船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的綠色制造工藝探索

柴建華

（黃海造船有限公司，山東 威海 264309）

0 引言

全球化經(jīng)濟(jì)格局的形成促進(jìn)了國際貿(mào)易的繁榮發(fā)展，造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)作為國際貿(mào)易交通運(yùn)輸環(huán)節(jié)的重要產(chǎn)業(yè)，其能源消耗問題與環(huán)境污染問題受到越來越廣泛的重視。在當(dāng)前能源日益緊缺、污染不斷加劇的生態(tài)環(huán)境中，只有將綠色制造工藝融入到船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，才能降低船舶運(yùn)行期間的燃油消耗量，減少船舶的污染物排放，避免對大氣、水源造成嚴(yán)重污染。在綠色制造工藝的應(yīng)用過程中，技術(shù)人員需要結(jié)合船舶的運(yùn)行要求與原有結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在提高船舶航速、穩(wěn)定性等整體性能的基礎(chǔ)上，使船舶能夠在低能耗與低排放狀態(tài)下運(yùn)行。

1 綠色船舶的主要概念及具體特征

1.1 綠色船舶的主要概念

與傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)性能不同，綠色船舶的設(shè)計(jì)制造理念符合能源短缺、污染加劇的生態(tài)形勢背景下的節(jié)能減排與綠色環(huán)保要求，在船舶的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、運(yùn)行、回收等環(huán)節(jié)融入綠色環(huán)保思想，以降低船舶生產(chǎn)制造與運(yùn)行過程中的能源消耗量，提高船舶運(yùn)行能效，降低船舶所產(chǎn)生的固、液、氣等多種形式的排放物含量，避免大量排放物污染空氣和水源，干擾船舶發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)部設(shè)施，危害船舶的質(zhì)量性能與使用壽命，影響船舶的正常運(yùn)行。綠色船舶是一類復(fù)雜系統(tǒng)，涉及不同的流程工序，需要在船體結(jié)構(gòu)、涂裝材料、焊接工藝、排放處理等多個(gè)環(huán)節(jié)融入綠色環(huán)保理念與綠色制造工藝，實(shí)現(xiàn)船舶整體綠色環(huán)保性能的提升。

1.2 綠色船舶的具體特征

與傳統(tǒng)船舶形式相比，綠色船舶在設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中對工藝技術(shù)提出更高的要求，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)、焊接作業(yè)環(huán)節(jié)、涂裝施工環(huán)節(jié)等多個(gè)項(xiàng)目中，通常會(huì)使用國內(nèi)外較為先進(jìn)的工藝技術(shù)，更貼近船舶制造業(yè)的前沿科技水準(zhǔn)，以對傳統(tǒng)船舶形式中的船體結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、燃油利用模式、涂裝材料等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使之具備更高的質(zhì)量性能，提高能源利用率，降低污染物排放，更高效、更安全地應(yīng)用到水上交通運(yùn)輸過程中，各種優(yōu)勢使綠色船舶相關(guān)技術(shù)在船舶制造市場中得以推廣應(yīng)用[1]。

除去工藝技術(shù)方面的先進(jìn)性特點(diǎn)，綠色船舶還需具備合理的成本價(jià)值，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中需要綜合考慮多個(gè)維度，在充分滿足實(shí)用性能需求、綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能夠?qū)⑸a(chǎn)成本降低至合理水平，避免因先進(jìn)技術(shù)與生產(chǎn)材料設(shè)備的引入而增加綠色船舶的生產(chǎn)制造成本，使船舶生產(chǎn)廠家難以獲得較高的經(jīng)濟(jì)收益。

此外，在綠色船舶的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中，技術(shù)人員還需要結(jié)合船舶的使用地點(diǎn)與使用目的對船舶進(jìn)行合理改造，在船舶使用壽命最終期限前的各個(gè)階段對船舶進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使之能夠與運(yùn)行期間的周邊環(huán)境保持協(xié)調(diào)融合，提升環(huán)境協(xié)調(diào)性。

