船舶管系設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

張愛虎

（黃海造船有限公司，山東 威海 264309）

0 引言

近些年，經(jīng)濟發(fā)展迅速，科技進步快，國際船舶市場競爭愈發(fā)激烈。當前各國為發(fā)展海運，降低運輸成本，提高船舶競爭力，在船舶造價上做努力，致力于減少船舶制造費用，縮短制造周期。在此過程中，船舶管系設(shè)計成為研究重點，通過降低設(shè)計周期和制造成本獲取競爭優(yōu)勢，對此，大部分船廠采取集成安裝方式，即利用單元舾裝、分段預(yù)裝方式減輕設(shè)計人員負擔，提高設(shè)計水平，并為自動化加工提供詳細的套裝安排，這些工作與計算機應(yīng)用有直接關(guān)系，船舶管系設(shè)計系統(tǒng)可以降低船舶制造成本，縮短制造周期，需要進一步創(chuàng)新優(yōu)化。

1 船舶管系設(shè)計系統(tǒng)現(xiàn)狀

造船工業(yè)中，計算機的應(yīng)用比較普遍，其最開始應(yīng)用在船體設(shè)計和建造系統(tǒng)領(lǐng)域中，當該系統(tǒng)應(yīng)用取得進展后，在管系設(shè)計系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。國外從20世紀60年代開始研究單個計算程序后，形成了計算機系統(tǒng)，之后在20世紀70年代開始在管系程序中應(yīng)用。例如HICAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)從20個世紀60年代后期開始探索性研究形成，在70年代早期形成了管子零件計算程序、自動定法蘭功能、管路布置程序、圖形顯示器管系系統(tǒng)，經(jīng)過多年研究逐步形成了管系系統(tǒng)研究體系，但是不夠完善，仍然需要深入研究，尤其是隨著計算機技術(shù)和圖形顯示技術(shù)等不斷發(fā)展，管系設(shè)計系統(tǒng)也需要隨之不斷發(fā)展[1]。當前，管系設(shè)計工作主要劃分3個階段：第1階段為原理設(shè)計，主要是指管系原理設(shè)計（原理圖）；第2階段為布置設(shè)計，主要是指管路布置（布置圖）；第3階段為出圖，主要是指管系安裝、零件圖以及材料統(tǒng)計表格等內(nèi)容。

2 船舶管系設(shè)計系統(tǒng)發(fā)展

2.1 CAD系統(tǒng)

研究發(fā)現(xiàn)，當前國外船舶管系設(shè)計系統(tǒng)主要針對圖形顯示器，在計算機硬件不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，CAD系統(tǒng)在船舶管系設(shè)計中應(yīng)用廣泛。例如，某公司的管系系統(tǒng)中應(yīng)用CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)主機為微型計算機，工作站包括圖形顯示器、字符終端、圖書轉(zhuǎn)換儀等軟硬件設(shè)備，其中圖像顯示器的屏幕點陣規(guī)格為1024×1024，該顯示器具有存儲、圖像處理功能，其所配置的經(jīng)典繪圖機、墨水筆繪圖機可以繪制中間、結(jié)果圖紙和正式施工圖紙，該系統(tǒng)后續(xù)可以實現(xiàn)優(yōu)化完善。由于上述應(yīng)用的方向，CAD技術(shù)管系系統(tǒng)也被稱為管系設(shè)計系統(tǒng)。一般管系設(shè)計系統(tǒng)包括管系布置、原理設(shè)計和生產(chǎn)信息，每部分獨立輸出文件，形成數(shù)據(jù)庫，完成各自操作。在顯示器上會顯示關(guān)系原理、布置設(shè)計，數(shù)據(jù)庫中提前存入了管線初始值，屏幕上也臨時勾畫了一部分數(shù)據(jù)，該方法與傳統(tǒng)管線走向大致一致，但是管線路徑布置與船體結(jié)構(gòu)會有矛盾，這一問題難以解決。

2.2 POPS系統(tǒng)

目前，我國缺乏性能好的OAD系統(tǒng)，對圖形顯示技術(shù)研究難以持續(xù)深入，為了完善現(xiàn)有管系設(shè)計系統(tǒng)，通過共同參與方式，也就是結(jié)合國內(nèi)的管系系統(tǒng)優(yōu)勢進行研究。例如，POPS系統(tǒng)的目標為滿足生產(chǎn)設(shè)計要求，盡量在IBM4341機上構(gòu)成新型管系系統(tǒng)，其未來發(fā)展方向在于縮短管系布置運算時間，盡可能提高其排出效果差，減少無法排出的管子數(shù)量，進而確保管線布置質(zhì)量。同時，建立完善的繪制安裝、管子零件、統(tǒng)計等方面的數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)參數(shù)存儲于其中，并不斷完善零件圖內(nèi)容，進而適應(yīng)預(yù)制新工藝要求，更好適應(yīng)船舶出口國家的各種需求，自動繪制計算機可處理信息，減少人工作業(yè)[2]。另外，希望該系統(tǒng)能夠提供完整的材料統(tǒng)計和其他生產(chǎn)管理相關(guān)表格，以滿足各種管理需求。

