韓國(guó)船舶巨型總段建造工藝

李 星， 陳文波， 劉碧濤

(中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院， 北京 100081)

韓國(guó)船舶巨型總段建造工藝

李 星， 陳文波， 劉碧濤

(中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院， 北京 100081)

巨型總段建造工藝經(jīng)過多年發(fā)展，韓國(guó)先進(jìn)船廠搭載前最大總段重量已突破萬噸，而國(guó)內(nèi)船廠大部分不足千噸，與韓國(guó)船廠差距巨大。系統(tǒng)地介紹韓國(guó)船舶總段的分類方式、巨型總段建造工藝的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)巨型總段不同船型和不同建造工藝的應(yīng)用效果進(jìn)行比較分析。基于近期韓國(guó)船廠在巨型總段方面的技術(shù)動(dòng)態(tài)和發(fā)展現(xiàn)狀提出相關(guān)思考與建議。

大型總段；環(huán)形總段；巨型總段；超巨型總段；海上浮吊；滑軌下水系統(tǒng)；分段搭載

0 引 言

巨型總段建造法是由韓國(guó)最先提出并開展應(yīng)用的一種船舶建造工藝，這一工藝旨在解決韓國(guó)造船業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)面臨的船塢利用率低、造船效率遭遇瓶頸等突出問題。

1 船舶總段的分類方式

韓國(guó)從20世紀(jì)60年代第一次建造1 600噸級(jí)船舶開始，就使用了分段工藝，20世紀(jì)80年代又從日本引進(jìn)500～1 500 t重的分段搭載技術(shù)，此后船舶總段的重量不斷提高。以重量為劃分標(biāo)準(zhǔn)，船舶總段大體可以分為以下4類[1]。

大型總段(Grand Block)：一般情況下由2～5個(gè)普通分段預(yù)搭載而成,重約500～1 500 t,可由1～2臺(tái)龍門吊吊起。

環(huán)形總段(Mega Block)：一般情況下環(huán)形總段由2～6個(gè)大型總段預(yù)搭載而成，重約1 500～3 000 t，在1臺(tái)3 600 t海上浮吊可吊起的重量范圍內(nèi),韓國(guó)大部分船廠通常建造這樣規(guī)模的總段。

巨型總段(Giga Block)：巨型總段一般情況下由兩個(gè)環(huán)形總段預(yù)搭載而成，重約3 000～6 000 t，在2臺(tái)3 600 t海上浮吊可吊起的重量范圍內(nèi)，韓國(guó)一部分大中型船廠可以建造這樣規(guī)模的總段。

超巨型總段(Tera Block)：超巨型總段一般由3～4個(gè)環(huán)形總段預(yù)搭載而成，重量大于6 000 t，通常用4臺(tái)3 600 t海上浮吊或1臺(tái)3 600 t浮吊配合1臺(tái)8 000 t或10 000 t浮吊協(xié)同作業(yè)。目前此方法在韓國(guó)船廠應(yīng)用還不廣泛?，F(xiàn)代三湖重工在2016年1月將這一建造方法推廣應(yīng)用于15 000 TEU集裝箱船，單艘集裝箱船僅需劃分4個(gè)萬噸級(jí)超巨型總段，現(xiàn)代三湖重工計(jì)劃2017年在5艘船舶建造中應(yīng)用這一方法，預(yù)計(jì)可節(jié)省3周建造時(shí)間。

雖然船舶總段嚴(yán)格意義上可以按照重量分為大型總段、環(huán)形總段、巨型總段和超巨型總段等4類，在這一分類方式中巨型總段是指3 000～6 000 t的船舶分段，但巨型總段建造法中“巨型總段”的概念較寬泛，不僅包括嚴(yán)格意義上的巨型總段，還包括大型總段、環(huán)形總段和超巨型總段。因此，以下在介紹巨型總段建造法時(shí)將不再對(duì)不同的總段類型進(jìn)行區(qū)分。

2 巨型總段建造工藝的關(guān)鍵技術(shù)

