在設計和建造過程中控制船體鋼材重量探討

陳政 劉亞 李輝 黃德燕 王肖

摘? ? 要：在船舶建造過程中，材料管理是一項非常重要的工作，它影響著船舶建造的流暢性及生產負荷的合理性。本文旨在研究船體設計和建造過程鋼材控制要點，以及全流程、系統(tǒng)性的鋼材管控方法，實現減少船體鋼材訂貨規(guī)格和數量，減少鋼材庫存量，提高板材和型材的套料利用率，從而降低鋼板采購以及集配難度，縮短訂貨周期，達到降本增效的目的。

關鍵詞：材料；規(guī)格；訂貨；利用率

中圖分類號：U668.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Discussion on Control of Hull Material Weight in

Design and Construction Process

CHEN Zheng，? LIU Ya，? LI Hui，? HUANG Deyan，? WANG Xiao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? Guangzhou 510715 ）

Abstract： In the process of ship construction ， the material management is a very important work， which affects the smooth ship construction and the rationality of production load. The purpose of this paper is to study the design and construction material control points， comb the whole process， the systematic material control method， the reduction of hull material order specification and quantity， reduce steel inventories ， improving the utilization ratio of plate and profiles of nesting， thereby reducing steel procurement and centralized distribution difficulty， and shorten the ordering cycle， and? achieve the goal of reducing cost and incresing efficiency.

Key words： material;? specification;? order;? utilization rate

1? ? ?前言

船舶設計和建造是一個錯綜復雜的系統(tǒng)工程，而船體設計是這個系統(tǒng)工程的基礎。一艘船有幾十個甚至數百個分段，每個分段都包含板材、型材以及管材。一般情況下，鋼材成本占船舶建造總成本20%左右，通過船體鋼材訂貨和生產設計采用鋼材管控措施顯得尤為重要。

2? ? ?船體鋼材訂貨

2.1? ?船用鋼材

船用鋼材，是指按照船級社建造規(guī)范要求用于制造船體結構的鋼材。船用鋼材對強度、塑性、韌性、抗脆性、耐疲勞、耐海水腐蝕性能以及其它特殊性能有一定的要求，同時還應有良好加工工藝性能。其中，屈服強度是船用鋼材主要性能指標，通常以此作為船體強度計算的依據。船用鋼材按照其最小屈服強度，劃分為一般強度結構鋼；高強度結構鋼；焊接結構用高強度鋼：

（1）一般強度船體結構鋼

分為A、B、D、E? 四個等級，這四個等級的鋼材屈服強度和抗拉強度一樣，只是不同溫度的沖擊功不一樣；A、B、D、E分別表示其分別在20°、0°、-20°、-40°的情況下所能達到的沖擊韌性；

（2）高強度船體結構鋼

按其最小屈服強度劃分強度等級，每一強度等級又按其沖擊韌性不同分為A、D、E、F 四個等級，表示其分別在0°、-20°、-40°、-60°的情況下所能達到的沖擊韌性；

