大型郵輪舷墻建造工藝技術(shù)

方學(xué)華,李祖發(fā),王世利,王宏明

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船舶在海洋中航行時(shí),往往會(huì)受到風(fēng)浪沖擊,其中船首、船尾受風(fēng)浪沖擊的可能性較大。舷墻通常高度約1 m,主要作用是船舶在風(fēng)浪天氣中航行時(shí)預(yù)防或減少甲板上浪,保障人員安全,防止甲板上的物品落入水中,提升船舶和人員的安全性。舷墻[1]屬于防護(hù)型結(jié)構(gòu),由外板、加強(qiáng)筋板、肘板和扶手等組成,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足自身強(qiáng)度即可,一般不參與船體總縱強(qiáng)度計(jì)算。為了減輕船舶自身重量,船舯也可以采用欄桿、玻璃幕墻和新型復(fù)合材料等形式;鋼制舷墻通常選用低合金高強(qiáng)度鋼提升耐腐蝕性。隨著船舶建造技術(shù)快速發(fā)展和滿足客戶多元化需求,舷墻使用性能有焊接固定式、活動(dòng)式,還有隱身式等,鋼制舷墻為最常見(jiàn)。

在建首制國(guó)產(chǎn)VISTA級(jí)13.55萬(wàn)t大型郵輪可容納5 000多名游客[2],外形美觀大氣,船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,共有15層甲板,每層甲板邊緣都有舷墻作為安全屏障,游客可以停留在甲板通道上吹海風(fēng)、看風(fēng)景,享受郵輪帶來(lái)的樂(lè)趣。相比其他民用船舶,大型郵輪舷墻不僅數(shù)量多,其獨(dú)特的設(shè)計(jì)融入了建筑學(xué)、美學(xué)概念,外觀線型優(yōu)美奇特,是郵輪重要的外觀工程之一。VISTA級(jí)大型郵輪見(jiàn)圖1。

圖1 VISTA級(jí)大型郵輪

1 國(guó)內(nèi)外舷墻建造技術(shù)

1.1 國(guó)內(nèi)外舷墻分段建造方案

大多數(shù)民用船舶甲板層數(shù)少,舷墻數(shù)量少、結(jié)構(gòu)單一,建造工藝技術(shù)成熟。從線型上看,舷墻分為平直型和曲線型兩種類型,平直型位于船體中間部位,曲線型位于船體艏艉兩端。平直型舷墻建造簡(jiǎn)單,在平整的工位或胎架上建造。艏艉舷墻線型復(fù)雜,建造難度較大,目前國(guó)內(nèi)外各大船廠通常采用散裝法、臥態(tài)建造法或整體建造法建造,每種工藝各具特色,既可獨(dú)立應(yīng)用,也可同步應(yīng)用。散裝法屬于傳統(tǒng)建造工藝,主要應(yīng)用于中小船舶或復(fù)雜線型,將舷墻零部件在總段上直接安裝、散貼外板,線型可控,但施工效率不高;隨著現(xiàn)代造船技術(shù)快速進(jìn)步,散裝法工藝相對(duì)應(yīng)用較少。整體建造法和臥態(tài)建造法主要不同點(diǎn)在于整體建造與分開(kāi)建造,其次胎架場(chǎng)地和基準(zhǔn)面選擇不同;共同點(diǎn)是將高空作業(yè)轉(zhuǎn)化為平地作業(yè),從而提升施工效率和安全性,整體建造法常用于精度要求較高的產(chǎn)品。臥態(tài)建造法是國(guó)內(nèi)外各大船廠應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的建造方案。

臥態(tài)建造法是將整層舷墻劃分為若干個(gè)片段,每個(gè)片段在單獨(dú)的胎架上建造,再到相應(yīng)的分段上進(jìn)行總組合攏,最終串聯(lián)形成整體。胎架以外板為基準(zhǔn)面,采用支柱式胎架,增加模板控制線型;優(yōu)點(diǎn)是所需場(chǎng)地小,制作效率高,適用于各種船型的舷墻建造。

