正交設(shè)計(jì)在LNG船貨艙殷瓦焊接工作中的應(yīng)用

張金林，朱焊烽

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船[1]是用來(lái)運(yùn)輸溫度為-163℃的LNG的專用船舶。No.96型貨艙圍護(hù)系統(tǒng)由次層絕緣箱、次層殷瓦（invar）薄膜、主層絕緣箱、主層殷瓦薄膜及各類連接件、膠合板和絕緣材料組成，其作用主要有：形成完全致密的金屬薄膜，確保LNG無(wú)任何泄漏；擁有良好的絕熱絕緣能力，避免船體因被LNG冷卻而失去強(qiáng)度和韌性[2]。金屬薄膜由含36%鎳的殷瓦鋼拼焊而成，確保焊接質(zhì)量符合要求是保證薄膜不泄漏的關(guān)鍵。

1 正交設(shè)計(jì)端部列板焊接的目的

殷瓦端部列板是貨艙殷瓦鋼的一種預(yù)制件，厚為 1.5mm，分布在貨艙的邊角位置。端部列板焊接由M O 4自動(dòng)焊接和手工焊接完成，焊接分為1.5mm/1.5mm端部列板間焊接和1.5mm/0.7mm端部列板與殷瓦列板搭接焊 2種（見(jiàn)圖 1）。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貨艙中有363 塊端部列板，在焊接時(shí)首先用 MO4自動(dòng)焊機(jī)對(duì)端部列板兩端頭中間位置進(jìn)行焊接，然后由持證焊接人員對(duì)拐角位置進(jìn)行手工焊接。雖然自動(dòng)焊機(jī)分為國(guó)產(chǎn)和外購(gòu) 2種，每種自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)備參數(shù)已設(shè)定，但焊接質(zhì)量和效率更多地受人員操作的影響。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管理而言，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察和管理人員合理的安排才能保證焊接工作按期、按量完成，而當(dāng)前沒(méi)有一套更科學(xué)、更合理、更有說(shuō)服力的現(xiàn)場(chǎng)管理安排約束手工焊接人員。對(duì)此，本文利用正交設(shè)計(jì)[3]方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算分析得出一個(gè)合理的安排，為現(xiàn)場(chǎng)工作安排優(yōu)化[4]及制度化提供依據(jù)和指導(dǎo)。

圖1 端部列板與殷瓦列板相對(duì)位置

2 正交設(shè)計(jì)對(duì)象問(wèn)題描述及分析計(jì)算

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]的優(yōu)點(diǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)中，若要尋求好的生產(chǎn)條件、試制新產(chǎn)品及改革工藝等，常常需進(jìn)行試驗(yàn)，而影響試驗(yàn)的因素有很多，需考察各因素對(duì)試驗(yàn)的影響。若對(duì)每個(gè)因素各水平間的相互搭配進(jìn)行全面試驗(yàn)，則需做大量試驗(yàn)，例如，對(duì)6個(gè)3水平的因素進(jìn)行全面試驗(yàn)需做729次試驗(yàn)，對(duì)10個(gè)3水平的因素進(jìn)行全面試驗(yàn)需做59049次試驗(yàn)，從物力、人力、財(cái)力及時(shí)間上看都不現(xiàn)實(shí)。正交設(shè)計(jì)既能大大減少試驗(yàn)次數(shù)，又能達(dá)到較好的統(tǒng)計(jì)效果，通過(guò)預(yù)設(shè)的正交表巧妙地安排試驗(yàn)，利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而找出較優(yōu)的試驗(yàn)方案。例如，本文將涉及的因素定為3因素，考慮到交互效應(yīng)就是6因素，各因素2水平。若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則需做64次試驗(yàn)；而若按正交設(shè)計(jì)中的正交表L8（27）進(jìn)行設(shè)計(jì)安排，則只需做8次試驗(yàn)，極大地減少了試驗(yàn)次數(shù)。