（3）焊接結構用高強度鋼

按其最小屈服強度劃分強度等級。

按船東需求，訂購不同國家規(guī)范的船用鋼材。目前國際船級社協(xié)會有12個正式會員，其規(guī)范如下：

中國? ? ? ? ? ?CCS

美國? ? ? ? ? ?ABS

法國? ? ? ? ? ?BV

挪威? ? ? ? ? ?DNV

日本? ? ? ? ? ?NK

英國? ? ? ? ? ?LR

韓國? ? ? ? ? ?KR

意大利? ? ? ?RINA

俄羅斯? ? ? ?RS

印度? ? ? ? ? ? IRS

波蘭? ? ? ? ? ? PRS

克羅地亞? ?CRS

船用鋼材，主要分為鋼板、型材、管材三種：型材主要包括球扁鋼、角鋼、圓鋼、半圓鋼、方鋼；管材主要包括圓管、方管兩種。

2.2? ?船體鋼材訂貨流程

根據鋼廠排產以及生產管理部門的要求，設計部門需在開工前120天下發(fā)鋼材訂貨清單。鋼材是根據搭載總組的先后順序分區(qū)域訂貨，考慮生產、倉庫集配方面的因素，訂貨批次以3～8批為宜；首制船訂貨是依據基本結構圖、區(qū)域結構圖以及各類結構加強圖等詳設圖紙，再結合船廠的分段及總段劃分圖、精度布置圖，最后再根據主板板縫劃分圖，通過三維軟件建模，將建模零件通過不同形式進行預套料，根據預套料情況制定訂貨清單；考慮鋼廠生產規(guī)格及加價政策、超寬板運輸限制等因素，對超規(guī)鋼板需額外注意；另外，后續(xù)船是根據上一條船的定額清單進行訂貨，如果后續(xù)船與前一條船訂貨相隔時間比較短時，一般后續(xù)船沿用上一條船的訂貨清單。依據目前訂貨流程，可按照以下幾點對訂貨成本進行控制：

2.2.1起訂量

國內鋼廠生產的船用鋼板，一般寬度≥1.6 m、長度≥6 m。船用鋼板訂貨寬度和長度上限主要取決于各船廠的預處理能力，以中船黃埔文沖龍穴廠區(qū)為例，其預處理鋼板長度≤16 m、寬度≤4 m，所以該廠區(qū)的鋼板訂貨范圍長度為6 m～16 m，寬度1.6 m～4 m；對于同厚度同材質的鋼板，如果需求較少達不到起訂標準（如寬度≤1.6 m、長度≤6 m），可考慮多船合訂或者將相近材質規(guī)格的鋼板合并一起訂貨。以中船黃埔文沖建造的85 000 DWT散貨船首制船為例，其221分段實際需要鋼板27.5x2600x4200 AH36 1張，如果直接訂貨的話實際來貨27.5x2600x6000 AH36 1張，這樣一條船實際訂貨相差1.01 t；如果采用兩船合訂的方法，直接訂27.5x2600x8400 AH36 1張，則沒有訂貨損失。

2.2.2薄板訂貨

對于厚度≤8 mm的薄板，板越寬軋廢率越高。以鞍鋼為例，6 mm薄板的軋制成功率約60%，8 mm薄板軋制成功率＞90%；此外，薄板在運輸和吊裝中極易變形，所以薄板寬度不宜>3 m、長度不宜>12.5 m。各大鋼廠厚度≤8 mm的薄板，若寬度>2.2 m單價會有較大漲幅，所以厚度≤8 mm薄板的優(yōu)選板寬≥1.6 m；對于內圍壁、內構件等結構，為了將板寬控制在優(yōu)選板寬范圍，可優(yōu)化板縫，雖然增加了焊縫，但是減少了訂貨價格，縮短了訂貨周期；對于外圍壁，因為考慮到整體外觀美觀，可不做此要求，但板寬也需盡量控制在3 m以內。

2.2.3訂貨裕度

為了保證訂貨清單的準確性，一般需設置訂貨裕度。對于系列船，其首制船鋼板可按板厚設置不超過5%的訂貨裕度，型材訂貨可加放約10%～15%的訂貨裕度，以保證連續(xù)生產；對于無后續(xù)船的產品，鋼板訂貨裕度不超過3%，型材可按高強鋼加放8%～10%的訂貨裕度，普通鋼則加放3%～6%的訂貨裕度。

2.2.4起吊能力

鋼板訂貨需要考慮鋼廠和船廠的鋼板吊車起吊能力，例如中船黃埔文沖龍穴廠區(qū)吊車起吊能力最大為20 t，因而訂貨鋼板單張盡量不要超過20 t。

2.2.5 訂貨清單數據管理

鋼材訂貨清單按船號分開訂貨，即便是系列船也要分開訂貨，這樣既能為后續(xù)的套料優(yōu)化提供空間，又便于單船的成本核算；但對于腹板高度≥430 mm的球扁鋼、板材厚度超過60 mm的鋼板，因其起軋重量和軋制要求高，鋼廠生產周期較長，為了保證船廠生產周期，可考慮采購多船的量，并做好紀錄跟蹤與閉環(huán)管理。