巨型總段建造工藝的核心是精度管理，若精度管理不當(dāng)，不僅船體分段組立會(huì)出現(xiàn)誤差，就連船體搭載也無法正常進(jìn)行，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)效率有非常大的影響。韓國(guó)造船廠能夠?qū)崿F(xiàn)超大型分段建造的主要原因有兩點(diǎn)[2]：一是三維測(cè)定系統(tǒng)的成功開發(fā)使得巨型總段的精度能夠被準(zhǔn)確測(cè)量；二是大型浮吊的投入使得巨型總段的搭載得以實(shí)現(xiàn)。

2.1 大型分段三維精密測(cè)定技術(shù)

在建造船舶和海洋結(jié)構(gòu)物時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，對(duì)大型分段進(jìn)行快速簡(jiǎn)便的檢測(cè)就顯得尤為重要。韓國(guó)大型船廠起初引入了一些國(guó)外進(jìn)口的高價(jià)三維測(cè)定系統(tǒng)，然而這些三維測(cè)定系統(tǒng)的使用方法過于繁雜，在船廠使用過程中受到了眾多制約，于是韓國(guó)大宇造船率先針對(duì)船廠現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)了一套使用便利且精度高的三維測(cè)定系統(tǒng)(見圖1和圖2)并投入使用。

三維測(cè)定系統(tǒng)的測(cè)量器是由全站儀、旋轉(zhuǎn)標(biāo)和一些測(cè)定夾具所組成的測(cè)定系統(tǒng)，通過測(cè)量測(cè)定系統(tǒng)、測(cè)量區(qū)域及測(cè)定點(diǎn)之間的距離獲取分段三維信息，之后再將三維數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)比較得出最終測(cè)定結(jié)果。

圖1 三維測(cè)定系統(tǒng)概念圖

圖2 三維測(cè)定系統(tǒng)實(shí)際測(cè)定場(chǎng)景

高精度的三維測(cè)定需要準(zhǔn)確的基準(zhǔn)線作為支撐，此前韓國(guó)船廠曾使用經(jīng)緯度儀在地面畫搭載基準(zhǔn)線來制定搭載標(biāo)準(zhǔn)，但是如果想進(jìn)一步提高作業(yè)的精準(zhǔn)度就必須制定大量的基準(zhǔn)線，這在施工現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)。韓國(guó)船廠通過升級(jí)三維測(cè)量方法，導(dǎo)入了GPS測(cè)量概念(見圖3)。在船塢或測(cè)定場(chǎng)所周圍設(shè)置多個(gè)精度信號(hào)天線使其成為基準(zhǔn)線，獲取測(cè)量?jī)x和基準(zhǔn)線的絕對(duì)位置，所有測(cè)量點(diǎn)和精度信號(hào)天線會(huì)有一個(gè)相對(duì)位置，這樣就不需要再設(shè)置基準(zhǔn)線，大幅提高測(cè)量效率。測(cè)量所得數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入船廠開發(fā)的分段搭載仿真軟件和單一分段精度評(píng)價(jià)軟件中進(jìn)行再利用。新的測(cè)量工藝可以使原來8周的工期縮短至5周，極大提高了船臺(tái)和船塢的利用率。

圖3 使用精度信號(hào)天線搭載分段概念圖

2.2 巨型分段搭載技術(shù)

原先韓國(guó)船廠由于船塢內(nèi)起重機(jī)的起重量不足導(dǎo)致巨型總段的搭載方法應(yīng)用存在困難，但大型海上浮吊和大型陸上運(yùn)輸車的投入使得巨型總段在海上和陸上的搭載成為可能。不僅如此，韓國(guó)船廠還將浮船塢和平地建造滑軌下水系統(tǒng)用于巨型總段建造法，進(jìn)一步推動(dòng)了分段的大型化。

2.2.1 大型運(yùn)輸車多輛組合運(yùn)輸

為了將3 000 t或更重的超大型總段從平地上運(yùn)送至船塢或船臺(tái)，需要使用大型的運(yùn)輸裝備。韓國(guó)船廠使用的辦法是將3～4臺(tái)1 000噸級(jí)的運(yùn)輸車(見圖4)組合在一起運(yùn)送超大型總段。

