全生命周期。實(shí)施數(shù)字化造船的核心是實(shí)現(xiàn)集成、協(xié)同和優(yōu)化。集成和協(xié)同，不僅僅是技術(shù)上的集成和協(xié)同，更是現(xiàn)代組織管理模式下的資源、信息、工具、手段的集成和協(xié)同。并且，集成和協(xié)同是先進(jìn)造船模式的固化和積累，是在工程層面、管理層面、企業(yè)層面實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化的支撐和核心［1］。

4)綠色化

綠色即為“節(jié)能、環(huán)保、和諧”。國際上對綠色造船并沒有統(tǒng)一的定義。根據(jù)對船舶各個(gè)方面的環(huán)保要求，綠色造船可以認(rèn)為是船舶在設(shè)計(jì)、制造、營運(yùn)、報(bào)廢拆解的全壽命周期中，采用環(huán)保技術(shù)、設(shè)備和材料，最大限度地降低資源消耗，提高建造材料回收利用率，最大限度地減少環(huán)境污染，對船舶設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和使用者具有良好保護(hù)的先進(jìn)造船技術(shù)。

綠色造船技術(shù)不是單一的綠色制造技術(shù)，涉及船舶設(shè)計(jì)、建造、配套、原材料、標(biāo)準(zhǔn)、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。實(shí)施綠色造船的源頭在綠色設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的手段是綠色工藝技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于綠色管理。通過頂層策劃，可以實(shí)現(xiàn)綠色造船的資源、信息、工具、手段的集成和協(xié)同，可以使船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、配套、使用、維護(hù)、報(bào)廢等成為一體考慮，充分考慮到每個(gè)環(huán)節(jié)的問題［2］。

5)智能化

智能制造是21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。它將人工智能融進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝過程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、工藝過程控制、制造和裝配等環(huán)節(jié)，提高制造系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的智能水平，使制造系統(tǒng)具有更高的柔性。研究表明，現(xiàn)代造船正逐步用自動(dòng)化制造裝備代替人工操縱的各種加工機(jī)械、用智能化設(shè)備替代人的腦力勞動(dòng)，向著工廠無人化方向發(fā)展。

2.2 造船主要工藝技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1)全面推行殼舾涂一體化

殼舾涂一體化是以船體為基礎(chǔ)，舾裝為中心，涂裝為重點(diǎn)，把殼、舾、涂不同性質(zhì)的三大作業(yè)類型建立在空間上分道，時(shí)間上有序的立體排序，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化。應(yīng)用殼舾涂一體化造船，可以顯著提高造船效率，提高建造質(zhì)量和建造安全水平、改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低成本，提升企業(yè)的綜合競爭力。

2)船體裝配采用流水線生產(chǎn)

船體裝配一般分為部件裝配、分段裝配、船體裝配3個(gè)步驟。船體裝配和焊接的工作量占船體建造總工作量的75%以上。目前，先進(jìn)造船國家船廠的船體部件和曲面分段裝配基本上采用了流水線生產(chǎn)。例如，日本萬國造船公司有明船廠裝備有1條大型平面分段裝配生產(chǎn)線，最大可拼焊24 m×25 m的殼板。該系統(tǒng)由2人控制、10個(gè)焊機(jī)同時(shí)焊接時(shí)，每分鐘焊接總長度為10 m，大約3.5 h可完成重約100 t的24 m×25 m平面分段。

3)焊接向自動(dòng)化、高效化、綠色化、數(shù)字化等方向發(fā)展

在船體建造中，焊接工時(shí)約占船體建造總工時(shí)的30%～40%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%，焊接效率和質(zhì)量對造船質(zhì)量、周期和成本有重要影響。由于船舶制造多以大厚板材的焊接為主，增加了焊接的難度，對焊接材料和焊接工藝都提出了很高、甚至苛刻的要求。

20世紀(jì)70年代中期以來，自動(dòng)化成為船舶焊接技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。日本的裝配焊接機(jī)器人已經(jīng)從船體零部件制造發(fā)展到平面分段縱向構(gòu)件的裝配焊接、外場焊接、塢內(nèi)船底仰焊，曲面船殼板單面焊接和縱橫構(gòu)件裝配焊接等，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)船體焊接的全面自動(dòng)化。20世紀(jì)90年代以來，各先進(jìn)造船國家非常注重船舶高效焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。如美國開發(fā)的一種焊接速度可達(dá)5 m/min以上的Tandem熔化極氣體保護(hù)焊技術(shù)，通過提高焊縫熔敷速率，焊接成本顯著降低。目前這種技術(shù)已在德國船廠中得到使用，使得高效化成為目前船舶焊接技術(shù)的一大特點(diǎn)。綠色化已經(jīng)成為21世紀(jì)船舶焊接技術(shù)必須解決的重大課題。攪拌摩擦焊、激光焊和激光復(fù)合焊、電子束焊等先進(jìn)焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，為船舶焊接綠色化提供了工藝手段。20世紀(jì)70年代末以來，日本、英國、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，相繼開始了焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究工作，取得了豐碩的成果。通用數(shù)字工業(yè)公司專門為美國海軍開發(fā)了NEWCS焊接系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)智能控制焊接過程，焊后可離線進(jìn)行缺陷診斷，對焊接檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。隨著各國數(shù)字化造船工程的不斷推進(jìn)，船舶焊接數(shù)字化的進(jìn)程會(huì)越來越快。

