18000TEU集裝箱船關(guān)鍵建造技術(shù)

劉建峰，張海甬，孫建志，盧軍國(guó)，邵 丹

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

18000TEU集裝箱船關(guān)鍵建造技術(shù)

劉建峰，張海甬，孫建志，盧軍國(guó)，邵 丹

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

對(duì)18000TEU集裝箱船建造的艙口圍與抗扭箱一體化制作、焊接變形控制、精度控制、橫隔艙整體建造及模擬試箱等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。結(jié)合該船的建造技術(shù)，提出改進(jìn)意見，在后續(xù)大型集裝箱船的建造過程中進(jìn)行優(yōu)化。

船舶、艦船工程；集裝箱船；厚板焊接；工法設(shè)計(jì)；精度管理

0 引 言

由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所自主研發(fā)設(shè)計(jì)、上海外高橋造船有限公司負(fù)責(zé)建造的18000TEU超大型集裝箱船“達(dá)飛·瓦斯科·達(dá)伽馬”輪于2015年7月27日在上海外高橋造船有限公司順利命名，并交付給法國(guó)達(dá)飛海運(yùn)集團(tuán)，打破了之前韓國(guó)造船廠在全球超大型集裝箱船建造領(lǐng)域的壟斷地位，為我國(guó)造船業(yè)承接并建造此類高附加值船舶積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

1 18000TEU集裝箱船關(guān)鍵建造技術(shù)研究與應(yīng)用

該18000TEU集裝箱船總長(zhǎng)399.2m，型寬54m，型深30.2m，設(shè)計(jì)吃水14.5m，服務(wù)航速22.2kn，投鋼量約4.8萬t。該船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在建造過程中對(duì)焊接技術(shù)、精度控制及試箱工藝等建造工藝的要求近乎苛刻[1-2]。對(duì)此，上海外高橋造船有限公司結(jié)合自身的工藝流程及設(shè)備實(shí)施情況，在借鑒日本、韓國(guó)超大型集裝箱船建造過程中的成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新、勇于嘗試，取得了階段性成果。

1.1 工法設(shè)計(jì)

18000TEU集裝箱船工法設(shè)計(jì)的主要工作包括分段劃分及PRE-DAP/FSD/WSD策劃等，是整個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的前道。對(duì)此，從結(jié)構(gòu)、舾裝、焊接、密性及涂裝等方面進(jìn)行前期研究，確定生產(chǎn)設(shè)計(jì)的基本框架和基本原則。

1.1.1 分段劃分

全船共劃分為387個(gè)分段（不包括艙口蓋和綁扎橋）；貨艙區(qū)域長(zhǎng)度方向FR116-375～FR457+100按環(huán)劃分共18環(huán)，最長(zhǎng)17610mm；艉部和艉貨艙區(qū)域按層劃分共40個(gè)分段；機(jī)艙區(qū)域按層劃分共52個(gè)分段；艏部區(qū)域按層劃分共19個(gè)分段；上層建筑和煙囪劃分為23個(gè)分段。

分段劃分過程中，采用快速建模工具NAPA-STEEL，利用已有的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行快速建模，并根據(jù)初版劃分方案進(jìn)行較為精確的質(zhì)量預(yù)估，最大限度地利用吊車能力和加工能力，減少環(huán)縫數(shù)量；同時(shí)，通過模型直觀檢驗(yàn)分段劃分的合理性。

1.1.2 PRE-DAP/FSD/WSD策劃

1) 18000TEU集裝箱船分段劃分完成后，依據(jù)分總段劃分方案進(jìn)行先行的分段組立順序策劃（即PRE-DAP）。通過PRE-DAP研究典型分段的建造順序，進(jìn)一步確保分段劃分的合理性，同時(shí)也為后續(xù)船體設(shè)計(jì)生產(chǎn)及建模出圖提供更為詳盡的依據(jù)（見圖1）。