圖4 現(xiàn)代重工1 000噸級(jí)分段運(yùn)輸車

2.2.2 2艘海上浮吊組合搭載

巨型總段的長(zhǎng)度一般在75 m以上，可分別用3 000 t和3 600 t的海上浮吊吊起。要想實(shí)現(xiàn)此建造工藝，需在船廠附近要求長(zhǎng)度450 m以上、寬度125 m以上、水深7 m以上的水域中進(jìn)行，如圖5所示。

圖5 2艘海上浮吊組合搭載分段示例

2.2.3 3艘海上浮吊組合搭載(同一方向)

與使用2艘海上浮吊搭載原理相同，當(dāng)巨型總段長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，可使用3艘海上浮吊分布在同一方向，如圖6所示。

圖6 3艘海上浮吊組合搭載分段(同一方向)示例

2.2.4 3艘海上浮吊組合搭載(兩邊方向)

考慮到總段的結(jié)構(gòu)和重量分布，當(dāng)總段長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)等原因?qū)е?艘浮吊難以完成并排作業(yè)時(shí)，可以分布在兩邊作業(yè)，如圖7所示。在重量和體積比較大的情況下，還可以一邊使用1艘較大浮吊，另一邊使用2艘較小的浮吊通過兩邊方向來共同完成巨型總段的搭載。

圖7 3艘海上浮吊組合搭載分段(兩邊方向)示例

2.2.5 海上浮吊和大型運(yùn)輸車協(xié)同搭載

大型總段從預(yù)搭載場(chǎng)地完工后移動(dòng)到船塢的方法是搭載的核心技術(shù)。移動(dòng)大型總段對(duì)起重機(jī)的負(fù)載有相當(dāng)高的要求，一般情況下船廠里配備能吊起環(huán)形總段龍門吊的船塢數(shù)量有限，因此有些船塢難以移動(dòng)環(huán)形總段。為了解決這個(gè)問題,韓國(guó)船廠采用海上浮吊和大型運(yùn)輸車協(xié)同作業(yè)的方法，如圖8所示，此方法首先將環(huán)形總段從預(yù)搭載場(chǎng)地移送至船塢附近，然后海上浮吊將環(huán)形總段吊起并移動(dòng)至船塢口，已經(jīng)停放在船塢口的多輛大型運(yùn)輸車負(fù)責(zé)將環(huán)形總段移動(dòng)到船塢內(nèi)并完成搭載。

圖8 海上浮吊和大型運(yùn)輸車協(xié)同搭載流程

2.2.6 浮船塢和滑軌下水系統(tǒng)組合搭載下水

由韓國(guó)船廠開發(fā)并一直沿用的滑軌下水系統(tǒng)(Skid Launching System， SLS)建造工藝是指在平地上將一艘船分成兩部分建造或者一艘整船直接建造的方法，如圖9所示。當(dāng)部分或整船船體建造完工后，各個(gè)船體用液壓運(yùn)輸車沿著滑軌移動(dòng)到緊貼平地的滑軌駁船上，在滑軌駁船上將兩個(gè)船體組立后拖至要下水區(qū)域，滑軌駁船壓載艙注水下降，船體下水。

滑軌下水系統(tǒng)建造工藝有3個(gè)核心技術(shù)：

第一個(gè)核心技術(shù)是將船舶從平地上安全移動(dòng)。船體移動(dòng)階段，船體的重量不可以全部集中在某一處，作用在滑軌運(yùn)輸車上的重量也不能變動(dòng)，為保持船體姿態(tài)穩(wěn)定還需要用到液壓式平衡裝置。

第二個(gè)核心技術(shù)是在船舶從平地移動(dòng)到駁船期間，不能因?yàn)閴狠d分布不同而受到影響,需保證駁船的姿態(tài)不發(fā)生改變，因此駁船內(nèi)設(shè)置多個(gè)壓載艙，駁船需每時(shí)每刻通過壓載艙排水來維持吃水線平衡，通過快速精密的調(diào)節(jié)來保持駁船姿態(tài)穩(wěn)定。