2 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綠色制造工藝的應(yīng)用思路

2.1 使用綠色材料

在進(jìn)行綠色船舶設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員可以使用具有綠色環(huán)保性能的施工材料開展生產(chǎn)制造。一方面，涂裝材料在船舶運(yùn)行期間會(huì)與水體環(huán)境以及人體皮膚相接觸，倘若涂裝材料含有較多的有害成分，這些成分就有可能擴(kuò)散到水體中，對水源造成污染，并會(huì)通過人體呼吸系統(tǒng)或人體的皮膚進(jìn)入人體內(nèi)部，對船舶駕駛?cè)藛T的生命健康造成損害。為此，需要使用不含有害物質(zhì)或有害物質(zhì)含量較少的涂裝材料進(jìn)行船舶涂裝加工。另一方面，焊接材料中含有高溫下易揮發(fā)的助焊劑物質(zhì)，對大氣環(huán)境造成污染，需要使用低煙低毒的焊接材料進(jìn)行加工。此外，絕緣材料如玻璃棉、礦棉等屬于難降解物質(zhì)，會(huì)造成土地污染，應(yīng)盡可能通過可降解的綠色環(huán)保絕緣材料代替[2]。

2.2 優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)

船舶的整體結(jié)構(gòu)會(huì)影響船舶在水中運(yùn)行期間的受力分布，倘若船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，船舶在前進(jìn)過程中就會(huì)受到較大的水體阻力，消耗更多的燃油來為發(fā)動(dòng)機(jī)提供更高的動(dòng)力，這一過程會(huì)增加船舶運(yùn)行能耗，產(chǎn)生更多的污染物排放。為解決這一問題，需要在綠色船舶設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中加大對船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化力度，合理配置其尺寸大小、吃水深度、載荷重量、船體線形、船頭構(gòu)造等，使船舶能夠在保證平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上受到更小的水體阻力，減少發(fā)動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的運(yùn)行壓力，從而達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

2.3 改進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)需要消耗大量能源，綠色船舶的設(shè)計(jì)重點(diǎn)也應(yīng)落腳于船舶推進(jìn)系統(tǒng)的改造上，相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合船舶類型、結(jié)構(gòu)特征以及功能用途設(shè)計(jì)合理的船舶推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化方案，如使用重量與功率比值較小的推進(jìn)系統(tǒng)作為淺水快船的動(dòng)力來源，使用柴-燃-點(diǎn)聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)作為客船的動(dòng)力來源，并起到降低運(yùn)行噪音的效果，提升船舶的運(yùn)行舒適度[2]。此外，技術(shù)人員還需要對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，以便提升燃油利用率與主機(jī)效率，選擇更符合節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的發(fā)電設(shè)備與螺旋槳設(shè)備等。

2.4 完善節(jié)能體系

在綠色船舶設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員需要將節(jié)約能源的綠色環(huán)保理念應(yīng)用至生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，例如，使用風(fēng)能、水能等可再生自然能源為船舶運(yùn)行提供動(dòng)力；對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以提升燃油利用率，并對燃油回收再利用，避免在燃油消耗過程中產(chǎn)生過多浪費(fèi)；合理控制船舶運(yùn)行速度以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的能源消耗量與排放量。此外，技術(shù)人員還應(yīng)對廢舊船舶進(jìn)行回收利用，修復(fù)廢棄船舶中具有利用價(jià)值的破損失效零件，將其合理應(yīng)用至新型綠色船舶的生產(chǎn)制造過程中。

2.5 增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在綠色船舶的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中，相關(guān)技術(shù)人員需要提高船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，在船舶材料構(gòu)件與零部件的選擇上采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型號(hào)尺寸，避免零件損毀失效時(shí)發(fā)生難以找到可替換零件的情況，造成船舶材料的損失浪費(fèi)。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，綠色船舶制造技術(shù)能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)化零件銜接組合，大大提高船舶的生產(chǎn)制造效率，降低生產(chǎn)制造成本，使材料資源得到充分利用，達(dá)到綠色環(huán)保目標(biāo)[3]。

