提高船舶舾裝模塊化程度研究

張雪 白德剛 張少亮 （天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津 300456)

0 引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)好轉(zhuǎn)，航運(yùn)業(yè)逐漸復(fù)蘇，世界船舶制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。如何降本增效，提高競(jìng)爭(zhēng)力成為造船企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。模塊化船舶建造方法因其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的建造技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外造船界的關(guān)注。

船舶建造的模塊化概念始于二戰(zhàn)期間美國(guó)大量標(biāo)準(zhǔn)船的建造。這促進(jìn)了焊接技術(shù)和分段建造技術(shù)的發(fā)展。這些建造技術(shù)在20世紀(jì)50年代由日本造船業(yè)加以發(fā)展，產(chǎn)生了今天模塊化建造技術(shù)的雛形。1971年，前蘇聯(lián)正式提出了模塊化造船方法，并于1977年用此方法建造了10萬(wàn)噸級(jí)的“鮑里斯·布托瑪”礦油兩用船。[1]在國(guó)外，模塊化造船多年來(lái)隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累不斷改進(jìn)，已成為一種逐漸完善的現(xiàn)代化船舶建造方法。在國(guó)內(nèi)，在過(guò)去的幾十年里，模塊化造船已經(jīng)取得了較大發(fā)展，然而由于建造技術(shù)、設(shè)計(jì)觀念等方面限制，模塊化造船仍舊處于初級(jí)階段，有待更深層次的研究。

在20世紀(jì)80年代中期，新港船舶重工有限公司引進(jìn)了模塊化造船，開(kāi)始模塊化造船技術(shù)的研究和探索。由于建造技術(shù)以及設(shè)計(jì)手段的局限，模塊化造船一直集中在特定船型中應(yīng)用的船體結(jié)構(gòu)單元以及部分舾裝設(shè)備模塊，模塊化程度低。然而，隨著公司即將整體搬遷至臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)造修船基地，如何提高船舶模塊化程度成為研究重點(diǎn)。造船基地的建設(shè)目標(biāo)為21世紀(jì)高效的、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的總裝造船廠?；卦齑糠忠?0～20萬(wàn)噸級(jí)船和大型集裝箱船為主要產(chǎn)品，并能兼顧20萬(wàn)噸級(jí)FPSO，4000TEU和8000TEU、汽車滾裝船等高附加值船舶產(chǎn)品的建造。為適合造船基地的新形勢(shì)的發(fā)展要求，總廠要求新基地造船模式為：①推行總裝造船，以中間產(chǎn)品為向?qū)?，?shí)行船體分道，區(qū)域舾裝，定置管理；②走社會(huì)化協(xié)作、本地化配套的路線；③強(qiáng)化模塊化制造、單元化舾裝。

提高生產(chǎn)效率，縮短建造周期，關(guān)鍵在于提高船舶模塊化程度，故而要對(duì)直接影響造船水平和進(jìn)度的舾裝模塊化程度進(jìn)行研究。

1 船舶舾裝模塊化

1.1 船舶模塊化概述

造船模塊的定義為：具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)件，且主要部件具有可選擇性的最終產(chǎn)品的預(yù)制單元。[2]這種預(yù)制單元分為兩類，分別為船體結(jié)構(gòu)單元和舾裝功能單元。造船模塊必須具有獨(dú)立的功能、特定的界面、通用的連接尺寸和連接形式。

根據(jù)舾裝模塊與船體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分為自持式模塊和依附式模塊兩大類。[3]自持式模塊指分段或船上的預(yù)舾裝單元，具有獨(dú)立的基座或支架結(jié)構(gòu)，可以在內(nèi)場(chǎng)預(yù)制，完工后在外場(chǎng)安裝到船體上。如：CO2滅火裝置、輸液系統(tǒng)遙控閥組、海水淡水壓力柜、普通船員艙室等典型船用模塊。依附式舾裝模塊指設(shè)計(jì)模塊，因其設(shè)備布置范圍較廣或固定要求較高，實(shí)際建造中需以船體分段或船上區(qū)域的結(jié)構(gòu)為依托，模塊的預(yù)制性受船體建造進(jìn)度所制約，但其設(shè)備的可選性和單元的通用性與自持式舾裝模塊相同。除上述兩類以設(shè)備為主的模塊外，船上還有許多分布的舾裝件，通常沒(méi)有供船東選擇的主要設(shè)備，僅是舾裝件在船體結(jié)構(gòu)上布置的一種通用程式，主要包括管路、電纜及其附件。

