活動(dòng)馬板的研究與應(yīng)用

郄金波， 黃　燕， 黃敏健

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200030； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

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活動(dòng)馬板的研究與應(yīng)用

郄金波1， 黃燕2， 黃敏健2

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200030； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

摘要現(xiàn)代化造船要求綠色環(huán)保、快捷高效，同時(shí)還需降低現(xiàn)場(chǎng)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更要求船廠以降低建造成本、提高企業(yè)利潤(rùn)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行考慮。新式活動(dòng)馬板的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的船舶建造工藝，基本取消了傳統(tǒng)焊接馬板的使用，避免了傳統(tǒng)馬板使用時(shí)的焊接、切割、打磨及修補(bǔ)等工作，提高了生產(chǎn)效率，獲得現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的認(rèn)可?；顒?dòng)馬板可以重復(fù)使用，節(jié)約了馬板的制作材料，為造船企業(yè)降本增益創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞活動(dòng)馬板優(yōu)化生產(chǎn)效率效益

1傳統(tǒng)馬板應(yīng)用現(xiàn)狀

船舶的分段總組或分段/總段搭載的傳統(tǒng)操作流程是先將其放置到位，再進(jìn)行合攏部位的裝配，最后進(jìn)行焊接。由于分段/總段合攏部位經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變形，在裝配時(shí)，會(huì)采取火工或液壓油缸對(duì)存在高低差的鋼板進(jìn)行校平，再通過焊接馬板以固定相鄰分段/總段，如圖1所示。傳統(tǒng)馬板在使用結(jié)束后，需要割除并留根，還要對(duì)留根部位進(jìn)行打磨處理。在割除馬板時(shí)，由于操作不規(guī)范，個(gè)別情況割刀會(huì)傷及鋼板本體，這種情況則還需要進(jìn)行補(bǔ)電和打磨，影響生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)馬板重復(fù)利用率不高，一般情況下，一塊傳統(tǒng)馬板最多可以用四次，使得船廠必須制作一定量的馬板做為儲(chǔ)備，在一定程度上造成了材料的浪費(fèi)。

綜上所述，傳統(tǒng)馬板的使用既費(fèi)時(shí)、耗材，生產(chǎn)效率又低，不符合現(xiàn)代化造船的要求，在船舶市場(chǎng)持續(xù)低迷的環(huán)境下，這種情況亟需改善，需要設(shè)計(jì)一種不必焊接和切割、拆裝便利、可以反復(fù)利用的新式馬板。

圖1　傳統(tǒng)馬板的使用

2活動(dòng)馬板的選型及設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高工作效率、降低造船成本，同時(shí)克服傳統(tǒng)馬板的不足，我們與設(shè)備廠家確定了新型馬板選型的基本原則，并據(jù)此選擇了一種活動(dòng)馬板應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

2.1選型基本原則

(1) 采用非焊接形式，盡可能省去焊接、割除、打磨甚至補(bǔ)電環(huán)節(jié)，安裝和拆除要方便；

(2) 通用性強(qiáng)，不僅能適用于平直部位的合攏，還應(yīng)適用于線形部位的裝配合攏；

(3) 在使用過程中盡可能不傷及鋼板；

(4) 能通過簡(jiǎn)單快捷的方式將兩個(gè)合攏的分段/總段錯(cuò)位的鋼板拉平；

(5) 新型馬板要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成本不能太高，且要能多次重復(fù)使用。

2.2活動(dòng)馬板的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述基本原則，我們選擇了一種“掛板+螺栓+頂板+壓板”的復(fù)合件作為活動(dòng)馬板的基本形式，如圖2所示，并按照相應(yīng)的施工工藝，確定了活動(dòng)馬板的各部件規(guī)格參數(shù)。

圖2　活動(dòng)馬板示意圖

2.2.1掛板

掛板的主要作用是將整個(gè)活動(dòng)馬板的各個(gè)組件連接在一起，同時(shí)承載螺栓與壓板向下的力以及頂板向上的力。由于掛板承載最大，是整個(gè)活動(dòng)馬板工裝能否實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此我們對(duì)其進(jìn)行了多型選擇。

