船舶管系布局優(yōu)化的研究

尚峰

摘 要：分析了船舶管系設計布局的具體要求，指出了目前管系設計布局中存在的主要缺陷，討論了布局優(yōu)化的方法及發(fā)展方向。

關鍵詞：船舶；管系設計；管路系統(tǒng)；水泵

中圖分類號：U664.84 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.100

船舶管系是分布于船舶各艙室的用于傳遞氣體與液體的管路系統(tǒng)，包括管子、閥門、法蘭、管路支架、減振接管等部分。船舶管系遍布全船各艙室、各個部位，合理的管系布局是保證船舶安全性、操作方便、維修便捷和機械正常運轉的重要前提。

1 管系設計布局的要求

船舶管系是船舶建造過程中的重要過程和工序，對于船舶制造有重大的影響。在生產過程中，船舶管系會受到重多因素的約束和影響，主要應滿足以下4方面的要求：①經濟性要求。管路長度盡量短，彎頭、管卡數(shù)量盡量少。②安全性要求。管路應避免在振動較大的設備上面布置，比如水泵、壓縮機等；油管應避免在高溫蒸汽等高溫管路及設備上方布置；管路安裝時應滿足管系的力學要求，同時，考慮到管系受熱膨脹會影響使用中管系的受力情況，在安裝時，應考慮管系布置的靈活性。③維修性要求。保證管路與管路、管路與設備之間有一定的間距，管路中的閥件及控制裝置應避開障礙物，并處于易維護的范圍內；為安裝與維修階段所用的扳手、絞車等移動設備預留足夠的操作空間。④精細化要求。管系布置時應先布置粗管，后布置細管，管路應盡量與艙壁、設備、管路支架正交成束敷設；管路必須排列整齊，系統(tǒng)閥門應整齊布置；水平與垂直管路安裝時應在管路垂直位移最小的位置支撐，防止管路過度變形扭曲。

2 管系設計布局存在的缺陷

目前，管系在設計布局時主要采用平面方法進行管系布局放樣，在平面上（通過AutoCAD軟件）按照一定比例繪制船體型線和有關結構圖。繪制出艙內主要機械設備的安裝位置后，應繪制管系的放樣總圖，而后依據放樣總圖生成各系統(tǒng)管系的放樣圖，開展管件加工和生產。

目前，設計方法存在多方面的缺陷：①平面設計方法無法表示管路錯綜復雜的三維立體關系，不易在設計階段規(guī)避管路之間、管路與設備之間的聲短路情況，且要求在現(xiàn)場放樣完成后再開展設備布置，這種串行設計的方法不利于生產周期的縮短。②該方法依賴對設備安裝位置的數(shù)據測量，且因管系密集，在設計不同系統(tǒng)管系時，易出現(xiàn)管路相互影響的情況，導致返工。③人工放樣、設計管系布局的最大缺陷是設計布局的結果極度依賴設計者的經驗、專業(yè)知識。

3 管系優(yōu)化布局的發(fā)展趨勢

隨著自動化與信息化技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代造船模式向著數(shù)字化發(fā)展，設計模式也向著自動化發(fā)展，傳統(tǒng)的管系優(yōu)化布局模式也應緊隨科技革新。筆者認為，船舶管系優(yōu)化布局應向以下幾方面發(fā)展。

3.1 進行三維數(shù)字化放樣

以三維化為基礎的數(shù)字化造船模式已經成為現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展趨勢，開展三維數(shù)字化管路布局設計迫在眉睫。三維數(shù)字化管路布局的優(yōu)點在于使管路布局與設備安裝同時進行，設備安裝完成即可進入管系安裝階段，從而縮短生產周期。此外，三維數(shù)字化管系布局設計可以模擬出管系之間、管系與設備之間的三維空間關系，避免在生產階段出現(xiàn)返工、材料浪費的情況。近年來，國內主力船企（比如廣州造船廠、渤海造船廠等）已經在三維數(shù)字化管系布局放樣方面進行了有益嘗試——引進國際上先進的三維設計軟件（比如Tribon、CATIA等）進行可管系布局設計，并取得了一定的效果。

3.2 實現(xiàn)自動化管系布局

提高管系設計效率和布局精度的根本方法是進行自動化管系布局。三維數(shù)字化管系布局將管系設計工作從二維平面發(fā)展到了三維空間，但本質上還是依賴經驗豐富的設計者，且設計不一定是最優(yōu)的。一套成熟的自動化管系優(yōu)化布局系統(tǒng)是利用預設的專家知識、算法自動輸出最優(yōu)的管系布局。國內外學者對自動化管系優(yōu)化布局展開了大量的研究，研究過的管系優(yōu)化布局方法有試湊法、動態(tài)規(guī)劃法、迷宮法、逃逸法、網絡優(yōu)化法、Zhu方法、遺傳算法、專家系統(tǒng)和模糊集理論及單元生成法等。經過對管路布局優(yōu)化設計的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行業(yè)形成了小范圍的自動化管系布局系統(tǒng)，但目前研究的算法中依然存在問題，未形成一套完整的自動化管路優(yōu)化布局系統(tǒng)。

3.3 檢測反饋手段的數(shù)字化

虛擬化在現(xiàn)代造船模式下起著十分重要的作用。當前的虛擬化僅限于設計效果的演示及生產結果的演示中，對于指導生產的作用比較薄弱。要想加強虛擬化在生產過程中的作用，則要強化監(jiān)測反饋手段，發(fā)展三維在線監(jiān)測手段，實時監(jiān)測、采集管路安裝的三維數(shù)據，并與三維的設計效果圖進行對比；對安裝誤差過大的部位進行報警提醒，施工人員應及時糾正，在提高生產水平的同時縮短生產周期，降低生產成本。

4 結束語

船舶管系布局是船舶設計生產的一個重要環(huán)節(jié)，實踐中主要依靠設計者的經驗完成，生產過程中出現(xiàn)了大量的返工現(xiàn)象。筆者認為，管系布局優(yōu)化的發(fā)展方向主要是實現(xiàn)三維數(shù)字化放樣、實現(xiàn)自動化布局優(yōu)化及三維在線監(jiān)測與反饋。此外，實現(xiàn)管系布局三維化、自動化和虛擬化也是數(shù)字化造船模式的客觀要求。

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〔編輯：張思楠〕