1.2 舾裝模塊化研究

根據(jù)我廠多年設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，舾裝模塊化程度低的原因在于以下幾個(gè)方面：缺乏明確車間分工和硬性要求的規(guī)章制度和生產(chǎn)流程，缺乏協(xié)調(diào)和配合，使得組成的單元模塊完整性差或形成二次和多次組裝；缺乏對(duì)單元組成及分類進(jìn)行綜合性劃分，使得工藝流程銜接性弱；設(shè)計(jì)手段落后，舾裝設(shè)計(jì)多采用三維構(gòu)思二維繪圖表達(dá)的傳統(tǒng)方式。

針對(duì)造成船舶舾裝模塊化程度低的原因，通過(guò)制定舾裝件模塊化工藝流程，明確舾裝模塊分類，改進(jìn)設(shè)計(jì)手段等來(lái)提高舾裝模塊化程度：

首先，制定舾裝模塊單元作業(yè)流程圖，明確生產(chǎn)流程和各部門分工，舾裝模塊單元作業(yè)流程圖如圖1。

其次，確定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及建造方針，將單元模塊按照功能、布置位置及型式，劃分為設(shè)備單元模塊、功能性模塊、管系單元模塊3類，并針對(duì)每類提出設(shè)計(jì)組成及建造安裝工藝要求。

最后，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了船舶設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)字化及智能化。目前通用的船舶設(shè)計(jì)軟件主要有：TRIBON、CADDS5i、CATIA和3DS等，推動(dòng)了船舶設(shè)計(jì)與制造模塊化方向進(jìn)程。

圖1 舾裝模塊單元作業(yè)流程圖

2 船舶舾裝模塊化實(shí)例研究

以我公司建造的40000噸級(jí)散貨系列船為例，進(jìn)行舾裝模塊化設(shè)計(jì)及模塊化建造。

2.1 舾裝模塊綜合分類

40000噸級(jí)散貨船，為靈便型散貨船，船型小巧，結(jié)構(gòu)布局緊湊，機(jī)艙布置空間相對(duì)緊張，要求建造時(shí)間短。結(jié)合船體結(jié)構(gòu)、機(jī)艙布置特點(diǎn)制定模塊化設(shè)計(jì)方案，對(duì)舾裝模塊進(jìn)行綜合分類：①設(shè)備單元模塊，包括主機(jī)供油模塊、發(fā)電機(jī)供油模塊、燃油分油機(jī)模塊、熱水柜模塊、主機(jī)預(yù)熱模塊、熱井模塊、主機(jī)化學(xué)清洗柜模塊、填料函泄放柜模塊、掃氣箱泄放柜模塊等；②功能性模塊，包括礦化濾器及飲水消毒器模塊、造水機(jī)模塊、高溫淡水冷卻器模塊、主機(jī)滑油濾器模塊、主機(jī)滑油冷卻器模塊、汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊、低溫淡水膨脹水箱模塊、高溫淡水膨脹水箱模塊；③管舾裝模塊，機(jī)艙底層（G區(qū)）管系模塊可分為3～4個(gè)，以及發(fā)電機(jī)管系模塊，空氣瓶管系模塊，空氣減壓閥組模塊，蒸汽分配閥組模塊，剩余蒸汽排放閥模塊，凝水閥組，蒸汽減壓閥、溫控閥組，其他閥組等模塊。

2.2 汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊實(shí)例

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，本船運(yùn)用3DS軟件，進(jìn)行舾裝模塊化設(shè)計(jì)，輸出模塊的組裝圖、制作圖、安裝圖、資材配備表和工藝文件等。

