62 000 t紙漿船建造技術(shù)創(chuàng)新與智能化應(yīng)用

饒洪華

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

目前，工業(yè)發(fā)展正從“工業(yè)3.0時代”向“工業(yè)4.0時代”邁進，在新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，我國“中國制造2025”計劃提出要促進新制造技術(shù)與信息技術(shù)融合。創(chuàng)新技術(shù)和智能化時代要求對每一個設(shè)計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行技術(shù)再創(chuàng)造和生產(chǎn)信息化，通過不斷地改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)量變到質(zhì)變的過程。

我國民船制造業(yè)規(guī)模巨大但利潤甚微，其主要原因是生產(chǎn)效率和技術(shù)含量較低。民用船舶工業(yè)是我國走向深藍的支柱產(chǎn)業(yè)。因此，船舶工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和智能制造是持續(xù)高速發(fā)展的動力，是能否實現(xiàn)彎道超車的關(guān)鍵[1]。

1 技術(shù)創(chuàng)新研究與智能化建造的關(guān)系

“工業(yè)3.0時代”主要通過提高生產(chǎn)效率來促進發(fā)展，而“工業(yè)4.0時代”主要通過智能化、信息化對生產(chǎn)進行大變革。我國船舶制造企業(yè)尚處于“工業(yè)3.0時代”，要實現(xiàn)向“工業(yè)4.0時代”邁進的目標，首先要通過技術(shù)創(chuàng)新研究生產(chǎn)效率，鞏固夯實“工業(yè)3.0時代”的基礎(chǔ)，進而在此之上發(fā)展造船業(yè)的智能化、信息化，實現(xiàn)“工業(yè)4.0時代”的發(fā)展要求[2]。

2 技術(shù)創(chuàng)新與智能化應(yīng)用

本文基于某62 000 t紙漿船，對船舶建造中應(yīng)用的新工藝、新技術(shù)進行闡述，探討提高建造效率、實現(xiàn)智能制造、降低建造成本的方法。

2.1 機械化倒墩補涂技術(shù)創(chuàng)新

船舶建造過程中，船舶分段需要使用大型平板車進行運輸，運輸過程中通常使用木墩和托架進行墊平和支撐，這就造成無法對木墩支撐區(qū)域進行噴漆，進而導致大多數(shù)船舶合龍時會在外板、底部和橫艙壁等部位留下“補丁”，即無法噴漆的塊狀木墩支撐位置。橫艙壁和艙內(nèi)補焊區(qū)域需要搭載腳手架進行補漆，外板需要使用高架車進行補漆。船臺人工補漆作業(yè)不僅會消耗大量人力和高架車資源，還會直接影響船舶的下水周期。

為縮短船舶建造周期，減少吊車使用負荷，加快總組段油漆補涂進度。提出利用船舶特種平板運輸車對總段支撐托架進行移位的創(chuàng)新技術(shù)。新方案主要采用平板車移動托架，多次串倒鋼制托架，逐排將托架向相鄰對接結(jié)構(gòu)處轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移過程中，每次只能移動1個托架，要保證重心始終在托架跨度內(nèi)，否則會造成分段滑移和側(cè)翻。對于適用2付托架的總段，由于其無法形成有效的端點支撐力，故無法使用本創(chuàng)新技術(shù)?？偠谓?jīng)托架倒墩后，原來無法噴涂的木墩位置會完全暴露，進而可將總段送進涂裝廠房進行機械補漆作業(yè)。實踐證明，機械化倒墩補涂技術(shù)可將生產(chǎn)效率提高3～4倍，作業(yè)難度和作業(yè)工時大幅降低。機械化倒墩補涂技術(shù)實施效果見圖1。

圖1 機械化倒墩補涂技術(shù)實施效果

2.2 吊碼孔全船貨艙區(qū)技術(shù)創(chuàng)新

吊碼孔設(shè)計要以減少船臺油漆補涂量為目的，將吊碼孔與船體結(jié)構(gòu)進行復合設(shè)計，盡量避免減少吊耳切割破壞油漆，減少后行船臺的補漆量。

通常情況下，船廠會在船臺搭載階段進行吊碼孔設(shè)計以便減少搭載吊耳的使用。62 000 t紙漿船率先將吊碼孔設(shè)計融入到分段中組立階段，可大大減少先行階段吊耳的使用量，尤其是中組階段大量C型吊耳的使用，有效解決了C型吊耳切割困難、容易傷害母材等問題。據(jù)統(tǒng)計，在使用吊碼孔全船貨艙區(qū)創(chuàng)新技術(shù)后，共設(shè)計吊碼孔147個，轉(zhuǎn)化為常規(guī)吊耳后相當于節(jié)省C型吊耳88個，大幅減少了吊耳使用量、吊耳切割造成的結(jié)構(gòu)修補和油漆補涂。全船吊碼孔轉(zhuǎn)化率達到10.3%，吊耳的制作成本減少了16.8%。62 000 t紙漿船全船吊碼孔分布設(shè)計圖見圖2。

