活動馬板的研究與應用

郄金波， 黃　燕， 黃敏健

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200030； 2.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

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活動馬板的研究與應用

郄金波1， 黃燕2， 黃敏健2

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200030； 2.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

摘要現代化造船要求綠色環保、快捷高效，同時還需降低現場施工人員的勞動強度，更要求船廠以降低建造成本、提高企業利潤為出發點進行考慮。新式活動馬板的應用改變了傳統的船舶建造工藝，基本取消了傳統焊接馬板的使用，避免了傳統馬板使用時的焊接、切割、打磨及修補等工作，提高了生產效率，獲得現場生產人員的認可。活動馬板可以重復使用，節約了馬板的制作材料，為造船企業降本增益創造了條件。

關鍵詞活動馬板優化生產效率效益

1傳統馬板應用現狀

船舶的分段總組或分段/總段搭載的傳統操作流程是先將其放置到位，再進行合攏部位的裝配，最后進行焊接。由于分段/總段合攏部位經常會出現變形，在裝配時，會采取火工或液壓油缸對存在高低差的鋼板進行校平，再通過焊接馬板以固定相鄰分段/總段，如圖1所示。傳統馬板在使用結束后，需要割除并留根，還要對留根部位進行打磨處理。在割除馬板時，由于操作不規范，個別情況割刀會傷及鋼板本體，這種情況則還需要進行補電和打磨，影響生產效率。傳統馬板重復利用率不高，一般情況下，一塊傳統馬板最多可以用四次，使得船廠必須制作一定量的馬板做為儲備，在一定程度上造成了材料的浪費。

綜上所述，傳統馬板的使用既費時、耗材，生產效率又低，不符合現代化造船的要求，在船舶市場持續低迷的環境下，這種情況亟需改善，需要設計一種不必焊接和切割、拆裝便利、可以反復利用的新式馬板。

圖1　傳統馬板的使用

2活動馬板的選型及設計

為了進一步提高工作效率、降低造船成本，同時克服傳統馬板的不足，我們與設備廠家確定了新型馬板選型的基本原則，并據此選擇了一種活動馬板應用于生產現場。

2.1選型基本原則

(1) 采用非焊接形式，盡可能省去焊接、割除、打磨甚至補電環節，安裝和拆除要方便；

(2) 通用性強，不僅能適用于平直部位的合攏，還應適用于線形部位的裝配合攏；

(3) 在使用過程中盡可能不傷及鋼板；

(4) 能通過簡單快捷的方式將兩個合攏的分段/總段錯位的鋼板拉平；

(5) 新型馬板要經濟實用，成本不能太高，且要能多次重復使用。

2.2活動馬板的設計

根據上述基本原則，我們選擇了一種“掛板+螺栓+頂板+壓板”的復合件作為活動馬板的基本形式，如圖2所示，并按照相應的施工工藝，確定了活動馬板的各部件規格參數。

圖2　活動馬板示意圖

2.2.1掛板

掛板的主要作用是將整個活動馬板的各個組件連接在一起，同時承載螺栓與壓板向下的力以及頂板向上的力。由于掛板承載最大，是整個活動馬板工裝能否實現應用的關鍵，因此我們對其進行了多型選擇。

(1) 板厚范圍。目前公司在制產品有散貨船、化學品船、LNG船、集裝箱船等民用船舶，常規分段和總段在總組和搭載過程中需要采用CO2半自動焊進行裝配定位，普通碳鋼分段在使用CO2半自動焊裝配時，兩分段/總段之間的間距范圍為6 mm～9 mm，化學品船的雙相不銹鋼分段/總段間距范圍為4 mm～9 mm。

從材質的特性出發，選擇3 mm的中間掛板通用性較強，但由于板太薄會使拉伸強度減弱，如增大拉伸強度則需要將材質提高若干等級，板材等級提高則會使得馬板成本上升；另外，由于普通碳鋼分段/總段間距較大(6 mm～9mm)，如選擇3 mm厚的中間掛板，在使用時會產生晃動。在兼顧38 000 t化學品船上不銹鋼分段的應用，綜合考慮后我們決定選擇4 mm厚度的掛板。

(2) 掛板材質。選擇16Mo和40CrMo兩種材質作為中間掛板，與之對應的板材屈服強度分別為1 200 MPa和2 000 MPa，兩種材料分別按照3 mm、4 mm、5 mm和6 mm厚度進行有限元計算，計算模型見圖3。

