艉部導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝研究

中圖分類號：U671.4 文獻標志碼：A

Research on Integrated Post-Boring Process for Stern Fairing and Stern Frame

LUO Wenqing'， HE Jinwei2， ZHANG Yuqi3， LIU Hui3， ZHOU Bo3（1.DalianCOKSengCOiaCa;toKingCO.，t6China;3.SchoolofNavalArchitectureandOceanEnginering，Dalian UniversityofTechnology，Dalianl16024，China）

Abstract： In traditional shipbuilding processes，segmented connections between the stern fairing and stern tube often induce out-of-roundness in the stern tubedue to welding deformation，leading to prolonged construction cycles and reduced precision.This study proposes an integrated post-boring process for the stern fairing and ster frame by analyzing assembly and boring methods fora 61Oo DWTbulk carrier.The approach mitigates welding deformation effects on stern tube accuracy，shortens construction timelines，and enhances economic efciency，offering a reference for similar shipbuilding workflows.

Key words： stern fairing; stern frame; integrated; boring

1 引言

在船舶節(jié)能領域導流罩作為常用的一種水動力節(jié)能裝置，近年來其裝配數(shù)量正呈現(xiàn)出穩(wěn)步攀升的趨勢[。船舶導流罩通常安裝于螺旋槳正前方，其外觀形態(tài)呈現(xiàn)為圓形或近似圓形。該裝置憑借其特定的結構設計與流場引導特性，使得船舶周邊處于自然紊流狀態(tài)，四下分散的水流經(jīng)引導后形成軸向水流，由此促使局部水流流速提升，降低船體所受阻力，其省油率可達 。近年來眾多科研人員針對導流罩，從初始的設計規(guī)劃、加工制作，再到后續(xù)的質量檢驗以及現(xiàn)場安裝工藝等諸多方面均開展了研究。部分學者基于特定船型探討了導流罩制作安裝的具體工藝步驟[-4，為今后制造類似結構的導流罩提供參考經(jīng)驗。熊源泉5研究了船舶導流罩的安裝定位流程，并在一定程度上提高了施工效率。王友樂等介紹了某科考船的導流罩改造工程，對其安裝工藝進行了合理性分析。還有若干學者針對導流罩的振動控制、結構強度及質量檢驗等問題進行了分析與研究[7-9。然而，現(xiàn)階段在導流罩安裝環(huán)節(jié)中有關艉軸管失圓情況的管控研究還較為匱乏。與艉軸管相連的艉部船體結構，其裝配、焊接等作業(yè)均會對艉管精度造成影響。因此，艉部分段的施工及艉管的鏜孔作為船廠管理的重點，需嚴格控制并不斷探索更為優(yōu)化的工藝方法。

本文對61000DWT散貨船艉框架和艉部導流罩合攏及艉軸鏜孔工藝進行研究，分析不同做法的流程、周期及對艉管失圓精度的影響，并結合實際工程數(shù)值統(tǒng)計情況，提出了一種艉部導流罩與艉框架安裝以及鏜孔的更優(yōu)工藝流程方案。應用船舶導流罩與艉框架分段一體安裝工藝，將艉部導流罩與艉框架在分段建造階段整合為整體單元，通過定位與協(xié)同安裝，達到結構連續(xù)性及功能一體化，從而實現(xiàn)艉部導流罩與艉框架一體后鏜孔的工藝方案。