以汽缸油日用柜，低硫汽缸油日用柜模塊布置圖為例，對(duì)舾裝模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2.2.1 確定模塊組成 根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖，確定汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊由以下部分組成：汽缸油日用柜、低硫汽缸油日用柜、主機(jī)汽缸油輸送泵、手搖泵、雙聯(lián)自清濾器、設(shè)備底座和框架、管路、閥件和附件以及熱工儀表。

汽缸油/低硫汽缸油日用柜容積計(jì)算：[4]

式中：V——汽缸油/低硫汽缸油日用柜設(shè)計(jì)容積，m3；Ve——汽缸油/低硫汽缸油日用柜有效容積，m3，根據(jù)主機(jī)資料，原理圖確定；Vp——箱柜內(nèi)部管子所占容積，m3；Vs——吸口高度以下容積，m3；Vv——溢流口高度以上容積，m3；V0——箱柜內(nèi)部加強(qiáng)所占容積，m3。

如上公式所示，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮箱柜內(nèi)管子、加強(qiáng)材料、吸口高度以下容積、溢流口高度以上容積對(duì)箱柜有效容積的影響。此外，設(shè)計(jì)管路時(shí)要確保管路所有信息與原理圖一致，如管材規(guī)格等級(jí)、連接件壓力、附件標(biāo)準(zhǔn)代碼、管路表面處理方式等。

2.2.2 3DS建立三維模型 根據(jù)原理要求、船體結(jié)構(gòu)以及機(jī)艙綜合布置，對(duì)模塊各組成部分進(jìn)行合理布置。運(yùn)用3DS進(jìn)行的汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊三維模型圖，如圖2。

圖2 汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊三維模型圖

2.2.3 設(shè)計(jì)輸出 汽缸油/低硫汽缸油日用柜模塊綜合布置完成后，生成以下圖紙?zhí)峁┙o生產(chǎn)單位制作、安裝、試驗(yàn)：①模塊原理圖；②制作圖（包括管子制作圖、非標(biāo)管附件制作圖、底架制作圖、箱柜制作圖等）；③模塊組裝圖；④資材配套表；⑤模塊安裝布置圖；⑥管路清洗，模塊試驗(yàn)等工藝文件。

圖3 低溫淡水泵模塊

圖4 加熱盤管模塊實(shí)例

2.3 效果檢查

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，40000噸級(jí)散貨系列船采用舾裝模塊化建造后，提高了船舶舾裝模塊化程度，縮短了建造周期、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率。如圖3、4是40000噸級(jí)散貨船舾裝模塊實(shí)物圖。

3 總結(jié)與展望

相對(duì)于傳統(tǒng)造船法，模塊化造船具有巨大的優(yōu)勢(shì)，可以縮短建造周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。通過(guò)我廠目前模塊化造船的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，要達(dá)到真正的模塊化造船仍有很多工作要做。模塊化造船法要想取得突破性的進(jìn)展，必須開(kāi)展模塊化船舶設(shè)計(jì)研究，充分發(fā)揮TRIBON、CADDS5i、CATIA和3DS等設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)，以舾裝模塊化為目標(biāo)，舾裝生產(chǎn)設(shè)計(jì)為途徑，對(duì)舾裝模塊的劃分、結(jié)構(gòu)形式、通用性、系列性、組合性、標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的組織管理等進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化。模塊化造船主導(dǎo)著未來(lái)造船的方向，國(guó)內(nèi)造船企業(yè)要降本增效，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，在國(guó)際造船界占據(jù)重要之地，必須實(shí)現(xiàn)真正意義上的模塊化造船?！?/p>

[1]于洪亮等.日本模塊造船現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（28）：17-21.

[2]王雙鍵.船舶模塊技術(shù)[J].廣船科技，2001（4）：14-16.

[3]王華榮，池建文.模塊化造船技術(shù)發(fā)展研究[J].建船科學(xué)技術(shù)，2003（25）：31-33.

[4]商圣義.民用船舶動(dòng)力裝置[M].第一版.北京:人民交通出版社,1995：154-159.