圖3　活動馬板掛板有限元計算模型

如圖3所示，A-A面受均勻拉力，B-B為位移約束面，有限元模型采用四節點板單元建模，材料性能參數如下。

彈性模量：2.1×105 MPa。

泊松比：0.3。

板材屈服強度：1 200 MPa和2 000 MPa兩種材料。

1 200 MPa材料掛板能承受最大拉力如表1所示，各板厚對應應力分布圖如圖4～圖7所示。

表1　1 200 MPa材料掛板能承受的最大拉力

圖4　3 mm掛板應力云圖(拉力3.4 t)　　　　　　　　　圖5　4 mm掛板應力云圖(拉力4.6 t)

圖6　5 mm掛板應力云圖(拉力5.8 t)　　　　　　　　　圖7　6 mm掛板應力云圖(拉力7.0 t)

2 000 MPa材料掛板能承受最大拉力如表2所示，各板厚對應應力分布圖如圖8～圖11所示。

在相同厚度下，16Mo掛板的拉力較40CrMo掛板小約40%，成本略低。但使用40CrMo掛板會更好地實現分段/總段的拉平，同時也能夠保障現場施工人員的安全，成本略高。在現場試驗過程中，

表2　2 000 MPa材料掛板能承受的最大拉力

圖8　3 mm掛板應力云圖(拉力5.6 t)　　　　　　　　　圖9　4 mm掛板應力云圖(拉力7.6 t)

圖10　5 mm掛板應力云圖(拉力9.6 t)　　　　　　　　　圖11　6 mm掛板應力云圖(拉力11.6 t)

16Mo掛板在使用三次后開始出現變形，而40CrMo掛板則無變形產生。綜合考慮后，我們決定采用40CrMo作為中間掛板的材料。

2.2.2螺栓

螺栓的作用是調整合攏部位鋼板的水平，同時與壓板一起將活動馬板進行固定。當時公司有一批發黑處理的螺栓，為了節約成本，充分利用庫存，我們決定使用現有螺栓進行試驗。

在螺栓螺紋形式的選擇方面，我們主要從粗牙和細牙兩種形式來考慮，分別找出其優缺點，最終確定螺栓的選型。

(1) 粗牙。

優點：螺紋少，施工人員現場操作方便，旋轉較少的圈數就可將螺栓放置到位，生產效率高。

缺點：由于螺栓受力較大，螺紋少會加大其受力，使用幾次之后螺紋容易變形甚至扭曲，使螺栓無法順利旋轉，從而導致其報廢。當螺栓受力不均時，還可能會出現螺紋迸裂或出現安全事故。

(2) 細牙。

優點：螺紋受力均勻，多次使用后，螺栓的螺紋不會變形扭曲。

缺點：螺紋多，施工人員需要旋轉多次才能將螺栓放置到位，生產效率較低。

通過綜合考慮，為了進一步保障施工人員安全并節約成本，擬采用細螺紋形式的螺栓。

2.2.3壓板

壓板與螺栓的作用類似，起到調整合攏部位鋼板水平的作用，同時還能與螺栓、掛板形成一體，承載掛板的壓力。壓板主要由螺栓孔和鋼板組成，目前考慮將螺栓孔與鋼板通過焊接形成一體。

2.2.4頂板

頂板為一底端帶槽的實心鋼塊。在螺栓及壓板施加向下的力的時候，頂板將在掛板的作用下，為螺栓與壓板起到一個支撐的作用，即在反面將鋼板的水平調整平齊。頂板與鋼板接觸的部位需要水平，同時在下端還需要開槽，以起到固定掛板并避免其左右晃動的作用。

3活動馬板的優化和改進

活動馬板樣品在試用過程中遇到了前期未曾考慮到的問題，我們對此進行了幾方面的優化和改進。

3.1增加墊片

在普通碳鋼分段上進行活動馬板樣品試驗時，螺栓直接與鋼板接觸，由于接觸部位的摩擦力過大，使用幾次之后便導致螺栓底部變圓，同時在鋼板上也產生螺栓壓痕。因此，需要對接觸部位進行保護，我們考慮在螺栓底部增加墊片，以避免產生上述缺陷。墊片可選用兩種材質：

(1) 金屬墊片。

對于普通碳鋼分段/總段，在螺栓下使用普通碳鋼的金屬墊片，經現場試用后效果明顯，但在不規范使用時，會在鋼板上產生壓痕。

(2) 塑料特氟龍墊片。

將金屬墊片調整為塑料特氟龍墊片可減少螺栓與鋼板之間的壓痕。我們試驗性地在螺栓底部鉆孔加裝特氟龍，將螺栓與塑料墊片連為一體。但在使用過程中塑料特氟龍墊片不耐磨，用過兩次以后基本磨平。同時，由于增加了機加工環節，使得馬板的總體成本上升。