整體建造法是將整層舷墻劃分為數(shù)個(gè)片段,并且在同一個(gè)胎架上整體正態(tài)建造,合攏口預(yù)留待焊區(qū),再與相應(yīng)的分段總組成型;該工藝胎架制作簡(jiǎn)單,以甲板結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),實(shí)質(zhì)是按照1∶1實(shí)物模擬建造,將高空作業(yè)轉(zhuǎn)化為平地作業(yè),優(yōu)點(diǎn)是將同一層舷墻的多個(gè)片段在同一個(gè)胎架上并列建造,有利于控制整體線型和精度,有利于生產(chǎn)管理并節(jié)約建造周期,適用于精度要求較高的船舶制造。

1.2 大型郵輪舷墻建造方案

大型郵輪舷墻與其他民用船舶完全不同,不僅在數(shù)量上有很大差異,尤其是建造難度前所未有。

大型郵輪舷墻數(shù)量多,艉部有30多個(gè)片段,艏部有70多個(gè)片段,共計(jì)100多個(gè)片段組成,全船舷墻總長(zhǎng)度近700 m,總共涉及15層甲板。我國(guó)造船行業(yè)首次大批量建造舷墻,數(shù)量之多,建造難度之大,創(chuàng)下了單一船型之最。

大型郵輪建造工藝技術(shù)十分復(fù)雜,包括舷墻建造技術(shù)[3]。大型郵輪舷墻外板造型獨(dú)特,最小寬度僅有0.7 m,最大寬度達(dá)到4.5 m,是普通民船4倍左右。通過(guò)三維建模,將每層舷墻劃分為6～8個(gè)片段,采用臥態(tài)建造法,根據(jù)各區(qū)域場(chǎng)地資源分別獨(dú)立建造,極大地提高場(chǎng)地周轉(zhuǎn)效率,從而有效保證生產(chǎn)計(jì)劃。另外,還將艉部舷墻與分段合并建造,不僅有利于縮短建造周期,也有利于舷墻線型和精度控制。

首先,大型郵輪舷墻是獨(dú)特的外挑式造型,每層舷墻結(jié)構(gòu)跨越甲板上下,與甲板呈斜面和小角度,施工難度大;其次,舷墻數(shù)量多,總組吊裝過(guò)程易發(fā)生變形,8 mm曲型外板變形矯正難度大;第三,高空作業(yè)多,例如第15層甲板距離地面高達(dá)52 m。這些都是大型郵輪舷墻與民船建造的典型差異。為了提高施工效率和安全性,借鑒國(guó)外郵輪建造經(jīng)驗(yàn),將國(guó)產(chǎn)首制大型郵輪艏部舷墻分解轉(zhuǎn)化為地面總組作業(yè),分別安裝在4個(gè)總段上,推進(jìn)總段結(jié)構(gòu)和涂裝的完整性,目標(biāo)是支持船塢連續(xù)搭載,提升船塢階段施工效率。

2 首制大型郵輪舷墻建造工藝技術(shù)

大型郵輪舷墻數(shù)量多,是郵輪建造重要的外觀工程,由于薄板容易變形,工藝流程要緊密圍繞變形控制和提升外觀美觀性為核心開(kāi)展,明確各工序精度要求和控制點(diǎn)。

2.1 加工技術(shù)

2.1.1 預(yù)處理

為了預(yù)防和減小薄板變形,8 mm以下薄板在預(yù)處理階段進(jìn)行滾壓校平,鋼板在多芯滾床上進(jìn)行二次滾壓校平,平整度控制在0.5 mm/m以內(nèi),充分釋放鋼板的內(nèi)應(yīng)力,保證鋼板的平整度。

2.1.2 切割精度

切割工作主要包括大量的外板和1 800 m加強(qiáng)筋板下料,外板板厚8 mm,筋板寬度僅有80～120 mm。切割變形控制是難點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),采用激光切割機(jī)和等離子切割機(jī)下料,切割精度控制到0.5～1.0 mm,為下階段精度和變形控制打下良好的基礎(chǔ)。

