民船機艙標準化設(shè)計應用

王 彥，肖 超，房向前，林建中

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

大型船舶的高質(zhì)量和高效設(shè)計是世界船舶行業(yè)界的共同追求。標準化設(shè)計、一體化數(shù)字設(shè)計和協(xié)同設(shè)計等是近年來業(yè)界人士進行的一系列嘗試和改進。機艙是船舶的心臟，是船舶較重要、技術(shù)含量較高的處所，同時是設(shè)計難度較大的處所。

1 民船機艙設(shè)計現(xiàn)狀

(1)空間小、周期短、難度大[1]。機艙(棚)區(qū)域設(shè)備多、系統(tǒng)多、舾裝件多，但線型窄、空間擁擠。受外部環(huán)境影響，超短設(shè)計周期已成為民船設(shè)計的新常態(tài)。在超短周期內(nèi)，在這些狹小的空間里布置眾多的設(shè)備和舾裝件，并達到較高的設(shè)計質(zhì)量，設(shè)計難度較大。

(2)標準化程度低。船舶產(chǎn)品是一個集合眾多標準件和非標件的復雜綜合體，其本質(zhì)屬于高度定制化的非標準化產(chǎn)品。機艙(棚)區(qū)域的標準化設(shè)計仍停留在直梯、拉手、踏步等簡單部件上，多數(shù)舾裝件需要根據(jù)實際情況量身定制。

(3)方案設(shè)計要求高、耗時大。為實現(xiàn)眾多設(shè)備和舾裝件在機艙狹小空間的合理布置，實現(xiàn)隨規(guī)范生效出現(xiàn)的新系統(tǒng)和新設(shè)備的正確設(shè)計，在較大程度上降低設(shè)備更迭對設(shè)計的沖擊及后期修改，方案設(shè)計至關(guān)重要。方案設(shè)計是整個設(shè)計環(huán)節(jié)技術(shù)含量較高、人員素質(zhì)要求較高、耗時較大的環(huán)節(jié)。

(4)設(shè)計方案通用性低。同噸位不同船型間的同類設(shè)計方案，仍停留在拷貝和部分修改層面，無法實現(xiàn)同類型設(shè)計方案船型間的通用或微小修改。

(5)人員因素影響大。目前各船廠設(shè)計隊伍普遍存在人員流動性大、人力緊張且各能力層次斷檔嚴重、經(jīng)驗豐富人員偏少等不利局面。設(shè)計外包更為頻繁，外包設(shè)計人員偏理論型，配合建造經(jīng)驗欠缺，設(shè)計質(zhì)量較正式員工設(shè)計團隊差距較大，后期修改量大。

2 機艙標準化設(shè)計推進

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于噸位相近的同類船型，其主尺度、主體結(jié)構(gòu)型式、艙室布置大同小異。在滿足總體設(shè)計前提下，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、艙室布置等均圍繞少數(shù)大型設(shè)備展開[2]，如主機、發(fā)電機、壓載水設(shè)備和脫硫脫硝設(shè)備等。同理，由于服務(wù)船型噸位相近，這些設(shè)備在外形尺寸和主要技術(shù)參數(shù)等方面頗為接近。按求同存異原則以結(jié)構(gòu)相似性和設(shè)備相似性進行羅列與組合，選取其共性內(nèi)容進行通用化處理，實現(xiàn)設(shè)計方案多船型通用。

以某型散貨船機艙層高通用設(shè)計為例，影響機艙層高的關(guān)鍵因素為主機、發(fā)電機和選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系統(tǒng)(脫硝系統(tǒng))的催化反應器。

(1)雙層底、四甲板和三甲板層高設(shè)計

確定雙層底、四甲板和三甲板層高的關(guān)鍵因素是主機。該型船選用的主機主要為HYUNDAI 6G70ME-C9.5、CMD 6G70ME-C9.5、DOOSAN 6G70ME-C9.5和WIN G&D W6X72，4種主機主體尺寸如圖1所示，其中：TT(Tank Top)為液艙頂。