(1) 板厚范圍。目前公司在制產(chǎn)品有散貨船、化學(xué)品船、LNG船、集裝箱船等民用船舶，常規(guī)分段和總段在總組和搭載過程中需要采用CO2半自動(dòng)焊進(jìn)行裝配定位，普通碳鋼分段在使用CO2半自動(dòng)焊裝配時(shí)，兩分段/總段之間的間距范圍為6 mm～9 mm，化學(xué)品船的雙相不銹鋼分段/總段間距范圍為4 mm～9 mm。

從材質(zhì)的特性出發(fā)，選擇3 mm的中間掛板通用性較強(qiáng)，但由于板太薄會(huì)使拉伸強(qiáng)度減弱，如增大拉伸強(qiáng)度則需要將材質(zhì)提高若干等級(jí)，板材等級(jí)提高則會(huì)使得馬板成本上升；另外，由于普通碳鋼分段/總段間距較大(6 mm～9mm)，如選擇3 mm厚的中間掛板，在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。在兼顧38 000 t化學(xué)品船上不銹鋼分段的應(yīng)用，綜合考慮后我們決定選擇4 mm厚度的掛板。

(2) 掛板材質(zhì)。選擇16Mo和40CrMo兩種材質(zhì)作為中間掛板，與之對(duì)應(yīng)的板材屈服強(qiáng)度分別為1 200 MPa和2 000 MPa，兩種材料分別按照3 mm、4 mm、5 mm和6 mm厚度進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算模型見圖3。

圖3　活動(dòng)馬板掛板有限元計(jì)算模型

如圖3所示，A-A面受均勻拉力，B-B為位移約束面，有限元模型采用四節(jié)點(diǎn)板單元建模，材料性能參數(shù)如下。

彈性模量：2.1×105 MPa。

泊松比：0.3。

板材屈服強(qiáng)度：1 200 MPa和2 000 MPa兩種材料。

1 200 MPa材料掛板能承受最大拉力如表1所示，各板厚對(duì)應(yīng)應(yīng)力分布圖如圖4～圖7所示。

表1　1 200 MPa材料掛板能承受的最大拉力

圖4　3 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力3.4 t)　　　　　　　　　圖5　4 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力4.6 t)

圖6　5 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力5.8 t)　　　　　　　　　圖7　6 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力7.0 t)

2 000 MPa材料掛板能承受最大拉力如表2所示，各板厚對(duì)應(yīng)應(yīng)力分布圖如圖8～圖11所示。

在相同厚度下，16Mo掛板的拉力較40CrMo掛板小約40%，成本略低。但使用40CrMo掛板會(huì)更好地實(shí)現(xiàn)分段/總段的拉平，同時(shí)也能夠保障現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全，成本略高。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，

表2　2 000 MPa材料掛板能承受的最大拉力

圖8　3 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力5.6 t)　　　　　　　　　圖9　4 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力7.6 t)

圖10　5 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力9.6 t)　　　　　　　　　圖11　6 mm掛板應(yīng)力云圖(拉力11.6 t)

16Mo掛板在使用三次后開始出現(xiàn)變形，而40CrMo掛板則無變形產(chǎn)生。綜合考慮后，我們決定采用40CrMo作為中間掛板的材料。

2.2.2螺栓

螺栓的作用是調(diào)整合攏部位鋼板的水平，同時(shí)與壓板一起將活動(dòng)馬板進(jìn)行固定。當(dāng)時(shí)公司有一批發(fā)黑處理的螺栓，為了節(jié)約成本，充分利用庫(kù)存，我們決定使用現(xiàn)有螺栓進(jìn)行試驗(yàn)。

在螺栓螺紋形式的選擇方面，我們主要從粗牙和細(xì)牙兩種形式來考慮，分別找出其優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定螺栓的選型。

(1) 粗牙。

優(yōu)點(diǎn)：螺紋少，施工人員現(xiàn)場(chǎng)操作方便，旋轉(zhuǎn)較少的圈數(shù)就可將螺栓放置到位，生產(chǎn)效率高。

缺點(diǎn)：由于螺栓受力較大，螺紋少會(huì)加大其受力，使用幾次之后螺紋容易變形甚至扭曲，使螺栓無法順利旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致其報(bào)廢。當(dāng)螺栓受力不均時(shí)，還可能會(huì)出現(xiàn)螺紋迸裂或出現(xiàn)安全事故。

