25萬t大型礦砂船建造關鍵技術

錢海煒， 錢 娣， 曹越新

(1. 舟山長宏國際船舶修造有限公司， 浙江 舟山316052；2. 上海船舶工藝研究所， 上海 200032；3.常石(上海)船舶設計有限公司 秀山分公司， 浙江 舟山 316261)

0 引 言

隨著船舶建造技術的逐步發展，特別是大型甚至超大型船舶的大規模建造，為提高船舶建造效率，提高各階段設備、場地利用效率，造船工序提前使得分段劃分、總段劃分越來越趨向于大型化。25萬t礦砂船分段、總段跨度大，質量重，數量多，因而在其設計和建造過程中，對吊裝技術、精度控制、焊接工藝和單元模塊化的研究和運用具有重要意義。

1 大型分段吊裝技術

1.1 全船分段吊裝分析

25萬t礦砂船全船吊裝統計如表1所示。

表1 25萬t礦砂船全船吊裝統計表

根據25萬t礦砂船全船結構強度及各區域分段、總段質量、尺寸等可以分析得到，上層建筑整體吊裝難度較大，涉及龍門吊的設計起吊能力和上層建筑本身的結構強度，因此在設計階段優先考慮上層建筑整體吊裝方案。

1.2 上層建筑整體吊裝的優缺點

目前在國內各大船廠，萬噸以上的船舶在建造過程中基本將上層建筑居住區各分段作為總段進行合龍，一次完成整體吊裝[1]。

上層建筑整體吊裝有以下幾個優點：

(1) 可對上層建筑各分段進行提前總組合龍作業，將其作為一個整體一次性吊裝至主船體上進行合龍，既節省吊裝次數，又降低合龍難度，盡可能地減少船舶建造所占用的塢期，同時擴大和加長了上層建筑內船體制造、電氣安裝、管系安裝與鐵舾裝等30多個工種的作業面和作業周期。

(2) 上層建筑整體吊裝也可相對降低高空作業量，方便材料的運輸。

(3) 減少與機艙作業工種因相互干擾而產生的矛盾。

上層建筑整體吊裝也有如下缺點：

(1) 整體吊裝質量較大，要求起重能力較強。

(2) 整體吊裝對結構強度要求較高，對于上層建筑板薄結構弱的特點需更注意局部加強。

1.3 吊裝配鉤設計

根據上述準備工作和900 t吊車的性能參數，編制配鉤設計圖，如圖1所示。

圖1 上層建筑整體吊裝900 t龍門吊配鉤示例

1.4 有限元分析

由于上層建筑整體結構薄弱，通過MSC.Patran對整體吊裝強度進行有限元分析校核。根據25萬t 礦砂船上層建筑吊裝方案和900 t龍門吊使用參數，吊排布置在C甲板，橋樓甲板左右舷距中14 400 mm 處。左舷吊排對應龍門吊1#與2#吊鉤，共8 個吊點；右舷吊排對應龍門吊3#吊鉤，共9個吊點。

有限元模型如圖2所示。

圖2 上層建筑整體吊裝有限元模型

根據吊裝前結構在自重作用下的響應，在型深方向施加慣性載荷時，上層建筑結構承受的應力最大[2]，其中應力讀取von Mises應力和最大剪應力。分析結果如圖3和圖4所示。

圖3 上層建筑整體吊裝應力云圖和剪力云圖

圖4 上層建筑整體吊裝變形云圖

根據分析結果，在整體吊裝時上層建筑結構的最大應力為 31.7 MPa，最大剪應力為16.6 MPa，最大變形為9.44 mm。上層建筑結構的最大應力、最大剪應力和最大變形都較小，滿足強度要求，無需對結構進行加強。

2 全船精度控制技術

船舶建造精度控制是船舶制造企業管理的重要組成部分，隨著船舶所有人的要求越來越嚴格，各船企對精度控制也越發重視。全船精度控制是對船舶建造過程實行全程的尺寸控制，保證制造尺寸處于標準公差范圍內，避免后期整改，使船舶質量得到保證，有效地降低船企的生產成本。

