海工平臺(tái)單元模塊化設(shè)計(jì)的研究

郝永慶 王有芳 張海寧

摘 要：?jiǎn)卧K化設(shè)計(jì)是目前船舶制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用的一種造船方法，它大大縮短了船舶機(jī)艙舾裝的的周期，提高了生產(chǎn)效率，是推進(jìn)現(xiàn)代化制造的重要手段之一。本文將機(jī)艙單元模塊化在海工平臺(tái)上的應(yīng)用展開研究，在初期階段策劃、生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段策劃和單元吊裝階段設(shè)計(jì)策劃等方面進(jìn)行詳細(xì)的探討和研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卧?；模塊化設(shè)計(jì)；海工平臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.116

0 引言

目前，機(jī)艙區(qū)域單元模塊化設(shè)計(jì)[1]是各國船舶制造廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，歐美韓日等國家已將此項(xiàng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，為縮小與上述國家之間的差距，國內(nèi)各廠也在單元模塊化研究和應(yīng)用方面得到了迅速發(fā)展，單元模塊化造船已成為造船業(yè)重點(diǎn)研究和開發(fā)應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)[2]。筆者單位近幾年在自升式海工平臺(tái)上取得非凡的成績(jī)，結(jié)合多個(gè)海工項(xiàng)目建造交付經(jīng)驗(yàn)，筆者希望借助單元模塊化設(shè)計(jì)─工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)踐，使海工平臺(tái)的機(jī)艙設(shè)計(jì)與建造在生產(chǎn)效率和建造水平方面能得到進(jìn)一步提高。

1 單元模塊化的設(shè)計(jì)意義

機(jī)艙是海工平臺(tái)的心臟部位，所有動(dòng)力設(shè)備、輔助設(shè)備、電力系統(tǒng)和為其服務(wù)的管路系統(tǒng)都布置在此處，它是全船最為繁雜、施工難度最大的區(qū)域，其施工工程量占全船總工程量的一半以上。傳統(tǒng)造船是將所有管路、設(shè)備、舾裝件在分段階段和總裝階段散裝，此種造船方式存在施工周期長、各施工工種交叉作業(yè)的情況發(fā)生，而單元模塊化造船可避免此種現(xiàn)象。單元模塊化造船是根據(jù)機(jī)艙的功能將各區(qū)域劃分成若干塊，再從主船體生產(chǎn)主流程中剝離開來，形成一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，與船體分段同步推進(jìn)制造，待分段搭載合攏后再整體吊裝上船，從而可大大降低平臺(tái)上相互干擾的不利因素。單元模塊化的優(yōu)點(diǎn)在于可有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工量；通過事前判斷安裝時(shí)發(fā)生的問題，排除后期可能存在的不合理因素；使單元模塊化制造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化；改善工藝、減少設(shè)計(jì)誤差；大幅度提高預(yù)舾裝效率；提高材料利用率、提高生產(chǎn)效率、縮短造船周期[3]。如表1所示。

2 海工平臺(tái)與常規(guī)船舶開展單元模塊化的區(qū)別

（1）海工平臺(tái)具有型寬大、型深低的優(yōu)點(diǎn)；

（2）機(jī)艙形狀較為規(guī)則，平底，舷側(cè)結(jié)構(gòu)無劇烈變化的曲面線型；

（3）機(jī)艙管路較常規(guī)船舶管徑小，而管路系統(tǒng)更多，安裝更為復(fù)雜；

（4）海工平臺(tái)機(jī)艙地板框架較低，布置在其下的管路更為密集；

（5）設(shè)備與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的跨度較小，方便管路、設(shè)備集中化布置。

綜上所述，海工平臺(tái)較常規(guī)船舶更需要也更適合單元模塊化的制作，施行單元模塊化制造將可大大降低海工平臺(tái)舾裝的誤差率。

3 單元模塊化的設(shè)計(jì)流程

3.1 項(xiàng)目初期階段策劃

項(xiàng)目初期階段，需首先了解技術(shù)規(guī)格書、施工要領(lǐng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求[4]等，從而確定單元舾裝區(qū)域并將其納入建造計(jì)劃書，做好單元模塊化的劃分。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)熟悉機(jī)艙設(shè)備布置圖、分段劃分圖、分段結(jié)構(gòu)圖、分段建造方案、分段搭載順序、各管路系統(tǒng)原理圖等，才能對(duì)其有較全方位的策劃，它是以最大可能組合單元的目的出發(fā)，在保證不影響總體布置的前提下，以不破壞單元的整體性為目標(biāo)，對(duì)各個(gè)區(qū)域的布置進(jìn)行調(diào)整，在滿足通道、維修空間的情況下，將管子和設(shè)備的布置盡量集中，使其能夠形成單元。

