某型科考船多波束及導(dǎo)流罩的安裝研討

梁淼森 李輝

摘要：科考船是集合多種科研考察設(shè)備的綜合性多功能船舶，多波束是科考船重要的聲學(xué)設(shè)備，用于探測(cè)海底地貌、地形，多波束系統(tǒng)集成高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文通過某型科考船的多波束基座及導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)、制造、安裝過程，說明多波束基座制造和安裝的高精度要求、導(dǎo)流罩的安裝難度，討論了技術(shù)工藝難點(diǎn)和解決方案，為同行進(jìn)行類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：多波束;導(dǎo)流罩;制造;安裝精度;設(shè)計(jì)

一、引言

隨著我國加快由海洋大國向海洋強(qiáng)國邁進(jìn)，壯大海洋經(jīng)濟(jì)、加強(qiáng)海洋資源環(huán)境保護(hù)，對(duì)海洋的探索、對(duì)海底地形的探測(cè)需求要越來越準(zhǔn)確，科考船通過加裝先進(jìn)的科考設(shè)備能快速大幅提升科考探索能力。本型科考船船長110米，型寬15.2米，設(shè)計(jì)吃水5.5米，十幾年前在船艏肋位線型比較瘦削的底部安裝了多波束及導(dǎo)流罩，以及整套多波束系統(tǒng)，隨著科考設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和市場需求的變化，整套多波束探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足市場及國家發(fā)展任務(wù)的需求，因此，船東將采用探測(cè)更先進(jìn)、更精確的多波束探測(cè)系統(tǒng)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)包含發(fā)射多波束換能器陣列、接收換能器陣列、信號(hào)控制處理、聲速剖面儀、船舶各類輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件等。在導(dǎo)流罩內(nèi)布置的縱向陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，橫向陣列接收返回聲波窄波束，船舶航行形成條帶式測(cè)量，包含高性能、高分辨、高精度導(dǎo)航定位等多種高新技術(shù)，能夠探測(cè)水底多個(gè)位置不同點(diǎn)的水深值，經(jīng)過軟件處理后可得到高精度的水底三維地形圖，在江河湖、淺海、深海海底地形測(cè)繪和海洋資源探測(cè)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

二、多波束基座及導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)

多波束及導(dǎo)流罩布置在船艏底部，主要是考慮減少船舶與水流產(chǎn)生的激流、空泡影響，多波束的縱向、橫向發(fā)射換能器陣列呈T字形布置，陣列通過螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)基座上，周邊鋼結(jié)構(gòu)和船殼相連再加倒流板，整體形成導(dǎo)流罩。

原船的多波束型號(hào)為RESON的 SeaBat 8150，多波束縱向、橫向發(fā)射陣列尺寸分別是6.5m ×8m，多波束及導(dǎo)流罩布置在船艏FR108～FR136肋位，導(dǎo)流罩的縱向、橫向尺寸分別達(dá)到18.2m ×1.8m+最大8.1m，導(dǎo)流罩外形比較狹長、多角凸出、形狀像飛機(jī)展翼，在船舶快速航行的時(shí)候容易產(chǎn)生空泡，阻力較大。

本次新加裝的多波束型號(hào)為Kongsberg的EM122，多波束縱向、橫向發(fā)射換能器陣列尺寸分別是6.5m ×8m，設(shè)計(jì)者將多波束及導(dǎo)流罩布置在船艏FR110～FR130肋位，導(dǎo)流罩的縱向、橫向尺寸分別是8.2m ×（1.8～8.3）m+最大8.3m，底部平板離船舶中龍骨高度0.55m，最大凈高1.4m。導(dǎo)流罩外形整體呈流線型，沒菱角、尖角，與舊的多波束和導(dǎo)流罩相比，位置靠后6個(gè)肋位—每個(gè)肋距是0.65m，新的導(dǎo)流罩長度縮短了10米，橫向由小到大的加寬流線型，流水阻力得到優(yōu)化，使得航行油耗減少約10%;在船舶快速航行的時(shí)候不容易產(chǎn)生空泡，周邊流水均勻，對(duì)多波束發(fā)射和接收聲波有好處。由于導(dǎo)流罩在橫向是逐漸加寬，在T字形直角和后部的空間可以布置更多的小型設(shè)備和探頭，增加了聲學(xué)多普勒流速剖面儀、表面聲速儀、淺層剖面儀，同時(shí)為以后再增加其他科考探測(cè)儀器留有空間。

