綠色造船工藝在船舶結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬牧原，馬振中

（上海興海聯(lián)船舶工程技術(shù)有限公司，上海 201913）

1 綠色造船技術(shù)介紹

1.1 綠色造船技術(shù)應(yīng)用到船舶結(jié)構(gòu)中

將綠色造船技術(shù)運(yùn)用到船舶結(jié)構(gòu)中，也可稱為綠色船舶技術(shù)，是基于當(dāng)代社會(huì)所提倡的保護(hù)環(huán)境、珍惜資源的價(jià)值觀。綠色船舶技術(shù)要求在船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都要遵循著綠色工藝的宗旨，包括在后期的船舶運(yùn)行以及部件回收工作中也要遵循綠色公益的宗旨。保護(hù)生態(tài)環(huán)境是每個(gè)人的義務(wù)，防止在制造船舶過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成破壞。為了更好地將綠色環(huán)保理念由造船行業(yè)傳播出去，在船身的設(shè)計(jì)以及材料的運(yùn)用中，也要用綠色的設(shè)計(jì)想法和材料，去貫徹保護(hù)環(huán)境防治污染的理念。

1.2 綠色造船技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及特色

綠色造船技術(shù)有著技術(shù)先進(jìn)、節(jié)省成本、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在此將分別介紹綠色造船技術(shù)的幾個(gè)特色概念的引用和推論。

制造行業(yè)是一個(gè)國(guó)家整體工業(yè)水平的表現(xiàn)。只有當(dāng)一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平達(dá)到一定高度，才可以更好地去發(fā)展綠色造船產(chǎn)業(yè)。我國(guó)的綠色造船技術(shù)與國(guó)外的綠色造船技術(shù)相比較落后一些，也存在著一些技術(shù)上的問(wèn)題。由于在核心技術(shù)上受限，所以我國(guó)的綠色船舶制造業(yè)的核心技術(shù)一般都是采用國(guó)外比較先進(jìn)的綠色造船技術(shù)。同時(shí)為了保證船舶的可靠性及運(yùn)行效率，要求造船技術(shù)人員采取最先進(jìn)的工藝技術(shù)。制造出來(lái)的船舶還要遵循國(guó)家環(huán)保法制的規(guī)定，保證綠色的船舶設(shè)備更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。

無(wú)論什么行業(yè)，都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是盈利效益，造船業(yè)也是一樣。如果一個(gè)行業(yè)沒(méi)有盈利，那么該行業(yè)的發(fā)展與其他行業(yè)相比較便會(huì)落后很多。所以在制造綠色船舶的過(guò)程中也要注重制造費(fèi)用，控制好造船成本，一旦超出造船企業(yè)成本預(yù)算，便使得造船企業(yè)無(wú)利可圖，以最低的費(fèi)用成本去創(chuàng)造高效的盈利效益。

保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約資源，是秉著節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及人類(lèi)的生命安全為準(zhǔn)則。為了更好地使綠色船舶擁有協(xié)調(diào)環(huán)境的特性，需要造船技術(shù)人員根據(jù)船舶不同生命階段所產(chǎn)生的不同特點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行完善。

2 使用綠色造船技術(shù)制造船舶的注意事項(xiàng)

2.1 嚴(yán)格選擇綠色造船材料

在選取綠色造船材料時(shí)要特別注意選擇沒(méi)有有害物質(zhì)材料、可以回收再利用、對(duì)水生物沒(méi)有傷害的材料。舉個(gè)例子，在東南亞發(fā)生過(guò)一起海洋生物大量死亡事件，原因是船舶材料不慎落入海洋，對(duì)海洋生物造成中毒事件。還要禁止使用不易分解的造船材料，因?yàn)橐坏┞淙牒５讓?huì)造成海水污染。所以要使用綠色材料來(lái)制造船舶，盡可能去降低對(duì)海洋以及對(duì)海洋生物的傷害，嚴(yán)格遵守綠色造船工藝的設(shè)計(jì)要求。