經綜合考慮后，我們決定選擇金屬墊片。由于使用金屬墊片可能在鋼板上產生壓痕，為消除壓痕，我們采取了如下措施：規范活動馬板的使用，盡量將墊片使用在鋼板的相對平整部位，同時按常規力度緊固螺栓，避免使用蠻力緊固螺栓。圖12為塑料墊片形式的活動馬板。

圖12　塑料墊片形式的活動馬板

3.2改進墊片固定形式

在之前的設計方案中，螺栓墊片與螺栓均為散件，施工人員在現場使用時容易遺失墊片，散件墊片也容易掉落到分段/總段的間隙內。對此，我們考慮將墊片與壓板通過鋼絲連為一體(見圖13)，并在76 000 t散貨船和20 000 t重吊船上進行了應用，實際證實完全達到預期效果。

圖13　優化后活動馬板示意圖

3.3改進螺栓

在現場使用發黑處理的螺栓時，由于焊接飛濺很容易粘在螺栓螺紋上，且不容易清除，影響螺栓上下移動。通過與生產人員討論，我們將發黑式螺栓改為鍍鋅式，在后期的試驗過程中證實，即使焊接飛濺粘到螺栓上也很容易被清除下來。

3.4改進壓板

由于壓板承載負荷較大，為了保障施工人員的安全，需要對焊接部位進行探傷處理，處理結束后再對焊縫部位進行打磨。這一過程將帶來壓板的成本上升，我們考慮今后將壓板改為鑄造的形式，即開發專用模具，直接將螺栓孔與鋼板鑄造成型，直接打磨毛刺后即可使用。

3.5設計適用于雙相不銹鋼的活動馬板

公司承接的38 000 t化學品船，其貨艙為雙相不銹鋼材質，由于這種材質和普通碳鋼不能直接接觸，因此我們進一步研究了適用于雙相不銹鋼材質的活動馬板。

(1) 墊片、頂板與雙相不銹鋼接觸的部位采用不銹鋼材質，避免碳鋼與不銹鋼接觸而產生腐蝕。

(2) 考慮到若現場工人使用時不按規范操作，會導致碳鋼與不銹鋼接觸而產生腐蝕的情況，將壓板、掛板與不銹鋼不直接接觸的部件進行鍍鋅處理。

(3) 為了更好地減少壓板對不銹鋼的擠壓，在壓板頂端加裝不銹鋼墊板，以增大接觸部位的面積，即將之前的壓板與鋼板之間的線接觸優化為面接觸，從而降低了壓痕現象的產生。

適用于雙相不銹鋼的活動馬板的現場應用圖如圖14所示。

圖14　活動馬板在不銹鋼分段上的使用

3.6設計不銹鋼甲板艙室適用的類型

公司承接的38 000 t化學品船有四個甲板貨艙，每個貨艙均為正八面體形式，在橫截面上的相鄰兩塊不銹鋼板之間的夾角為135°。在胎架上進行甲板艙分段的制作，相鄰不銹鋼板的角度很難控制，需要使用復雜的胎架進行固定，還需要焊接馬板進行裝配定位。同時由于不銹鋼板上安裝了大量構架，在構架與不銹鋼板焊接過程中，引起了不銹鋼企口的波浪變形。上述過程會引起不銹鋼板的破損，同時還需要后續的修補工序，增加了大量工作，并浪費了大量馬板材料。因此有必要設計一種適用于控制鋼板形成135°夾角的無馬工裝，同時可以矯正鋼板企口變形的作用，更主要的是取消傳統馬板的安裝與割除工序。為此，我們設計了一種如圖15、圖16的135°夾角式的無馬工裝，通過現場使用，夾角式工裝對控制相鄰鋼板角度和企口變形起到了良好效果。

圖15　甲板艙截面圖

圖16　夾角式活動馬板示意圖

3.7制訂活動馬板的使用規范

為了更好地指導現場施工人員科學、正確地使用活動馬板，生產部門還編制并頒布了《活動馬板使用規范》，如圖17所示。

圖17　活動馬板使用規范

4效益分析

活動馬板在76 000 t散貨船、20 000 t重吊船和38 000 t化學品船上得到了成功應用，在此基礎上，公司計劃后續逐步在LNG船、45 000 t集裝箱滾裝船、超大型集裝箱船等高新產品上進一步推廣應用活動馬板。使用活動馬板實施“無馬工藝”取得了較為可觀的經濟效益和社會效益。