2艉管及艉框架作業(yè)流程

2.1艉部結構分段劃分

以61000DWT散貨船為例，通常艉部船體結構劃分為艉框架APU（含艉柱及艉軸管）以及艉尖艙AP1（艉軸管冷卻水艙部分）兩個分段。分段劃分如圖1所示。

2.2艉部分段作業(yè)流程

在船舶建造領域，為有效縮短造船周期并降低因現(xiàn)場鏜孔操作所帶來的質量風險，當前船廠普遍推行一種優(yōu)化方案，即在專業(yè)配套廠家內將艉管與艉部鑄件（船體艉柱）預先一體化成型構建為艉框架分段，而后開展鏜孔作業(yè)。當艉框架分段加工完畢并運送至船廠后，隨即與AP1分段展開合攏作業(yè)。在此過程中，需精準管控艉軸與船體分段搭接部位延板的焊接次序，對艉管失圓問題予以控制。自艉部分段完成搭載至軸系照光期間，艉管相關數(shù)據(jù)會產(chǎn)生微小變化，不過最終艉管數(shù)據(jù)的波動幅度可被限定在 0 . 3 m m 之內，該精度可達到襯套壓入以及艉軸順利搭載的所需條件。從A P U × A P 1 分段預合攏起始，直至完工報檢結束，整個流程周期約為15個工作日。部分段作業(yè)流程如圖2所示。

3增設導流罩對生產(chǎn)周期及艉管精度的影響

3.1增設導流罩后部分段作業(yè)流程

在船舶建造過程中，增設導流罩后，為有效控制其焊接過程對艉管精度造成的影響，需采用特定的焊接順序及作業(yè)方向。由于導流罩焊接于槳轂鑄件，在焊接時依據(jù)材料特性及工藝要求，需進行預熱及保溫處理。這一系列操作致使作業(yè)流程更加復雜化，作業(yè)周期顯著延長，生產(chǎn)效率降低，并且質量管控難度隨之增大，質量風險也相應提升。經(jīng)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計， A P U × A P 1 分段自預合攏階段直至完工報檢，整個周期延長至25個工作日。船體艉部分段的施工流程如圖3所示。

3.2導流罩作業(yè)對艉管精度的影響

鑒于半導流罩結構處于艉軸管上方，在其安裝過程中，裝配、焊接等工序產(chǎn)生的收縮應力方向朝上，這使得艉軸管失圓所受影響也主要集中于垂直方向。基于此，為最大程度上降低對艉軸的不利影響，在施工過程中必須嚴格把控導流罩的焊接順序、精準規(guī)劃焊接方向并合理設定焊接參數(shù)。導流罩作業(yè)對艉管失圓的具體影響情況如圖 所示，其中數(shù)字編號為相應的焊接順序，為后續(xù)施工優(yōu)化及質量控制提供了關鍵依據(jù)。

通過對部分配備導流罩的在建船舶艉軸失圓情況進行統(tǒng)計分析，結果如圖5所示。由圖可知，導流罩安裝過程對艉部結構的失圓影響較大，且影響集中表現(xiàn)在上下方向。經(jīng)測量，具體失圓量接近 0 . 3 m m ，這一偏差為后續(xù)的軸系相關作業(yè)環(huán)節(jié)造成了一定的操作難度與潛在風險，對船舶建造精度控制及后續(xù)性能保障提出了更高的要求。

4艉部導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝

本文提出了一種創(chuàng)新性工藝方案，即先實現(xiàn)導流罩與艉框架的一體化構建，而后在此基礎上開展艉軸管鏜孔作業(yè)。該方案能夠有效避免傳統(tǒng)施工流程中導流罩安裝環(huán)節(jié)對艉軸失圓所造成的不良影響，同時顯著縮短了因導流罩安裝工藝繁瑣而增加的分段預合攏生產(chǎn)周期，進而消除了其對生產(chǎn)進度的不利干擾。改進后的詳細施工流程如圖6所示。

4.1框架分段制作工藝

在船舶APU分段的制作流程中，以外板側作為基準面。翻身作業(yè)環(huán)節(jié)中針對受力較為集中、易發(fā)生變形的關鍵部位，如艉管與外板連接的過渡區(qū)域、大面積薄板拼接處，使用H鋼進行加強。此外，在分段的底部及側面布置臨時支撐結構，采用工字鋼、槽鋼等依據(jù)分段的外形輪廓和重量分布進行搭建，保證后續(xù)焊接過程中結構的穩(wěn)定性。