三、多波束基座及導(dǎo)流罩的制造

多波束的縱向、橫向換能器陣列本身是自帶設(shè)備基座，需要安裝在導(dǎo)流罩內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)框架基座上，按設(shè)備廠家的要求，鋼結(jié)構(gòu)框架基座的平整度要求很高，精度要求達(dá)到±2mm，要保證制作精度是很困難，制作過程中需設(shè)計(jì)好整體制作方案、焊接方案和精度控制方案，才能確保質(zhì)量。

（一）多波束及導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的分段劃分策劃

新的導(dǎo)流罩整體外形像飛機(jī)形狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多、高度低，在周圍轉(zhuǎn)圓的空間狹小，外形總尺寸長×寬×高≈13.1m×8.7m×1.92m，總重約22噸，與普通船舶分段相比，其重量不算大，尺寸不算大，可看做是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)分段。

在開始設(shè)計(jì)之初，經(jīng)過討論考慮到塢期比較長，所以確定了進(jìn)下水駁小塢，其塢墩的高度只有1.1米，導(dǎo)流罩分段的高度超過了塢墩的高度，將會(huì)使得分段在橫向不能拉移進(jìn)位，初步策劃將其按中心線偏左100mm分成左分段、右分段的2個(gè)分段，單分段做好之后吊到塢底就可以往中間拉移合攏，后來隨著設(shè)計(jì)的深入，知道多波束基座的安裝精度要求達(dá)到±2mm，那么在塢底現(xiàn)場采用這樣的合攏方式，按目前的建造工藝水平是達(dá)不到的，需要在船臺(tái)胎架上整體建造才能達(dá)到精度要求，最后經(jīng)過技術(shù)人員、現(xiàn)場工藝主管研討分析，確定導(dǎo)流罩可以從首部往后拉移套進(jìn)的安裝方案（見后文），最終確定整個(gè)導(dǎo)流罩及多波束基座分段按1個(gè)分段整體制造，不劃分左右2個(gè)分段。

（二）多波束及導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)

該分段雖小，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此生產(chǎn)設(shè)計(jì)采用AVEVA軟件來進(jìn)行3D建模，方便建狹小帶線型的外板和轉(zhuǎn)換成加工圖紙。由于導(dǎo)流罩周邊圓弧板的線形都是變化的，沒有平直板，寬度小于1米，很難整張加工，考慮工廠現(xiàn)有的外板加工設(shè)備參數(shù)和后期安裝的焊接難度，將左舷的圓弧板設(shè)計(jì)成8小塊，參見圖1和圖3，右舷對(duì)稱布置。對(duì)于狹小空間的區(qū)域，為了方便工人能焊接得到，采用貼襯墊的單面焊雙面成形，見圖3;對(duì)于圓弧板連接船殼外板的狹窄點(diǎn)，該處的設(shè)計(jì)要考慮到是后期分段合攏的時(shí)候才能燒焊，這時(shí)候由于有船殼板，在導(dǎo)流罩里面的高度非常矮，因此設(shè)計(jì)成事先在船殼外板焊接一塊復(fù)板FB80x12，將圓弧板開單面坡口，設(shè)計(jì)成在導(dǎo)流罩外側(cè)燒單面焊，這樣就有足夠的空間可以保證燒焊質(zhì)量。對(duì)于左右的2個(gè)小飛翼，將其再細(xì)分化成6塊。