3)加工成形技術(shù)向全面自動(dòng)化方向發(fā)展

全自動(dòng)切割系統(tǒng)在船舶建造過程中得到廣泛應(yīng)用。全自動(dòng)切割系統(tǒng)包括數(shù)控切割系統(tǒng)和機(jī)器人切割系統(tǒng)。這2種系統(tǒng)可建立專用的切割生產(chǎn)線，或與焊接系統(tǒng)一起組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，具有自動(dòng)輸料、減少積存、操作人員少、切割前不需要?jiǎng)澗€、可與CAD系統(tǒng)接口等特點(diǎn)。

船體板材成形工藝由以手工為主向自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變。通常，船廠一般采用手動(dòng)生產(chǎn)線來完成熱成形工藝的加熱過程，即通稱的水火彎板。目前，大部分復(fù)雜曲度的船殼板都用該方法加工，是一種勞動(dòng)力密集型生產(chǎn)流程，最終成形產(chǎn)品的質(zhì)量很大程度上依賴于操作者的知識、經(jīng)驗(yàn)和技能。90年代中期以來，水火彎板工藝由以手工為主向自動(dòng)化方向邁進(jìn)。日本石川島播磨重工和大阪大學(xué)焊接研究所從1994年共同研制了線加熱自動(dòng)化系統(tǒng)IHI－α，它是以高頻加熱為熱源的船體外板自動(dòng)線加熱成形系統(tǒng)。截止到2005年，該系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代加熱方式，系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。一個(gè)高度復(fù)雜的船體曲面以前要2～3 d的手工成形，現(xiàn)在只需要5～6 h，其中還包括2～3 h的方案計(jì)算時(shí)間。

4)造船精度控制技術(shù)得到重視和發(fā)展

所謂造船精度控制，就是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，通過對造船生產(chǎn)過程中的加工公差和焊接熱變形等進(jìn)行精度控制，用補(bǔ)償量代替余量的辦法，減少造船加工、裝配和焊接當(dāng)中的無效勞動(dòng)。造船精度控制是現(xiàn)代造船的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，造船精度控制技術(shù)的源頭是生產(chǎn)設(shè)計(jì)。從生產(chǎn)設(shè)計(jì)開始，對船體零部件的尺寸精度進(jìn)行控制，最大限度地減少分段制造、分段總組及塢內(nèi)搭載裝配工作量，實(shí)施外場無修割、少修割，一次定位，快速裝配、快速搭載，縮短船舶建造的周期，從而取得降低船舶建造成本的效果。

3 對策與建議

3.1 以轉(zhuǎn)變觀念為先導(dǎo)，做好工藝工作頂層設(shè)計(jì)

目前，造船市場競爭激烈，工藝技術(shù)水平和保障能力已成為爭奪市場的重要因素，迫切需要我們要以轉(zhuǎn)變觀念為先導(dǎo)，做好工藝工作頂層設(shè)計(jì)。在政策和制度上支持工藝工作，將基礎(chǔ)建設(shè)、人才培訓(xùn)、獎(jiǎng)勵(lì)政策等與工藝創(chuàng)新、工藝技術(shù)推廣與儲備、自主投入等掛鉤，營造工藝技術(shù)創(chuàng)新、先進(jìn)工藝推廣、降耗革新的氛圍。制訂工藝工作的目標(biāo)體系、責(zé)任體系和考核體系，強(qiáng)化協(xié)作機(jī)制。按照目標(biāo)清晰、職責(zé)明確、考核嚴(yán)格的要求，制訂并落實(shí)工藝計(jì)劃，加強(qiáng)現(xiàn)場檢查與考核。

3.2 以規(guī)范運(yùn)行為目標(biāo)，加強(qiáng)工藝體系建設(shè)

缺少工藝規(guī)范，憑主觀和經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)下的工藝過程，受人為和環(huán)境因素影響大，容易造成工藝穩(wěn)定性和一致性差，產(chǎn)品合格率低，制造成本高。實(shí)踐表明，在船舶產(chǎn)品所發(fā)生的質(zhì)量故障中，有相當(dāng)一部分是由于工藝的不確定性造成的。工藝的規(guī)范化不僅僅是技術(shù)問題，更重要的是要有統(tǒng)一的認(rèn)識，需要以規(guī)范運(yùn)行為目標(biāo)，加強(qiáng)工藝體系的建設(shè)，形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理、資源共享、運(yùn)行有效的工藝研發(fā)體系。