2.2.6庫存平衡

物資部在匹配平衡時需要靈活應變，首先保證材質一致，然后保證規(guī)格厚度一致，鋼板長和寬均要滿足訂貨清單上的原板規(guī)格，需要轉級或替代的鋼材要知會船東、船檢和項目主管，做好庫存鋼材發(fā)放使用，減少庫存，降低生產成本。

2.2.7 型材訂貨

為防止在吊運和運輸中過程變形 ，腹板高度<180 mm的型材，訂貨時長度每根不超過14 m；鋼廠生產型材長度通常為整數，為了減少訂貨成本和規(guī)格，型材訂貨時以整米數計算，一般球扁鋼、角鋼單根長度在6～16 m，管材單根長度在6～12 m，圓鋼、半圓鋼、方鋼因極易變形，單根長度以6 m為宜。

2.2.8運輸方式

鋼板的運輸主要是汽車運輸和船舶運輸，目前汽車運輸單價約550元/ 噸，船舶運輸單價約330元/ 噸；汽車運輸到貨時間2～5天，船舶運輸到貨時間10～15天。根據超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定，對于寬度超過3300 mm的鋼板無法實行汽運，只能選擇船運；一般鋼廠對于鋼板訂貨需要達到一定量才能船運，對于訂貨周期緊張的加急清單或總量不足的清單需汽運，必須限制板寬不超過3 300 mm。

2.2.9后續(xù)船優(yōu)化

后續(xù)船訂貨相對于首制船需進行優(yōu)化，根據首制船實際建造情況對板縫和余料加以優(yōu)化以增加套料利用率，余料使用可以允許少量厚度代用，原則上只允許厚代薄（厚度相差2 mm以內）、高等級代低等級，余料代用需在套料冊上標注清楚；對于同一批次進行切割分段的小零件，可考慮混合套料，減少分段余料的產生，進一步提高套料利用率。

2.3? ?套料優(yōu)化

鋼材是建造船舶的主要材料，想要降低鋼材成本，材料的充分利用十分關鍵，因此提高零件套料利用率及合理性，擁有一款先進的套料軟件顯得極為重要。但目前市面上自動套料軟件都存在一些不足之處，例如產生的余料偏多、板規(guī)選擇不夠智能、套料軟件的二次開發(fā)程度和套料水平還需進一步提高、套料利用率還有提升空間?；诖?，需要采取相應措施，提高套料利用率。

2.3.1 詳設圖紙優(yōu)化

在詳細設計階段，生產設計主管提前與詳細設計主管溝通，在滿足規(guī)范要求情況下盡量選擇厚度較薄的高強度等級板。以中船黃埔文沖建造12 000 DWT散貨船為例，其貨艙中部舷側外板，按規(guī)范要求和強度計算結果選擇21.5 mm AH32和19.5 mm AH36兩種規(guī)格均可，整個區(qū)域涉及有680 m2，以訂貨鋼板單價19.5 mm AH36 為5 630元/ 噸、21.5 mm AH32為5 530 元/噸計算，兩者差價= 48 219元。相比而言，選擇薄的鋼板強度會減弱，但整體材料價格會相對降低，并且整體結構重量減輕，增加船舶建造效益。

2.3.2 靈活建模

如果預套料階段給生產設計建模的時間比較緊，為了減少建模時間，應盡早發(fā)布訂貨清單，明確余量、焊接收縮量和板縫信息，以利于加快完成分段建模，為輪機和舾裝、電氣專業(yè)提供設計基礎，同時反饋基本結構圖存在的問題并予以完善，這樣預套料結果就更加準確，從而減少材料訂貨成本。

2.3.3鋼板規(guī)格優(yōu)選

船廠可基于預處理能力、運輸方式、鋼廠起訂標準、加價原則制定一個鋼板優(yōu)選規(guī)格（見表1），以便主板排板、選擇板規(guī)預套料作為參照。各鋼廠加價原則略有不同，生產設計階段在劃分主板排板縫時，在不增加板縫和加價的情況下，優(yōu)先考慮優(yōu)選板寬；在不加價和不降低利用率的前提下，選用規(guī)格的時候盡量選擇長板和寬板。這樣可以降低整體的鋼板數量，縮短鋼板生產周期；同一板厚同一材質，盡量采用相同規(guī)格板，以減少訂貨規(guī)格和方便施工；如果確實無法保證長度一致，可盡量保證寬度方向一致，采用同一寬度不同長度的設計可提高鋼廠的鋼坯利用率，減少交貨周期，實現雙贏。