3 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綠色制造工藝的應(yīng)用策略

3.1 輕量化綠色設(shè)計(jì)工藝

為提升綠色船舶的質(zhì)量性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，相關(guān)技術(shù)人員需要對船舶進(jìn)行輕量化綠色設(shè)計(jì)，讓船舶的整體結(jié)構(gòu)能夠滿足節(jié)能減排目標(biāo)下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行需求。在這過程中，技術(shù)人員需要關(guān)注船舶生產(chǎn)制造所使用的材料類型，尤其在對船舶內(nèi)室進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時(shí)，選擇無害無污染的綠色絕緣材料，避免有害物質(zhì)揮發(fā)，損害船舶駕駛?cè)藛T健康。在船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造過程中，技術(shù)人員需要選擇高強(qiáng)度鋼材料作為船舶的骨架結(jié)構(gòu)，利用高強(qiáng)度鋼的輕質(zhì)以及力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn)來降低船體結(jié)構(gòu)的總體重量，減少船舶生產(chǎn)制造過程中的資源浪費(fèi)，降低船舶在運(yùn)行過程中所受到的水體阻力，減少船舶推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，避免運(yùn)行期間產(chǎn)生過多能耗與污染物排放，提升運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性[4]。

3.2 工藝模擬制造技術(shù)

船舶水火彎板的生產(chǎn)制造過程涉及加熱加工工藝，在傳統(tǒng)的船舶生產(chǎn)制造流程中，通常先進(jìn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)，再模擬生產(chǎn)制造過程，以確定最終的生產(chǎn)參數(shù)，不僅難以準(zhǔn)確把控船舶水火彎板的生產(chǎn)參數(shù)，還會(huì)造成資源浪費(fèi)，違背了綠色環(huán)保目標(biāo)。為此，技術(shù)人員需要采用工藝模擬制造技術(shù)來完成水火彎板的生產(chǎn)制造過程，在生產(chǎn)水火彎板之前，先根據(jù)船舶三維立體模型的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果明確不同零部件的具體生產(chǎn)參數(shù)，再以生產(chǎn)參數(shù)作為指導(dǎo)開展工作，以提高生產(chǎn)精度，增強(qiáng)船舶整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量性能，避免資源浪費(fèi)，減少生產(chǎn)制造過程中的污染排放。

3.3 數(shù)字化精度造船技術(shù)

在傳統(tǒng)的船舶生產(chǎn)制造過程中，各類構(gòu)件的制作過程多采用人工生產(chǎn)模式，構(gòu)件在形狀尺寸上可能會(huì)與船舶設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)注內(nèi)容產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致船舶整體精度不足，影響其質(zhì)量性能，還會(huì)因返工重修造成資源浪費(fèi)，增加生產(chǎn)制造成本，影響船舶生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。為解決這一問題，需要向船舶制造產(chǎn)業(yè)中引入數(shù)字化造船技術(shù)，將設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)注的構(gòu)件尺寸參數(shù)錄入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用機(jī)械設(shè)備對材料構(gòu)件進(jìn)行切割處理，使之尺寸型號(hào)精密匹配設(shè)計(jì)圖紙，盡可能降低誤差，提升船舶結(jié)構(gòu)的整體精度，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的智能化計(jì)算模型來減少船舶生產(chǎn)制造過程中所產(chǎn)生的資源浪費(fèi)，避免因多次返工造成嚴(yán)重污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)[5]。

3.4 綠色加工工藝

在對船舶各類構(gòu)件進(jìn)行加工處理時(shí)，可以使用凈成型加工技術(shù)來達(dá)成綠色環(huán)保目標(biāo)，其主要原理是將原材料直接加工為設(shè)計(jì)圖紙所要求的形狀尺寸，一步成型，減去傳統(tǒng)船舶構(gòu)件加工工藝中復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)，簡化構(gòu)件制備流程，減少材料浪費(fèi)以及中間生產(chǎn)流程中排放的污染物含量，降低生產(chǎn)設(shè)備成本與運(yùn)輸成本。此外，技術(shù)人員還可以使用干式加工技術(shù)來生產(chǎn)船舶構(gòu)件，在切削材料過程中使用更少的冷卻液，甚至不使用冷卻液，減少資源浪費(fèi)、污染物排放，從而達(dá)成節(jié)能減排目標(biāo)。

