海洋工程裝備建造設(shè)備發(fā)展淺探

彭濤，林忠欽，楊建民，柳存根

（1. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 中國海洋裝備工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院，上海 200240）

海洋工程裝備建造設(shè)備發(fā)展淺探

彭濤1,2,3，林忠欽2,3，楊建民1,2,3，柳存根1,2,3

（1. 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 中國海洋裝備工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院，上海 200240）

海洋工程裝備向大型化、深水化發(fā)展，性能要求不斷提高。海洋裝備的建造面臨著制造難度提升、環(huán)境更為復(fù)雜、關(guān)鍵設(shè)備精度要求高等難題，對創(chuàng)新加工裝備、加工模式等提出了更高要求。制造設(shè)備需要在精細(xì)化、柔性化、加工與測量相結(jié)合等方面提升加工能力，同時在加工設(shè)備成套組織、加工控制軟件等領(lǐng)域取得突破，從而為海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供建造能力的支持，實現(xiàn)制造過程的精細(xì)化、智能化和綠色化發(fā)展。

海洋工程裝備；加工裝備；制造技術(shù)

DOI 10.15302/J-SSCAE-2016.04.016

一、前言

鉆井平臺、生產(chǎn)平臺等海洋油氣生產(chǎn)裝備，海上風(fēng)機等可再生能源利用裝備和海上礦藏、生物等開發(fā)利用裝備，及各類工程船舶等不同類型的海洋工程裝備，是人類開發(fā)、利用和保護海洋的各種海上活動的主要工具。隨著人類開發(fā)海洋的范圍、深度和開發(fā)能力的不斷拓展，對各類開發(fā)裝備提出了新的更高的要求。超深水鉆井平臺、浮式液化天然氣開發(fā)裝置、海上浮式風(fēng)力發(fā)電裝置等各類新概念

和高性能開發(fā)裝備不斷涌現(xiàn)，為人類開發(fā)海洋提供了必不可少的工具。

目前，海洋工程裝備制造已成為各國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和高端裝備制造業(yè)的重要方向。進入21世紀(jì)以來，世界各海洋強國和瀕海國家對海洋油氣、礦藏、海洋可再生能源的開發(fā)能力和裝備水平不斷增長，同時與自然和諧相處的人類共識也使得海洋工程裝備向著更為綠色的方向發(fā)展。目前歐美等海洋開發(fā)強國主要開展高端海洋裝備及配套設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和供貨。韓國和新加坡等國則以浮式生產(chǎn)儲油裝置、液化天然氣生產(chǎn)儲運裝置、鉆井船、半潛式平臺、自升式平臺等搶占世界海洋工程裝備主要建造市場。

經(jīng)過“十二五”發(fā)展，我國海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)取得了顯著進步，具備了深水海洋工程裝備的設(shè)計和建造能力，在世界市場規(guī)模比重不斷增大，海洋裝備產(chǎn)品逐步向多樣、中高端發(fā)展。而海洋開發(fā)深水化、大型化的要求，對我國的海洋工程裝備建造產(chǎn)業(yè)提出了更高要求。緊密圍繞海洋資源開發(fā)，大力發(fā)展海洋工程裝備制造業(yè)，對于我國開發(fā)利用海洋、提高海洋產(chǎn)業(yè)綜合競爭力、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建設(shè)海洋強國具有重要意義。

二、海洋工程裝備建造要求

海洋裝備制造業(yè)的制造模式、技術(shù)要求等與現(xiàn)代造船產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。隨著海洋開發(fā)深度的增加和開發(fā)海域的復(fù)雜惡劣，以及對于開發(fā)安全、效率、環(huán)保日益重視，對船舶與海洋工程裝備制造產(chǎn)業(yè)提出了愈來愈高的要求[1,2]。

在海洋工程裝備性能要求不斷提高、同時產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈的背景下，制造業(yè)加工的高精度、高質(zhì)量、高效率、低成本等顯得越來越重要。海洋裝備的建造面臨著制造要求高、加工環(huán)境復(fù)雜、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施精度要求高等難題。同時隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，對提高環(huán)境質(zhì)量、降低勞動強度等提出了新的要求。

因此，在海洋工程裝備建造上需要開發(fā)創(chuàng)新裝備、新加工模式和新的組織形式，并不斷提升加工精度、效率以加快海洋工程裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源等資源的消耗，實現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展。

三、海洋工程裝備建造對加工裝備的需求

海洋工程裝備制造涉及面極廣，既有板材的精確切割、焊接、裝配，也有復(fù)雜曲面的加工；既包括車間內(nèi)各種復(fù)雜管系的生產(chǎn)和組裝，也包括裝備外場的現(xiàn)場高精度加工等，其制造能力的提升需要多方面共同提高。本文試從海洋工程裝備建造的幾個方面探析未來裝備建造技術(shù)的發(fā)展。