（三）多波束及導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)分段的制造

1.選擇胎架。由于多波束導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的形狀比較特別，底部是中空的、不是平直的板，存在一個(gè)呈“中”字形狀的區(qū)域往上方中空，周邊的形狀是流線型、外殼需要加工，上方合攏口與船舶外殼板的連接處是一條變化的線型，需要預(yù)留較多的余量為以后安裝可調(diào)整修割。將該分段放在內(nèi)場胎架上制造，胎架需要高于地面0.5米，用以方便工人鉆到分段下面燒焊、打磨和處理。圓弧板有16塊，需要在外板加工機(jī)器上按照線型放樣圖紙進(jìn)行緩慢加工，必要的時(shí)候需制作木模，防止加工跑偏。

2.零部件制作和加工。各個(gè)結(jié)構(gòu)零件需先按生產(chǎn)套料圖數(shù)控下料，然后拼接成小部件，最后到胎架上按生產(chǎn)圖組裝成分段。分段鋼結(jié)構(gòu)的制作需要提前在內(nèi)場胎架上制作，導(dǎo)流罩周邊的圓弧板需分成比較多的小塊來加工。FR.114、FR.115是2個(gè)水密橫肋位，它們之間就是布置多波束橫向接收陣列，是一個(gè)橫艙壁，結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)，而在左右的2個(gè)小飛翼需單獨(dú)制造成零部件，然后再合攏到分段主體。

3.零部件焊接。由于分段空間狹小，安裝困難，從焊接防變形考慮，焊接不能同時(shí)大范圍展開，因此需要事先根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)來制定焊接順序，確定由外而內(nèi)、從中間往前后來焊接。對(duì)本分段需要安排熟練的工人，才能做到良好的焊接精度和變形控制。導(dǎo)流罩周邊的轉(zhuǎn)圓及過度線型外殼板可先加工，但是在不規(guī)則連接處則需要工人在現(xiàn)場調(diào)節(jié)好，通過火工加熱、乙炔割刀進(jìn)行修割。

4.分段尺寸測(cè)量。由于存在縱向和橫向多波束機(jī)匣的兩個(gè)大凹口，還有ADCP水箱口、淺剖水箱開口，使得分段容易變形，為了保證建造精度，分段在胎架上焊接過程中，需要做到經(jīng)常測(cè)量分段的主尺度和多波束基座的嵌入口尺度。測(cè)量的時(shí)機(jī)選擇在早上開工前，因?yàn)榻?jīng)過了一夜的冷卻已經(jīng)將昨天的燒焊引起的變形固化;待全部總段組裝之后需做一次精度測(cè)量，由工藝人員根據(jù)后續(xù)上塢合攏燒焊會(huì)產(chǎn)生的變形經(jīng)驗(yàn)來判斷和給出反變形預(yù)留精度量。

（四）多波束機(jī)匣結(jié)構(gòu)的精度加工和安裝

縱向多波束機(jī)匣和橫向多波束機(jī)匣制作完成之后，需要運(yùn)送到外面專業(yè)的加工廠對(duì)兩側(cè)的底部頂板（寬度66mm×厚度30mm）進(jìn)行刨平加工，達(dá)到平整度±2mm的精度要求。經(jīng)過加工之后運(yùn)輸回來，再嵌入導(dǎo)流罩的多波束基座結(jié)構(gòu)口，嚴(yán)格控制焊接順序，每焊接一段距離就做一次精度測(cè)量，防止反生變形。

四、導(dǎo)流罩的安裝策劃研討

導(dǎo)流罩的安裝方案是策劃在前、實(shí)施在后，方案對(duì)制造分段劃分有影響。本型科考船的船艏都是瘦削型的肋位線形，整條船舶的方形系數(shù)約0.51，船底沒平直龍骨板、橫向基線是傾斜的，對(duì)導(dǎo)流罩的定位和安裝帶來很大困難。導(dǎo)流罩內(nèi)比較狹小，在與船殼外板連接線型的內(nèi)部沒足夠的空間燒焊，只能貼襯墊從外部燒單面焊。導(dǎo)流罩底部平直部分離塢面也僅有0.5米高度，使得工人沒充足的空間來燒焊、安裝，還要考慮設(shè)備及電纜的鋪設(shè)、穿船殼到船艙等施工工程，所以，安裝方案需早起從工程整體出發(fā)來考慮策劃。