(2) 細(xì)牙。

優(yōu)點(diǎn)：螺紋受力均勻，多次使用后，螺栓的螺紋不會(huì)變形扭曲。

缺點(diǎn)：螺紋多，施工人員需要旋轉(zhuǎn)多次才能將螺栓放置到位，生產(chǎn)效率較低。

通過綜合考慮，為了進(jìn)一步保障施工人員安全并節(jié)約成本，擬采用細(xì)螺紋形式的螺栓。

2.2.3壓板

壓板與螺栓的作用類似，起到調(diào)整合攏部位鋼板水平的作用，同時(shí)還能與螺栓、掛板形成一體，承載掛板的壓力。壓板主要由螺栓孔和鋼板組成，目前考慮將螺栓孔與鋼板通過焊接形成一體。

2.2.4頂板

頂板為一底端帶槽的實(shí)心鋼塊。在螺栓及壓板施加向下的力的時(shí)候，頂板將在掛板的作用下，為螺栓與壓板起到一個(gè)支撐的作用，即在反面將鋼板的水平調(diào)整平齊。頂板與鋼板接觸的部位需要水平，同時(shí)在下端還需要開槽，以起到固定掛板并避免其左右晃動(dòng)的作用。

3活動(dòng)馬板的優(yōu)化和改進(jìn)

活動(dòng)馬板樣品在試用過程中遇到了前期未曾考慮到的問題，我們對(duì)此進(jìn)行了幾方面的優(yōu)化和改進(jìn)。

3.1增加墊片

在普通碳鋼分段上進(jìn)行活動(dòng)馬板樣品試驗(yàn)時(shí)，螺栓直接與鋼板接觸，由于接觸部位的摩擦力過大，使用幾次之后便導(dǎo)致螺栓底部變圓，同時(shí)在鋼板上也產(chǎn)生螺栓壓痕。因此，需要對(duì)接觸部位進(jìn)行保護(hù)，我們考慮在螺栓底部增加墊片，以避免產(chǎn)生上述缺陷。墊片可選用兩種材質(zhì)：

(1) 金屬墊片。

對(duì)于普通碳鋼分段/總段，在螺栓下使用普通碳鋼的金屬墊片，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用后效果明顯，但在不規(guī)范使用時(shí)，會(huì)在鋼板上產(chǎn)生壓痕。

(2) 塑料特氟龍墊片。

將金屬墊片調(diào)整為塑料特氟龍墊片可減少螺栓與鋼板之間的壓痕。我們?cè)囼?yàn)性地在螺栓底部鉆孔加裝特氟龍，將螺栓與塑料墊片連為一體。但在使用過程中塑料特氟龍墊片不耐磨，用過兩次以后基本磨平。同時(shí)，由于增加了機(jī)加工環(huán)節(jié)，使得馬板的總體成本上升。

經(jīng)綜合考慮后，我們決定選擇金屬墊片。由于使用金屬墊片可能在鋼板上產(chǎn)生壓痕，為消除壓痕，我們采取了如下措施：規(guī)范活動(dòng)馬板的使用，盡量將墊片使用在鋼板的相對(duì)平整部位，同時(shí)按常規(guī)力度緊固螺栓，避免使用蠻力緊固螺栓。圖12為塑料墊片形式的活動(dòng)馬板。

圖12　塑料墊片形式的活動(dòng)馬板

3.2改進(jìn)墊片固定形式

在之前的設(shè)計(jì)方案中，螺栓墊片與螺栓均為散件，施工人員在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)容易遺失墊片，散件墊片也容易掉落到分段/總段的間隙內(nèi)。對(duì)此，我們考慮將墊片與壓板通過鋼絲連為一體(見圖13)，并在76 000 t散貨船和20 000 t重吊船上進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)際證實(shí)完全達(dá)到預(yù)期效果。

圖13　優(yōu)化后活動(dòng)馬板示意圖

3.3改進(jìn)螺栓

在現(xiàn)場(chǎng)使用發(fā)黑處理的螺栓時(shí)，由于焊接飛濺很容易粘在螺栓螺紋上，且不容易清除，影響螺栓上下移動(dòng)。通過與生產(chǎn)人員討論，我們將發(fā)黑式螺栓改為鍍鋅式，在后期的試驗(yàn)過程中證實(shí)，即使焊接飛濺粘到螺栓上也很容易被清除下來。

3.4改進(jìn)壓板

由于壓板承載負(fù)荷較大，為了保障施工人員的安全，需要對(duì)焊接部位進(jìn)行探傷處理，處理結(jié)束后再對(duì)焊縫部位進(jìn)行打磨。這一過程將帶來壓板的成本上升，我們考慮今后將壓板改為鑄造的形式，即開發(fā)專用模具，直接將螺栓孔與鋼板鑄造成型，直接打磨毛刺后即可使用。