圖1 4種主機主體高度對比

通過對比可知：4種主機外形和主體尺寸相仿。各層高可按相同高度進行設(shè)計，保證機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)主體尺寸相同。機型不同引起的差異可通過結(jié)構(gòu)或舾裝件的細節(jié)處理加以解決。以曲軸中心線為基準，主機底座與結(jié)構(gòu)基座間微小高差可通過改變環(huán)氧墊片厚度加以調(diào)整。針對WIN G&D機型可通過局部修改結(jié)構(gòu)基座高度加以調(diào)整。四甲板高度一般與主機下層平臺高度相仿，兼顧與機艙底層通道平臺間的凈高尺寸。三甲板高度則以方便主機頂撐安裝為宜，頂撐一般安裝在T排上，根據(jù)不同機型和船體結(jié)構(gòu)條件，通過結(jié)構(gòu)延伸滿足布置需求，如圖2所示。

圖2 主機頂撐安裝對應船體結(jié)構(gòu)修改

(2)二甲板層高設(shè)計

確定二甲板層高設(shè)計的關(guān)鍵因素是主發(fā)電機和主機SCR反應器，這2類設(shè)備通常布置在三甲板上。選取該型船常用的6DE-20、6DK-20E和6EY22ALW等3種發(fā)電機作為研究對象，具體尺寸數(shù)據(jù)如圖3所示，其中：H1為氣缸襯套越過渦輪增壓器所需要的高度；H2為氣缸襯套越過氣缸頂蓋所需要的高度。根據(jù)主發(fā)電機檢修需求確定手拉行車吊梁高度。根據(jù)通常慣例，吊梁上方預留雙排主干電纜及單排通經(jīng)100 mm非熱源管布置空間，并以此推算第一個層高數(shù)據(jù)。根據(jù)主機SCR反應器尺寸、檢修需求、上方布置少量舾裝件空間需求等因素，推算第二個層高數(shù)據(jù)，兩者取其大者。

圖3 3種發(fā)電機尺寸對比

2.2 關(guān)鍵系統(tǒng)布置方案通用設(shè)計

機艙(棚)區(qū)域涵蓋全船大部分設(shè)備和系統(tǒng)。隨著各類新規(guī)范生效，越來越多的新系統(tǒng)、新設(shè)備隨之出現(xiàn)，如壓載水系統(tǒng)和脫硝脫硫系統(tǒng)等。這類系統(tǒng)通常外形體積大、構(gòu)造復雜、配套設(shè)備多、涉及區(qū)域廣、空間需求大，設(shè)備廠家眾多，各廠家產(chǎn)品技術(shù)差異明顯，設(shè)計工作量和難度較大。研究各廠家設(shè)備特點，梳理其共性要求，并結(jié)合船型背景，設(shè)計適用于同噸位級別多數(shù)船型的通用方案，降低廠家或船型變更時的設(shè)計難度和修改工作量。脫硫系統(tǒng)是目前市場較為關(guān)注的新系統(tǒng)，以其作為闡述對象。

船用脫硫系統(tǒng)分為開式、閉式和混合式。系統(tǒng)所配套的設(shè)備和艙室主要布置在機艙和機艙棚，布置難度當屬混合式最大[3]。通用布置方案設(shè)計涵蓋管路布置、設(shè)備布置和配套艙室布置等，以不同廠家和不同型式設(shè)備為基本輸入條件，并以布置區(qū)域結(jié)構(gòu)、設(shè)備和舾裝件等情況為補充條件，進行脫硫系統(tǒng)的常規(guī)布置，通過系統(tǒng)布置的結(jié)構(gòu)需求反向指導結(jié)構(gòu)通用設(shè)計。以船型和噸位級別為區(qū)分標準，進行同噸位級別、同類船型間主要設(shè)備、管路和艙室布置方案及機艙棚主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用化處理，并形成最終通用方案[4]。機艙棚各層甲板設(shè)備及主要管路通用布置形式如圖4所示。