2.1 整體精度控制

根據現有精度控制體系、設備設施能力和船體結構，劃分總段，梳理25萬t礦砂船精度控制目標，并在設計階段逐步落實到加工、制造、總組和搭載各階段，逐步研究各階段最有效、成本最低的精度控制方法，達到提高精度控制的目的，高質量地完成精度控制任務。

25萬t礦砂船的精度管理方案如表2所示。

表2 25萬t礦砂船整船精度控制情況

由表2可知：25萬t礦砂船全船各分段的裕量率為20.51%，補償裕量率為25.21%，總段切割裕量率為45.30%，搭載切割裕量率為8.97%。相對地，該船各分段無裕量率為79.49%、無補償裕量率為74.79%、無總段切割裕量率為54.70%、無搭載切割裕量率為91.03%。在設計期間確定整船分段的裕量和補償量加放方案，提高無裕量率，能有效地縮短分段、總段和搭載周期。

2.2 船舶建造精度控制

船舶建造過程中的精度控制方法主要有以下幾種：

(1) 基準對合線?；鶞蕦暇€是指在船舶船體生產設計階段，把設計選定的水線、縱剖線和肋位線在模型中建立，零件對合線下料以噴粉的形式體現，分段對合線以洋沖的形式體現，在船體零件裝配和分段搭載過程中，對合線對于裝配和搭載的精度控制具有重要的作用。

(2) 裕量、補償量和收縮量。裕量是對船體合龍時分段或者總段之間的預留修割量， 根據實際搭載情況修割；補償量的加放是對船體合龍的裕量進行預估，抵消在合龍期間裝配和焊接的收縮，以保證搭載精度，減少裕量修割[3]；對船體分段組裝焊接收縮量的加放可保證組裝完成后分段的尺寸精度。

(3) 變形和反變形。切割和焊接由于機械因素和物理因素會使板材產生變形，預先實行變形和反變形工藝，對套料、切割和焊接裝配的優化可有效控制板材切割和焊接的誤差。

(4) 保形模板。保形模板是指在帶曲形外板的分段首尾，增加外板線形模板：一是有助于檢驗外板加工精度，及時調整加工誤差；二是可有效保證分段合龍口結構強度，減少運輸和吊裝過程中的變形,提高分段合龍精度。保形模板如圖5所示。

圖5 25萬t礦砂船分段保形模板示例

船舶建造精度控制主要分為以下幾個階段：

(1) 加工零件階段。在該階段有板材下料、型材下料、成型加工和坡口加工這幾道工序，主要是為了保證零件的精度，使零件在裝配時不會對船體產生太大的影響。該階段控制標準的主要檢驗內容是檢査零件切割面的光滑程度和尺寸，保證零件的寬度、高度、角度等全部符合裝配標準。

(2) 裝配階段。該階段對裝配工藝流程和裝配重點進行監督和控制，如：檢驗T型材腹板的直線度，確保T型材符合加工精度標準；檢驗裝配時各板材的焊接情況，保證焊接尺寸，確保焊接零件的裝配間隙；對裝配后的對合線、中心線進行精度檢驗，保證裝配拼板可達到精度標準。

(3) 船塢合龍階段。在該階段將零件、組件、分段、總段的部件進行合龍焊接，最終形成完整的船體。該階段的精度控制須保證船體基準段的定位精度與總段和分段的定位精度相吻合，確保相關精度符合標準之后再進行船體合龍[4]。

3 焊接工藝

3.1 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接及不銹鋼管焊接工藝

根據焊接工藝規程，結合25萬t礦砂船的相關詳細設計圖紙，制訂需要增加的焊接工藝評定規程清單，然后再根據焊接設備和相關標準，制訂相應的焊接參數和焊接工藝。

(1) 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接。本船主機座面板厚度為70 mm，涉及藥芯焊絲電弧焊對接焊縫，需增加能覆蓋70 mm的焊接工藝評定，制訂的坡口形式及參數如圖6和表3所示，船級社認證覆蓋厚度范圍為25～100 mm，材質分別為A、B、D、E、AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36。