（一）高精度板材加工

海洋平臺外板加工精度對分段精度起決定性作用，直接影響平臺合攏。雖然海洋平臺外形相比較船體而言較為規(guī)整，板材較船體外板曲線復(fù)雜程度稍低，但平臺外板彎折角度多，且多采用高強度鋼板，同時加工中常采用冷彎工藝，因而需要鋼板切割、彎板、自動焊接等機床的支持。海洋平臺多為單件產(chǎn)品，分段大小不一，板厚差異巨大。板材基本單件切割，要求加工機床的適應(yīng)性廣，易于調(diào)整，可對不同的形狀、板厚、材質(zhì)的鋼板進行加工，同時也要求針對具體分段具備很高的加工精度，以確保平臺整體的裝配精度。因此，高水平、高效率的平臺板材加工設(shè)備需要具備高精度、智能化的控制方式，以適應(yīng)不斷改變的加工要求。如應(yīng)用于平臺泥漿艙等處的槽型艙壁的加工由于大小不一，自動加工困難，目前主要依賴人工處理、噴涂、切割、焊接等，未來需要研制相關(guān)的設(shè)備開展類似的大批量復(fù)雜形狀的板材加工[3]。而廣泛應(yīng)用于液化天然氣（LNG）儲罐設(shè)備中的鋼材厚度極薄，焊接工藝條件和現(xiàn)場環(huán)境要求極高，從提高焊接效率的角度需要研制激光焊接等相關(guān)設(shè)備。

（二）復(fù)雜曲面加工

船舶推進系統(tǒng)和海洋平臺動力定位系統(tǒng)中大型螺旋槳制造工藝復(fù)雜。其中端面及軸孔加工、槳葉面加工是螺旋槳生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，在加工過程中主要使用數(shù)控機床[4]。

目前大型螺旋槳的尺度不斷增加，對于加工裝備提出更高需求，如對于大槳轂直徑和深度的加工，現(xiàn)有的數(shù)控雙柱立式車床難以保證加工精度，企業(yè)自行研發(fā)設(shè)備效率較低，需要研制高端高精度立式車床裝備。多軸聯(lián)動數(shù)控銑床是螺旋槳葉面的主要加工裝備，需要進一步增大跨徑以生產(chǎn)更大尺寸的

螺旋槳。螺旋槳導(dǎo)隨邊加工和葉面的打磨拋光是一項繁重的工作，目前仍主要由人工卡板手工打磨加工或半機械化初磨、人工精磨的方法完成，效率較低且對工人健康具有危害，為此需要研制高效高精度數(shù)控加工裝備以有效解決該問題。

（三）高精度平面加工設(shè)備

海洋平臺上安裝有鉆井裝備、大型吊機、燃燒臂、廊橋等不少質(zhì)量重、體積大、作業(yè)要求高的大型配套設(shè)備。為確保設(shè)備的穩(wěn)定操作和安全性能，平臺上提供的設(shè)備安裝基礎(chǔ)多為大面積平面等，其加工面積大，平整度要求高，施工難度相當(dāng)高。

如大型吊機底部安裝平臺對大型基座平整度要求極高，往往需要直徑10 m左右的高精度圓形底座。鉆井月池的月池導(dǎo)軌長50～60 m，精度要求達到0.5 mm，需要沿導(dǎo)軌往復(fù)刨削加工。當(dāng)前主要加工方式是采用分離式加工的模式，在車間加工完成后再吊裝至平臺上焊接安裝，直接導(dǎo)致周期長、加工成本高。未來需要研制一款可以在平臺狹小區(qū)域內(nèi)對大型和超大型平面進行高精度加工的機床設(shè)備。

（四）實時測量反饋加工設(shè)備

船舶的尾軸孔、舵軸孔等均為深孔結(jié)構(gòu)，且運行時承載載荷大，需要加工時保證同心度和平整度。較大的加工誤差將給尾軸安裝和船舶營運安全、效率效益造成極大影響[5]。這種深孔結(jié)構(gòu)往往直徑達到700～1 200 mm，深度超過2 000 mm，且多為在室外現(xiàn)場加工，受溫度等外界環(huán)境影響明顯?，F(xiàn)有加工方式主要使用現(xiàn)場鏜床加工，由于受到本身結(jié)構(gòu)撓度、加工時的環(huán)境溫度等的共同影響，確保加工精度難度很大。加工過程中需要在加工中反復(fù)測量工件加工狀況，加工刀頭磨損情況等，并據(jù)此不斷調(diào)整加工方式、進刀量等，導(dǎo)致加工周期長、精度難以保證。為此，需要研制一款適應(yīng)室外加工環(huán)境變化、且將精度測量與刀具加工同步進行的深孔鏜床設(shè)備，以確保加工精度。

（五）管道系統(tǒng)加工設(shè)備

海洋平臺內(nèi)部存在大量復(fù)雜的管系，需要進行大批量高精度的管道系統(tǒng)加工，且單件較多，交匯復(fù)雜。我國造船企業(yè)的管道加工雖然滿足了船舶與海洋平臺建造的需求，但生產(chǎn)效率較低、人工投入和成本高等現(xiàn)象依然存在，且管材利用率低，能源和資源消耗較嚴(yán)重。目前的管道加工還是粗糙制作，不符合精益加工發(fā)展方向。國內(nèi)外實踐已證明，要提高管件加工的產(chǎn)量和進度，必須實現(xiàn)管件生產(chǎn)的現(xiàn)代化和柔性化。