2.2 嚴(yán)格遵循船舶的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制造

在建造綠色船舶期間，要熟讀船舶的建造注意要求以及船舶制造零件的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)綠色船舶，在此基礎(chǔ)之上完善船舶整體結(jié)構(gòu)，使各個(gè)材料之間相關(guān)聯(lián)，使每一個(gè)零件都可以充分發(fā)揮它的功能，提高對(duì)能源的利用，高效發(fā)揮綠色船舶資源，實(shí)現(xiàn)綠色船舶對(duì)環(huán)保與節(jié)能的要求[2]。

3 如何應(yīng)用綠色造船工藝

3.1 加強(qiáng)綠色船舶制造技術(shù)

如果想要完成綠色造船工藝技術(shù)在船舶結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，就要去重視對(duì)綠色制造工藝的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)當(dāng)前存在的2 種加工制造方式原理的引入、轉(zhuǎn)化應(yīng)用，有效吸收并投入到船舶的制造工藝中去。

1）凈成形制造工藝概念在船舶的應(yīng)用

目前的凈成型制造工藝可以盡量減少資源的浪費(fèi)，制造出與零部件功能一樣的零件，在很大的程度上減輕了材料的消耗。本公司建造的22KTEU 集裝箱船，主尺度為399m×58.6 m×71.3 m，最大吃水16 m，載重量約為197 kt。在船舶的設(shè)計(jì)和建造中保證總體強(qiáng)度的同時(shí)減少了投鋼量對(duì)公司成本的控制，提高航速尤為重要。根據(jù)集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)凈成形制造工藝概念，嘗試對(duì)橫隔艙以及抗扭箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)鋼材出爐規(guī)格的統(tǒng)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行自然排版和斷縫，減少板材的切割、焊接、打磨工時(shí)和能源。通過(guò)有限元計(jì)算得出橫隔艙所受力主要為船舶舷側(cè)對(duì)橫隔艙的橫向拉力（空船為壓力），一定程度和范圍上減少橫隔艙縱向結(jié)構(gòu)和縱向斷縫，有效減少鋼材投鋼量和板材斷縫。通過(guò)此推論進(jìn)行建模驗(yàn)證后，橫隔艙總投鋼量減少7%，板材斷縫減少5%。

2）干式制造工藝概念在船舶的應(yīng)用

干式制造工藝也就是在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工時(shí)所運(yùn)用的一項(xiàng)工藝技術(shù)，可以高效地簡(jiǎn)化生產(chǎn)的工藝程序，節(jié)省生產(chǎn)所需的材料，全方位地減少制造費(fèi)用。通過(guò)對(duì)標(biāo)機(jī)械制造中干式制造工藝，將其應(yīng)用于我國(guó)綠色船舶制造中，具有較好的發(fā)展前景。本公司建造的超大型液化氣船86KVLEC 船的液罐建造是整個(gè)船舶的核心，是高附加值船舶的高附加所屬區(qū)域。液罐為不規(guī)則菱形罐體，存在大量的轉(zhuǎn)角、圓角的鋼板加工。按照傳統(tǒng)方法是對(duì)鋼板模擬反變形進(jìn)行水火彎板，不僅效率低，而且浪費(fèi)水、甲烷、吊車(chē)等能源。通過(guò)借鑒干式制造工藝概念對(duì)船舶制造進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對(duì)彎板進(jìn)行干式加工成為節(jié)能減排的一種有效途徑。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，與壓彎?rùn)C(jī)廠家進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，研制出可以直接采用油壓機(jī)和專(zhuān)用模具進(jìn)行的冷壓彎板。傳統(tǒng)的油壓機(jī)因?yàn)槟＞吆途鹊脑?，無(wú)法滿足液罐轉(zhuǎn)角彎板的精度和強(qiáng)度要求，與傳統(tǒng)冷彎?rùn)C(jī)不同，經(jīng)過(guò)研制的油壓機(jī)的壓頭材質(zhì)和壓力步進(jìn)、保持、退回參數(shù)都是經(jīng)過(guò)大批量的實(shí)驗(yàn)后得出的，保證精度的同時(shí)也能保證材質(zhì)的材料力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了干式制造工藝在船舶制造的運(yùn)用可行。