圖6 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接坡口形式

表3 厚板藥芯焊絲電弧焊焊接參數

(2) 不銹鋼管焊接。本船還需增加DNV-SUS 316L不銹鋼管的對接焊焊接工藝評定，對于要求單面焊雙面成型的不銹鋼管子拼縫，焊前管子內充氬氣保護，并采用鎢極氬弧焊焊接。Φ60× 3 mm的不銹鋼管的坡口形式和焊接參數如圖7和表4所示，船級社認證覆蓋管子厚度范圍為25～100 mm，材質分別為SUS316L、SUS316、SUS304L、SUS304。

圖7 不銹鋼管焊接坡口形式

表4 不銹鋼管鎢極氬焊焊接參數

3.2 采取焊前預熱措施

預熱可降低焊接接頭的冷卻速度，使焊接接頭熱影響區的溫度梯度得以降低，并在較寬的范圍內均勻分布，從而減小由溫差造成的焊接應力。對于大厚度板，尤其是對于高強度船體結構，焊前預熱是提高焊接內在質量的有效措施。一般對于30 mm以上的高強度鋼焊前預熱120～160 ℃，焊接時層間溫度控制在120～250 ℃，焊接質量良好。

3.3 全面推進自動焊焊接工藝

考慮到該船在建造時有較多部位采用CO2襯墊單面立焊工藝，由于厚板立向對接焊操作本身是一大考驗，且厚板焊接又需預熱，建議采用CO2自動立向對接焊工藝。通過對坡口形式、噴嘴、導電嘴的改進和使用專用軌道小車，厚板立向對接焊由CO2半自動焊向自動化、機械化邁進，船在船塢內焊接機械化率達100%，抗扭梁、艙口圍區域焊接自動化率達75%，可有效縮短建造周期，確保焊接質量發揮巨大的作用。

3.4 厚板氣電垂直自動焊的應用

氣電垂直自動焊是一種高效、先進的焊接方法，目前國內各大船企已普遍使用。目前垂直氣電焊法采用的焊接裝置只適用于9～32 mm的鋼板，無法全面滿足大型集裝箱船的建造需要。為使氣電垂直自動焊得到更好的運用，對垂直氣電焊法的焊接裝置實施兩方面的改進：(1)利用原垂直氣電焊焊接裝置擺動機構將單一的前后擺動改進成既能用于第1層打底時前后擺動，又能滿足后續焊沿坡口寬度方向的橫向擺動，從而確保厚板多層垂直氣電焊法焊接的需要；(2)對第1層和第2層焊縫燒焊時成形銅滑塊的形狀進行特殊設計，由此解決不同焊層的焊縫成形問題，最終取得良好的效果。

4 模塊化設計與施工技術

隨著現代化船舶設計與建造模式的發展，模塊化設計與建造逐漸在各大船廠中得到推廣與運用。在舾裝生產設計時，將相應設備和管道合理布置成單元模塊，可有效提高預舾裝率，保證船舶殼、舾、涂一體化的完整性。

本船一共劃分了30個單元，底部、下平臺、上平臺和煙囪圍井區域均有單元分布。單元模塊設計體積較大(最長達13 m)、質量較大(最大達40 t)，且設計完整性較高。單元模塊制作難度較大，需場地設施、起重裝備等合理布置調配，技術中心協同模塊制作部門、現場起重部門聯合制定模塊建造加強方案、模塊吊裝方案。單元模塊設計如圖8所示?，F場制作如圖9所示。

圖8 單元模塊設計圖

圖9 單元模塊現場制作與吊裝

模塊化設計及應用可使機艙總組單元在船體分段還未上船臺時就提前組裝完工。如果組裝的機艙單元達到了一定數量的“庫存量”，可徹底改變以往管子設備安裝無秩序爭道的施工現象，降低船臺(船塢)管子舾裝的難度，縮短裝配周期，減少生產費用。

5 總 結

25萬t大型礦砂船建造技術產業化應用可縮短分段、總段建造周期約30 d，縮短船塢搭載周期約20 d，提高全船無裕量搭載率5%，可實現大型分段、總段吊裝技術、精度控制技術和模塊化技術的變革，帶來建造工藝上的進步。優化吊裝方案可減少吊裝次數；采用精度控制技術可減少現場總組、搭載施工裕量修割或返工，提高造船效率，減少資源消耗，從而縮短建造周期、節約造船成本并提高造船企業產值。