圖2 62 000 t紙漿船全船吊碼孔分布設(shè)計圖

針對部分雙層艙壁肋板板材較薄的問題，對強度較低的區(qū)域進行優(yōu)化補強，增加高強眼板和加強肘板結(jié)合設(shè)計，將吊裝孔和吊碼眼板設(shè)置在分段的橫縱壁等強結(jié)構(gòu)位置，并通過肘板與比鄰結(jié)構(gòu)框架連成一體。實踐表明：應(yīng)用該方法后，雙層艙壁肋板強度更好，吊裝過程中壁板的變形量小。

垂向載荷200 kN，水平載荷12 kN條件下吊碼孔應(yīng)力云圖見圖 3，吊碼孔強度滿足分段中組和大組裝配吊裝使用的要求。貨艙區(qū)域的吊碼孔屬于永久保留結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時既可以參照流水孔也可參照通氣孔。需要注意的是，吊碼孔的吊裝位置不得影響中阻立的翻身效率，避免由于切割吊耳帶來的工效損失。

圖3 吊碼孔應(yīng)力云圖

2.3 框架拉入法建造技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化

拉入法是指在外力作用下將帶有穿越孔的板材沿著各個孔進行穿越拉入的一種裝配方式。拉入法取消了傳統(tǒng)補板結(jié)構(gòu)，減少了板材使用、焊接施工和打磨污染。

為降低補板板材使用數(shù)量和焊接打磨量，62 000 t紙漿船項目對拉入法進行了優(yōu)化。對使用拉入法的肋板進行嚴格控制，盡量控制開孔數(shù)量。若某肋板穿越孔數(shù)量較多，其在拉入時會與縱骨產(chǎn)生較多摩擦干涉。因此，根據(jù)肋板大小，將控制肋板穿越孔的數(shù)量控制在4～8個為宜[3]。

對于少數(shù)較大的肋板框架，采用增加輔助點受力和增加補償量的方式來控制拉入難度和拉入精度。由于大肋板框架由多個小片組成，小片之間的焊封收縮率在很大程度上影響了穿越孔之間距離。對于埋弧焊拼接的區(qū)域，要在原焊接補充量的基礎(chǔ)上增加0.5 mm～1 mm的補償。

適當增加開孔與縱骨材的間隙g。當間隙g≤4 mm時，不改變焊腳尺寸；當4 mm＜g≤7 mm時，焊腳尺寸增加2 mm；當7 mm＜g≤ 12mm時，開單面30°坡口，增加陶瓷襯墊；當g＞12 mm時，增加補板貼裝。其他裝配參數(shù)需要滿足的公差要求見表1。

表1 裝配工藝基準

對于大框架肋板，在拉入時要注意遵循“上方多吊點，下方多牽引點”的原則?？蚣苌戏绞褂玫跖呕蚨帱c板卡子進行吊裝固定以減少肋板彎曲變形。在大肋板的下部采用2～3臺卷揚機進行輔助拉入，整個過程需要注意卷揚機與吊車始終保持同步，保證整個肋板的上下口處于同一個鉛垂面上，避免不同步導致的板材塑性變形。

3 智能化建造

3.1 高效智能機器人焊接

船舶制造中的有色金屬管道焊接工作具有批量小、規(guī)格多、工序復雜等特點，而傳統(tǒng)機器人主要適用于重復性的焊接工作，不適合用于有色金屬管道施工。智能機器人在傳統(tǒng)工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上增加了視覺系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、預(yù)測系統(tǒng)等功能，對于焊接船舶金屬管道具有較好的使用效果。

針對62 000 t紙漿船項目中尿素艙及不銹鋼結(jié)構(gòu)等焊件，利用智能焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)，結(jié)合智能鎢極氬弧焊進行不銹鋼組件的焊接工作。該技術(shù)可在國標要求的參數(shù)指標內(nèi)兼容各種焊件壁厚、誤差和線型度。此外，智能機器人的視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可對焊件的坡口差別、間隙大小進行自動調(diào)節(jié)。在焊接過程中，智能機器人焊接具備鎢極惰性氣（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接的弧長跟蹤功能，弧長跟蹤焊接過程可視，焊接件誤差兼容度為±3 mm[4]。

智能機器人可實時監(jiān)控焊接過程中的電流、電壓等參數(shù)，監(jiān)控精度可達±0.1 A和±0.1 V，頻率達100 Hz以上。焊接組件抽樣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 抽樣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

由表2可知，智能焊接各項數(shù)據(jù)均符合技術(shù)指標，說明智能焊接可滿足人工施焊的要求。不銹鋼弧焊機械機器人智能化焊接技術(shù)可為今后指導生產(chǎn)提供寶貴經(jīng)驗。

4 結(jié)論

船舶新工藝技術(shù)是船舶企業(yè)發(fā)展的支點，船舶智能制造是企業(yè)轉(zhuǎn)型的抓手。本文以某62 000 t紙漿船為例，闡述了船舶建造中應(yīng)用的新工藝和新技術(shù)，探討了提高建造效率、實現(xiàn)智能制造、降低建造成本的方法。研究表明：本文提出的新工藝技術(shù)能起到良好的降本增效作用；高效智能機器人焊接技術(shù)可廣泛應(yīng)用于其他船舶建造中，智能焊接各項數(shù)據(jù)均符合技術(shù)指標，可滿足人工施焊的要求。希望本文的研究成果可為船舶智能制造的進一步推廣提供一定參考。