3.2 加大對(duì)綠色船舶焊接技術(shù)的創(chuàng)新

船舶焊接技術(shù)在制造船舶的工程中是必不可少的環(huán)節(jié)，最近幾年焊接技術(shù)伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也在逐漸進(jìn)步，朝著節(jié)約能源高效工作的目標(biāo)去努力。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，有著不環(huán)保、不節(jié)能、操控不穩(wěn)等缺點(diǎn)，所以當(dāng)代高性能的焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)相結(jié)合，使這一代的高性能焊接技術(shù)擁有科技化、精準(zhǔn)度高、效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)加工作業(yè)區(qū)焊機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，統(tǒng)一由控制中心對(duì)終端焊機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控和校對(duì)，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，能夠最大限度減少人為操控對(duì)焊接電流的不正確干預(yù)。同時(shí)，利用焊接槍頭的傳感器對(duì)焊接熔池的溫度、深度、氣流進(jìn)行回傳，由控制中心接受后進(jìn)行分析對(duì)比做出實(shí)時(shí)微調(diào)，保證惰性保護(hù)氣體的通量，控制電流的波動(dòng)，并可以解決由焊接速度帶來(lái)的熔池深淺不一等問(wèn)題。通過(guò)大數(shù)據(jù)的收集和分析比較，可以逐步得出最優(yōu)的參數(shù)配比，提高焊接質(zhì)量的同時(shí)減少無(wú)效的浪費(fèi)，并形成可追溯的文件記錄，為完工設(shè)計(jì)交船提供了輕量完整有效的交付物。

增強(qiáng)綠色船舶焊接技術(shù)，使綠色造船技術(shù)應(yīng)用中節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的效果達(dá)到最優(yōu)，提高高性能焊接技術(shù)的工作效率，優(yōu)化操作程序，使工作人員操控起來(lái)更加便捷，將高性能焊接技術(shù)更好地應(yīng)用于綠色造船工程技術(shù)中。

3.3 增強(qiáng)綠色造船工藝的涂裝技術(shù)

在綠色造船工藝中涂裝技術(shù)也是必不可少的。在綠色造船工藝涂裝的過(guò)程中要貫徹環(huán)保的理念，對(duì)涂裝技術(shù)做出調(diào)整，使用綠色造船工藝技術(shù)達(dá)到船舶環(huán)保涂裝的目的。

現(xiàn)有的噴涂工藝都以空氣壓力泵為終端，工人手持噴槍進(jìn)行噴涂作業(yè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，全憑工人的經(jīng)驗(yàn)和工作態(tài)度來(lái)控制膜厚和涂層質(zhì)量，而且空氣中彌漫的細(xì)小油漆顆粒極大地威脅工人的健康。噴涂車(chē)間自動(dòng)化已經(jīng)成為綠色造船必須要改進(jìn)的重中之重。通過(guò)在噴涂車(chē)間建設(shè)自行式鋼吊梁，加入升降式操作間，采用機(jī)械手臂進(jìn)行模擬人工作業(yè)，是一種可行并有效的解決方案。目前市場(chǎng)上可以進(jìn)行三維空間作業(yè)的機(jī)械手臂有很多，雖然不能完全替代人工進(jìn)入狹小及封閉艙室進(jìn)行施工，但是對(duì)于船體外板及開(kāi)放結(jié)構(gòu)空間可行，根據(jù)不同船型有30%～60%的可覆蓋區(qū)域，并且隨著應(yīng)用的過(guò)程，不斷地優(yōu)化改進(jìn)，更能帶來(lái)可觀的環(huán)保效益。建設(shè)新一代的智能化噴涂車(chē)間將成為國(guó)內(nèi)各大船廠晉升國(guó)際先進(jìn)智能制造的關(guān)鍵一步。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶行業(yè)是勞動(dòng)密集特大型重工業(yè)，運(yùn)用好綠色造船工藝，會(huì)對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生巨大的成效，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，工藝提升可以減少有限資源的使用，減少能源的需求，同時(shí)減少船舶制造過(guò)程中的污染排放，提高造船企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，滿足國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)、生物安全保護(hù)的要求，這也將成為國(guó)際造船業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。