2.3 TRIBON系統(tǒng)

該系統(tǒng)是KSC公司開發(fā)的集CAD軟件和MIS軟件為一體的集成系統(tǒng)，其中管系設(shè)計功能可以為船舶管系設(shè)計提供輔助。該系統(tǒng)功能主要為繪制關(guān)系綜合布置圖，設(shè)計人員根據(jù)三維船體結(jié)構(gòu)圖布置管路、設(shè)備，模擬實船進行管系生產(chǎn)設(shè)計。在設(shè)計過程中，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理功能可以計算、統(tǒng)計、管理、輸出材料、數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計人員可以隨時對數(shù)據(jù)庫中查詢、增刪信息，生成表冊以及結(jié)果文件，若是表冊格式和內(nèi)容無法滿足船廠生產(chǎn)要求，可以在此基礎(chǔ)上編制相應(yīng)的表冊，也就是該系統(tǒng)可以提取數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)，并與其他系統(tǒng)交換接口工具，利用這些接口工具提取數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，利用輔助船舶設(shè)計軟件生成管子托盤表等相關(guān)表冊。

除此之外，該系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計后應(yīng)用在車間加工制作關(guān)系部件中的管子制作圖，需要根據(jù)船廠實際需求開發(fā)相應(yīng)的圖形格式，其所提供的數(shù)據(jù)主要用于自動彎管機、自動法蘭焊接機等，并由用戶決定圖形格式，所顯示的參數(shù)根據(jù)用戶需求調(diào)整，形成的三向視圖、立體式圖十分逼真，大大方便了管制加工制作和安裝[3]。同時，數(shù)據(jù)參數(shù)可以為加工制作管制提供方便，減輕了人員勞動壓力，提高了加工效率和準確性，縮短了造船周期。但是，該系統(tǒng)管系開發(fā)過程中若是出現(xiàn)管子卡、瓦量不夠無法實現(xiàn)系統(tǒng)自動增量來彎曲管制的情況，只能夠通過控制檢點防止出現(xiàn)這問題，未來需要進一步展開研究。

3 船舶管系設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 三維管系放樣

三維信息添加完成后對二維管系放樣情況進行分析，并以固定船體為核心建立三維模型，之后開展三維管系放樣。在此過程中，先要注意管系放樣綜合系列圖紙和安裝圖紙，之后繪制管子零件圖，最后編制管系明細表。但是，需要注意三維管系模型建造中的創(chuàng)建管路、修改管路、管支架三維設(shè)計等功能，同時注意建模操作實用功能。

三維管系放樣是基于二維管系放樣改進的，可以迅速生成圖標，保證數(shù)據(jù)安全，高效實現(xiàn)預(yù)舾裝，提高準確性，具體體現(xiàn)為：

1）迅速生成圖標。管制零件圖所構(gòu)成的模塊作為尺寸標準智能化功能，其有利于編輯文字、制作表格，例如Excel表格、圖形等，彼此之間也能夠通過該功能實現(xiàn)有效連接[4]。

2）保證數(shù)據(jù)安全。在數(shù)據(jù)管理中，三維管系放樣軟件的應(yīng)用可以確保數(shù)據(jù)安全和一致，并將商用數(shù)據(jù)庫作用充分發(fā)揮出來。同時，三維管系放樣技術(shù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)具有靈活性和開放性，其可以通過重新生成模型，避免三維文件丟失、損壞。另外，工作人員利用數(shù)據(jù)庫整理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，有效分類匯總數(shù)據(jù)，并將其與管理系統(tǒng)連接起來，操作更加方便。而掌握數(shù)據(jù)庫中的標準庫可以幫助工作人員簡化應(yīng)用單位圖形、附件庫及其舾裝件庫，保證設(shè)計質(zhì)量[5]。

3）提高準確性。三維管系放樣主要使用三維建模功能，也就是在計算機上基于船體結(jié)構(gòu)立體空間將管子相對位置清晰地表現(xiàn)出來，這樣既能夠減少使用的管子、設(shè)備基座數(shù)量，也能夠解決管子與船體、電纜托架、其他管子之間存在的摩擦，此時已被船東認可的建造圖紙和方案可以直接呈現(xiàn)在計算機屏幕上，若是其中存在問題可以及時改正，有效降低返工返修率，提高施工質(zhì)量和效率[6]。同時，通過應(yīng)用三維管系放樣技術(shù)也可以了解船舶中存在的問題，了解管系放樣管理是否會影響管路布置、閥件操作等。

