平面流水線設(shè)計(jì)在海工半潛平臺產(chǎn)品建造中的應(yīng)用

劉旭東，費(fèi)利明

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000）

0 引言

近年來，國家陸續(xù)出臺一系列政策促進(jìn)海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。今年一季度我國海洋工程裝備成交金額躍居世界第一位。同時(shí)，在產(chǎn)量、手持訂單和新接合同等方面均居世界第一，成為名副其實(shí)的世界第一造船大國[1]。但是在技術(shù)革新、環(huán)境保護(hù)、可靠性、高附加值海工裝備等諸多方面，與建設(shè)世界第一造船強(qiáng)國的目標(biāo)還有較大差距。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)系統(tǒng)總結(jié)海洋工程裝備取得的成績和成功經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)全行業(yè)對公約、規(guī)范、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)等的跟蹤整理、吸取以及提升從業(yè)人員整體科技水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)，推動海洋工程裝備與國際接軌[2]。

另外，隨著全球?qū)Ω叨松钏霛撌姐@井平臺需求的日益劇增，傳統(tǒng)的露天場地混合型船體建造模式不能滿足此類高端平臺的建造周期和施工節(jié)奏要求[8]。

1 適用范圍

高端海工半潛式平臺產(chǎn)品的船體結(jié)構(gòu)分片、大、中、小組立制作。

平面流水線車間完成的工作，這些工作的統(tǒng)稱為內(nèi)場作業(yè)。

2 流水線分片設(shè)計(jì)、建造模式的意義

針對全球海洋勘探及生產(chǎn)的海洋基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)模日益擴(kuò)大，高端深水鉆井平臺的需求也日益劇增。相比過去 5年全球?qū)ι钏Ｑ笱b備投資金額大幅上升。再者海工深水鉆井平臺設(shè)計(jì)建造技術(shù)日趨成熟，正向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、批量化生產(chǎn)趨勢迅猛發(fā)展[5]。優(yōu)質(zhì)、高效的流水線式設(shè)計(jì)、建造模式與現(xiàn)代世界海工建造的理念和模式相呼應(yīng)。

高端海工深水鉆井平臺與常規(guī)的散貨、成品油輪、集裝箱等普通商船相比，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多、碼頭舾裝及調(diào)試周期長的特點(diǎn)。如采用流水線模式設(shè)計(jì)建造，將大大縮短船體的建造周期給后期的碼頭舾裝及調(diào)試爭取更長的時(shí)間，為項(xiàng)目的高利潤、按時(shí)、優(yōu)質(zhì)交付提供更有力保障[3]。

流水線模式對于設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)謹(jǐn)，需要從業(yè)的設(shè)計(jì)人員對于現(xiàn)場裝配、工位、場地流程等有更為深層次的解讀與理解。因?yàn)楣に噺?fù)雜，設(shè)計(jì)的周期約為先前模式的1.25倍。

流水線施工作業(yè)具有工位固定、設(shè)備固定、人員固定，零件流動、分片流動、分段流動的特點(diǎn)，而先前模式是產(chǎn)品流動，人員也流動，對比發(fā)現(xiàn)流水線作業(yè)可減少無效作業(yè)時(shí)間約 20%，設(shè)備使用率提高30%，分片一次報(bào)驗(yàn)合格率提高30%。

3 目標(biāo)產(chǎn)品項(xiàng)目基本概況

3.1 主參數(shù)

總長：102.50m；

型寬：72.6m；

主甲板高：43.5m；

操作工況吃水：19.8m；

甲板可變載荷VDL：3800t；

定員：120人；

直升機(jī)甲板：S61N，Super puma，S-92；

動力定位等級DP Class：DP3；

工作水深：1160m；

鉆井深度：7800m；

動力：主發(fā)電機(jī)組：6臺，每臺 5,500kW；推進(jìn)器：6臺，每臺 4,300kW；入級挪威船級社；船旗國：新加坡。

目標(biāo)平臺專為挪威大陸架和北海海域設(shè)計(jì)，可在包括北極圈內(nèi)巴倫支海等所有挪威海域作業(yè)，裝備有NOV最新設(shè)計(jì)的井架系統(tǒng)，配置DP3動力定位系統(tǒng)，滿足挪威石油安全局（PSA）、挪威海事局（NMD）和挪威海上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NORSOK）的嚴(yán)格要求。

目標(biāo)平臺采用上船體（DECK BOX + SUPPER STRUCTURE）、下船體（PONTOON +COLUMN + BRACING）兩大部分同時(shí)建造，船塢內(nèi)總體合攏的建造方式。平臺鋼結(jié)構(gòu)凈重約16360t，共劃分為118個(gè)分段，所有分段分為約1760個(gè)分片，其中 85%的分片在平面流水線車間流轉(zhuǎn)生成輸出，在外場由分片合攏成分段及總段。

