龔建東，宋 偉

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)船舶工業(yè)的快速發(fā)展，造船數(shù)量不斷增加[1]；同時(shí)，整個(gè)船舶市場(chǎng)持續(xù)低迷，船價(jià)不斷下降，人員成本不斷提高。在此情況下，船廠應(yīng)采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，對(duì)船舶制造技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線(xiàn)，以推進(jìn)智能制造為主攻方向[2]，不斷提升船舶建造質(zhì)量，提高工作效率。

管子制造是船舶和海洋工程裝備建造的重要環(huán)節(jié)之一[3]。以一艘18萬(wàn)噸級(jí)的散貨船為例，全船的管子總數(shù)約為1.1萬(wàn)根，目前國(guó)內(nèi)船廠制造單根管子所需時(shí)間約為3.2h，制造全船所有管子所需總時(shí)間約為3.5萬(wàn)h。國(guó)內(nèi)船廠在管子制造效率和制造質(zhì)量方面已遇到瓶頸，且弊端日益凸顯，主要問(wèn)題在于制造的自動(dòng)化及流水線(xiàn)化程度低、設(shè)備陳舊和加工工藝落后[4]。因此，迫切需對(duì)管子制造技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高船廠的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文以實(shí)現(xiàn)管子制造的流水線(xiàn)作業(yè)和自動(dòng)化作業(yè)為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外船舶行業(yè)的管子制造工藝的差異和單船管子大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出多種解決方案，如優(yōu)化加工代碼、增加管子綜合放樣環(huán)節(jié)和將特殊管子標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等，便于船廠靈活運(yùn)用；同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

1 國(guó)內(nèi)外船舶管子設(shè)計(jì)與制造現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外船舶管子設(shè)計(jì)與制造現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)外先進(jìn)船廠（尤其以日本、韓國(guó)的船廠為代表）就已開(kāi)始致力于管子的自動(dòng)化制造研究，以此減少人工成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。表1為2016年國(guó)外2家知名船廠的管子加工效率調(diào)研結(jié)果。

表1 2016年國(guó)外2家知名船廠的管子加工效率調(diào)研結(jié)果

國(guó)外船廠設(shè)計(jì)管子的主要目的是提高現(xiàn)場(chǎng)制造的效率。以管子分類(lèi)為例，國(guó)外的管子設(shè)計(jì)除了按口徑大小對(duì)管子進(jìn)行分類(lèi)之外，還將其分為純直管、純彎管（1個(gè)彎、2個(gè)彎和多個(gè)彎）、純鑲管、只帶支管管子及其他類(lèi)管子，設(shè)計(jì)管子細(xì)分原則有利于在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管子制造工位進(jìn)行細(xì)分，并實(shí)施流水線(xiàn)作業(yè)。

由此可知，國(guó)外設(shè)計(jì)對(duì)管子的分類(lèi)更有利于流水線(xiàn)及自動(dòng)化完成純直管和純彎管制造。國(guó)外先進(jìn)船廠的管子制造通常以管子制造流程為主導(dǎo)，以自動(dòng)焊接為輔助，以傳送帶或?qū)к墳檫\(yùn)輸方式，布置靈活方便，管子堆放整齊（見(jiàn)圖1）。國(guó)外先進(jìn)船廠的管子焊接主要以自動(dòng)焊接為主（見(jiàn)圖2），自動(dòng)焊機(jī)調(diào)試之后能一直維持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，同時(shí)能使生產(chǎn)效率顯著提高。

圖1 國(guó)外船廠管子制造車(chē)間

圖2 國(guó)外船廠管子焊縫

1.2 國(guó)內(nèi)船舶管子設(shè)計(jì)與制造現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)的船廠在管子制造自動(dòng)化方面仍處于起步階段，主要靠人工完成，管子制造效率較低。表2為2016年國(guó)內(nèi)幾家知名船廠的管子加工效率的調(diào)研結(jié)果。

