大型集裝箱船尾軸分段建造工藝優化

董 亮，高 峰，郄金波，韓 濤，汪 璇

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032; 2.中國船舶集團有限公司，上海 200011)

0 引 言

2021年以來，集裝箱船市場呈現強勁的發展勢頭，新船訂單創歷史新高。根據波羅的海國際航運公會(BIMCO)發布的報告，集裝箱船新船訂單僅8個月已超2020年的全年水平，出現井噴態勢。從集裝箱承載能力方面劃分，一般將超10 000 TEU的集裝箱船定義為大型集裝箱船。從船型發展趨勢看，大型集裝箱船為船舶所有人帶來的經濟效益更高，因此近年來大型集裝箱船新訂單量占比較大。

大型集裝箱船建造工序多，生產周期長，尤其是船體結構復雜。國內大型集裝箱船平臺建造周期一般為6～8個月。分段建造是船廠建造大型集裝箱船的生產瓶頸，大型集裝箱船船體分段具有外板線形大、板材厚、精度要求高和焊接工作量大等特點[1]。隨著訂單持續增加，船廠對大型集裝箱船進行集中建造，因此需要做好船體分段建造前的生產策劃和建造工藝優化，通過周密計劃、工藝優化和協同策劃，充分做好生產準備和工序間的有效銜接，消除生產過程中的等工和浪費，確保分段建造滿足船舶建造節點要求[2]。

尾軸分段是大型集裝箱船尾部最后一個分段，隨著軸系鏜孔總組階段施工工藝、節能導管分段階段安裝工藝和半船拉線照光工藝的研究推廣，尾軸分段建造須受控且生產周期需要縮短。各船廠針對尾軸分段的生產建造整體策劃和分段工藝策劃不夠重視，各工藝環節的計劃銜接和物資配套體系不夠完善，僅針對部分物資進行跟蹤，其他物資全部交給現場，缺少統一協調，計劃體系、物資配套、關聯工藝和生產現場未完全組織起來，導致尾軸分段生產過程遇到較多困難[3]。船舶建造中的關鍵分段就是“木桶理論”中的短板，補齊短板是縮短船舶建造周期的關鍵。因此，開展大型集裝箱船尾軸分段建造工藝優化研究十分必要[4]。

主要以某23 000 TEU大型集裝箱船尾軸分段建造為例，從船型工藝策劃、施工計劃管理和分段建造工藝優化等方面開展研究，為尾軸分段建造生產提供優化工藝方案，解決尾軸分段建造難點，提升分段建造效率，縮短船塢周期，提升大型集裝箱船整體建造水平。

1 建造工藝策劃

在開展尾軸分段整體策劃和生產作業實施時，應考慮環境因素對分段建造作業的影響。大型集裝箱船尾軸分段主要由尾部鑄鋼件、尾軸管、首部鑄鋼件、肋板框架和外板等組成。該型船尾軸分段尾部鑄鋼件質量接近100 t，但分段結構包含首尾鑄鋼件質量為186 t，而內場分段制作區域起重能力僅為120 t，因此該型船尾軸分段在外場分段建造場地進行制作。

1.1 船型工藝策劃

在開展建造項目總體策劃時，應充分考慮涉及尾軸分段的建造工藝，采用不同的策劃方案，尾軸分段的建造計劃差異較大。

(1)軸系鏜孔總組階段施工工藝

該工藝在國外先進船廠已是成熟工藝，但目前國內使用尚不夠成熟。若選擇在總組階段進行尾軸鏜孔，則尾軸分段納期應考慮尾軸鏜孔工期，且分段精度應滿足工藝要求，這對尾軸分段尾軸管的同圓度和安裝精度方面提出更高要求。該型船未采用該工藝，不展開論述。

(2)分段階段節能導管安裝工藝

節能導管安裝于船體尾部，一般安裝于尾軸分段的尾部鑄鋼件，可減少螺旋槳轉動產生的氣泡，產生減小阻力的水流，提高螺旋槳效率，降低船舶能源消耗，起到減本增效作用。該型船使用的節能導管主要由4個導流鰭、15塊安裝封板和導流圍板組成。導流鰭與鑄鋼件的焊接部位要求進行100%的超聲波探傷(Ultrasonic Testing，UT)和磁粉探傷(Magnetic Particle Testing，MPT)，焊縫要求較高。除焊接要求外，節能導管對安裝精度要求較高，須保證安裝半徑和偏移距離。