2.3.4套料方式選擇

目前有三種常用的套料方式：大分區(qū)混套、單段套料、小單元套料。

（1）大分區(qū)混套

以大分區(qū)混套為主，即同區(qū)域內互補性強的、板厚材質近似的4～8個分段進行混合套料；

（2）單段套料

對于個別分段因協(xié)調復雜或圖紙退審遲的，實施單段套料；以單分段套料為主，特殊板厚或稀有材質的則進行組合混套；

（3）小單元套料

相鄰分段或零件互補性強的2～3個段進行混套。在預套料之前，根據圖紙退審和生產設計、生產建造計劃現場施工情況，確認分段的套料方式。

一般來講，大分區(qū)混套，設計利用率相對其他兩種套料方式有所提高，訂貨規(guī)格也會減少；缺點是理料難度大，一個分段圖紙延誤會導致整個套料組合下料圖的延誤，靈活性差，對于修改比較密集的分段不太適合；單段套料，分段單套出圖靈活性強，獨立性高，施工理料方便，但相對而言利用率偏低，余料較多；小單元套料，套料方式介于大分區(qū)混套和單段套料之間，利用率較高，出圖相對靈活，但板材規(guī)格和余料還是偏多。

2.3.5明確套料零件

分段零件，主要有整板和內構件兩類：

（1）整板一般是甲板、外板、壁板，尺寸由前期排板圖劃分決定；

（2）內構件大致可分為大型同類結構（如平直T排、肋板、隔板等）及其它不規(guī)則和小型結構。在套料時，為了保證單張?zhí)琢峡ㄌ柕睦寐?，一般整板零件單套不要與內構件混套，但是有其它少量整板零件套料達不到起訂標準時需要與內構件混套，使其滿足訂貨規(guī)格；同批次訂貨的分段，套內構件中的小型結構（風道、肘板、小肋板、小壁板等），按照優(yōu)選板規(guī)統(tǒng)一規(guī)格進行預套料訂貨，這樣可以減少訂貨規(guī)格，增進鋼廠的排產效率，減少鋼板生產周期。

2.3.6 板縫優(yōu)化

對于大開孔較多的結構件，可適當增加板縫。建模人員可根據實際情況在滿足規(guī)范要求的情況下適當增加板縫，以提高材料利用率，例如上建駕駛室等門窗開孔較多的分段。

實船案例：某散貨船7字型零件增加板縫處理，通過比較圖2和圖1，發(fā)現利用率提升不少。

2.3.7設定材料主管

單船材料主管對各分段套料后的板規(guī)進行統(tǒng)籌整合，對各分段的預套料結果審核。對于利用率不達標的需重新套料優(yōu)化，對套料不合理的分段進行調整，對余料較多的不同分段調整為共用整板，提前管控好余料的二次使用，減少訂貨數量。

2.3.8增加工裝件套料

在套料板的不規(guī)則邊角料中套入標準的工裝件，如卡碼、引熄弧板、焊接試板和其它舾裝通用件，現場部門不再單獨使用整板和大塊余料去制作這些工裝件。

2.3.9強化余料庫管理

切割產生余料及時入庫、同步更新臺賬，實現余料庫在作業(yè)區(qū)、物資部、設計部信息共享。當套料存在多個分段共用一張板時，需按生產切割順序優(yōu)化分段余料調用順序，這樣既保證生產連續(xù)性又提高了材料利用率。

3? ? ?結束語

船用鋼材是造船生產中最主要的原材料，想要降低鋼材成本，勢必要控制鋼材訂貨成本和提高鋼材利用率，其技術質量直接關系到船舶的性能水平和市場競爭力。通過以上控制要點實施，船體在建造和設計過程中船用鋼材訂貨更加快捷準確，套料的效率和利用率有了較大的提升，為船企建立產品成本優(yōu)勢，提高企業(yè)的市場競爭力打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]中國船級社.材料與焊接規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.