在APU分段制作過程中對焊接過程進行精細管控，減小裝焊變形產(chǎn)生的影響。由于該分段包含鑄件部位，依據(jù)材料特性及工藝標準，在相應施工階段需執(zhí)行預熱處理?？紤]鑄件的材質、厚度以及環(huán)境溫度等因素，設定預熱溫度。合理控制焊接順序，依據(jù)對稱焊接與分段退焊原則，對于APU分段中具有對稱結構的部件，從中間向兩端對稱施焊，使熱量均勻分布，相互抵消一部分變形應力。在焊接長焊縫時按照由后向前、分段倒退的順序依次施焊。焊接過程中每隔一定焊縫長度檢查焊接變形情況，適時調整焊接參數(shù)。此外，在焊接完成后實施焊后矯正，依靠機械矯正、火焰矯正等手段對超出允許范圍的變形進行矯正，確保結構符合分段制作精度要求。

4.2導流罩安裝工藝

采用H鋼制作固定胎架，H鋼具體規(guī)格為200m m× 2 0 4 m m× 1 2 m m 。胎架搭建完成后將其水平放置，并進行水平計測獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入計測表便于后續(xù)查閱與分析。同時，將測得數(shù)據(jù)準確標注于胎架上平面預先設定的指定位置，為后續(xù)施工作業(yè)提供依據(jù)。船舶艉框架分段裝配環(huán)節(jié)，先將艉框架分段以肋位面為基準豎起，放置于已搭建完成且水平校準后的胎架上。利用中心線掛錘至地坑的方法，結合十字線地樣展開操作，計測艉管前端與后端中心位置，以此精確判定APU分段所處的水平方位。待水平計測完成后，開展前后及左右對稱分布的固定點焊接，共計12個焊接固定點。在每個固定點處，焊接長度不得小于 2 0 0 m m ，且需確保至少進行3道焊接，以保障焊接接頭的強度與穩(wěn)定性。焊接作業(yè)全部結束后，再次確認中心線的偏差量。

當APU分段固定完成后，進人導流罩安裝階段。依據(jù)設計圖紙明確導流罩與艉框架的尺寸、形狀及安裝位置要求，包括關鍵控制點的三維坐標、導流罩艉方向、左右偏移量及與艉框架的相對角度等。而后實現(xiàn)導流罩初步就位，將導流罩緩慢吊運至艉框架的安裝位置上方。對導流罩進行初步的位置調整，使其位于設計位置附近，初步控制導流罩與艉框架的間隙在 1 0～2 0 m m 范圍內，以便后續(xù)精確調整。初步就位后搭建臨時支撐結構，采用工字鋼或槽鋼依據(jù)導流罩外形輪廓合理布置，保證后續(xù)調整過程的穩(wěn)定性。最后對導流罩定位進行精確調整，通常選取導流罩的艉端點、左右邊緣中點以及與艉框架連接部位作為導流罩定位的關鍵控制點，對導流罩上預先設定的關鍵控制點進行三維坐標測量，每個點至少測量三次后取平均值作為結果。將測量結果與設計數(shù)據(jù)進行對比，計算出各控制點在縱向、橫向及垂向三個方向上的偏差值，據(jù)此進行精確調整。而后測量導流罩與艉框架連接平面的平面度及導流罩相對于艉框架的角度偏差，并進行修正。再次進行復核，最終實現(xiàn)艉部導流罩在與艉框架一體過程中的精確定位。在各部件逐一安裝精確就位的基礎上，為進一步強化整體結構的強度與穩(wěn)定性，采用槽鋼對已裝配完成的結構進行加強處理。安裝狀態(tài)如圖7所示。