在目前普通的管道自動焊接機器人的基礎(chǔ)上，需要研制集原料處理、交貫線處理、焊接坡口處理、法蘭盤安裝和整體焊接在內(nèi)的管道自動化、柔性制造系統(tǒng)，以滿足大批量、復(fù)雜單件、高精度的管道加工要求。

（六）表面處理與噴涂設(shè)備

為提高平臺結(jié)構(gòu)耐久性，抵抗海水腐蝕和生物附著，平臺表面需要進行油漆處理，而在油漆船體表面前必須對平臺外表面進行清潔處理。而長期在海水浸泡下的工作平臺，船體表面附著難以清除的貝類、銹斑等，為了延長平臺的使用壽命，保證安全運行，在進塢檢修時也必須進行壁面拋光加工和再次油漆。

平臺表面積十分巨大，手工表面清理和焊縫處理等加工不僅費時、費力、效率低下，且難以保證形狀精度，加工質(zhì)量也不穩(wěn)定。同時手工拋光和油漆時，廢渣涂料較多，工作環(huán)境較為惡劣。因此需要研制開發(fā)大型曲面高效自動化表面清潔機器人與高效噴涂機器人。這些機器人需要能穩(wěn)固地附著在不同形狀位置的鋼板表面進行工作，可完成大型復(fù)雜曲面的表面清理，同時能有效地收集和處理廢渣廢料以控制污染，高效率高質(zhì)量地完成大面積船體的自動噴涂任務(wù)。

（七）海洋平臺自載加工設(shè)備

海洋平臺在遠海作業(yè)期間，不可避免地需要進行一些緊急設(shè)備工件的加工、修復(fù)和修整等工作。這些工作對保障海洋平臺長期正常的運行具有重要意義。因此多功能數(shù)控機床等海洋平臺自載加工設(shè)備成為增強海洋工程裝備作業(yè)能力的重要設(shè)備。由于維修常常是在海洋平臺遭受惡劣海況沖擊的情況下進行的，因此這些設(shè)備在具備緊急情況下所需的零部件和工件的快速加工、修復(fù)和修整等綜合加工能力的同時，還具備在復(fù)雜海況條件下平臺劇烈運動情況下的作業(yè)能力。因此，需要針對這一特殊環(huán)

境條件，進行多功能、動態(tài)加工能力強的數(shù)控加工中心等設(shè)備的研制。

四、結(jié)語

海洋工程裝備的建造需要得到各種先進加工設(shè)備的支撐。在各類數(shù)控機床等工藝系統(tǒng)的研發(fā)過程中，總體上需要注重以下共性需求，克服現(xiàn)有設(shè)備的不足。

（1）目前國內(nèi)加工設(shè)備行業(yè)提供單臺加工設(shè)備較多。但是立足海洋工程裝備制造企業(yè)的具體產(chǎn)品需求，提供一攬子成套解決方案較少。相關(guān)企業(yè)需要針對海洋平臺建造與運行的具體需求，構(gòu)建一體化加工設(shè)備系統(tǒng)。

（2）加工設(shè)備的控制軟件方面主要依賴國外系統(tǒng)。隨著智能制造技術(shù)的推進和船舶與海洋工程數(shù)字化建造技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)我國自主的控制系統(tǒng)非常重要。

（3）實現(xiàn)高精度智能制造需要對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行實時采集、反饋，以控制刀具加工路徑，提高加工精度。目前即使采用國外軟件，數(shù)據(jù)接口的開放仍難以滿足智能制造發(fā)展的需求。在開發(fā)我國自主設(shè)備時需要制定統(tǒng)一的設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)等。

致謝

本項研究的調(diào)研分析得到我國多家船舶與海洋工程裝備建造企業(yè)、研究院所等部門的大力支持，在此表達深深謝意。

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An Exploration of Development of Construction Device for Ocean Engineering Equipment

Peng Tao1,2,3, Lin Zhongqin2,3, Yang Jianmin1,2,3, Liu Cungen1,2,3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China; 3. China Strategy Institute of Ocean Engineering, Shanghai 200240, China)

With the developing of large scale and deep-water, performance of ocean engineering equipment has been improved rapidly. The offshore manufacturing industry faces with the complex manufacturing process, exacting working conditions, and high accuracy requirements. Manufacturing devices should to be refined, flexible, parallel in processing and measurement, need more breakthroughs in complete sets of equipment, control system and etc. And provide the support for the development of the construction capacity of ocean engineering equipment industry, achieve the fine, intelligent and green development in manufacturing process.

ocean engineering equipment; construction device; manufacturing technology

P75

A

2016-06-20；

2016-07-05

彭濤，上海交通大學(xué)，高級工程師，研究方向為海洋工程；E-mail: pengtao@sjtu.edu.cn

中國工程院重大咨詢項目“‘十三五’戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展規(guī)劃研究”(2014-ZD-7)；中國工程院咨詢研究項目“高端裝備制造及對高端機床的需求——海洋工程裝備”(2015-XY-37)

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