3.2 生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段策劃

在詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┖?，依?jù)項(xiàng)目初期階段的策劃，對(duì)原單元的劃分進(jìn)行逐一評(píng)估，基本原則如下：

（1）要充分注意單元分割的科學(xué)性和合理性，單元上包含的設(shè)備、基座、管路、閥件、附件、支架、構(gòu)架等。在分割單元時(shí)應(yīng)充分考慮其分解的可行性，分解后是否具有可恢復(fù)性。布置時(shí)不能將設(shè)備布置在單元的邊緣，在分割時(shí)也不能對(duì)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成不良影響。單元?jiǎng)澐值脑瓌t是：能進(jìn)行單元組裝的就不要到平臺(tái)上散裝，在起吊能力足夠的情況下，盡可能把單元的尺度設(shè)計(jì)的大一些，單元?jiǎng)澐值脑叫。瑔卧臄?shù)量相對(duì)就會(huì)越多，單元的連接點(diǎn)就會(huì)越多，從而浪費(fèi)工時(shí)，增加安裝誤差，也加大了安裝和定位的工作量；

（2）確定單元模塊化的種類：管束單元、設(shè)備單元、綜合性單元；

（3）單元的管路設(shè)計(jì)主要采用分層設(shè)計(jì)思想，單元上的管路大致可分為兩大類。一類是穿過單元的管路，該類型的管路與該單元的設(shè)備無關(guān)，此類管路支管和管附件較少；另一類是與單元設(shè)備相連接的管路，由于單元上的設(shè)備一般布置在單元的表面，便于操作和維修，因此此類管路也應(yīng)布置在單元的上層。單元管路的放樣布置，應(yīng)按系統(tǒng)管路的管徑劃分，穿過單元的管路管徑最大者一般布置在單元的下層。優(yōu)先確定單元間管路的接口，再布置單元的設(shè)備管路，根據(jù)管徑的大小、是否有閥件等因素將此類管路布置在單元的中上層；

（4）在單元間管道接口位置應(yīng)采用前后左右的垂直法蘭連接方式，把法蘭、接頭整齊的分布在單元的兩側(cè)，并讓其在單元連接位置適當(dāng)?shù)腻e(cuò)開，以便于后期單元合攏的連接。另外在單元間不允許布置沿單元斷開方向的管路；

（5）單元的管子主要是以角鋼框架為基準(zhǔn)，由于機(jī)艙區(qū)域花鋼板下的空間有限，管路布置的較為密集，管路定會(huì)和花鋼板支腿爭(zhēng)奪安裝位置，因此應(yīng)先設(shè)計(jì)管路走向和支架的布置位置，再合理布置花鋼板支腿；

（6）在布置管路、設(shè)備、單元框架時(shí)，應(yīng)注意預(yù)留管路及設(shè)備的維修空間、掃艙空間，切不可大面積平鋪布置，以緊湊型為主；

（7）單元內(nèi)的管件應(yīng)使用管支架緊固的與周圍框架連接在一起，確保單元結(jié)構(gòu)的牢固性，應(yīng)使整個(gè)框架結(jié)構(gòu)與設(shè)備、基座、管路、閥件、附件、支架等組合成一個(gè)整體；

（8）單元內(nèi)的設(shè)備可考慮采用公共底座，公共平臺(tái)或者相關(guān)的結(jié)構(gòu)件連接，同類、同系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備盡可能的布置在一個(gè)單元內(nèi)，要力求緊湊，盡可能的縮短管路、減輕單元重量；

（9）整個(gè)單元與外部管路連接時(shí)，應(yīng)考慮制作調(diào)整管處理；單元內(nèi)部管路和設(shè)備之間的連接，一般采用預(yù)先校管的方式來解決；