第三個(gè)核心技術(shù)是當(dāng)船舶完全移動(dòng)到駁船上后，即使駁船發(fā)生晃動(dòng)，也不能影響兩段船體的焊接質(zhì)量和精度。

圖9 滑軌下水系統(tǒng)建造工藝

3 巨型總段建造工藝效果分析

巨型總段建造法的最大優(yōu)點(diǎn)就是增加了平地作業(yè)，在相對(duì)安全穩(wěn)定的環(huán)境下作業(yè)品質(zhì)和生產(chǎn)力均可以得到改善，船塢使用時(shí)間縮短、利用率增高，船舶建造量和訂單量也相應(yīng)提高。然而該工藝也存在初期成本高的缺點(diǎn)，成本增加主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，原先船塢內(nèi)的起重機(jī)負(fù)載能力有限，重新購入能夠運(yùn)送超大型分段的運(yùn)輸車、海上浮吊、浮船塢等裝備和設(shè)備則會(huì)產(chǎn)生大筆的初期投資費(fèi)用；另一方面，學(xué)習(xí)并熟練掌握新的裝備及設(shè)備的使用方法也需要一個(gè)過程，需要消耗一定的時(shí)間和人力成本。

3.1 超大型分段船塢和浮船塢建造工藝比較

表1和表2是阿芙拉型油船和超大型集裝箱船建造情況的效果對(duì)比，在原先的建造方式下，兩種船型所需要的分段搭載數(shù)量分別為115個(gè)和100個(gè)。在應(yīng)用超大型分段工藝后，兩種船型分別只需要建造10個(gè)和18個(gè)環(huán)形總段，船塢使用時(shí)間可從3個(gè)月縮短至1.5個(gè)月。

表3對(duì)VLCC船在一般分段建造方法和環(huán)形總段混合建造方法中涉及的分段數(shù)量進(jìn)行了比較。例如，使用環(huán)形總段混合建造方法建造1艘VLCC船，通過搭載6個(gè)環(huán)形總段，可比之前節(jié)省25%的分段搭載次數(shù)。

表1 分段搭載比較(阿芙拉型油船)

表2 分段搭載比較(超大型集裝箱船)

表3 一般分段和環(huán)形總段混合建造方法比較(VLCC)

3.2 采用滑軌下水系統(tǒng)的超大型分段建造工藝效果

SLS建造工藝是由STX造船技術(shù)人員歷經(jīng)1年6個(gè)月開發(fā)并于2005年首次應(yīng)用于47 000 噸級(jí)High Courage號(hào)化學(xué)品船上，該船的長(zhǎng)寬高分別為183 m×32.2 m×19.1 m,船速可達(dá)15 kn。

SLS建造工藝不需要船塢和船臺(tái)，只要使用舾裝碼頭的設(shè)施就可以在平地上造船，因此只要船廠具備充足的建造空間都可采用SLS建造方法，且此方法與新建船塢、船臺(tái)相比費(fèi)用較低，雖然平地建造工藝與在船塢船臺(tái)內(nèi)建造法相比效率較低，但從整個(gè)船廠的運(yùn)營(yíng)效率層面來看還是非常值得推廣的。

表4對(duì)散貨船應(yīng)用一般分段搭載方法與應(yīng)用SLS建造工藝的環(huán)形總段搭載方法進(jìn)行比較。以好望角型散貨船為例，在使用一般分段搭載方法時(shí)，需要搭載約90個(gè)分段，而在采用一般分段和環(huán)形總段混合搭載方法時(shí),一般分段數(shù)和環(huán)形總段數(shù)分別為37個(gè)和9個(gè)，可以減少約50%的分段搭載數(shù),船塢的使用時(shí)間則縮短近1個(gè)月。

表4 一般分段搭載方法和SLS建造工藝的環(huán)形總段搭載方法比較(好望角型散貨船)

圖10是好望角型散貨船分別在一般分段建造方法、環(huán)形總段建造方法、巨型總段建造方法下的搭載分解情況。如表5所示，采用環(huán)形總段建造方法比一般分段搭載方法減少約59%的連接長(zhǎng)度，采用巨型總段建造方法比一般搭載方法減少約89%的連接長(zhǎng)度，大幅縮短此階段的焊接和涂裝時(shí)間。