2.2 端部列板焊接問(wèn)題描述及正交設(shè)計(jì)計(jì)算

端部列板焊接缺陷包括咬邊、收弧不飽滿、飛濺未清除、焊穿和電弧打傷，而個(gè)人端部列板焊接缺陷率iy則是指?jìng)€(gè)人所焊端部列板所有缺陷之和與個(gè)人總焊接端部列板數(shù)的比值。

LNG船貨艙端部列板現(xiàn)在面臨的問(wèn)題是焊接人員多，而不同焊接人員的焊接水平和工作習(xí)慣是不同的；焊接設(shè)備有國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口2種，船廠追求提高焊接效率和焊接質(zhì)量，降低缺陷率。影響焊接質(zhì)量的因素眾多，除了人為因素以外，還有焊接件表面的質(zhì)量和焊機(jī)焊接電流波動(dòng)等。然而，LNG船貨艙內(nèi)的殷瓦件是預(yù)制成型的，每塊材料表面的質(zhì)量幾乎都在同一水平上，焊機(jī)參數(shù)也是在多次試驗(yàn)之后由設(shè)備服務(wù)商預(yù)先設(shè)置的，無(wú)法更改，因此該試驗(yàn)可剔除焊接件表面的質(zhì)量和焊機(jī)焊接電流波動(dòng)等因素的影響。由此，可將影響端部列板焊接的因素重點(diǎn)放在操作人員的焊接水平、當(dāng)天被安排的工作量及焊機(jī)焊接速度上。實(shí)際船上焊接人員的焊接水平分為優(yōu)秀、普通及差等3種，焊接水平是根據(jù)焊接人員進(jìn)廠時(shí)參加上崗培訓(xùn)之后的綜合考試成績(jī)確定的，焊接成績(jī)差的焊接人員會(huì)被安排做焊接配合工作，比如拉皮帶、看火等。船上實(shí)際從事焊接工作的工人的焊接水平分為優(yōu)秀和普通2種，即分為高水平焊接人員和普通水平焊接人員。根據(jù)實(shí)際工作需要，焊接人員每天被安排的工作量分為每天焊接1層（10塊端部列板）和每天完成1.5層（15塊端部列板）。使用的自動(dòng)焊機(jī)分為國(guó)產(chǎn)焊機(jī)和進(jìn)口焊機(jī)2種，其中：國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的焊接速度為330mm/min；進(jìn)口焊機(jī)的焊接速度為290mm/min。2種焊機(jī)的焊接參數(shù)都由設(shè)備廠商直接設(shè)定，使用過(guò)程中工人無(wú)法更改。端部列板焊接實(shí)例轉(zhuǎn)化為正交設(shè)計(jì)研究的問(wèn)題為：某船廠建造 LNG船，為降低貨艙端部列板焊接缺陷率，通過(guò)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定一個(gè)較好的焊接3因素組合。所考慮的因素及水平見(jiàn)表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員的意見(jiàn)，必須重視交互效應(yīng)，但3個(gè)因素間的交互效應(yīng)可忽略。

該問(wèn)題試驗(yàn)的目標(biāo)是降低缺陷率，屬于成本型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小越好。該問(wèn)題具體按以下步驟分析處理。

表1 所考慮的因素及水平

該問(wèn)題每個(gè)因素取2個(gè)水平，考慮到因素間的交互效應(yīng)，選取正交表L8（27）。根據(jù)正交表L8（27）進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2），并制訂試驗(yàn)方案（見(jiàn)表3），3因素其實(shí)是由正交表L8（27）的第1,2,4列構(gòu)成的。接下來(lái)按規(guī)定的方案進(jìn)行試驗(yàn)。由于某船廠已有多年的 LNG船建造歷史，現(xiàn)場(chǎng)的施工記錄數(shù)據(jù)非常多，包括該試驗(yàn)需要的試驗(yàn)結(jié)果，無(wú)須在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)以上組合進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，因此只根據(jù)船廠提供的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反推試驗(yàn)組合結(jié)果即可。綜合組合試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)方案得到表3。

