現(xiàn)代船舶機艙獨立箱柜單元設(shè)計思路分析

張春成

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

在加入世貿(mào)組織之后，我國外貿(mào)經(jīng)濟得到飛速發(fā)展，這對我國航運業(yè)的服務(wù)提出了更高的要求，配套的航運服務(wù)成為支撐我國外貿(mào)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵。因此大力發(fā)展船舶制造業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展中的重要一環(huán)，在船舶制造業(yè)中的競爭越來越激烈[1]。對于船舶制造業(yè)來說，一套合理的船舶舾裝工藝對于整個船舶的建造具有重要作用。但是我國現(xiàn)代化的造船技術(shù)發(fā)展起步比較晚，存在設(shè)計與工藝不足問題。如何在船舶制造方面降低成本、提高效率成為船舶制造業(yè)關(guān)注的問題。目前在船舶的制造過程中，船舶單元化設(shè)計是主流工藝方向，也成為船舶制造業(yè)研究的重點。本文針對我國當(dāng)前船舶制造業(yè)發(fā)展中的不足和船舶制造工藝發(fā)展趨勢，對船舶機艙獨立箱柜進行單元化設(shè)計研究，加速我國實現(xiàn)總裝造船的腳步。

1 船舶舾裝單元化理論分析

1.1 船舶舾裝單元化設(shè)計主要內(nèi)容

舾裝設(shè)備的單元化設(shè)計需要從設(shè)備功能的角度進行研究，其中一個關(guān)鍵項目是子系統(tǒng)的設(shè)計。在子系統(tǒng)設(shè)計的過程中，首先需要了解各個系統(tǒng)的功能和原理，包括整個系統(tǒng)組件的形成模式，并設(shè)計幾種可能的方案。通過各方案在系統(tǒng)質(zhì)量、功能、成本預(yù)算和協(xié)同方面的比較，綜合選擇出最優(yōu)方案。

造船單元主要是尺寸和功能比較標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊。一般來說，各個單元中的主要部件帶有最終產(chǎn)品的預(yù)制模塊，是可選的。因此，這些預(yù)制單元可以分為船體結(jié)構(gòu)單元和功能單元。

其中，船舶機艙獨立箱柜的單元化設(shè)計具體包括：煙灰雨水收集柜、污水溢流柜、高溫水膨脹水箱、低溫水膨脹水箱、冷卻水報警裝置箱、溢流報警箱、焚燒爐柴油柜、應(yīng)發(fā)柴油柜、氣缸油測量柜[2]。

1.2 船舶機艙獨立箱柜單元化的設(shè)計優(yōu)勢

1）有效縮短船舶的制造周期

在船舶的建造過程中，通過對造船結(jié)構(gòu)的單元化設(shè)計，可以改善某些船型設(shè)備的制造流程，并縮短制造周期。與此同時，這樣小型的單元模塊也可以在一些獨立的工廠內(nèi)進行，大大提高了造船的效率。在造船企業(yè)中，船只舾裝系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝是最復(fù)雜、最瑣碎的環(huán)節(jié)。單元化的設(shè)計能夠減少船上作業(yè)的繁瑣程度，并增加管線的安裝精度，確保生產(chǎn)的可靠性，減少生產(chǎn)的經(jīng)濟費用[3]。

2）方便船舶部分故障的維修

船舶獨立箱柜的建造是以設(shè)備單元化的方式進行的，選擇不同的設(shè)備零件進行替換和維修，既提高船舶的維修效率，又可以實現(xiàn)船舶大多數(shù)零部件的通用性。對船舶進行維修，可以改善船舶的持續(xù)操作穩(wěn)定性。

1.3 船舶機艙獨立箱柜單元化造船的發(fā)展前景

傳統(tǒng)的船舶制造工業(yè)以勞動密集型為主，但由于采用了單元化的設(shè)計模式，使得船舶制造行業(yè)的競爭更加激烈，從而提升了我國造船行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大大提高造船效率。因此，模塊式裝配式船舶建造技術(shù)將會在今后的船舶制造過程中得到更多的應(yīng)用。隨著船舶生產(chǎn)的持續(xù)推進，單元化船舶裝配技術(shù)將會得到進一步的發(fā)展。同時，它也將推動船舶工業(yè)的發(fā)展與進步。

2 船舶機艙獨立箱柜單元化設(shè)計思路及流程

2.1 整體設(shè)計思路

根據(jù)單元化設(shè)計的特點，在獨立箱柜的設(shè)備開發(fā)中明確實現(xiàn)了“生產(chǎn)從設(shè)計開始，到工藝結(jié)束”。獨立箱柜的統(tǒng)一設(shè)計開發(fā)從功能設(shè)計開始，根據(jù)各個箱柜的功能進行獨立設(shè)計。然后通過現(xiàn)場生產(chǎn)流程反饋對單元化的改進，實現(xiàn)所有單元的統(tǒng)一。獨立箱柜的具體組合方式是將獨立柜劃分為功能設(shè)計和布局設(shè)計2部分；平面布置圖設(shè)計包括設(shè)備配置、管線圖、施工圖；功能設(shè)計包括3個方面；然后，根據(jù)6個方面的細致分析，將獨立箱柜分為“基本型”和“可選型”。最后，將“基本類型”部分設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)模塊，主要由標(biāo)準(zhǔn)組件組成。“變體”部分保持靈活性，可以根據(jù)不同的設(shè)計要求進行修改[4]。