2.1.3 外板加工

大型郵輪舷墻外板加工有三大難點(diǎn):一是外板數(shù)量多,共有500多塊外板需要加工;二是線型復(fù)雜,艏艉線型不同,每層線型不同,每個(gè)肋位的弧度也不同,需要耗費(fèi)大量的加工樣板、周期、動(dòng)能和人工等成本;三是外板弧度大,大多數(shù)外板屬于雙曲線型,并且扭曲度與捩勢(shì)較大。

根據(jù)船體曲板加工工藝,雙曲線型外板通常采用冷加工和水火彎板工藝相結(jié)合加工成型。大型郵輪舷墻外板厚度僅有8 mm,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況,采用水火彎板工藝加工成型,外板表面會(huì)有遺留的火工痕跡,影響外觀質(zhì)量效果。為了提升舷墻外觀的美觀度,采用三芯滾床一次滾壓成型技術(shù),加工過(guò)程多次調(diào)整加工軸線和油壓機(jī)滾壓參數(shù),最終解決了舷墻外板加工技術(shù)難題。

2.2 分段建造

2.2.1 胎架

首制大型郵輪舷墻分段采用以外板為基面臥態(tài)工藝建造,分別應(yīng)用活絡(luò)胎架、角鋼支柱式胎架,并增加模板控制線型,劃出地樣線、檢驗(yàn)線,外板四周與胎架之間采用卡碼固定控制自由邊變形。

2.2.2 精度控制

外板鋪板定位后,需要進(jìn)行二次劃線,確保結(jié)構(gòu)的安裝精度,采用樣板、水平儀等檢測(cè)過(guò)程定位精度,采用全站儀測(cè)量和模擬分析,修正精度偏差。

2.2.3 焊接技術(shù)

薄板焊接包括拼板和角焊縫。薄板埋弧是焊接技術(shù)難點(diǎn)之一,焊縫容易出現(xiàn)密集氣孔和未焊透等缺陷[4]。分析認(rèn)為,焊接缺陷的根本問(wèn)題在于薄板下料過(guò)程切割端面有殘留氧化物和氮化物,其中氮化物是影響焊接質(zhì)量的主要因素。通過(guò)制定薄板焊接工藝指導(dǎo)生產(chǎn),組織焊工培訓(xùn)提升技能,控制焊接參數(shù),焊縫質(zhì)量滿足要求。焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 焊接參數(shù)(單層,焊絲φ 1.0 mm)

2.3 總組建造

總組建造是首制大型郵輪舷墻建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié),如何做好舷墻外板線型和平整度控制,是總組建造的關(guān)鍵控制點(diǎn)。施工過(guò)程需要預(yù)防吊裝變形,解決總組裝配技術(shù),克服小角度空間限制,分析舷墻變形控制與火工矯正技術(shù),確保郵輪外觀線型的美觀性。

2.3.1 吊裝變形

大型郵輪舷墻分段整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱,外板寬度大且弧度大,肘板數(shù)量少,肘板間距是普通民船的3～5倍,吊裝變形控制難度較大,后續(xù)船需要優(yōu)化吊裝方案。

2.3.2 總組裝配

按照郵輪建造工藝流程,艏部舷墻在總組階段進(jìn)行總組安裝,包括第4～15層甲板舷墻,分布在艏部4個(gè)總段上?？偨M裝配定位控制舷墻高度和甲板水平,依次裝配外板與甲板的角接縫,最后裝配甲板上、下肘板。在總組階段需要克服小空間施工的困難,保證裝配質(zhì)量,提升舷墻外觀的美觀度。