圖10 3種不同建造方法下的搭載分解情況(好望角型散貨船)

表5 一般分段建造法、環(huán)形總段建造法、巨型總段建造法分段總數(shù)量和分段間連接長(zhǎng)度比較(好望角型散貨船)

4 思考與建議

巨型總段建造工藝對(duì)船廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、精度控制和運(yùn)輸起吊設(shè)備等方面均有著較高的要求，對(duì)有效提升建造效率發(fā)揮著巨大的作用。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，韓國(guó)先進(jìn)船廠搭載前總段噸數(shù)大部分都在3 000 t以上，近期現(xiàn)代三湖重工將萬噸級(jí)巨型總段應(yīng)用在15 000 TEU集裝箱船上，三星重工也使用8 000 t和3 600 t海上浮吊移動(dòng)搭載萬噸級(jí)海工上層建筑(見圖11)。然而，受精度和質(zhì)量等因素的限制，大部分國(guó)內(nèi)船廠搭載前最大總段重量均不足1 000 t，與韓國(guó)船廠差距較大。

圖11 三種生產(chǎn)技術(shù)概念圖

近期，隨著6 000 t以上的巨型總段搭載逐漸成為韓國(guó)船廠的主流，總段大型化對(duì)精度和質(zhì)量也提出了更高的要求。據(jù)此，三星重工成功開發(fā)出可自動(dòng)控制測(cè)量并預(yù)測(cè)大型總段形變的One-time Setting系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光學(xué)技術(shù)對(duì)船舶及海工的大型總段進(jìn)行測(cè)量、分析和管理，為更大更穩(wěn)定的總段生產(chǎn)體系提供了有利的技術(shù)保障。

近兩年，韓國(guó)船廠經(jīng)歷了巨額虧損、人員罷工、延期交付等各種因素的影響，看似混亂，但經(jīng)過結(jié)構(gòu)重組、資產(chǎn)變賣、產(chǎn)能調(diào)整、裁員降薪，韓國(guó)船廠在效率方面依然保持非常高的水平。2016年，三星重工、現(xiàn)代三湖、現(xiàn)代尾浦和大宇造船每修正噸工時(shí)消耗分別為6.7，8.5，9.2和11.02，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)船廠20～40的水平。韓國(guó)船廠在較高人工成本情況下依然具有很強(qiáng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力，這與其非常高的效率密不可分，值得借鑒學(xué)習(xí)。特別是2017年上半年，韓國(guó)船廠下調(diào)接單毛利要求，以更低的價(jià)格承接訂單，力圖通過后續(xù)壓縮生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率來創(chuàng)造利潤(rùn)空間。隨著韓國(guó)船廠開始采用低成本接單策略，國(guó)內(nèi)船廠的接單價(jià)格優(yōu)勢(shì)幾乎喪失。建議國(guó)內(nèi)船廠一方面加大智能制造、工業(yè)4.0等新技術(shù)、新概念的推廣力度，同時(shí)也需加強(qiáng)巨型總段這類基礎(chǔ)性工藝工法的應(yīng)用與創(chuàng)新，通過持續(xù)的效率提升推動(dòng)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

Giga Block Shipbuilding Technology in Korean Shipyard

LI Xing， CHEN Wenbo， LIU Bitao

(China Institute of Marine Technology & Economy， Beijing 100081， China)

After years of development, the weight of the giga block of the Korean advanced shipyard has exceeded 10 000 t, while the majority of the domestic shipyards are less than 1 000 t, which is quite different from the Korean shipyard. The classification methods of Korean ship general section, the key technologies of giga block construction technology are introduced systematically, and the application effects for giga block of different ship type and different construction technology are compared and analyzed. Some relevant thoughts and suggestions are put forward based on the technical developments and recent developments of the Korean shipyard in the giga block.

grand block；mega block；giga block；tera block；floating crane；skid launching system；block election

李 星(1989-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榇翱萍己痛爱a(chǎn)業(yè)

1000-3878(2017)04-0050-06

U671

A