由于節能導管為非對稱結構，焊接過程中的變形量較大，需要通過專用工裝和加強固定與加放反變形等方式控制焊接變形量。應保證尾軸分段精度，尤其是尾部鑄鋼件、尾軸管和首部鑄鋼件的裝配長度L。在節能導管安裝前，須由精度部門提供分段焊接完成的L值，并確定尾端面的鏜孔削量。因此一般在尾軸分段搭載焊接完成、確認尾部全部尺寸后進行節能導管安裝。為提升船塢效率，減少船塢周期，該型船采用節能導管分段階段安裝工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 節能導管分段階段安裝工藝流程

(3)半船拉線照光工藝

拉線照光工序在船塢建造中是較為重要的生產節點。在通常情況下，在完成船舶所有船體分段搭載焊接、確定全船精度尺寸與變形量后方可進行拉線照光。該型船突破常規，將拉線照光工序提前，在完成尾部結構搭載和半船船體分段搭載焊接后進行拉線照光，首部與尾部同時施工，解決出塢前的關鍵工序影響整個船舶建造周期的問題。半船拉線照光工藝實施較為關鍵的基礎是尾軸分段按期提供。拉線照光如圖2所示。

圖2 拉線照光示例

1.2 分段劃分原則

在整船建造工藝中，尾軸分段建造策劃主要涉及整船分段劃分、船體總組搭載建造工藝和尾柱設計方案。建議在分段劃分后進行三維仿真模擬，充分考慮外板加工線形問題和對接板縫位置，并考慮狹小空間作業情況和尾柱對接情況，避免后續生產建造的局限性。分段劃分原則如下：

(1)接縫盡可能避免布置于船體總強度或局部強度的受力集中位置。

(2)結構應力集中區域盡可能避免布置分段接縫。

(3)分段接縫盡可能選擇結構原有板縫或構件(例如肘板)的連接部位；盡可能采用優化設計使分段長度與結構強度要求的分布區域相匹配，達到減少鋼板拼縫的目的。

(4)分段具有足夠剛度，不會由焊接、火工校正和翻身吊運引起較大變形。

(5)根據總段質量和起重能力，尾軸分段可先總組為總段再進行搭載，或考慮將分段進行散搭；建議在滿足吊裝設備要求情況下對尾軸分段先總組再搭載，可減少船塢生產周期，提升船舶建造生產效率。

1.3 尾柱設計方案

尾柱設計方案的主要區別在于龍筋形式，可采用圓鋼式或扁鋼式。該型船尾軸分段采用扁鋼式尾柱龍筋，主要優點在于：扁鋼可通過數控切割控制弧形輪廓，線形更加精確，在分段建造過程中可更準確定位，調整龍筋安裝位置；可減少裝焊工作量，方便分段建造，提升分段合龍效率。

2 施工計劃管理

2.1 生產計劃

生產計劃是生產組織的核心要素，傳統的生產計劃是指生產計劃的時間安排，而所論述的生產計劃更強調生產計劃的組織。采用協同理論，將所有涉及的工藝創新整合至生產計劃的組織和安排中。生產計劃應充分考慮工藝優化的各系統實施，方可保證尾軸分段建造的生產效率。

(1)中日程計劃

中日程計劃是船廠先行計劃整體安排的基礎，以搭載開始時間為最終節點，根據分段建造各工序生產周期，考慮各工序間的浮時，以倒序的生產計劃串聯，生成各工序建造的計劃開始時間和計劃完工時間，指導圖紙、材料準備和生產實施。中日程計劃不僅應考慮上述周期，而且應考慮在項目中計劃開展的工藝創新。采用不同工藝方法，各工序耗時會產生較大變化，對各工序間的節點影響較大。若采用半船拉線照光工藝，不僅尾軸分段納期提前，而且所有機艙尾部分段納期均相應提前。因此，在傳統的計劃管理基礎上，應考慮工藝優化對整體生產流程的影響，對各生產工序進行有效的計劃組織。充分考慮各系統工藝優化對中日程計劃進行擬定，會更加精準地指導生產。