2.2 設(shè)計過程

獨立箱柜的單元化設(shè)計以產(chǎn)品平臺為基礎(chǔ)，對各個模塊進行獨立性、功能性、統(tǒng)一性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，使各個零部件功能獨立，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1）概念設(shè)計

概念設(shè)計是所有船舶設(shè)計的基礎(chǔ)，是對整個產(chǎn)品系統(tǒng)的邏輯和原理的設(shè)計與實現(xiàn)說明，提出了設(shè)計目標(biāo)和基本的思路，并進行設(shè)計概念的驗證和修訂。

2）功能設(shè)計

首先對獨立箱柜單元的系統(tǒng)功能進行分解，并對其功能性進行完善，根據(jù)分解結(jié)果繪制完整的功能框圖。確定客戶所需求的功能和需要增加的性能，對已有的功能進行完善。然后，確定獨立箱柜單元在整個系統(tǒng)功能上的貼合度進行再次完善，并確定單元與總系統(tǒng)的關(guān)系。

3）系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計就是將各個獨立單元的功能進行統(tǒng)一，是整個船舶建造中的關(guān)鍵，需要聯(lián)系不同的模塊和接口，需要具有一定的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，包括基本系統(tǒng)和非基本系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，非基本系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求進行更改和調(diào)試。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于構(gòu)建的產(chǎn)品平臺，根據(jù)總系統(tǒng)的設(shè)計，對各個結(jié)構(gòu)進行空間上的分配。結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮該單元與船舶整體協(xié)調(diào)性和功能需求，需要符合船舶設(shè)計和應(yīng)用的相關(guān)規(guī)定。

5）子系統(tǒng)設(shè)計

子系統(tǒng)的設(shè)計以單元化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、可裝配性和可制造性為要求，需要滿足單元化設(shè)計之后的統(tǒng)一性。其具體設(shè)計內(nèi)容如下：①在船舶的機艙設(shè)計5個獨立的單元箱柜，這些箱柜單元需要與其他總裝系統(tǒng)進行連接，其中也會包括一些散裝結(jié)構(gòu)，需要做的是將這些獨立的單元模塊、結(jié)構(gòu)進行整合，連接成為一個具有綜合協(xié)作的完整單元就能夠進行實際的使用。這些單元還需要包括設(shè)備、基座、管子、梯子、欄桿等元素；②原總組階段，船舶機艙的管件多達100多件，這些管件將通過相同的接口進行連接，拼合成為一個完整的單元體；③將若干管附件以及管子組成具有專有功能的單元體，這些單元體形成組合件單元，例如蒸汽減壓閥以及壓縮空氣減壓閥，溫度調(diào)節(jié)閥等組成的單元體就可以形成組合件單元；④對于一些管件位置，船艙單元需要進行噴涂處理，這就要提前處理單元箱柜主要位置的焊接。⑤將設(shè)計單元的大小及重量進行仔細控制，保證其在舾裝能力范圍內(nèi)。例如，低溫淡水泵單元要控制在一定的范圍之內(nèi)，避免因規(guī)格過大導(dǎo)致后期的安裝問題。

6）工藝設(shè)計

工藝的設(shè)計即在滿足各模塊統(tǒng)一性標(biāo)準(zhǔn)的前提下，進行各個單元的獨立工藝設(shè)計，需要實現(xiàn)單元模塊的基本功能和性能。單元模塊的工藝制造與主船體無關(guān)，但是每個獨立單元的制造工藝需要達到一定標(biāo)準(zhǔn)，要滿足正常船舶應(yīng)用需求。

2.3 接口設(shè)計

在設(shè)計獨立箱柜時，首先要確定接口。在選擇獨立箱柜時，需要考慮多種因素，如產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝條件、產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范、產(chǎn)品使用環(huán)境、產(chǎn)品市場環(huán)境等[6]。所以，要清楚地界定一個獨立箱柜裝置的接口，必須滿足這個裝置與其它裝置及環(huán)境的連通性。從界面定義的方便性出發(fā)，針對其特性，將其特性分為相對屬性、功能屬性、物理屬性和環(huán)境屬性。在這些特征中，最重要的是物理屬性和功能性屬性。

統(tǒng)一的設(shè)計接口可以用于多種產(chǎn)品平臺的開發(fā)，其中包括對已有的產(chǎn)品平臺進行升級。因此，各子系統(tǒng)界面的交互關(guān)系將會影響到目前系統(tǒng)接口的選取與使用，從而對以后的應(yīng)用系統(tǒng)整體性的設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。在此基礎(chǔ)上，對接口進行詳細的設(shè)計，并給出各子系統(tǒng)的具體接口標(biāo)準(zhǔn)，其中包含工程參數(shù)的選取和確定、功能實現(xiàn)原理的選擇和確定，以及工程參數(shù)的具體化[7]。