導流罩的焊接過程中，焊接順序的具體要求見圖4。操作過程中嚴格依據(jù)焊接工藝規(guī)程所規(guī)定的焊接參數(shù)來實施作業(yè)。鑄鋼件區(qū)域需按照鑄鋼件焊接施工專項要領展開具體工作，核心在于實施預熱與緩冷處理，并針對層間溫度進行控制。其中，焊前需將焊件預熱至 并維持該穩(wěn)定狀態(tài)[]。若遇到不同厚度鑄鋼件組合的情況，應依據(jù)先薄后厚的焊接原則，先對較薄鑄鋼件施焊，待其緩慢冷卻到合適溫度區(qū)間后，再對較厚鑄鋼件進行焊接，整個焊接流程采用多層多道焊工藝，旨在有效降低熱輸入量，最大程度上防范焊接變形的產(chǎn)生[12]。為確保焊接過程的平衡性與結構穩(wěn)定性，安排兩名焊工于左右舷同步開展對稱焊接作業(yè)。與此同時，在整個焊接流程期間實時計測艉軸中心線的變化情況，及時發(fā)現(xiàn)并糾正潛在偏差。待鑄鋼件部分焊接完畢且冷卻滿 2 4 h 后，依照無損檢測標準流程進行探傷檢測，確保焊接質量符合船舶建造標準要求。

4.3鏜孔工藝

導流罩安裝完畢后，操控船舶分段回歸至外板基準狀態(tài)，拉線測量保證艉軸中心維持水平，而后將分段與胎架焊接固定。由于施工現(xiàn)場設備高度的局限性，采取將導流罩部分安置于地坑的策略，以降低整體裝配結構的高度，滿足作業(yè)空間要求。隨之開啟鏜孔作業(yè)，首先執(zhí)行半精鏜工序，單邊預留加工余量 2 m m ，完成后需對鏜孔機械重新進行精確校中，通過測量與調試，確保主軸軸線與APU中心線精準重合，最后進行精鏜直至達到完工標準。其間，各檔孔徑的尺寸必須一次性鏜削成型，嚴格禁止接刀操作[13]。同時，控制內孔與APU中心線同心度偏差，使其維持在 0 . 0 3 m m 及以下的區(qū)間內。對內孔表面粗糙度進行精細管控，使其穩(wěn)定維持在規(guī)定要求的范圍之內[4]。鏜孔作業(yè)如圖8所示。

4.4部APU與AP1分段合攏工藝

在APU與AP1分段的預裝環(huán)節(jié)，以肋位面作為基準面。將AP1分段以前表面呈水平狀態(tài)安置于胎架上，于上端中心以及龍骨中心位置懸掛線錘至地面，通過線錘所指示的垂直方向，繪制出該分段的中心線，作為后續(xù)裝配基準。而后，將APU分段吊運至AP1分段上方，緩慢下放，使其初步就位。自艉管艉端中心垂直懸掛線錘至地面，測量線錘與首端中心在水平方向上的偏差值，并對APU分段進行精細調整，直至艉管艉端與端中心重合。此外，從APU分段上部艉框架與舵撐的接縫處中心線位置同樣懸掛線錘至地面，測量其與地面既有中心線之間的偏差值，并調整使二者重合，保障整個裝配結構在縱向與橫向維度上的精準定位。

完成APU與AP1分段的精準定位后，開啟裝配焊接作業(yè)。焊接前依據(jù)經(jīng)驗及數(shù)值模擬分析，計算出焊接過程中的變形趨勢。APU分段艉柱與艉軸管連接部位精度要求較高，以確保軸系安裝后的同心度。在胎架制造階段，對承載APU分段的胎架面板設置橫向反變形。AP1分段涉及艉軸管冷卻水艙，內部結構包含眾多加強筋、隔板，根據(jù)其結構特點在胎架上艙壁對應位置設置縱向及橫向的組合反變形，以抵消焊接后可能出現(xiàn)的收縮與扭曲變形。同時監(jiān)測胎架的平整度和反變形設置精度。此外，根據(jù)分段加工特點設計并制作專用臨時支撐結構。APU與AP1分段合攏前，在分段接口下方每隔 5 0 0 m m 布置一道橫向支撐，對于艉柱等關鍵部位，采用環(huán)抱式夾具進行加固，防止在焊接過程中艉柱發(fā)生位移變形。在冷卻水艙內部，沿艙壁和隔板的縱向方向，每隔 安裝一道豎向支撐，并檢查支撐的垂直度，確保偏差不超過 在胎架上對APU與AP1分段進行定位時，測量分段三維坐標。以艉軸管中心線作為基準線，將APU分段的艉軸管中心線與胎架上預先設定的理論中心線對齊。而后以艉軸管中心線為基準，依次調整分段的艉柱垂直度、艙壁平面度等。AP1分段定位同樣遵循此原則，確保兩個分段在合攏前處于精準的相對位置，避免偏差產(chǎn)生裝配應力，進而引發(fā)裝焊變形。此外，制定合理的焊接順序方案，確保結構整體受力均勻、變形可控。