3.2 效果圖

效果圖見圖1。

圖1 北海深水半潛式鉆井平臺效果圖

4 流水線分片設(shè)計(jì)、建造模式的背景與簡介

4.1 平面流水線設(shè)計(jì)、建造籌劃背景

為順應(yīng)企業(yè)發(fā)展，現(xiàn)有建造場地布局不能滿足日益劇增的項(xiàng)目建造需求。在建造過程中，南方夏雨和北方冬雪及嚴(yán)寒，都嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度，給項(xiàng)目按時(shí)交付帶來不利影響。

以往的單一施工圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工模式，不能滿足平面流水線的流轉(zhuǎn)需求。設(shè)計(jì)上改用了與平面流水線設(shè)計(jì)匹配的 TRIBON M3 Planar Hull Modelling 設(shè)計(jì)軟件。

4.2 匹配平面流水線模式出圖設(shè)計(jì)簡介

4.2.1 匹配流水線結(jié)構(gòu)圖紙輸出目錄，見表1

表1 TRIBON M3匹配流水線結(jié)構(gòu)圖紙目錄

4.2.2 軟件簡介

基于TRIBON M3的三維數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程和工作標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理一體化，殼舾涂一體化要求，為船舶企業(yè)提供完整的全船生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙和管理表單，促進(jìn)船舶企業(yè)的信息化建設(shè)，使船舶企業(yè)的船舶建造水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，為船舶企業(yè)滿足PSPC規(guī)則要求建立了重要基礎(chǔ)。近年來，在十多家大中型船廠、30多型200多艘各類船舶的建造中推廣應(yīng)用，鋼材一次利用率和舾裝率顯著提高，明顯縮短了設(shè)計(jì)和建造周期，取得顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目的適用性達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

4.2.3 匹配平面流水線《船體結(jié)構(gòu)零件編碼規(guī)則》匯編

為匹配平面流水線建造模式，規(guī)范結(jié)構(gòu)分段零件流向。結(jié)合公司生產(chǎn)、下料、裝配實(shí)際情況，經(jīng)生產(chǎn)、MPC、工藝等多部門反復(fù)探討、推敲，繪制了新的《船體結(jié)構(gòu)零件編碼規(guī)則》。該規(guī)則于 2013年10月首次發(fā)布，2014年12月發(fā)布更新版。

《船體結(jié)構(gòu)零件編碼規(guī)則》詳細(xì)規(guī)范了結(jié)構(gòu)零件的件號名稱編寫標(biāo)準(zhǔn)、零件的加工、裝配以及零件形成的板架、組立后具體流向代碼。標(biāo)志著所有單一零件下料后零件所需流向的具體工位，在第一級工位形成組合件、板架、組立后下一級需要流向的工位。以便于MPC按照工位、分片、組立次序等分批次、按生產(chǎn)計(jì)劃配送現(xiàn)場所需零件，達(dá)到了圖、料、現(xiàn)場施工整體貫穿一條線的狀態(tài)。

4.2.4 零件編碼剖析

板材零件套料圖，見圖2。零件圖，見圖3。

圖2 板材零件套料圖截圖

圖3 零件實(shí)物截圖

4.3 平面流水線工位流轉(zhuǎn)與施工圖匹配情況簡介

4.3.1 平面流水線車間作業(yè)流程示意圖

見圖4。

4.3.2 供流水線部件預(yù)制圖紙截圖

見圖5。

平面線（內(nèi)場）各工位圖紙截圖和現(xiàn)場截圖見圖8至圖14。

圖4 平面流水線車間作業(yè)流程示意圖

圖5 供流水線部件預(yù)制圖紙

圖6 流水線部件現(xiàn)場實(shí)物截圖（C工位）

圖7 供流水線小分片圖紙截圖（S&M工位）

圖8 流水線小分片現(xiàn)場截圖

圖9 供流水線分片拼板圖紙截圖（P工位）

圖10 流水線分片拼板現(xiàn)場截圖

圖11 供流水線分片一級骨材圖紙截圖（L工位）

圖12 流水線分片一級骨材裝配截圖

圖13 供流水線分片二級肋板裝配圖紙截圖（H工位）

圖14 流水線分片二級肋板裝配截圖

表2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍圖示說明以典型板架分析

圖15 平面流水線車間主線

圖16 主板焊接采用雙絲埋弧焊

4.3.3 平面流水線車間作業(yè)節(jié)拍分析[4]

見表2。

4.3.4 平面流水線車間主線照片

見圖15。

4.3.5 平面流水線車間主要高效設(shè)備[5]

如圖16所示，主板焊接采用雙絲埋弧焊，焊接速度可提升50%以上。

如圖17所示，縱骨焊接采用16臺自動角焊機(jī)焊接，與常規(guī)焊接相比效率提高2倍至3倍。

根據(jù)流水線流動節(jié)拍 6-8小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)一次預(yù)估，平面車間內(nèi)每班次消耗的鋼材大約合計(jì) 80-100噸/天，一年消耗鋼材大約3萬噸。

以一條典型半潛平臺為例，全船結(jié)構(gòu)重量約為1.2萬噸，一年可做2-3個(gè)同類項(xiàng)目的排產(chǎn)計(jì)劃。

圖17 縱骨焊接采用16臺自動角焊機(jī)焊接

4.4 平面流水線產(chǎn)能分析[6]