(2)小日程計劃

小日程計劃是具體項目開展的基礎。船廠的小日程計劃是指分段建造過程中的節點計劃，通過確定分段建造過程各生產節點，控制分段建造進度。小日程計劃不僅應包含分段建造的施工計劃，而且應考慮各工藝節點的施工計劃，例如節能導管安裝計劃和拉線照光計劃等，通過細化的施工計劃對各生產環節提出具體要求，確保生產節點的精確實施。小日程計劃不僅應考慮分段和工藝節點的客觀要求，而且應明確施工人員、施工工裝、輔助材料和施工天氣等因素，保證施工計劃精準實施。若發生施工計劃拖期，應通過應急預案實施趕工計劃措施，保證小日程計劃的剛性實施。

2.2 生產準備和物資管理

根據中日程計劃確定各項生產準備計劃，例如設計出圖計劃、鋼料納期計劃、舾裝件納期計劃、設備納期計劃和大型鑄鋼件納期計劃等。做好充分的生產準備是確保項目實施的關鍵，尾軸管分段建造的生產準備主要涉及圖紙、鋼料、加強材、舾裝件、樣板樣箱和鑄鋼件等方面。

樣板樣箱準備是尾軸分段效率提升的關鍵要素，設計部門為節省樣箱成本，通常會減少樣板樣箱的制作。若可采取三維模擬仿真或三維成像的技術，則可減少樣板樣箱制作，保證外板加工精確度；若無法采用上述技術，需要采用傳統工藝進行施工，則不僅須為現場提供足夠的樣箱，而且應提升樣板樣箱制作精度，增加監控手段對樣箱進行精度驗收，在設計源頭重視樣板樣箱制作。該型船尾軸分段外板分為2層，下層外板加工主要采用樣板測量方式。樣板準備須同時具備縱向樣板和橫向樣板的要求，方可保證外板的加工線形。

鑄鋼件是尾軸分段建造的核心資源，做好鑄鋼件的采購和物流策劃是尾軸分段建造的重點。在明確鑄鋼件廠家后，需要落實鑄鋼件的機加工要求、表面質量要求、檢驗流程和到貨方式。施工工藝應細致策劃，重點是表面處理工藝。鑄鋼件的最大質量隱患是產生裂紋與凹坑，導致加工性能差，鑄鋼件質量不佳對尾軸分段的建造產生嚴重影響。首部鑄鋼件和尾部鑄鋼件完成制作，應做好樣沖點的標記和保護，確定鑄鋼件的首尾和前后方向，確保在鑄鋼件安裝過程中不出現人為質量事故。鑄鋼件到貨方式須明確，若是船運到廠，則需要編制鑄鋼件吊裝、門架落駁和加強工藝，減少廠內周轉時間。

3 建造工藝優化

該型船尾軸分段采用立態建造，區別于側態建造。側態建造對外板的精度控制更有利，更適用于中小型船舶尾軸分段，但建造難度更大；綜合考慮分段建造的周期、施工效益和成本，立態建造更適用于大型集裝箱船尾軸分段。除傳統的分段建造工藝外，尾軸分段建造更應聚焦需要采用的工藝優化，例如尾軸管制作工藝優化、尾軸管與尾部鑄鋼件對接工藝優化、焊接工藝優化、腳手架工藝優化和作業環境優化等。

3.1 尾軸管制作工藝優化

該型船尾軸管制作采用雙加工板對接制作工藝，2塊板加工為半圓的圓弧進行裝配和焊接。根據加工裝備能力，可采用整體加工工藝或以外協方式直接采購相應直徑管子。雙加工板對接制作工藝優化如下：

(1)外板加工方式優化

外板加工原有加工方式外板保留裕量，切割階段不開坡口，在尾軸管開工前將加工部豎起，在焊接支撐后使用手割刀對加工板進行裕量切割與開坡口作業。施工過程不安全，坡口加工質量差，操作需要成熟經驗，操作周期長且質量差。在切割過程中保留裕量、不開坡口主要考慮在冷加工過程中，坡口處滾圓無壓力，造成上下口加工邊緣外擴。對工藝進行改進，坡口增加條材加強，在冷加工時使坡口外緣同時受力，減少坡口外擴，保證裝配精度，優化尾軸管制作的準備過程[5]。

