64kDWT散貨船甲板管路布置優(yōu)化

中圖分類號：U664.84 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimization of Deck Piping Layout for 64k DWTBulk Carrier

WANG Quanjun1， WANG Quanbing2（1.COSCOHeustoud，saeegusd）

Abstract： Digital-intelligent approaches for lightweight ship design are increasingly applied in modern shipbuilding.Takinganew 64k DWTbulk carrier as an example， this study optimizes deck piping layout through precision design methods combined with Partran stress analysis software，AM3D modeling，and piping stress analysis.Results show 12% steel reduction and 9.5% pipe material reduction， achieving lightweight objectives.

Key Words： digital-intelligent; lightweight design; precision design; piping layout

1 引言

船舶管路的綜合布置是一項(xiàng)綜合性專業(yè)技術(shù)，在船舶管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不僅僅是縮短管路的長度節(jié)省成本，還需要考慮整體的美觀性、實(shí)用性、施工便利、易于維護(hù)保養(yǎng)等多個(gè)因素，進(jìn)而做到美觀、簡潔、實(shí)用，從而更好地發(fā)揮出船舶的功能，提高運(yùn)輸效率]。

散貨船輕量化設(shè)計(jì)與建造經(jīng)濟(jì)性和使用經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)，而數(shù)智化設(shè)計(jì)手段能科學(xué)地推進(jìn)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)程。謝國術(shù)重點(diǎn)基于提高散貨船上甲板管路先行裝率的方法及對策做了重點(diǎn)介紹。徐歡等重點(diǎn)研究了船舶管路布置優(yōu)化與船舶的經(jīng)濟(jì)性、安全性和整體布局的科學(xué)性及可維修性等之間的關(guān)系。張翼等基于船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展、困境及突破做了分析研究。王軍偉[重點(diǎn)對船舶管路綜合布置要點(diǎn)的布置原則、優(yōu)化措施和重要意義做了詳細(xì)闡述。魏豪基于三維建模的船舶管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地進(jìn)行了深入探究。

當(dāng)前散貨船艙口圍對主甲板管路布置影響的研究較少涉及。本文將以 64k DWT散貨船的艙口圍優(yōu)化為研究對象，針對目前10多艘已完工營運(yùn)船舶反饋液壓管路容易受到抓斗碰傷和管排寬度太寬，增加船舶營運(yùn)的日常維護(hù)難度和成本等痛點(diǎn)，認(rèn)真分析客戶的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，借鑒國內(nèi)外建造營運(yùn)船舶的布置優(yōu)點(diǎn)，采用市場調(diào)研和技術(shù)研討相結(jié)合的方式，開展設(shè)計(jì)改進(jìn)的可行性研究，在船舶破艙穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許可的情況下，采用精益化和數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，盡可能減少甲板面的管路布置數(shù)量和艙口圍的結(jié)構(gòu)重量，以降低船舶材料重量和施工成本。既滿足船舶輕量化設(shè)計(jì)的性能要求，也能增加船舶的載貨量。

2 艙口圍布置優(yōu)化

2.1艙口圍甲板管路布置要點(diǎn)

1）涉及到的管路系統(tǒng)布置依據(jù)及原則

貨艙甲板管路，一般包括海水消防、系泊設(shè)備液壓、艙蓋液壓、雜用淡水、壓縮空氣、二氧化碳、閥門遙控、電纜管等管路系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)按照國際規(guī)范、規(guī)則，輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊等為依據(jù)，以詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙和廠家設(shè)備資料為基礎(chǔ)，確保各系統(tǒng)的功能性和使用便利性。管路系統(tǒng)信息如表1所示。

管路系統(tǒng)的數(shù)量和布置位置對艙口圍結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，管路的布置優(yōu)劣直接影響到艙口圍的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散貨船的裝卸貨效率和船員的日常維護(hù)成本。如液壓管路系統(tǒng)，其作用是為錨系泊和裝卸貨設(shè)備及遙控閥門等提供動(dòng)力，布置在露天甲板上容易受到機(jī)械損壞，布置在艙口圍內(nèi)要考慮艙口圍的結(jié)構(gòu)開孔和強(qiáng)度。

2）船廠施工便利性及綜合成本因素

目前隨著勞動(dòng)力成本的逐年提高，為控制建造成本實(shí)現(xiàn)盈利，各個(gè)船廠都在生產(chǎn)施工中減少返工率，提高功效等方面做了大量的工作。輕量化設(shè)計(jì)和智能化制造無疑是實(shí)現(xiàn)成本持續(xù)可控的最重要途徑。

3）客戶營運(yùn)過程中維護(hù)便利性訴求

檢驗(yàn)船舶產(chǎn)品是否具有持續(xù)競爭力的標(biāo)準(zhǔn)就是能否在不斷變化的市場中，在成本可控的前提下，提高船舶的性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2艙口圍總體優(yōu)化概述