施工作業(yè)期間每日運用線錘進行不少于兩次的偏差監(jiān)測，通過垂直懸掛線錘，測定各處關鍵部位與基準線之間偏差的變化情況。若偏差超出允許范圍，應依據(jù)實際情況適時調整裝配及焊接操作順序。此外，注意艉軸管前面兩處延板在當前階段暫不納入裝配及焊接作業(yè)范疇，避免因過早固定可能引發(fā)的應力集中或結構變形等問題。APU與AP1分段合攏作業(yè)狀態(tài)如圖9所示。

4.5艉軸管延板焊接工藝

基于應力分布與結構變形控制的考量，艉軸管與AP1分段結構連接處延板的裝配及電焊作業(yè)應在周邊其他所有焊縫均已完成焊接工序之后進行。61000DWT散貨船在該部位設有兩塊環(huán)形延板，它們采用搭接的方式構建結構連接。

將環(huán)形延板所處位置沿圓周方向八等分，運用測量儀器對管變形數(shù)據(jù)進行實時采集。原則上應選定在艉管變形呈現(xiàn)負值的方向上啟動起始焊接工序。注意實際操作過程中，需依據(jù)現(xiàn)場實測獲取的艉管失圓數(shù)據(jù)進行綜合分析，以確定最為適宜的焊接起始位置，確保焊接過程能夠有效抵消或補償既有變形。焊接作業(yè)執(zhí)行階段，調配兩名專業(yè)焊工嚴格依照預先指定的焊接順序以及方向，于環(huán)形延板兩側同步開展對稱焊接操作。在每個等分位置先進行打底焊，待全部位置的打底焊工序完成后，再依序推進蓋面焊接作業(yè)，以確保焊縫質量與結構強度的逐層提升。每完成一面的焊接任務，即刻對艉管的失圓數(shù)據(jù)進行重新采集與分析，依據(jù)最新計測數(shù)據(jù)反饋，重新規(guī)劃下一批次焊接作業(yè)的起始順序，形成閉環(huán)式的動態(tài)調整機制。

6 結語

本文針對61000DWT散貨船在增設艉部導流罩的情況下，船體艉部分段不同的作業(yè)流程對工期及艉軸管失圓精度的影響進行了總結分析，得到以下結論：1）先鏜孔后安裝導流罩使得作業(yè)流程更為復雜，生產(chǎn)周期顯著延長，影響生產(chǎn)效率，加大了質量管控難度與風險；2）導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝，可顯著縮短施工周期，提高生產(chǎn)效率，整個施工過程更為流暢高效；3）導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝改善了艉軸管失圓情況，保障了艉軸安裝精度，提升了船舶整體建造質量；4）導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝在船舶建造過程中能更好地控制質量和進度，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

參考文獻

5導流罩與艉框架一體后鏜孔工藝艉軸精度分析

實施導流罩與艉框架一體化鏜孔工藝方案后，經(jīng)系統(tǒng)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析可知，軸管失圓情況得到顯著改善。在船舶建造完工階段，艉軸管失圓量能夠基本穩(wěn)定控制在 0 . 1 5 m m 左右，相較于傳統(tǒng)工藝，該精度提升幅度較為顯著。這一優(yōu)化成果有效規(guī)避了因艉軸管失圓而對艉軸后續(xù)安裝作業(yè)可能產(chǎn)生的諸多不利影響，保證了艉軸安裝的精度要求。與此同時，該工藝方案整體作業(yè)效率得到顯著提升，有效縮短了船舶建造周期。相關艉軸失圓數(shù)據(jù)的詳細分布情況如圖10所示。

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