2) FSD作為銜接DAP的一個(gè)重要生產(chǎn)策劃方案，其重點(diǎn)策劃的內(nèi)容包括大組立后生產(chǎn)狀態(tài)、零件或組立托盤直送、密性試驗(yàn)、補(bǔ)涂或涂裝及舾裝階段注意事項(xiàng)等（見圖2）。

3) WSD以分總段劃分為基礎(chǔ)，以分段DAP和總段FSD為線索，通過明確每個(gè)組立、分段及總段的舾裝件安裝要求指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)。WSD重點(diǎn)策劃的內(nèi)容包括分段預(yù)舾裝的范圍，部件、小組立及中組立舾裝件的內(nèi)容和船塢階段舾裝的內(nèi)容等（見圖3）。

1.1.3 單元設(shè)計(jì)

18000TEU集裝箱船的單元設(shè)計(jì)考慮各工種在空間上分道、在時(shí)間上有序，變外場(chǎng)作業(yè)為內(nèi)場(chǎng)作業(yè)，變高空作業(yè)為平地作業(yè)，舾裝作業(yè)與船體建造并行，最大限度地縮短船塢周期，達(dá)到擴(kuò)大先行工程、提高預(yù)舾裝水平和減少塢內(nèi)工作量的目的。最具特色的是甲板反頂管束單元和抗扭箱管束單元（見圖4），最大限度地實(shí)現(xiàn)舾裝的低空作業(yè)。

1.2 典型分段的建造技術(shù)

1.2.1 艙口圍與抗扭箱一體化建造

集裝箱船艙口圍采用大量高強(qiáng)鋼厚板，強(qiáng)度通常為 EH47，板厚最大 80mm，厚板對(duì)接和角接焊接的工作量巨大。18000TEU集裝箱船艙口圍建造改變了傳統(tǒng)的船塢階段搭載工藝，通過精度控制實(shí)現(xiàn)艙口圍水平的有效控制，確保其能在抗扭箱分段組立階段安裝；通過合理的 DAP劃分，將艙口圍與抗扭箱結(jié)構(gòu)組立整體制作，極大地提高厚板焊接的效率，改善作業(yè)的安全性。抗扭箱分段在中組立階段安裝管束單元，進(jìn)一步提高分段舾裝的效率和完整性。

1.2.2 橫隔艙整體建造

18000TEU集裝箱船橫艙壁整體幅面最大尺寸為49.8m×29.7m的非水密結(jié)構(gòu)橫艙壁非常弱，建造及吊裝過程中的變形控制非常難，導(dǎo)軌在船塢搭載前安裝以避免高空作業(yè)工作量成倍增加和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)加大。針對(duì)以上特點(diǎn)，橫艙壁的建造方案著重從控制建造變形、實(shí)現(xiàn)舾裝前移及減少高空作業(yè)等3個(gè)方面進(jìn)行研究。

1) 建造變形控制著重從2個(gè)方面解決，橫艙壁建造過程中的精度控制尤為重要；同時(shí)，橫艙壁整體吊裝受吊排尺寸的限制無法保證整體受力均勻，通過有限元進(jìn)行吊裝模擬仿真并結(jié)合有限元分析找到結(jié)構(gòu)變形薄弱點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)和預(yù)設(shè)反變形，以補(bǔ)償?shù)跹b產(chǎn)生的變形，確保吊裝后整體尺寸符合要求（見圖5）。

2) 橫艙壁舾裝主要是指雙面導(dǎo)軌和風(fēng)管安裝，該船采用導(dǎo)軌反頂安裝方式，在不翻身的前提下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的兩面分段預(yù)裝，船塢階段僅需少量調(diào)整，可有效減少船塢導(dǎo)軌安裝和調(diào)整的工作量。

3) 進(jìn)行橫艙壁與舷側(cè)結(jié)構(gòu)的焊接順序研究，確保焊接完成后精度尺寸可控。通過精度控制，避免大面積塢內(nèi)修正工作，僅在大接縫處搭設(shè)腳手結(jié)合高空車作業(yè)即可。