(2)焊接方式優化

尾軸管對接原采用二氧化碳手工焊接方式，焊接時間長，周期不可控。考慮尾軸管對接縫為直線焊縫，對尾軸管對接縫進行焊接優化，采用二氧化碳打底、埋弧焊填充蓋面的方式進行焊接，并制作工裝架對埋弧焊小車進行支撐，提升焊接效率，減少尾軸管制作周期。

3.2 尾軸管與尾部鑄鋼件對接工藝優化

大型集裝箱尾軸管與尾部鑄鋼件的對接原采用橫向對接方式，尾軸管內部需要事先裝配光靶和光標，確定尾軸管與尾部鑄鋼件的同心度，這種對接方式占地面積大、準備時間長、精度控制難、焊接難度大。優化對接工藝，采用立態對接。尾部鑄鋼件在燒制吊碼后進入胎架，以尾部為基面搭建腳手架平臺，并對尾部鑄鋼件進行固定，且胎架必須牢固。在尾軸管吊裝前，需要提前在尾軸管內部預設腳手架梯道，并在尾軸管外側粘貼光標標記，方便后續施工。尾軸管采取立態吊裝與鑄鋼件進行對接，在吊裝到位后需要拉風繩對尾軸管進行固定，保證施工安全。

3.3 尾軸分段焊接工藝優化

主要考慮2個方面：外板和構件的焊接順序優化；外板縫和鑄鋼件的緩冷優化。

(1)外板和構件的焊接順序優化

在尾軸分段施工過程中，應注意尾軸分段的焊接順序，主要考慮施工空間對分段建造的影響[6]。在外板裝配前應盡可能完成內部肋板結構的對接焊縫燒焊打磨，在外板吊裝時根據吊裝情況逐步實施肋板與外板的焊接，否則在外板持續吊裝形成封閉結構后，內部肋板與外板的焊縫施工空間變得較小，不便現場施工。在尾軸分段建造過程中，應持續關注施工空間，減小施工強度。

(2)外板縫和鑄鋼件的緩冷優化

在施工過程中，外板縫和鑄鋼件的焊縫若控制欠佳會出現裂紋，因此在完成施工后應進行緩冷。結合生產現場，緩冷措施主要為加熱板保溫緩冷和石棉布包裹緩冷。通過加熱裝備保溫對外板縫焊縫進行緩冷，可保證外板縫焊縫在冷卻過程中不會溫度驟降而產生焊接裂紋。通過石棉布包裹對鑄鋼件焊縫進行緩冷，可減少環境變化產生的裂紋。

3.4 腳手架工藝優化

除搭建腳手架平臺和預設腳手架梯道外，腳手架工藝優化需要對尾軸分段底部進行加強。原有方式是增加立桿對腳手架進行支撐，考慮節能導管在分段階段的安裝會使腳手架承載質量，增加較多，因此需要對腳手架進行加固。在尾軸分段的下口焊接腳手眼和腳手板，通過鏈條對腳手板與分段進行固定，確保腳手架安全牢固。腳手架的搭建過程應配合外板的吊裝分步進行，腳手架的及時配合是尾軸分段滿足小日程計劃實施的關鍵。

3.5 作業環境優化

作業環境優化主要考慮2個方面：室外作業環境優化；分段施工環境優化。

(1)室外作業環境優化

室外作業的不可控因素較多，主要是露天的雨水影響和溫度影響。該型船尾軸分段是在室外作業，雨水天氣對分段建造產生嚴重影響。在施工過程中可使用大雨布和擋風板對分段進行防護，減少惡劣天氣對分段建造的影響。

(2)分段施工環境優化

夏季室外作業環境炎熱，尾軸分段施工空間小且在焊接前局部焊縫需要加熱，因此對施工進度產生影響，在夏季施工中應準備空調機和風機等裝備，保證尾軸分段建造的有序進行。

4 結 語

以23 000 TEU大型集裝箱船為例，通過對大型集裝箱尾軸分段相關建造工藝、施工計劃管理和分段建造工藝優化的研究，采用協同施工方式，將整船建造工藝與分段建造工藝結合起來，可更加精準地提升尾軸分段的建造效率，確保大型集裝箱船的生產建造周期，為集裝箱船批量建造和尾軸分段建造效率的提升提供技術支撐和實施路徑。