4.1經濟效益

以76 000 t散貨船以及38 000 t化學品船為例進行經濟效益分析如下。

4.1.1節約工時方面

從人工成本時間消耗進行統計，使用傳統馬板時，按1塊馬板制作需要3 min，電焊需要2 min，割除需要2 min，馬腳打磨處理需要10 min計算(部分打磨處還需進行補電工作)，則從安裝到拆除1塊馬板大約需要17 min。

以76 000 t散貨船為例，采用傳統馬板時，需進行對接的焊縫長度大約為2 400 m，按每300 mm一檔安裝馬板，總共需8 000塊馬板，需要2 800個工時。使用“活動馬板”后，定位焊兩端削斜打磨按每250 mm一段計算、共9 600段，再加上安裝拆除“活動馬板”的時間，大約僅需360 h工時。因此使用“活動馬板”可以節省工時約2 440 h。

38 000 t化學品船不銹鋼焊縫長度為1 800 m，碳鋼焊縫長度為1 700 m，使用傳統馬板時，按每300 mm一檔安裝馬板，總共需要6 000塊不銹鋼馬板，5 700塊碳鋼馬板，需要大約3 600個工時。使用“活動馬板”后，定位焊兩端削斜打磨按每250 mm一段計算、共14 000段，再加上安裝拆除“活動馬板”的時間，大約需要520個工時。所以使用“活動馬板”可以節省工時約3 080 h。

4.1.2節約成本方面

(1) 材料成本的減少。

① 板材。目前公司使用的常規馬板規格為12×120×150 mm，梳狀馬的規格為12×1 000×150 mm。

76 000 t散貨船為例全船大約共需8 000塊馬板，其中6 000塊為常規馬板，2 000塊為梳狀馬，按每立方米板材重7 900 t計算，單船損耗馬板板材重約20 t，板材每噸約4 000元，則使用傳統馬板將耗費約8萬元。

38 000 t化學品船大約需要6 000塊不銹鋼馬板以及5 700塊碳鋼馬板，其中4 500塊為304不銹鋼馬板，1 500塊為304不銹鋼梳狀馬，4 275塊為碳鋼馬板，1 425塊為碳鋼梳妝馬。大約有50%的馬板割下來后可以重復利用，按每立方米不銹鋼重7 930 t計算，單船損耗不銹鋼馬板板材重量約為14.6 t，碳鋼馬板板材重量約為14 t。不銹鋼每噸約24 000元、碳鋼每噸約4 000元，則使用傳統馬板將耗費約40.6萬元。

由于活動馬板可以重復利用，因此每艘76 000 t散貨船僅需200塊普通“活動馬板”，每艘38 000 t化學品船需200塊不銹鋼“活動馬板”以及200塊普通“活動馬板”，折損率約為5%，以每個不銹鋼“活動馬板”218元、每個普通“活動馬板”150元計算，則76 000 t散貨船初期需一次性投入3萬元，后續單船僅需投入1 500元；38 000 t化學品船初期需一次性投入7.36萬元，后續單船僅需投入3 680元。

與傳統馬板相比，使用活動馬板后，76 000 t散貨船首制船可以節省板材成本約5萬元，后續單船可以節省板材成本7.85萬元。38 000 t化學品船首

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Research and Application of Detachable Clip

QIE Jin-bo1， HUANG Yan2, HUANG Min-jian2

(1.School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai

200030， China； 2.Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129， China)

AbstractModern shipbuilding mode advocates environmental-friendliness, convenience and high efficiency as well as reduction of working intensity for those who work on site. Furthermore, it requires that reducing construction costs and improving enterprise profits shall be taken as the starting point by the ship yards. The application of the new type detachable clip changes the traditional shipbuilding techniques. It ends the application of the traditional welding comb by and large, thus avoiding welding, cutting and grinding, repairing work in the use of the traditional comb and raising production efficiency, which are recognized by the site workers. Materials can be saved as the detachable clip is reusable, which paves the way for cost reducing and efficiency increasing of the shipbuilding enterprises.

KeywordsDetachable clipOptimizeProductivityBenefit

中圖分類號U673

文獻標志碼A

作者簡介：郄金波(1981-)，男，工程師。