2 舾裝安裝技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

2.1 綁扎橋立式總組

該船采用板式3層綁扎橋，共設(shè)有27座，單座綁扎橋尺寸約為53.0m×12.1m×1.2m。為減少塢內(nèi)工作量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短船塢周期，確定在廠內(nèi)對(duì)左右兩榀進(jìn)行預(yù)拼后搭載。該船采用立式總組工藝（見圖6），一方面減少大量總組場(chǎng)地，另一方面減少平躺總組后的翻身變形。綁扎橋立式總組可有效縮短船塢搭載周期和提高搭載精度。

2.2 舾裝件前移安裝

該船通過前期策劃和精度控制實(shí)現(xiàn)立柱及箱腳的預(yù)裝。定位銷、限位塊和支撐塊將在后續(xù)新船研究中分段安裝。

艙蓋附件的舾裝前移，改變傳統(tǒng)的通過艙口蓋實(shí)體放樣進(jìn)行舾裝件定位劃線的工藝。在分段階段設(shè)置定位基準(zhǔn)線，分段總組和總段搭載均以定位基準(zhǔn)線為準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)合，保證整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，利用船體劃線確定艙口附件的安裝位置，同時(shí)艙蓋安裝也以相同的基準(zhǔn)進(jìn)行定位。在此過程中，分段精度控制及舾裝精度控制是實(shí)現(xiàn)艙蓋附件舾裝前移的關(guān)鍵所在。

3 EH40/EH47高強(qiáng)度鋼工藝設(shè)計(jì)和焊接變形控制

該船船體艙口圍及抗扭箱區(qū)域主要由EH40/EH47高強(qiáng)度鋼組成，艙口圍及抗扭箱厚板結(jié)構(gòu)見圖7。

由于厚板較厚，在設(shè)計(jì)坡口時(shí)將兩面坡口深度設(shè)為 2/5t和3/5t，留根由8mm改為6mm，反面坡口由60°改為70°，減少碳刨的工作量。同時(shí)，在焊接順序上采取上下交替的方式，使受熱均勻，避免局部過熱，盡量做到減少焊接變形，保證焊接質(zhì)量[3]。具體厚板坡口形式見圖8。

焊接變形控制方面，由于厚板焊接縫收縮變形會(huì)導(dǎo)致焊縫處鋼板焊接變形，因此通過預(yù)先焊接變形試驗(yàn)收集相關(guān)厚板的焊接變形數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究確定厚板焊接部位反變形作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過預(yù)放反變形控制最終的焊接變形。

4 精度控制

對(duì)該船的綁扎系統(tǒng)和涉及的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度控制，從而減少平臺(tái)總組及船塢搭載修正量，實(shí)現(xiàn)快速搭載，提升整船分段主板原始坡口保留率和吊箱試驗(yàn)一次到位率，達(dá)到縮短建造周期、降低建造成本和保證建造精度的目的。

4.1 前期精度策劃

前期精度策劃是指從船體建造精度的角度對(duì)每道工序進(jìn)行預(yù)先分析和了解，明確建造過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并預(yù)先使用精度管理的辦法。前期精度策劃包括新舊船型結(jié)構(gòu)對(duì)比、全船精度管理圖、精度控制標(biāo)準(zhǔn)、精度控制目標(biāo)和加工、組立、總組、搭載及舾裝精度控制方案。

4.2 精度管理過程控制

精度管理過程控制是指從技術(shù)方面和管理方面著手，制定集裝箱船船體和舾裝精度作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書及精度標(biāo)準(zhǔn)，從分段主板切割、基準(zhǔn)線施工、導(dǎo)軌架安裝到船塢搭載都有明確的作業(yè)順序、作業(yè)要求和精度標(biāo)準(zhǔn)。其規(guī)范了集裝箱船建造過程中的作業(yè)順序，明確了施工過程中的精度標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化了劃線師的作業(yè)要求，使得現(xiàn)場(chǎng)精度作業(yè)規(guī)范化得到了大幅提升。

