極地自破冰科學考察船重量和重心控制技術

李嘯峰，趙振華，韓冰洋

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

地球兩極具有獨特的地理位置和自然環境，在該區域開展科研活動較為困難。“雪龍2”號極地自破冰科學考察船的交付使用為我國的極地科學考察工作提供了很大的便利。在建造“雪龍2”號過程中，控制好其重量和重心是保證船舶各項性能不受影響的基本條件，這是由于船舶空船重量直接影響船舶的裝載能力，船舶重心直接影響船舶的穩性和主要運行能力。由于極地自破冰科學考察船通常需在特殊的區域航行，在建造過程中對其空船重量和重心進行控制顯得尤為重要。

1 現狀分析

1.1 “雪龍2”號重量和重心控制的必要性

船舶的重量和重心直接影響其安全性能和舒適性，船舶建造任務書也將空船重量控制作為一項重要的考核指標。因此，需從船舶設計階段開始，到船舶建造完成，通過對每個環節進行嚴格把控，持續不斷地對船舶重量進行控制，確保建造過程中全船的重量不大于詳細設計的指標值，穩性滿足《極地規則》（Polar CODE）、《國際海上人命安全公約》（Convention on the Safety of Life at Sea, SOLAS）、《2008國際特殊用途船規則》（Special Purpose Ships Code of 2008, 2008 SPS CODE）和《海洋調查船特殊抗風力要求》（CB/T 3526—1994）中的特殊抗風力要求，載重量滿足船舶建造規格書的要求。

1.2 “雪龍2”號重量和重心控制的特點[1]

“雪龍2”號配置有大量科考設備（見圖1），上層建筑豐富，能裝載20個20ft（1ft≈0.3048m）標準集裝箱，貨艙頂部還可裝載10個20ft可移動的標準集裝箱；同時，該船裝載有2架直升機（H425和Ka32），隨之配套眾多航保設施，考慮到船東以后還有可能增加部分設備，這些重量主要分布在主甲板以上，且部分設備是偏心布置的，對穩性的影響很大?？傮w上看，“雪龍2”號重量和重心控制工作的主要特點是：露天甲板面的科考設備和其他重型設備較多，且分散布置，重量和重心控制難度大；板材選用進口鋼板，質量較高，但厚度公差偏大；具備PC3的破冰能力，需滿足騎冰穩性要求，同時兼顧過西風帶的要求，穩性要求更高。

圖1 “雪龍2”號配備的設備、系統示意

2 重量和重心控制方案

船舶建造過程中一旦有重量誤差積累，會嚴重影響船舶建造精度，因此需采取全過程的控制措施，從設計到建造有序銜接，缺一不可，在各環節控制好每個組件的重量[2]。

2.1 詳細設計階段重量和重心的控制

在簽訂設備技術協議之前，基于充足的技術要求，對非常規、重點系統/設備和新材料的重量進行預摸底，形成《技術協議前需摸底設備表》，在簽訂技術協議時根據該表進行重量約束。

在詳細設計階段，以滿足《技術協議前需摸底設備表》中各項重量的設計要求為前提，以各項設備訂貨資料為基礎，整理出《重量重心跟蹤表-詳細設計》，給出詳細設計的空船重量預估值，并列出結構、設備和舾裝等各分項的重量控制范圍及要求。主要采取的控制措施如下。

2.1.1 基座結構設計優化

在基座尺寸滿足規范要求的前提下，兼顧結構強度和減振降噪等指標的要求，通過對基座的結構進行優化設計，有效減輕空船重量。

2.1.2 全船管系優化

對管路原理圖進行嚴格預審，優化管路系統，做到管路連接合理、閥件輕化和附件量少；同時，優化設備布置，做到設備與設備、設備與箱柜和箱柜與箱柜之間的管路連接最短；管路系統的布置優化原則遵循大管子布置率先優化、厚壁管布置率先優化和底層管路率先優化。

2.1.3 全船電纜優化

電纜一般選用不帶內護套的電纜，在滿足規范和電磁兼容要求的前提下，盡量選用多芯電纜，通過合理布置接線箱或接線盒，縮短電纜總長度。

2.1.4 輕型化和新形式的采用

在滿足規范要求的前提下，采用輕型材料設計操作平臺，選用輕型舾裝件和管附件，采用比較薄的敷料布置節點，減小舷窗的窗框和風暴蓋上開孔的尺寸，采用輕質的鋼質風雨密門和輕質的衛生單元。

2.2 生產設計階段重量和重心的控制

在生產設計階段，系統原理和設備布置已基本確定，對重量和重心的影響主要體現在結構建模、電纜及管系走向、設備安裝形式和舾裝件訂貨及安裝形式等方面。根據生產設計三維建模軟件的特點，設計重量和重心統計方法，整理出《重量重心跟蹤表-生產設計》，并將其與《重量重心跟蹤表-詳細設計》相互驗證。主要采取的控制措施如下。