2.4 設(shè)計流程

根據(jù)規(guī)格書，機艙布置圖及系統(tǒng)圖，確定箱柜容積及擺放高度位置要求。一般情況下，箱柜的位置按照原理圖而定，最大程度滿足其性能要求的同時，應(yīng)設(shè)置最短配管距離及保證周圍閥附件易于維護。

根據(jù)系統(tǒng)圖，確認箱柜附件的數(shù)量及位置，箱柜附件一般含有液位計、透氣管、注入管、泄放管、溢流管、人孔蓋、觀察孔、濾板、加熱盤管、液位開關(guān)及各種型號座板，液位計、液位開關(guān)、壓力開關(guān)座板一定要按照設(shè)備訂貨要求來確定與之配對的焊接座板，箱柜建模過程中注意溝通協(xié)調(diào)，需要確認好箱柜周圍的電纜設(shè)置，液位開關(guān)機觀察空等位置，防止現(xiàn)場接線不方便造成返工，同時要與管系及通風(fēng)人員確認好管子位置的接口要求，溢流管與注入管高差范圍保證在150 mm以上，以免高處用戶不工作時造成液體回流倒灌，從透氣管溢出。與輪機確認好液位指示報警裝置的報警高度，以免出現(xiàn)高低位報警不及時的情況。箱柜內(nèi)部管與電氣鐵條等整體單元出圖，整體制作油漆，以免箱柜做好后，因內(nèi)部管子沒有安裝或者電氣電纜鐵條沒有安裝，導(dǎo)致上船后安裝重新燒焊，油漆破損造成返工的情況[8]。

設(shè)計過程中需要考慮實用性及現(xiàn)場施工的方便性，柜子頂部帶基座，基座下方要在箱柜內(nèi)部設(shè)置反面加強，加強要盡量延伸到末端，保障加強作用。

經(jīng)常需要檢查的箱柜需要增加人孔蓋，可在箱柜上方用鉸鏈形式的人孔或手孔蓋，有濾箱的箱柜蓋子要保證濾器的進出。液位計要盡可能設(shè)置在船橫傾和縱傾影響小的柜子中央，設(shè)置在人孔或觀察孔附近，方便觀察及使用。透氣管按照頂部安裝原則，在柜子的最高處或船首方向安裝，并且透氣管需要向下延伸到箱柜的集水/油盤內(nèi)，以免使用過程中有液體溢出飛濺。注入管需安裝在頂部，盡量與透氣管按對角線放置，不可避免時也可安裝在側(cè)壁，或安裝截止止回閥，除油艙外，其他液體注入口均應(yīng)焊接防擊板。加熱盤管設(shè)計時蒸汽入口盡量在出口附近，有低位報警時，加熱盤管安裝在低位報警器下方。一般情況下加熱盤管進出口要設(shè)置在同一水平線上。加熱盤管制成需要考慮管子膨脹，需要在長直管上做支撐，避免彎曲變形[9]。裝載熱質(zhì)箱柜的同時還要考慮避免周圍散失熱量和人員燙傷，應(yīng)包扎絕緣保護[10]。同時為了方便箱柜上方焊接物，測深人孔及液位計等檢查，在柜子上設(shè)置直梯踏步及扶手，箱柜起吊需要設(shè)置吊耳，吊耳選擇一般為每個吊耳能單獨吊起整個箱柜，吊耳以安裝在箱柜頂部4個角為基準(zhǔn)，盡量和下方箱柜板材對筋布置。為了避免箱柜在使用過程中產(chǎn)生變形，需要在柜子內(nèi)部或外部增加加強筋，加強筋板考慮間距700 mm作用增加，同時加強筋要避開箱柜上的附件，無法避開的可以在箱柜附件處斷開，但要保證加強的功能性。箱柜做好后，需要做水壓試驗，以保證正常使用[11]。

獨立箱柜單元化設(shè)計，保證了工序的整體性及結(jié)構(gòu)的完整性，大大降低了制作過程中人員的協(xié)調(diào)及工作周期，將專業(yè)間的協(xié)調(diào)在設(shè)計過程中消化掉，將工序前移，降低了現(xiàn)場制作的人工成本及時間成本，提高了工作效率，同時也提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)語

單元化是現(xiàn)代船舶舾裝設(shè)計、建造的發(fā)展趨勢，本次研究中通過開展機艙獨立箱柜的單元化技術(shù)研究，重點對單元化設(shè)計一般流程及關(guān)鍵技術(shù)進行分析。單元化設(shè)計思想對于減少我國造船技術(shù)與國外的差距，提升自主造船能力十分必要。舾裝單元化勢在必行，并已在多方面顯示了廣闊的發(fā)展前景和強大的生命力。