由于導(dǎo)流罩換新的工程的塢期比較長，超過了3個(gè)星期，而該輪的船長較小，策劃進(jìn)公司大塢里面不劃算，性價(jià)比不高，因此選擇小塢（下水半潛駁）來做換新工程，但是下水駁的塢墩高度比較矮，高度只有1.1米，而導(dǎo)流罩分段的最大高度有1.4米，因此如何安裝導(dǎo)流罩整體分段成了一個(gè)難題，因此策劃安裝方案有2個(gè)。

（一）設(shè)計(jì)方案一是橫向移動(dòng)安裝

分成左右2個(gè)分段來制作可以將單個(gè)分段重量降低到10噸，在塢里也方便從左右往中間推進(jìn)去合攏，但是多波束基座對(duì)周邊鋼結(jié)構(gòu)框架基座的平整度要求達(dá)到±2mm，按現(xiàn)有工藝水平在現(xiàn)場塢里合攏焊接是做不到，因此導(dǎo)流罩不適宜分開2個(gè)分段制造，需要將其當(dāng)做1個(gè)分段整體制造，這樣才能更好的控制焊接順序、焊接變形，在內(nèi)場制作制造過程中可測(cè)量監(jiān)控，進(jìn)而保證達(dá)到精度要求。還有一個(gè)問題是導(dǎo)流罩最高是1.4米，這個(gè)超過了下水駁上的1.1米塢墩的高度，如果當(dāng)做1個(gè)分段整體制造，塢墩上的船底會(huì)阻擋拉移;如果將高過塢墩1.1米以上的外板先不焊接，將低矮部分做成一個(gè)整理拉移進(jìn)去再安裝，這些焊接、定位也不能保證框架平整度精度要求，而且導(dǎo)流罩里面空間狹小，無法處理焊接，不能保證焊接質(zhì)量，因此不能橫向拉移分段艏部船底安裝。

（二）設(shè)計(jì)方案二是縱向移動(dòng)安裝

將導(dǎo)流罩分段拉移進(jìn)塢里船底的方向除了橫向，還有縱向，該船不能在垂直方向下吊。將導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)當(dāng)做1個(gè)分段整體制造，由于船艏的肋位線型是瘦削型，分段兩側(cè)1.4米高的在外側(cè)，可以將整個(gè)分段從船頭往后拉移進(jìn)去，不會(huì)碰到船殼外板，但是需要將船首幾十米區(qū)域的塢墩拆掉，同時(shí)在橫向增加斜撐做好船舶首部的支撐加強(qiáng)，防止船首下垂和變形。

經(jīng)過項(xiàng)目組討論，結(jié)合公司的制造工藝水平、設(shè)施和設(shè)備，分析2個(gè)方案的可行性，最后選定設(shè)計(jì)方案二。實(shí)際工程中做到了塢期不緊張，下水駁上作業(yè)環(huán)境良好，工人不處于緊張狀態(tài)，焊接效率得到提高，做到了多波束基座鋼結(jié)構(gòu)框架平整度的精度要求±2mm，得到多波束設(shè)備商的認(rèn)可。

五、總結(jié)

在工程展開的過程中，碰到了許多技術(shù)難點(diǎn)和工藝難題，尤其是對(duì)多波束導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及多波束其他系統(tǒng)集成的影響，需提前統(tǒng)籌策劃在狹小空間里如何施工、焊接，才能保證電氣設(shè)備的和電纜的安裝，過程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多處修改和完善，大家集思廣益、統(tǒng)籌策劃去解決難題，做到了較低的成本、高效地、高質(zhì)量地完成了船舶加裝多波束探測(cè)系統(tǒng)的工程，為國家邁向海洋強(qiáng)國增添了一份力量。

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作者簡介：

1、梁淼森（1982—），男，本科，工程師，從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)工作，具有豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)。

2、李輝（1976—），男，專科，助理工程師，從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)工作，具有豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)。