1)進(jìn)一步加強(qiáng)工藝基礎(chǔ)研究。重視和加強(qiáng)工藝標(biāo)準(zhǔn)化工作和工藝資源數(shù)據(jù)庫建設(shè)，提高行業(yè)和企業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)化水平;梳理現(xiàn)有工藝技術(shù)，根據(jù)造船需求，結(jié)合工藝技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展，編制和完善船舶工藝技術(shù)譜系，以指導(dǎo)船舶工藝自主創(chuàng)新的各項(xiàng)工作。

2)進(jìn)一步完善工藝技術(shù)研究體系。對于原理性、材料制備和加工、元器件制造等基礎(chǔ)性工藝技術(shù)研究，應(yīng)鼓勵(lì)產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合開展科研攻關(guān)，加強(qiáng)科研成果向企業(yè)的轉(zhuǎn)化;對于引進(jìn)工藝技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新、工藝技術(shù)集成創(chuàng)新性工藝研究，應(yīng)強(qiáng)調(diào)以企業(yè)為主體，開展科研工作，注重工藝創(chuàng)新成果的實(shí)際應(yīng)用。

3)建立健全工藝技術(shù)評價(jià)體系。主要包括工藝科研項(xiàng)目計(jì)劃、立項(xiàng)、實(shí)施、驗(yàn)收的評價(jià)體系及工藝科研成果創(chuàng)新性指標(biāo)評價(jià)體系。

4)建立健全工藝技術(shù)升級換代機(jī)制。根據(jù)工藝技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況，編制淘汰、改進(jìn)提高、推廣應(yīng)用及新研工藝技術(shù)和裝備的目錄和時(shí)間表，有計(jì)劃、有步驟地推動(dòng)工藝技術(shù)和工藝裝備水平的提高。

3.3 以管理創(chuàng)新為保障，大力推進(jìn)工藝管理創(chuàng)新

做好工藝工作，提高工藝技術(shù)整體水平， “三分靠技術(shù)，七分靠管理”。只有不斷探索新形勢下工藝管理的新思路，統(tǒng)籌抓好工藝綜合管理、工藝科研管理和工藝信息化管理，在思想觀念、工作制度、管理體制、運(yùn)行機(jī)制及管理手段等方面不斷創(chuàng)新，才能推動(dòng)造船模式向集成化、敏捷化、柔性化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、制造向預(yù)測設(shè)計(jì)、制造的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)制造向現(xiàn)代集成制造的轉(zhuǎn)變。應(yīng)建立健全工藝管理體系，明確各級工藝主管部門(機(jī)構(gòu))，明確工藝主管領(lǐng)導(dǎo)、工藝管理人員及職責(zé)，抓好各項(xiàng)工藝管理工作。建立健全企業(yè)工藝師體系，落實(shí)相應(yīng)的責(zé)、權(quán)、利，規(guī)范工藝技術(shù)和科研管理，加強(qiáng)工藝評審工作，保證工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，充分發(fā)揮工藝師在生產(chǎn)中的作用。成立工藝專家咨詢組織，進(jìn)一步發(fā)揮工藝專家的咨詢作用。建立健全工藝知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和轉(zhuǎn)讓制度，保護(hù)科研人員的積極性和企業(yè)競爭優(yōu)勢。構(gòu)建技術(shù)交流及成果推廣服務(wù)平臺，加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部和不同行業(yè)間工藝工作的技術(shù)交流，實(shí)現(xiàn)科技成果資源共享，促進(jìn)工藝技術(shù)的快速發(fā)展。

3.4 以培養(yǎng)人才為根本，加強(qiáng)工藝技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)

工藝技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新關(guān)鍵在人才。應(yīng)重視加強(qiáng)工藝技術(shù)隊(duì)伍建設(shè)，在工藝技術(shù)隊(duì)伍中充實(shí)和培養(yǎng)一批事業(yè)心強(qiáng)、富有創(chuàng)新和實(shí)干精神、理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的人才。確保工藝人才的待遇，調(diào)動(dòng)廣大工藝技術(shù)人員的積極性和創(chuàng)造性。制定和完善工藝工作的評價(jià)、考核和獎(jiǎng)懲辦法，建立激勵(lì)機(jī)制。在科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)和技術(shù)職稱的評定工作中，充分重視和體現(xiàn)工藝創(chuàng)新成果的價(jià)值。創(chuàng)造尊重工藝知識、尊重工藝人才的環(huán)境，培養(yǎng)和造就一批工藝大師和高技能工人，凝聚工藝隊(duì)伍，提高整體素質(zhì)，推動(dòng)船舶行業(yè)又快又好地發(fā)展。

［1］張晗，閆大海，符道.數(shù)字化造船——現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展方向［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(3):4 －7.ZHANG Han，YAN Da-hai，F(xiàn)U Dao.Digital shipbuilding，the developmentalorientation ofmodern shipbuilding technology［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):4－7.

［2］張林，閆大海，符道.船舶綠色制造技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(S):176－177.ZHANG Lin，YAN Da-hai，F(xiàn)U Dao.Developing green shipbuilding［J］.Modern Manufacturing Engineering，2009(S):176－177.