3.5 綠色焊接工藝

現(xiàn)階段的船體結(jié)構(gòu)多使用高性能的輕質(zhì)鋼材料，在對各類鋼制構(gòu)件進(jìn)行安裝連接時(shí)通常會(huì)使用焊接工藝，而傳統(tǒng)的焊接工藝消耗較多能源物質(zhì)，助焊劑還會(huì)在高溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)，使大量有害物質(zhì)擴(kuò)散到空氣中，對大氣環(huán)境造成污染。為解決這一問題，同時(shí)貫徹綠色環(huán)保理念，可使用綠色焊接工藝取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。在優(yōu)化改進(jìn)焊接工藝時(shí)：1）要注意對焊接電源的選擇，確保新型焊接電源比傳統(tǒng)電源擁有更為穩(wěn)定的輸出，且具有較高的能源轉(zhuǎn)化效率，能夠在較少的能源物質(zhì)消耗狀態(tài)下為焊接過程提供更多的電力能源，避免造成過多的能源浪費(fèi)，技術(shù)人員還需要將數(shù)字化信息技術(shù)與焊接電源相融合，使焊接施工人員能夠借助儀表盤讀取電源電壓數(shù)值，并通過調(diào)整電源電壓控制焊接溫度，提升焊接工藝的精準(zhǔn)度，減少資源浪費(fèi)。2）注意焊接設(shè)備的選擇，技術(shù)人員需要根據(jù)船舶構(gòu)件材料的不同性能特征以及具體焊接要求更換不同的焊接設(shè)備，在選擇電焊機(jī)時(shí)不僅要對其焊接質(zhì)量進(jìn)行評估，還要綜合考慮焊機(jī)運(yùn)行期間的能量消耗特點(diǎn)以及污染物排放情況，保障焊接設(shè)備的綠色環(huán)保性能[6]。3）在對焊接工藝進(jìn)行選擇時(shí)，技術(shù)人員需要結(jié)合構(gòu)件材料特點(diǎn)與具體加工目標(biāo)制定合理的焊接方案，盡可能簡化工藝流程，避免因環(huán)節(jié)過多、工序復(fù)雜而造成大量資源浪費(fèi)情況，給船舶焊接工藝流程帶來嚴(yán)重的能耗問題與污染問題，影響綠色環(huán)保理念在船舶制造產(chǎn)業(yè)中的貫徹落實(shí)。

3.6 綠色涂裝工藝

在船舶設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中，涂裝的選擇對其綠色環(huán)保性能有著重要影響，涂裝材料決定船舶的外觀形態(tài)以及船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因長期浸沒于水體中，涂裝材料分子一定程度上擴(kuò)散至水體內(nèi)部，倘若涂裝含有有害物質(zhì)，會(huì)對水體造成嚴(yán)重污染。為此，技術(shù)人員在選擇船舶涂裝材料時(shí)，可以以厚膜型涂料與萬能型底漆進(jìn)行施工，確保涂裝材料無過多有害物質(zhì)，避免對水體以及人體健康造成嚴(yán)重影響。此外，在涂裝施工過程中，技術(shù)人員需要采用工序合理、流程簡單的涂裝工藝，避免過于復(fù)雜的操作步驟帶來較大的施工難度，增加其施工成本，產(chǎn)生較多不必要的資源浪費(fèi)，給生態(tài)環(huán)境帶來較大負(fù)擔(dān)。zz

4 結(jié)語

國際貿(mào)易的繁榮和水上交通運(yùn)輸體系的完善使得船舶制造產(chǎn)業(yè)的重要性不斷凸顯，綠色船舶正是基于能源短缺、污染嚴(yán)重的生態(tài)形勢背景下誕生的船舶制造理念，旨在提升船舶的整體性能，降低船舶運(yùn)行期間的能耗與排放量。在設(shè)計(jì)綠色船舶結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅需要對其船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，使用綠色涂裝、焊接、絕緣等材料來提升船舶整體的環(huán)保性能，還要融合節(jié)能減排技術(shù)以降低其能耗污染，制造技術(shù)人員需要在船體加工、焊接、涂裝等工程環(huán)節(jié)融入綠色制造工藝，提升船舶的綠色環(huán)保性能。