圖4 機艙棚各層甲板設(shè)備及主要管路通用布置形式

2.3 功能性艙室設(shè)計

一些特定對象所在區(qū)域需要進行空間隔斷，設(shè)計為封閉的功能性艙室，如分油機間、機修間、應急發(fā)電機間和集控室等。該類艙室的設(shè)備配置和布置形式較為相似，受船型影響小。通過推行艙室區(qū)域標準化布置研究，形成每個艙室的標準布置。在新船設(shè)計時，參照艙室標準布置方案，快速形成艙室詳細設(shè)計布置圖。在生產(chǎn)設(shè)計階段，參照通用方案快速完成艙室布置。重點介紹分油機間標準化布置。歷來各船型分油機間存在設(shè)備多、管路雜、空間小、施工難、操作難等問題，各船型分油機間布置一直以來均為機裝設(shè)計難點，為各施工部門和船舶所有人重點關(guān)注的區(qū)域。

(1)基于油渣艙優(yōu)化的分油機間布置簡潔化

對于分油機間布置來說，油渣艙是關(guān)鍵，實現(xiàn)該區(qū)域布置簡潔化需要從油渣艙布置優(yōu)化入手。

布置形式優(yōu)化：傳統(tǒng)形式的油渣艙布置在甲板正面，大多數(shù)管路布置在油渣艙頂部和油渣艙與艙壁之間的狹小空間內(nèi)，管路密集，整個分油機間敷設(shè)平臺。優(yōu)化后的油渣艙布置在甲板反面，管路除操作部分外沿甲板反面布置。取消大面積平臺，以甲板作為通道，最大限度保持甲板正面簡潔。

艙室容積優(yōu)化：油渣艙理論容積根據(jù)《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL公約)附則Ⅰ的統(tǒng)一解釋第12.1條公式計算得出。通過多數(shù)船型油渣艙設(shè)計容積分析可知：實際艙容遠大于MARPOL要求的容積，通常為2～3倍。綜合分油機工況、油渣駁運系統(tǒng)管路設(shè)計、設(shè)備布置和周圍結(jié)構(gòu)特點等因素，適當縮小燃、滑油油渣艙的容積仍可完全滿足規(guī)范及營運要求[5]。油渣艙縮小可為分油機間甲板正面管路穿甲板布置創(chuàng)造更好的條件。某型船油渣艙容積優(yōu)化對比如圖5所示。

圖5 設(shè)備單排布置時的油渣艙形式

(2)基于艙室及設(shè)備尺寸的布置方案推薦

在油渣艙甲板反面布置后，艙室和設(shè)備尺寸成為分油機間布置最大影響因數(shù)。兩者的尺寸直接決定設(shè)備采用何種形式布置，供油單元本體的板式冷卻器是否需要散供。在通常情況下，分油機間設(shè)備布置形式主要為沿長度方向單排布置和雙排布置(分油機單元和供油單元各成一排)，單排布置可分為供油單元橫向布置和縱向布置。以噸位作為區(qū)分界限，選擇同一噸位的不同船型，梳理分油機間艙室尺寸、設(shè)備輪廓尺寸和布置形式互為影響的關(guān)系，形成布置推薦方案，如表1所示。以表1為基礎(chǔ)，在明確設(shè)備廠家的情況下，可有針對性地調(diào)整艙室尺寸，設(shè)備廠家在選取時指向更為明確。

表1 艙室尺寸、設(shè)備輪廓尺寸和布置形式對照 mm

2.4 簡單設(shè)備型式設(shè)計

多數(shù)船廠設(shè)備類設(shè)計流程為簽訂技術(shù)、廠家提供送審圖紙、船廠意見退審、生產(chǎn)設(shè)計設(shè)備建模。由于前期無法明確詳細要求，各廠家均會基于自身要求提供方案。隨著生產(chǎn)設(shè)計開展，船廠會根據(jù)設(shè)計實情，逐步向廠家提出方案修改意見。無論設(shè)備繁簡，該環(huán)節(jié)必不可少，耗費較多時間。簡單設(shè)備型式固化是從外形較為簡單、附件數(shù)量較少、布置要求差異不大的設(shè)備入手，根據(jù)不同船型應用特點，梳理共性需求，制訂多船型適用的優(yōu)化方案，由船廠主導該類設(shè)備標準化設(shè)計或進行外形尺寸和接口方面的推薦，在簽訂技術(shù)協(xié)議時，以附圖形式向廠家明確。該類設(shè)備主要為型式比較簡單的空氣瓶、主機掃氣箱泄放柜和水柜等。