表2 2016年國(guó)內(nèi)幾家知名船廠的管子加工效率調(diào)研結(jié)果

國(guó)內(nèi)的管子設(shè)計(jì)原則以完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主要目的。以管子分類(lèi)為例，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的管子除了以管子口徑大小來(lái)分之外，主要將其分為主管直管、主管彎管和其他類(lèi)型管。

根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)管子制造車(chē)間以行車(chē)運(yùn)行路線(xiàn)為主導(dǎo)，便于吊運(yùn)管子，但行車(chē)資源稀缺，導(dǎo)致工作效率較低。同時(shí)，以工人工種（下料、裝配、焊接和打磨等）為輔，導(dǎo)致管子堆放零散。由于自動(dòng)化程度較低，國(guó)內(nèi)船廠的管子焊接主要由人工完成。焊接質(zhì)量受人為因素（如焊接工人的技能水平、情緒和身體健康狀況等）的影響較大，后期會(huì)增加大量的補(bǔ)焊、打磨和檢查等工作。

由表1和表2可知，同類(lèi)型船舶單根管子的制造時(shí)間，國(guó)外船廠約為國(guó)內(nèi)船廠的1/3，同類(lèi)型船舶自動(dòng)焊比率，國(guó)外船廠約為國(guó)內(nèi)船廠的6倍，同時(shí)自動(dòng)焊接的焊接質(zhì)量遠(yuǎn)好于手動(dòng)焊接的焊接質(zhì)量，國(guó)內(nèi)船廠的競(jìng)爭(zhēng)力受到了嚴(yán)重影響。

2 設(shè)計(jì)解決方案

實(shí)施先進(jìn)管子制造工藝的前提是能自動(dòng)區(qū)分管子類(lèi)型。傳統(tǒng)的管子設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)直管、彎管和鑲管的區(qū)分，不能滿(mǎn)足自動(dòng)化制造管子的要求。對(duì)此，考慮多種設(shè)計(jì)解決方案，包括優(yōu)化加工代碼、管子綜合放樣和建立中間產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則。

2.1 優(yōu)化加工代碼

加工代碼包含的信息多種多樣，如管簇、管子口徑大小、加工工藝和表面處理等，傳統(tǒng)的加工代碼中已包含管子類(lèi)別，但在內(nèi)容上還不夠細(xì)化、具體，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工藝改進(jìn)的需求。以管簇為例，將其擴(kuò)展成6大類(lèi)、32小類(lèi)，囊括一般造船廠現(xiàn)有管子的幾乎所有種類(lèi)，如“端部不裝配對(duì)接焊法蘭的直管”“端部裝配對(duì)接焊法蘭的直管且僅含支管類(lèi)設(shè)計(jì)”和“主體為純鑲管且僅含復(fù)板類(lèi)附件”等，具體判斷原則見(jiàn)表3。

表3 代碼定義

新的設(shè)計(jì)規(guī)則增加了大量判斷的工作量，依靠人工完成不僅繁瑣，而且容易出錯(cuò)，顯然是不可行的。因此，應(yīng)通過(guò)軟件的二次開(kāi)發(fā)規(guī)避或減少人工介入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

所有的管簇分類(lèi)都以TRIBON中自帶的信息為依據(jù)，如支管信息、彎管信息和部件庫(kù)信息等，且在設(shè)計(jì)層面均已明確判斷的方法，從而得到管簇代碼。同時(shí)，自動(dòng)讀取管子外徑信息，得到管子口徑代碼。在未改變?cè)O(shè)計(jì)人員工作量的情況下，完成對(duì)管子屬性的細(xì)分設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)管子流水線(xiàn)制造提供理論基礎(chǔ)。

2.2 管子綜合放樣

通過(guò)對(duì)船廠大量管子數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)分析，得到常規(guī)設(shè)計(jì)的管子規(guī)格比例見(jiàn)表4。