根據(jù)艙蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等要求， 64k DWT散貨船主甲板管路布置比較靈活。所有管路布置到艙口圍板以外，有利于生產(chǎn)建造和成本管控，如圖1所示；如管路布置在艙口圍板上，則甲板空間較大，有利于船東的日常維護(hù)和運(yùn)貨量改善。本文從管路優(yōu)化到艙口圍內(nèi)進(jìn)行探討和可行性分析，提出兼顧成本和維護(hù)方便性的可行方案。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性分析

該船基本設(shè)計(jì)時(shí)，艙口圍圍高為 1.9m ，經(jīng)過Partran等有限元計(jì)算反復(fù)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了3/4/5艙口圍的高度降 ～0.7m ，減輕近45t左右的鋼板和型材用量，實(shí)現(xiàn)減重 18% 。新船型的設(shè)計(jì)給管路布置帶來了一定難度。艙口圍的降低，造成了較多的小管路不能走到艙口圍內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)而增加了船東日常維護(hù)的難度和貨物駁運(yùn)時(shí)損壞管路的風(fēng)險(xiǎn)。為此利用AM軟件對艙口圍的管路布置方案進(jìn)行了建模，用結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析軟件進(jìn)行比對。

方案一，管路均布置到艙口圍內(nèi)（如圖2），優(yōu)點(diǎn)是甲板面上管路較少，有利于船東增加裝載量，缺點(diǎn)是所有艙口圍肘板向外部擴(kuò)大至少 800mm ，且板厚由 15mm 增加到 20mm ，初步核算要增加15t左右的鋼材量，增重 6% 。

方案二，部分規(guī)格較大的電纜管和消防管布置到艙口圍外，且做成單元的型式吊裝，所有小管路均布置到艙口圍內(nèi)（如圖3），優(yōu)點(diǎn)是大管子做成單元可整體吊裝，小管子在艙口圍內(nèi)得到了有效的保護(hù)，且方便了船員的日常維護(hù)和操作，結(jié)構(gòu)僅有3處肘板加厚，增加重量約 50kg ，船東和船廠都易于接受此方案。缺點(diǎn)是艙口圍板需要數(shù)控開孔，且艙口圍內(nèi)的管子的安裝和焊接，需要將部分管段移到搭載階段安裝到位，后行增加一定的施工工作量。

2.4艙口圍開孔的可行性分析

對比以上2個(gè)方案，方案二比較適合目前的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，使用Partran有限元軟件對增加開孔后的艙口圍結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小進(jìn)行校核，結(jié)果如表2所示。

以FR93為例，原艙口圍板未開孔，經(jīng)應(yīng)力分析，最大應(yīng)力值為 476MPa ，增加 420×320 開孔且增加護(hù)圈和扁鐵補(bǔ)強(qiáng)后，艙口圍板最大應(yīng)力值為 544.2MPa 滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和船級社規(guī)范要求，詳見如圖4所示，符合設(shè)計(jì)優(yōu)化的預(yù)期。

2.5管路布置優(yōu)化

為減小管排寬度對船員檢修的影響，提出2根電纜管合并為1根電纜管的方案。在不降低管子預(yù)裝率的前提下，為減少管子安裝到艙口圍內(nèi)對結(jié)構(gòu)搭載焊縫效率的影響，分析艙口圍內(nèi)的管子排布與搭載焊縫之間的關(guān)系。經(jīng)反復(fù)研討和計(jì)算，最終將1根DN150和DN300的電纜管，優(yōu)化為1根DN350的電纜管，部分法蘭優(yōu)化為套管連接，電纜箱外形變小，最終1條船減重約 5t ，實(shí)現(xiàn)減重 9.5% ，單船節(jié)約成本6萬多元。選取的管子是離主甲板面最近，且離艙口圍結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)的一路，原因是人員手拿焊槍可以焊到艙口圍的平角縫。管子離主甲板面凈尺寸 ?260mm ，離艙口圍的凈尺寸 ?400mm ，確保搭載施工效率不受影響。

3主甲板管路布置優(yōu)化實(shí)船驗(yàn)證

經(jīng)過兩個(gè)方案利弊分析，最終采用方案二，在新設(shè)計(jì)船舶上予以實(shí)施且保證了船舶建造周期不受影響。經(jīng)有限元分析，本船降低艙口圍高度和甲板管路優(yōu)化方案，整體上減少鋼材約 45t ，管材 5t ，合計(jì)減少鋼材用量約 50t ，可相應(yīng)增加貨物載運(yùn)量。輕量化設(shè)計(jì)節(jié)約了船舶建造材料和人工成本。經(jīng)過傾斜試驗(yàn)和試航等充分驗(yàn)證，此方案性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4結(jié)語

在分析實(shí)船便利性操作和船廠提質(zhì)增效的基礎(chǔ)上，采用精益化設(shè)計(jì)的思路，結(jié)合AM三維模型和有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算校核，利用數(shù)智化手段，完成了 64k DWT散貨船主甲板管路布置優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省鋼材45t和鋼管 5t ，鋼材減少 12% ，管材減少 9.5% ，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高了船舶日常維護(hù)便利性，美觀實(shí)用，為類似船舶甲板管路布置提供了新的思路。

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