3.5設(shè)計(jì)適用于雙相不銹鋼的活動(dòng)馬板

公司承接的38 000 t化學(xué)品船，其貨艙為雙相不銹鋼材質(zhì)，由于這種材質(zhì)和普通碳鋼不能直接接觸，因此我們進(jìn)一步研究了適用于雙相不銹鋼材質(zhì)的活動(dòng)馬板。

(1) 墊片、頂板與雙相不銹鋼接觸的部位采用不銹鋼材質(zhì)，避免碳鋼與不銹鋼接觸而產(chǎn)生腐蝕。

(2) 考慮到若現(xiàn)場(chǎng)工人使用時(shí)不按規(guī)范操作，會(huì)導(dǎo)致碳鋼與不銹鋼接觸而產(chǎn)生腐蝕的情況，將壓板、掛板與不銹鋼不直接接觸的部件進(jìn)行鍍鋅處理。

(3) 為了更好地減少壓板對(duì)不銹鋼的擠壓，在壓板頂端加裝不銹鋼墊板，以增大接觸部位的面積，即將之前的壓板與鋼板之間的線接觸優(yōu)化為面接觸，從而降低了壓痕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

適用于雙相不銹鋼的活動(dòng)馬板的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖14所示。

圖14　活動(dòng)馬板在不銹鋼分段上的使用

3.6設(shè)計(jì)不銹鋼甲板艙室適用的類型

公司承接的38 000 t化學(xué)品船有四個(gè)甲板貨艙，每個(gè)貨艙均為正八面體形式，在橫截面上的相鄰兩塊不銹鋼板之間的夾角為135°。在胎架上進(jìn)行甲板艙分段的制作，相鄰不銹鋼板的角度很難控制，需要使用復(fù)雜的胎架進(jìn)行固定，還需要焊接馬板進(jìn)行裝配定位。同時(shí)由于不銹鋼板上安裝了大量構(gòu)架，在構(gòu)架與不銹鋼板焊接過程中，引起了不銹鋼企口的波浪變形。上述過程會(huì)引起不銹鋼板的破損，同時(shí)還需要后續(xù)的修補(bǔ)工序，增加了大量工作，并浪費(fèi)了大量馬板材料。因此有必要設(shè)計(jì)一種適用于控制鋼板形成135°夾角的無馬工裝，同時(shí)可以矯正鋼板企口變形的作用，更主要的是取消傳統(tǒng)馬板的安裝與割除工序。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種如圖15、圖16的135°夾角式的無馬工裝，通過現(xiàn)場(chǎng)使用，夾角式工裝對(duì)控制相鄰鋼板角度和企口變形起到了良好效果。

圖15　甲板艙截面圖

圖16　夾角式活動(dòng)馬板示意圖

3.7制訂活動(dòng)馬板的使用規(guī)范

為了更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員科學(xué)、正確地使用活動(dòng)馬板，生產(chǎn)部門還編制并頒布了《活動(dòng)馬板使用規(guī)范》，如圖17所示。

圖17　活動(dòng)馬板使用規(guī)范

4效益分析

活動(dòng)馬板在76 000 t散貨船、20 000 t重吊船和38 000 t化學(xué)品船上得到了成功應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，公司計(jì)劃后續(xù)逐步在LNG船、45 000 t集裝箱滾裝船、超大型集裝箱船等高新產(chǎn)品上進(jìn)一步推廣應(yīng)用活動(dòng)馬板。使用活動(dòng)馬板實(shí)施“無馬工藝”取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.1經(jīng)濟(jì)效益

以76 000 t散貨船以及38 000 t化學(xué)品船為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析如下。

4.1.1節(jié)約工時(shí)方面

從人工成本時(shí)間消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用傳統(tǒng)馬板時(shí)，按1塊馬板制作需要3 min，電焊需要2 min，割除需要2 min，馬腳打磨處理需要10 min計(jì)算(部分打磨處還需進(jìn)行補(bǔ)電工作)，則從安裝到拆除1塊馬板大約需要17 min。