表4 常規(guī)設(shè)計(jì)的管子規(guī)格比例

由表4可知，純直管和純彎管的占比較小，嚴(yán)重影響了管子流水線(xiàn)和自動(dòng)化制造的能力，主要原因是設(shè)計(jì)過(guò)程中管子走向的設(shè)計(jì)較為隨意。對(duì)此，需在原有的設(shè)計(jì)方法中增加一道管子綜合放樣的步驟，其操作思路是在機(jī)艙布置圖的基礎(chǔ)上（見(jiàn)圖3），綜合考慮各舾裝件與船體之間的安裝關(guān)系和施工工藝，利用CAD（Computer Aided Design）軟件設(shè)計(jì)出管路的綜合布置圖（見(jiàn)圖4），其主要作用是提高后期管子的放樣平整性和正確性，同時(shí)優(yōu)化管子的走向。盡可能多地實(shí)現(xiàn)純直管和純彎管設(shè)計(jì)，提高其占比，為管子的自動(dòng)化制造和先焊后彎制造提供技術(shù)保障，提高生產(chǎn)效率。

圖3 機(jī)艙布置圖

圖4 綜合布置圖

2.3 建立中間產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則

標(biāo)準(zhǔn)化是提高工作效率的有效途徑之一，通過(guò)對(duì)管子制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在制造管子過(guò)程中，支管制造是一個(gè)難點(diǎn)，其焊接和打磨的工時(shí)是普通焊接點(diǎn)的1倍左右，通過(guò)對(duì)支管長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)收集和分析，編制標(biāo)準(zhǔn)支管設(shè)計(jì)原則，使其成為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，提前制造，提高生產(chǎn)效率。成品件樣例見(jiàn)圖5。

圖5 成品件樣例

2.4 創(chuàng)新和不足

本文所述解決方案的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1) 管簇代碼細(xì)分方案。將管簇代碼設(shè)計(jì)成2位，實(shí)現(xiàn)對(duì)管簇的擴(kuò)容，理論上可擴(kuò)展至99個(gè)代號(hào)，適用性更廣，同時(shí)便于管子加工部門(mén)根據(jù)船廠的實(shí)際情況，合理對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合使用，使生產(chǎn)效率最大化。若船廠運(yùn)用流水線(xiàn)和自動(dòng)焊接機(jī)器人，則其管子制造效率將提高30%以上。

2) 支管標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。首先可提高支管與管附件之間的焊接質(zhì)量，其次可提前完成支管的生產(chǎn)制造。

3) 利用管子綜合放樣的設(shè)計(jì)方法，擴(kuò)大了純直管和純彎管的比例，進(jìn)一步提高了管子制造的效率和焊接質(zhì)量[5]。

該方案的不足之處在于，對(duì)于一家不斷生產(chǎn)的船廠而言，其必定存有在制項(xiàng)目、在設(shè)計(jì)項(xiàng)目和待設(shè)計(jì)項(xiàng)目，必然會(huì)出現(xiàn)新老設(shè)計(jì)規(guī)則并存的情況，因此船廠在實(shí)施這套解決方案時(shí)，需整體協(xié)調(diào)船廠的生產(chǎn)節(jié)奏，同時(shí)需找到一個(gè)最優(yōu)的實(shí)施窗口，這對(duì)船廠來(lái)說(shuō)是比較困難的。此外，若要最大化利用這套解決方案，需投入大量的基礎(chǔ)建設(shè)，如場(chǎng)地?cái)U(kuò)建和設(shè)備更新、升級(jí)，以保證實(shí)施的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研了解到，國(guó)內(nèi)船廠與國(guó)外先進(jìn)船廠在管子制造方面還存在較大差距，原因有很多，本文主要從設(shè)計(jì)的視角，結(jié)合造船行業(yè)主流的管子加工工藝，對(duì)其進(jìn)行了分析，通過(guò)采取優(yōu)化管子加工代碼、增加管子綜合放樣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和優(yōu)化中間產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則等方法，可為管子制造車(chē)間實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)和自動(dòng)化生產(chǎn)提供精準(zhǔn)、細(xì)致的理論數(shù)據(jù)參考。