表2 表頭設(shè)計(jì)

表3 試驗(yàn)方案及組合試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，為便于計(jì)算，將數(shù)據(jù)yi變更為yi= 2 0(yi- 0 .3)，這樣不會(huì)改變因素F的值，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表4。在表4中，計(jì)算各統(tǒng)計(jì)觀測(cè)值Klj(j= 1,2,…,7;l=1,2)，Rj(j=1,2,… ,7)，K,P,QT,和(j= 1 ,2,… ,7 )。在2個(gè)水平下，計(jì)算方法為

直觀地進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在A，B，C等3個(gè)因素中，對(duì)缺陷率指標(biāo)影響最大的是自動(dòng)焊速度C，其次是當(dāng)天被安排的工作量B，最后是操作人員A，交互效應(yīng)C×A的影響也很大。在最佳水平組合中：因素C選水平1；因素B選水平2；因素A的極差不是很大，可根據(jù)具體情況選擇水平狀態(tài)（也即是操作人員對(duì)缺陷率的影響不大）。

最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析檢驗(yàn)。各因素及各因素交互效益的離差平方和就是各因素所在列的，空列的為誤差離差平方和，各因素及交互效應(yīng)的自由度都為1，誤差的自由度也為1，查表可得臨界值為：列出方差分析見(jiàn)表5。

表4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算

表5 方差分析

由表5可知，所有因素效應(yīng)與交互效應(yīng)都不顯著，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，AF，A BF×，C BF×的值特別小，表明A，A×B和C×B是影響焊接缺陷率的次要因素，應(yīng)將其從分析中剔除。由此，將這些平方和與自由度合并到誤差項(xiàng)中，得到

表6 修正后的方差分析

由表6可知：B影響顯著，C和C×A影響高度顯著，必須高度重視自動(dòng)焊速度及操作人員與焊接速度的交互效應(yīng)；由于A和C都是水平，因此有11AC，12AC，21A C和22A C等4種組合。由表5可知，A和C搭配的效應(yīng)見(jiàn)表7。

表7 因素搭配效應(yīng)

由此可知，水平搭配A2C1搭配較好，這樣端部列板焊接問(wèn)題中較好的因素水平搭配為A2B2C1，即以后可安排普通水平操作人員，使用當(dāng)天被安排的工作量為15塊/d，選擇焊接速度為290mm/min的焊機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作。

3 正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析

由分析結(jié)果得出，最好的組合方案是安排普通水平的操作人員，使用當(dāng)天被安排的工作量為15塊/d，選擇焊接速度為 290mm/min的焊機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作。本文嘗試將正交設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，加上實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果比較A2B2C1組合的實(shí)際缺陷率為15%，是所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果中最小的，證明了該設(shè)計(jì)的正確性。該試驗(yàn)結(jié)果還可給車間提供改進(jìn)參考，例如可要求工人每天完成15塊的工作量；對(duì)于國(guó)產(chǎn)焊機(jī)，可聯(lián)系廠商到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接參數(shù)調(diào)整，使焊接速度降為290mm/min，從而降低工作安排的復(fù)雜性。端部列板焊接步驟基本上已實(shí)現(xiàn)程序化，普通水平操作人員也能勝任，而船廠端部列板焊接設(shè)備操作水平優(yōu)秀的操作人員并不一定能在規(guī)范化的焊接工作中發(fā)揮其長(zhǎng)處，因此對(duì)于操作水平優(yōu)秀的操作人員，車間應(yīng)盡量給其安排一些難度高、能發(fā)揮其主觀能動(dòng)性的工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文就NO.96型LNG船貨艙內(nèi)端部列板焊接工作及影響端部列板焊接缺陷率的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄的數(shù)據(jù)，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)直觀分析和方差分析得出各因素對(duì)缺陷率顯著性影響的大小，并由此選出產(chǎn)生最低焊接缺陷率的因素組合，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安排提供指導(dǎo)。