2.2.1 結構建模重量控制

對于分段模型，控制板縫大小和焊縫量，合理施加端部補償量和焊接收縮補償量；對于設備基座模型，應將其布置在船體結構上，與已有的結構對齊，在滿足強度要求的前提下，采用重量最輕且易施工的加強結構形式。

2.2.2 管系重量控制

對管系全局布置進行預分析，分階段對各區域管系進行綜合放樣，縮短全船管系的長度；優化管系取段，減少法蘭的使用量，盡可能地使用套筒連接代替法蘭連接；采用單元模塊化設計，利用單元框架做管支架，減少支架的使用量，提高支架的利用率。

2.2.3 電纜重量控制

與管系重量控制相似，首先對電纜進行全局分析，分階段對各區域電纜進行綜合放樣，優化電纜走向，縮短全船電纜的長度。此外，按照電纜的類型和數量確定托架上電纜的分束數，結合管系放樣綜合考慮支架配備，有效減少支架使用量，提高全船支架的利用率；電纜走向兼顧電纜管的布置，選擇合理的貫穿位置和走向，縮短電纜管的長度。

2.2.4 舾裝件重量控制

在訂貨時寫明舾裝件制作標準和重量要求，要求制作廠家按理論重量交貨，交貨時提供重量自檢報告。對于強度要求較低的鐵舾件，考慮采用輕型材料控制重量，內部加強對正船體結構骨材，實行零余量制作，盡量采用無緊固件固定的焊接形式；上層建筑盡量選用輕型隔音隔熱材料。

2.3 現場建造階段重量和重心的控制

在現場建造階段，需嚴格做到規范施工、精度控制和余量控制[3]。具體采取的控制措施如下：

1) 嚴守工藝紀律，嚴格控制建造精度；

2) 按控制程序的要求實施測量，反饋正確的測量數據；

3) 規范使用配件，禁止隨意增加螺帽、墊片和螺栓；

4) 禁止隨意加焊，嚴格控制焊腳高度；

5) 嚴格控制電纜接線處的電纜余量；

6) 全面清除不屬于船舶的部件，對于結構上的臨時加強結構，確定拆除時間，并進行檢查；

7) 編制有效可行的甲板平整度控制工藝文件，規范現場操作流程，嚴格控制甲板的平整度；

8) 嚴格按認可的油漆明細表進行涂裝施工，禁止油漆施工隨意翻新。

2.4 重量和重心控制的質量保證

對重量進行跟蹤和檢驗是保證重量和重心控制質量的有效措施，主要包括成立稱重工作小組、設立稱重崗位、制定稱重制度和明確稱重設備及其精度等。

2.5 重量檢查方法

基于保證重量和重心控制質量的措施，開展重量檢查。

1) 船體結構以分段為單位，對其進行稱重、退重、匯總和檢查。

2) 鋼板進廠驗收時，需全部進行厚度檢測，具體測點位置見圖2，從直線1、直線2和直線3中選擇2條線上的6個點進行測量。

3) 按類型抽取1捆絕緣隔熱材料稱重，取得每種規格絕緣隔熱材料的單位面積重量之后，計算艙室絕緣隔熱材料的實際裝船重量。施工完畢之后，對余料廢料進行退重，記錄實際安裝重量。

4) 阻尼需按圖紙要求施工，分別統計施工前與施工后的重量，計算出上船實際重量。

5) 舾裝件均以托盤表為單位稱重，抽稱比例不少于總量的5%，重量超過0.5t的大型舾裝件（如雷達桅）需單獨稱重檢查。

6) 甲板敷料在甲板平整度合格之后方可施工，施工之前先對甲板敷料的用量進行預判斷，若理論用量滿足預估用量，則可施工，否則需提交給重量和重心控制小組分析并處理，甲板敷料采用總量控制方法施工。

7) 艙室封面板每種規格抽取1包稱重檢驗，取得每種規格艙壁板的單位面積重量。在施工完畢之后，按安裝位置對余料和廢料進行退重，計算艙室封面板的重量。

8) 油漆重量根據干膜測厚結果和實際使用面積統計。

9) 鋼質門和艙口蓋每種規格各抽取1個進行稱重檢查。

圖2 鋼板厚度測點位置示意

2.6 建立重量和重心數據庫

重量和重心控制過程其實就是重量和重心數據不斷積累、更新、完善而趨于真實的過程，建立設計和建造全過程中的重量和重心數據統計跟蹤表，不僅能發現重量和重心控制過程中存在的問題，而且能在可預見的前提下考慮應急預案；同時，當空船重量和重心數據在不同階段系統收集之后，可對這些數據進行回歸分析，得到一份可用的數據，為后續整船的重量和重心控制提供重要的數據支撐。