以76 000 t散貨船為例，采用傳統(tǒng)馬板時(shí)，需進(jìn)行對(duì)接的焊縫長(zhǎng)度大約為2 400 m，按每300 mm一檔安裝馬板，總共需8 000塊馬板，需要2 800個(gè)工時(shí)。使用“活動(dòng)馬板”后，定位焊兩端削斜打磨按每250 mm一段計(jì)算、共9 600段，再加上安裝拆除“活動(dòng)馬板”的時(shí)間，大約僅需360 h工時(shí)。因此使用“活動(dòng)馬板”可以節(jié)省工時(shí)約2 440 h。

38 000 t化學(xué)品船不銹鋼焊縫長(zhǎng)度為1 800 m，碳鋼焊縫長(zhǎng)度為1 700 m，使用傳統(tǒng)馬板時(shí)，按每300 mm一檔安裝馬板，總共需要6 000塊不銹鋼馬板，5 700塊碳鋼馬板，需要大約3 600個(gè)工時(shí)。使用“活動(dòng)馬板”后，定位焊兩端削斜打磨按每250 mm一段計(jì)算、共14 000段，再加上安裝拆除“活動(dòng)馬板”的時(shí)間，大約需要520個(gè)工時(shí)。所以使用“活動(dòng)馬板”可以節(jié)省工時(shí)約3 080 h。

4.1.2節(jié)約成本方面

(1) 材料成本的減少。

① 板材。目前公司使用的常規(guī)馬板規(guī)格為12×120×150 mm，梳狀馬的規(guī)格為12×1 000×150 mm。

76 000 t散貨船為例全船大約共需8 000塊馬板，其中6 000塊為常規(guī)馬板，2 000塊為梳狀馬，按每立方米板材重7 900 t計(jì)算，單船損耗馬板板材重約20 t，板材每噸約4 000元，則使用傳統(tǒng)馬板將耗費(fèi)約8萬(wàn)元。

38 000 t化學(xué)品船大約需要6 000塊不銹鋼馬板以及5 700塊碳鋼馬板，其中4 500塊為304不銹鋼馬板，1 500塊為304不銹鋼梳狀馬，4 275塊為碳鋼馬板，1 425塊為碳鋼梳妝馬。大約有50%的馬板割下來后可以重復(fù)利用，按每立方米不銹鋼重7 930 t計(jì)算，單船損耗不銹鋼馬板板材重量約為14.6 t，碳鋼馬板板材重量約為14 t。不銹鋼每噸約24 000元、碳鋼每噸約4 000元，則使用傳統(tǒng)馬板將耗費(fèi)約40.6萬(wàn)元。

由于活動(dòng)馬板可以重復(fù)利用，因此每艘76 000 t散貨船僅需200塊普通“活動(dòng)馬板”，每艘38 000 t化學(xué)品船需200塊不銹鋼“活動(dòng)馬板”以及200塊普通“活動(dòng)馬板”，折損率約為5%，以每個(gè)不銹鋼“活動(dòng)馬板”218元、每個(gè)普通“活動(dòng)馬板”150元計(jì)算，則76 000 t散貨船初期需一次性投入3萬(wàn)元，后續(xù)單船僅需投入1 500元；38 000 t化學(xué)品船初期需一次性投入7.36萬(wàn)元，后續(xù)單船僅需投入3 680元。

與傳統(tǒng)馬板相比，使用活動(dòng)馬板后，76 000 t散貨船首制船可以節(jié)省板材成本約5萬(wàn)元，后續(xù)單船可以節(jié)省板材成本7.85萬(wàn)元。38 000 t化學(xué)品船首

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Research and Application of Detachable Clip

QIE Jin-bo1， HUANG Yan2, HUANG Min-jian2

(1.School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai

200030， China； 2.Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129， China)

AbstractModern shipbuilding mode advocates environmental-friendliness, convenience and high efficiency as well as reduction of working intensity for those who work on site. Furthermore, it requires that reducing construction costs and improving enterprise profits shall be taken as the starting point by the ship yards. The application of the new type detachable clip changes the traditional shipbuilding techniques. It ends the application of the traditional welding comb by and large, thus avoiding welding, cutting and grinding, repairing work in the use of the traditional comb and raising production efficiency, which are recognized by the site workers. Materials can be saved as the detachable clip is reusable, which paves the way for cost reducing and efficiency increasing of the shipbuilding enterprises.

KeywordsDetachable clipOptimizeProductivityBenefit

中圖分類號(hào)U673

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：郄金波(1981-)，男，工程師。