以主空氣瓶為例，一般布置在二甲板或三甲板。其布置具有兩大特點：(1)靠近艙壁或結(jié)構(gòu)立柱，方便拉撐布置；(2)為節(jié)省空間，2個氣瓶鏡像設(shè)計。主空氣瓶常規(guī)布置形式如圖6所示。

圖6 主空氣瓶常規(guī)布置形式

對于噸位接近的船舶，其空氣耗量相同或差異微小，因此空氣瓶外形尺寸無明顯差異，甚至可按相同尺寸設(shè)計。基于上述條件，空氣瓶外形尺寸、管路接口和附件布置等可進行固化，如圖7所示。對簡單設(shè)備進行固化，根據(jù)容積形成簡選表，設(shè)計準備階段即鎖定方案，便于方案設(shè)計通用化，可實現(xiàn)相近船型間的模型快速借用，降低修改工作量，減少與廠家之間的反復溝通，提升雙方效率。

圖7 主空氣瓶設(shè)計推薦

2.5 單元模塊設(shè)計

在舾裝設(shè)計中，單元模塊化設(shè)計一直為先進船廠的研究重點。當前船廠推進的單元主要分3類：全寬型單元、設(shè)備單元和管束單元[6]。全寬型單元體積大、物料數(shù)量大、型式差異大，管束單元受結(jié)構(gòu)和其他舾裝件影響大、不確定因素多，這兩者均不利于標準化設(shè)計。設(shè)備單元是以單個或少數(shù)設(shè)備為主體、輔以少量管路和其他舾裝件組裝而成的模塊，物料數(shù)量小、體積小、型式單一、受結(jié)構(gòu)或其他舾裝件影響小，按系列進行標準化設(shè)計可行性較高。單元模塊系列化設(shè)計可按如下步驟逐級推進：

(1)建立單元模塊化設(shè)計標準，形成指導性文件。

(2)根據(jù)設(shè)備或系統(tǒng)特點及配套舾裝件情況，確定模塊化單元的范圍。各類泵、各式(板式、管殼式)冷卻器、各類水柜、各類獨立箱柜、熱井、生活污水處理裝置、伙食冷藏裝置等均可進行模塊化設(shè)計。

(3)按船型或按系統(tǒng)進行單元型式梳理、優(yōu)化和統(tǒng)一。

(4)族群化設(shè)計[7]。通過實船驗證后的多次優(yōu)化，使單元模塊型式趨于單一化和最優(yōu)化，最終實現(xiàn)型式固化，即標準化。結(jié)合船型、設(shè)備參數(shù)和廠家等信息，在標準化基礎(chǔ)上形成單元模塊系列化，滿足不同種類和不同噸位級別船型的需求。

3 結(jié) 語

機艙標準化設(shè)計應用對象可進一步擴大，覆蓋的內(nèi)容可向廣度方向發(fā)展，將更多設(shè)備和系統(tǒng)納入標準化設(shè)計范圍。機艙標準化設(shè)計下一階段的推進應突破船型限制，由民船向海洋工程及大型郵船等新船型延伸。大型郵船機艙區(qū)域貫穿艏艉，范圍較廣，設(shè)備數(shù)量和各類舾裝件物料數(shù)量數(shù)倍于民船，其設(shè)計重點在于居住艙室和公共場所，機艙設(shè)計偏功能性，且部分舾裝件為全承包項目，設(shè)計風格差異較大。大型郵船機艙區(qū)域設(shè)備和舾裝件密度較大，生產(chǎn)設(shè)計過程方案設(shè)計難度更大、耗時更長，標準化設(shè)計具有豐富的應用對象和廣闊的前景。