跟蹤表包含的信息主要有：初步設計數據；詳細設計數據（主要設備訂貨結束之后）；生產設計數據（三維基本完成）；設計更改數據；下水狀態預估（出塢時）；系泊試驗模擬（重吊試驗時）；傾斜試驗結果。

3 重量和重心控制注意事項

3.1 公差分配

船舶公差分配基礎為尺寸鏈原則，即將公差分配到各個環節，分配時，可根據船廠已有的經驗，從各個方面出發，根據建造情況進行校驗核算。本文所述目標船采用的公差分配方法為以下3種：

1) 等精度法，對一部分組件設置相同的公差，待設計加工完成之后再進行公差分配；

2) 協調法，根據構件的尺寸和位置為重心以下的部分分配較大的公差，為剩余部分分配較小的公差；

3) 比例法，考慮建造的難易程度，難加工的構件的比例系數大于1.0，易加工的構件的比例系數等于1.0，這樣能提高建造的精度。

本文所述目標船部分構件公差要求見表1～表3。

表1 鋼板厚度公差

表3 系統（設備）重量公差

船舶分段建造完成之后，將測得的公差與設計的公差相對比，并建立數據庫。若實測公差大于設計公差，要分析原因，并進行超差處理；若實測公差小于設計公差，可將剩余公差分配到剩余分段中，對接下來的分段公差進行動態調整。

3.2 超差處理

對于設計或建造階段出現重量和重心超過允許偏差問題的項目，需由該問題的發現人將情況上報給重量和重心控制小組，召開會議討論超差處理方案。此時遵循以下原則：

1) 復查該項目是否確實超出控制要求；

2) 檢查該項目是否嚴格遵循重量和重心控制要求；

3) 若復查結果確實超出控制要求且該項目嚴格遵守重量和重心控制要求，則船廠組織溝通討論，制訂解決方案。

在重量和重心控制中前期，控制小組發現重心無法滿足控制要求，及時確定采用固定壓載調整重心的措施，并在最短時間內綜合船舶的建造狀態，制訂固定壓載進艙及固定的方案，完成固定壓載敷設及固定，并記錄固定壓載詳細的重量數據。

3.3 動態執行

重量和重心控制涉及船廠的多個部門，是一個動態的控制過程。以計劃和目標為基礎，通過檢查調整計劃，不斷循環，使結果得到改善，使管理水平得到提升，嚴格控制每個環節，在設計修改與重量和重心控制之間達到一種均衡[4]。

4 重量和重心控制結果

4.1 下水起浮預估和預傾斜試驗

船舶出塢時，將計算得到的下水起浮浮態的重量和重心數據與實際觀測到的六面吃水和浮態相對比，初步驗證船舶重量和重心控制情況。

在開展碼頭系泊試驗時，船舶建造已趨于完工，改變重吊吊臂位置和起吊重物會使船舶發生橫傾，因此可同步進行預傾斜試驗。試驗時，基于《重量重心跟蹤表》，通過讀取六面吃水和重吊的狀態信息，可得到預估的空船重量和重心，進一步驗證該船舶重量和重心控制情況。

4.2 傾斜試驗

在船舶建造接近設計規定的空船狀態時，開展傾斜試驗，對控制結果進行最終的驗證。驗證結果表明，實船的排水量比設計目標下降了約400t，直接增加了燃油載重量，提高了續航力，重心高度等性能指標良好，均滿足設計要求。

4.3 結論

“雪龍2”號的重量和重心控制技術涵蓋設計單位的前期設計、船廠的生產設計和現場建造等3個階段，包含控制目標、控制要求、控制小組、控制細則、稱重管理、數據管理、超差管理和傾斜試驗驗證等多個部分，各部分由專人負責，設計單位和船東共同參與把關，從設計源頭介入，編制完整的執行文件，制定健全的工作制度，規范可靠的數據收集和處理方法，并定期召開控制小組推進會和三方匯報會，使“雪龍2”號的重量和重心控制工作有序、可靠、可控地多維度開展，最終取得了預期的控制效果。通過開展“雪龍2”號重量和重心控制實踐，船廠總結出來了一套完整、有效的重量和重心控制技術。

5 結 語

重量和重心控制是船舶建造過程中的一項很有難度的重要工作，涉及面廣，周期長，內容復雜。對于破冰船而言，科考作業和極地破冰等都與船舶的重量和重心息息相關。因此，重量和重心控制是全員參與、目標明確、責任到人、全過程控制和閉環管理的關鍵項目，需從技術和管理2個方面落實到可操作層面[5]。項目團隊要在各方面嚴格把控，確保設計、建造同步匹配，確保最終結果滿足設計目標要求。本文的研究結果可為船舶的輕量化研究提供參考。