艏部第8層甲板舷墻結(jié)構(gòu)特殊,外板弧度大,支撐肘板與甲板結(jié)構(gòu)不對(duì)正,安裝在甲板軟檔,角度是以甲板內(nèi)側(cè)為圓心呈放射型。由于甲板軟檔有波浪變形,導(dǎo)致該層舷墻裝配困難。后對(duì)該層舷墻采用散裝法工藝,提升了施工效率和質(zhì)量。

2.3.3 矯正技術(shù)

大型郵輪舷墻薄板焊接和吊裝等多種應(yīng)力疊加變形復(fù)雜,一根根筋板彎曲變形,每塊超寬造型板都有復(fù)雜變形,如何將彎曲的筋板調(diào)平直,如何矯正8 mm曲型外板變形,需要深入探討舷墻矯正技術(shù)規(guī)律。

火工矯正是大型郵輪舷墻建造的關(guān)鍵技術(shù),也是舷墻建造的難點(diǎn)之一。首先需要分析舷墻矯正技術(shù),形成一套可行的工藝方案,組織火工培訓(xùn),并在技師指導(dǎo)下進(jìn)行施工;其次,開(kāi)發(fā)制作舷墻輔助矯正工裝,改善現(xiàn)場(chǎng)施工條件,提升施工質(zhì)量和效率;第三,根據(jù)船體火工原理[5],采用整體矯正工藝,外板骨架背燒處理,提升外板角變形矯正效果;第四,舷墻局部變形復(fù)雜,使用千斤頂、葫蘆等工具工裝輔助施工,采用三角形、圓點(diǎn)形和短條形等方法進(jìn)行矯正,將外板整體線型調(diào)整光順;第五,矯正順序由中間向兩端進(jìn)行逐步消除變形應(yīng)力,從變形較小處開(kāi)始矯正,變形較大的部位采用外力輔助矯正;第六,嚴(yán)格控制火工加熱溫度,最佳加熱溫度約600 ℃,圓弧板不得過(guò)度矯正,確保外觀線型光順度和筋板直線度滿足質(zhì)量精度要求。

3 技術(shù)總結(jié)與改進(jìn)建議

首先,為了提升首制大型舷墻建造質(zhì)量,積極探索國(guó)內(nèi)外先進(jìn)造船技術(shù),強(qiáng)化自主創(chuàng)新,克服工藝技術(shù)儲(chǔ)備不足,片段采用臥態(tài)建造法,場(chǎng)地資源和建造周期提升35%以上,保證了生產(chǎn)計(jì)劃按期完成;其次,在下料、加工、裝配、焊接、矯正和變形控制等方面采取有效措施,通過(guò)工藝創(chuàng)新取得多項(xiàng)成果和階段性成效,片段和總組建造質(zhì)量可控,焊接合格率達(dá)96%,精度合格率92%;第三,為了解決吊裝變形和曲型外板波浪變形,設(shè)計(jì)制作多種工裝輔助施工,攻克舷墻矯正技術(shù),平整度滿足要求,總組涂裝后外板線型光順;第四,發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)奉獻(xiàn)精神,克服小空間限制,確?？偠谓Y(jié)構(gòu)和涂裝完整性達(dá)100%,從而極大地提升船塢搭載效率。

首制船建造缺乏成熟技術(shù),未來(lái)建造工藝技術(shù)和生產(chǎn)管理仍需深入研究,建議:①優(yōu)化舷墻分段劃分與建造方案,控制片段長(zhǎng)度;②復(fù)雜線型采用整體建造法,并在分段階段完成背燒作業(yè),提升外板線型控制;③優(yōu)化舷墻片段完工后的擺放、運(yùn)輸、吊裝、加強(qiáng)和涂裝工藝,優(yōu)化片段吊裝工藝改善吊裝變形;④提高舷墻片段建造質(zhì)量的一致性,所有舷墻集中場(chǎng)地、固定班組施工,總組預(yù)留調(diào)整周期,組織有經(jīng)驗(yàn)專業(yè)火工矯正,形成固定工序;⑤研究舷墻搭載階段的矯正技術(shù),確保郵輪舷墻建造完工的平整度與美觀性。