見表3。

表3 按典型板架分析

4.5 平面流水線模式與以往非流水線外場作業(yè)比對（設(shè)計(jì)工時(shí)、建造周期對比）

以一條典型半潛平臺為例，平面流水線比非流水線分段設(shè)計(jì)周期平均增加約 13天,因?yàn)槠矫媪魉€設(shè)計(jì)是將先前的單一下發(fā)施工圖模式，改為按照生產(chǎn)現(xiàn)場工序、工位出圖模式，設(shè)計(jì)工藝分類詳細(xì)，從而增加了設(shè)計(jì)周期。雖然增加了設(shè)計(jì)周期，但是分段建造周期（從開工到焊后報(bào)驗(yàn)）因?yàn)槠矫媪魉€設(shè)計(jì)改善平均縮短約 30天左右，這得益于設(shè)計(jì)、工藝與現(xiàn)場工位、工序、設(shè)備、作業(yè)環(huán)境的改進(jìn)。

以下為非流水線建造模式與流水線建造模式設(shè)計(jì)、建造周期比對。分段設(shè)計(jì)周期比對如圖18所示。分段建造周期比對如圖19所示。

圖18 分段設(shè)計(jì)周期比對

圖19 分段建造周期比對

4.6 平面流水線模式在海工領(lǐng)域前景展望

首先能提供我國海洋工程裝備建造能力。平面流水線設(shè)計(jì)建造得以廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)殼、舾、凃一體化建造模式。對縮短建造周期，提供建造質(zhì)量、技術(shù)水平、制造工藝具有深遠(yuǎn)意義，也必將對提高我國海洋工程裝備建造產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

其次，可以解決實(shí)際生產(chǎn)中的從業(yè)人員瓶頸問題。由于近年來有經(jīng)驗(yàn)的從業(yè)人員相繼退休而急劇減少，年輕的從業(yè)人在短期內(nèi)還難以掌握系統(tǒng)造船的復(fù)雜模式，所以該行業(yè)后繼乏人。行業(yè)內(nèi)從業(yè)人員提升及傳統(tǒng)復(fù)雜建造模式改革，成為整個(gè)海工建造系統(tǒng)的一大瓶頸。平面流水線設(shè)計(jì)、建造模式能夠很好的解決這一瓶頸難題。即將復(fù)雜的設(shè)計(jì)、建造技術(shù)細(xì)化分解為各單一的固定工位、工序，便于從業(yè)人員掌握和應(yīng)用。

再次，可以提高海洋工程裝備建造速度，保證建造質(zhì)量。提高海洋工程裝備建造速度和建造質(zhì)量是行業(yè)的生命力，同時(shí)也是在國際市場競爭中取勝的重要保證。平面流水線設(shè)計(jì)建造模式使產(chǎn)品過程工序單一化，無論是技能掌握還是實(shí)際操作都做到了分化、分解，為提高效率和質(zhì)量創(chuàng)造了有利條件。

最后，大幅度減輕了從業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。傳統(tǒng)的單一施工圖外場作業(yè)模式，設(shè)計(jì)僅下發(fā)分段施工圖，設(shè)計(jì)簡單、材料整體打包配送現(xiàn)場。工人露天外場作業(yè)。平面流水線設(shè)計(jì)建造模式，從設(shè)計(jì)分工位工序下發(fā)圖紙，材料也按照工序、工位現(xiàn)場需求計(jì)劃有序配送，通過工藝、工序、設(shè)備、作業(yè)環(huán)境等一系列的改善，大大降低了從業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

5 結(jié)論

在未來全球油氣開發(fā)中，油氣增量主要來自深水特別是超深水海域。超深水油田開發(fā)是未來的發(fā)展趨勢，打開這個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵在于是否有配套的開發(fā)裝備，而超深水鉆井平臺就是這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

目前五分之三的國際超深水平臺在中國建造，國際主流客戶開始在中國下單，這是中國海工的突破。在短周期內(nèi)大量采用新技術(shù)和工藝，對中國海工行業(yè)也具有很大的挑戰(zhàn)性。

平面流水線模式在海工行業(yè)應(yīng)用在國內(nèi) 才剛剛起步，還需要多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐，船廠各部門的密切協(xié)同才能逐步完善，真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效還有很長的路要走。船體建造是半潛式平臺的先驅(qū)工程，實(shí)現(xiàn)平面流水線建造模式起到項(xiàng)目按時(shí)交付的領(lǐng)頭羊作用，才是真正的意義所在。

[1]高稷.世界造船業(yè)的發(fā)展趨勢和研發(fā)動態(tài)[J].經(jīng)濟(jì)縱橫,2004.

[2]張明華.精益造船模式研究[M].中國經(jīng)濟(jì)出版社,2005.

[3]馬延德.深水半潛式平臺概要建造方案[J].中國造船,2008年11月增刊.

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[5]忻賢鴻.淺論江南造船廠引進(jìn)平面分段流水線[J].上海造船,1996(1).

[6]羅來友.工時(shí)物量分析在平面流水線中的應(yīng)用[J].廣東造船,2011(1).