4.3 數(shù)字化定位

依托高精度測(cè)量的全站儀和先進(jìn)的精度管理軟件，通過船塢實(shí)測(cè)作業(yè)坐標(biāo)系與集裝箱船本體理論坐標(biāo)系的有效轉(zhuǎn)換，以統(tǒng)一的基準(zhǔn)控制所有定位數(shù)據(jù)，借助全站儀中的精度軟件在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)得出偏差值，使總段搭載定位更加精確、迅速。同時(shí)，持續(xù)從積累的數(shù)據(jù)中分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)下料尺寸，減少分段制作及總段搭載過程中的無謂修割，得到確定精確的精度補(bǔ)償量來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高生產(chǎn)效率（見圖9）。

4.4 精度專用工裝

精度控制質(zhì)量和效率的提升依靠專用工裝的開發(fā)來保證。為落實(shí)舾裝精度管理技術(shù)，結(jié)合集裝箱船舾裝件的特性，研發(fā)集裝箱船專用工裝保距規(guī)和底錐劃線定位器，專門用于導(dǎo)軌架分段安裝和底錐劃線定位，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)效率的提升。

5 試箱與堆箱技術(shù)

吊箱試驗(yàn)分為貨艙內(nèi)試驗(yàn)和主甲板/艙口蓋試驗(yàn) 2部分。吊箱試驗(yàn)前，為避免后續(xù)驗(yàn)證綁扎橋而進(jìn)行的堆箱試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)后出具試驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)船東及船檢部門簽字認(rèn)可后避免實(shí)物堆箱檢驗(yàn)。

5.1 模型堆箱試驗(yàn)法

綁扎橋用來對(duì)艙口蓋上的集裝箱進(jìn)行綁扎固定，主要通過套母螺栓、鋼絲繩及固定眼板將集裝箱固定在甲板上。為驗(yàn)證固定系統(tǒng)之間是否發(fā)生碰撞、鋼絲繩的長(zhǎng)度是否合理，需進(jìn)行堆箱試驗(yàn)。船廠為減少設(shè)計(jì)圖紙出來后的實(shí)際工作，會(huì)以模型試驗(yàn)來代替實(shí)物試驗(yàn)。試驗(yàn)主要涉及系繩長(zhǎng)度和范圍、系繩時(shí)綁扎單元干擾間隙、系繩時(shí)套筒螺母與扶欄之間的干擾間隙、系繩時(shí)套筒螺母和螺栓掛鉤的干擾間隙及綁扎橋停車螺絲扣等（見圖10）。

5.2 吊箱試驗(yàn)（模擬試箱）

對(duì)于貨艙吊箱試驗(yàn)，搭載過程中以完整艙室為單位，焊接完畢后即可進(jìn)行模擬試箱，該工作可直接在碼頭階段進(jìn)行。

5.2.1 導(dǎo)軌測(cè)量

1) 確定數(shù)據(jù)收集點(diǎn)位置：在隔艙總組階段，于導(dǎo)軌架距邊(20±1)mm處貼反射片，高低方向分4處進(jìn)行張貼。

2) 建立坐標(biāo)系：以雙層底上的中心線為參考線，以前后隔艙偏移100mm線為模擬試箱艙室的邊界線，使用全站儀（精度在1mm以內(nèi)）進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

3) 分析數(shù)據(jù)：收集4層箱位的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，并將其與理論數(shù)據(jù)比較，列出超標(biāo)的偏差值；根據(jù)數(shù)據(jù)偏差值對(duì)超過標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌梁進(jìn)行人工修正，現(xiàn)場(chǎng)修正完畢之后由精度人員復(fù)檢，直至確認(rèn)偏差值在可控范圍內(nèi)為止。