（10）各單元先在內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行單元預(yù)組裝，完成所有合攏管的研裝工作，處理完畢后待用；

（11）在機(jī)艙單元的布置區(qū)域內(nèi)，是否有PSPC要求，特別是壓載艙，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意單元框架的支腿、管支架等提前焊接墊板以防止破壞艙室的油漆[5]。

3.3 吊裝階段設(shè)計(jì)策劃

3.3.1 平衡性

在單元吊裝圖紙上應(yīng)顯示單元吊點(diǎn)的位置，單元吊裝應(yīng)保證不少于四個(gè)點(diǎn)起吊，計(jì)算單元的重心位置，保證單元起升后不應(yīng)有偏斜，防止單元的結(jié)構(gòu)變形。避免以設(shè)備為吊點(diǎn)，以免損傷設(shè)備，減弱或直接損壞設(shè)備的性能。

3.3.2 牢固性

由于單元以管系和框架類為主，撓性較強(qiáng)，剛性較差。因此在單元的組裝圖上應(yīng)制作合理的加強(qiáng)連接，尤其在吊點(diǎn)的周圍區(qū)域，加強(qiáng)類型一般采用斜拉撐的加強(qiáng)方式。

3.3.3 安全性

在單元吊裝圖紙上應(yīng)顯示單元的重量，采用總載荷大于1.5倍的吊帶起吊，盡量不使用鋼絲繩吊裝，以免鋼絲繩滑脫造成安全隱患。模擬吊帶起吊后，吊帶是否與設(shè)備接觸，以免設(shè)備易損件受力損壞，若不可避免與設(shè)備接觸，應(yīng)預(yù)先采用木頭或膠皮等軟質(zhì)物品墊壓。單元的吊裝應(yīng)采用從單元底部捆綁托起式起吊，盡量避免吊帶連接吊耳，防止單點(diǎn)受力撕裂單元框架。

綜上所述，單元模塊化造船的生產(chǎn)的流程應(yīng)綜合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和吊裝等方面，簡(jiǎn)圖如圖1所示。

4 研究實(shí)例

以某型自生式海工生活輔助平臺(tái)的機(jī)艙設(shè)計(jì)為例展開研究，該平臺(tái)具備自航能力，機(jī)艙為平底結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置有兩臺(tái)主機(jī)、離合器、四臺(tái)發(fā)電機(jī)、兩臺(tái)造水機(jī)、兩臺(tái)淡水壓力柜、兩臺(tái)海水壓力柜及其它泵類等設(shè)備，種類繁多但功能性區(qū)域較強(qiáng)，平底的結(jié)構(gòu)為單元設(shè)計(jì)帶來了很大的便利條件。因此機(jī)艙區(qū)域根據(jù)功能主要?jiǎng)澐謫卧缦拢合浪镁C合型單元（圖2）、艙底系統(tǒng)管路單元（圖3）、壓載系統(tǒng)管路單元等。單元模塊化制造后大大提高了海工平臺(tái)的施工進(jìn)度，將平臺(tái)的制造周期縮短了一個(gè)月，施工效率提高了30 %。

5 結(jié)論

通過對(duì)生活平臺(tái)項(xiàng)目的調(diào)研，了解生活平臺(tái)機(jī)艙區(qū)域管系、電舾、鐵舾等產(chǎn)品的安裝過程中存在的問題，有利于建立規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的單元制作安裝形式。單元模塊化形式的推進(jìn)，有利于提升海工平臺(tái)建造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短建造周期，單元模塊化設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代造船一種行之有效的造船方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭忠，徐鑫.船舶機(jī)艙區(qū)域單元模塊化設(shè)計(jì)的探討[J].江蘇船舶，2006，23（04）：7-10.

[2]李永旺，姚壽光，陳寧.船舶模塊化設(shè)計(jì)與制造的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].江蘇船舶，2005，22（03）：5-13.

[3]趙桂開.淺談機(jī)艙區(qū)域單元模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].廣東造船，2017，

36（03）：37-39.

[4]中國船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京：人民交通，

2005：52-130.

[5]中國船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M].第二版.北京：國防工業(yè)，1999：640-644.

作者簡(jiǎn)介：郝永慶（1989-），男，山東平邑人，大專，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)。