3.2 管系安裝和制作

1）管系安裝時，先要在分段間構(gòu)建合攏管道，避免使用勉強連接技術(shù)，確保連接面規(guī)整。同時，根據(jù)船體制作安裝標準構(gòu)建開孔船艙套管，管路簡捷，若是現(xiàn)場出現(xiàn)改動或維修現(xiàn)象需要開展3次以上檢驗。之后在安裝管系時，需要根據(jù)設(shè)計要求安裝設(shè)備，不可隨意變更，定時安裝船體不同階段，定階段檢驗。而在安裝管系前需要準確標記安裝孔、基準線等，并在試階段安裝檢驗合格后正式進行實體安裝。最后在分段安裝管子時檢驗管子材料是否合格，合格后才能夠使用，并及時密封管子敞口，選擇好安裝點，若是管路較多則需要考慮管系層次、流程，遵循從內(nèi)向外原則安裝。

2）安裝管系附件時，先要根據(jù)標準信號、圖紙等要求核對管子附件，并按照管內(nèi)介質(zhì)流向確定好安裝位置，考慮壓力表、液位計等附件安裝高度。之后在安裝濾器時需要保證安裝部位是否有管子經(jīng)過，按照要求，濾器上方不可有管子經(jīng)過。而在安裝閥件時則需要確保閥件流動方向與管內(nèi)介質(zhì)相同，尤其是截止回閥、防浪閥等閥體安裝需要保證進口一致，方便開啟閥手[7]。吸入濾網(wǎng)、吸入口以及除污器的安裝則需要與船底、柜底保持適當距離。

3）安裝支架時，需要根據(jù)管制安裝位置設(shè)計選擇相應(yīng)的支撐形式、材料等，而支架焊接則需要盡可能靠近橫梁、肘板等部位以便強化構(gòu)建。另外，需要注意加強焊接甲板縫隙、機電設(shè)備等。螺栓安裝則需要確保法蘭連接材料規(guī)格符合圖紙設(shè)計要求，并保證法蘭連接螺栓螺母露出一段距離，并選擇專業(yè)設(shè)備擰接。安裝墊片時，在法蘭中只需要放置1只墊片，需要選擇合適的墊片，避免遮擋內(nèi)徑管制或附件流通方向，按照圖紙規(guī)定保證法蘭通徑選擇相應(yīng)的墊片厚度，避免隨意改動[8]，要采用材質(zhì)合適且工作性能好的管子法蘭面。

3.3 具體應(yīng)用

我國船舶管系設(shè)計系統(tǒng)受到政治、歷史等因素影響，相對于國外而言起步較晚，有些船舶公司從20世紀90年代開始研究，大部分研究人員從頭開始計算研究，例如將官洲造船廠、江南造船廠等公司所生產(chǎn)的零件計算程序進行了對比試驗，在此過程中應(yīng)用計算機技術(shù)，對統(tǒng)計功能、繪圖處理、自動頂法蘭功能等進行研究。近些年，廣州造船廠和江南造船廠采用管系系統(tǒng)，其已經(jīng)成為管系設(shè)計主要技術(shù)。實際操作時，船舶管系設(shè)計中，計算機設(shè)備提供了相應(yīng)的管子零件圖和安裝圖，利用電算化處理管子，其在船舶管子上占據(jù)大約75%。萬噸級的船舶管系放樣周期由于應(yīng)用了管系系統(tǒng)縮短了2～3個月，管子成品返修率也降低了4%～6%，這就表明該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了管子安裝加工水平[9]。不同統(tǒng)計表方便了管子外場安裝、內(nèi)場加工和搬運存放等工作，經(jīng)濟效果顯著。當前，上海造船廠憑借著高速繪圖機深入研究管子零件繪圖軟件，繪制的零件圖每張耗時大約1.5 min。零件圖提前在繪圖紙上印制，既能夠避免曬圖復制，也能夠方便工人讀圖，方便船舶生產(chǎn)和設(shè)計。另外，盡管新河船廠缺乏規(guī)范的管系程序，使用計算機和相關(guān)程序計算55 m打撈駁零件，應(yīng)用計算機制作零件圖，可以得到準確彎管參數(shù)，大大節(jié)省了描圖校對時間，提高放樣質(zhì)量、精度[10]。同時，應(yīng)用計算機可以縮短零件出圖周期，節(jié)省大約半個月的彎管工時。在外場安裝時，由于安裝數(shù)據(jù)齊全，彎管加工準確，因此可以提高建造質(zhì)量和效率，并在其他船廠的管系程序中廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

船舶中的管系設(shè)計系統(tǒng)是重要組成部分，其應(yīng)用和發(fā)展直接影響著建設(shè)質(zhì)量、效率。隨著船舶管系設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐漸擴大，應(yīng)用過程更加完善高效，我國造船行業(yè)對管系系統(tǒng)也更加重視，成為船舶生產(chǎn)制造的重要技術(shù)引導。同時，船舶設(shè)計人員在經(jīng)濟快速發(fā)展中不斷優(yōu)化，將管系系統(tǒng)與機艙布置、制造、電纜等系統(tǒng)連接起來，進而實現(xiàn)了設(shè)計優(yōu)化和系統(tǒng)集成，大大降低了成本，縮短了制造周期，增加了經(jīng)濟效益，提高了企業(yè)競爭力，為我國船舶企業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。