5.2.2 箱腳測(cè)量

箱腳及箱錐的位置要經(jīng)過尺寸和水平2方面的檢查。

1) 尺寸檢查。根據(jù)導(dǎo)軌架的相對(duì)箱腳中心點(diǎn)理論位置垂線確定實(shí)際尺寸并以實(shí)際尺寸確定中心線之后，根據(jù)理論尺寸確定箱腳首尾方向和左右方向的位置。劃線尺寸控制在±1mm以內(nèi)；箱腳安裝中心尺寸的長(zhǎng)度和寬度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

2) 水平檢查。箱腳安裝完之后進(jìn)行水平確認(rèn)，分別以20ft（1ft=0.3048m）箱和40ft（1ft=0.3048m）箱為單位進(jìn)行水平測(cè)量。水平公差為±3mm（判定方法為：以3個(gè)箱腳組成一個(gè)面判定第4個(gè)箱腳的誤差），不足用調(diào)節(jié)板進(jìn)行水平調(diào)整，必須保證箱腳的4個(gè)角點(diǎn)都接觸到調(diào)節(jié)板。

此外，對(duì)于裝箱與導(dǎo)軌的間隙，集裝箱與導(dǎo)軌下端兩側(cè)間隙尺寸相加的公差在縱向和橫向上控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

5.2.3 艙口蓋上箱腳和箱柱測(cè)量

艙口蓋上箱腳和箱柱測(cè)量包括艙口蓋試箱（在艙口蓋施工完后進(jìn)行實(shí)物試箱）及舷側(cè)箱柱與艙口蓋位置箱位測(cè)量（參考箱腳測(cè)量）。

在船東認(rèn)可的情況下用模擬試箱數(shù)據(jù)和實(shí)體試箱抽查的方式代替全范圍實(shí)體試箱,從而縮短整個(gè)集裝箱船的建造周期。

6 結(jié) 語

結(jié)合18000TEU集裝箱船的實(shí)際建造，從設(shè)計(jì)和工法策劃等環(huán)節(jié)著手，重點(diǎn)對(duì)建造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，為今后載箱量＞20000TEU的超大型集裝箱船建造技術(shù)研究奠定了較好的基礎(chǔ)。

通過實(shí)船應(yīng)用，以往研究成果及工藝策劃得到了有效驗(yàn)證，對(duì)提高建造質(zhì)量、縮短建造周期起到了較為理想的效果，進(jìn)一步縮短了與國(guó)外先進(jìn)造船企業(yè)的差距。然而，受各類因素影響，環(huán)段建造、軸系先行安裝等工藝還需在后續(xù)相似船型設(shè)計(jì)建造中加以實(shí)施和驗(yàn)證，擬在環(huán)段建造、超長(zhǎng)軸系先行化安裝、舾裝先行化技術(shù)挖掘、綁扎橋完整性到廠和進(jìn)一步推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化試箱堆箱等方面進(jìn)行優(yōu)化。

[1] 卓東明. 面對(duì)集裝箱船舶大型化[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)洋航務(wù)，2011 (12)： 76-78.

[2] 邢丹. 馬士基組合拳的多米諾效應(yīng)[J]. 中國(guó)船檢，2011 (10)： 44-47.

[3] 許志祥，邊東成，沈志根. 大型集裝箱船超厚板立對(duì)接焊接工藝[J]. 金屬加工（熱加工），2012 (16)： 44-45.

Key Technologies of 18000TEU Container Ship Construction

LIU Jian-feng，ZHANG Hai-yong，SUN Jian-zhi，LU Jun-guo，SHAO Dan

（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

This paper introduces the key technologies of the 18000TEU Container Ship construction, including integrated construction of hatch coaming and torsion box, welding deformation control, accuracy control, transverse bulkhead overall construction, mock-up test and etc. Based on the construction technologies of this vessel, suggestions for the improvement are proposed to optimize the construction process of the subsequent vessels.

ship and naval architecture; containership; thick plate welding; method design; accuracy control

U674.13+1

A

2095-4069 (2017) 01-0065-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.012

2015-11-26

劉建峰，男，工學(xué)博士，1964年生。2000年上海交通大學(xué)博士研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事造船生產(chǎn)技術(shù)研究。