李嘯峰，趙振華，韓冰洋

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

地球兩極具有獨(dú)特的地理位置和自然環(huán)境，在該區(qū)域開展科研活動(dòng)較為困難?！把?”號(hào)極地自破冰科學(xué)考察船的交付使用為我國(guó)的極地科學(xué)考察工作提供了很大的便利。在建造“雪龍2”號(hào)過程中，控制好其重量和重心是保證船舶各項(xiàng)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(wěn)性和主要運(yùn)行能力。由于極地自破冰科學(xué)考察船通常需在特殊的區(qū)域航行，在建造過程中對(duì)其空船重量和重心進(jìn)行控制顯得尤為重要。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 “雪龍2”號(hào)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(wù)書也將空船重量控制作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。因此，需從船舶設(shè)計(jì)階段開始，到船舶建造完成，通過對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，持續(xù)不斷地對(duì)船舶重量進(jìn)行控制，確保建造過程中全船的重量不大于詳細(xì)設(shè)計(jì)的指標(biāo)值，穩(wěn)性滿足《極地規(guī)則》（Polar CODE）、《國(guó)際海上人命安全公約》（Convention on the Safety of Life at Sea, SOLAS）、《2008國(guó)際特殊用途船規(guī)則》（Special Purpose Ships Code of 2008, 2008 SPS CODE）和《海洋調(diào)查船特殊抗風(fēng)力要求》（CB/T 3526—1994）中的特殊抗風(fēng)力要求，載重量滿足船舶建造規(guī)格書的要求。

1.2 “雪龍2”號(hào)重量和重心控制的特點(diǎn)[1]

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

圖1 “雪龍2”號(hào)配備的設(shè)備、系統(tǒng)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(huì)嚴(yán)重影響船舶建造精度，因此需采取全過程的控制措施，從設(shè)計(jì)到建造有序銜接，缺一不可，在各環(huán)節(jié)控制好每個(gè)組件的重量[2]。

2.1 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段重量和重心的控制

在簽訂設(shè)備技術(shù)協(xié)議之前，基于充足的技術(shù)要求，對(duì)非常規(guī)、重點(diǎn)系統(tǒng)/設(shè)備和新材料的重量進(jìn)行預(yù)摸底，形成《技術(shù)協(xié)議前需摸底設(shè)備表》，在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)根據(jù)該表進(jìn)行重量約束。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，以滿足《技術(shù)協(xié)議前需摸底設(shè)備表》中各項(xiàng)重量的設(shè)計(jì)要求為前提，以各項(xiàng)設(shè)備訂貨資料為基礎(chǔ)，整理出《重量重心跟蹤表-詳細(xì)設(shè)計(jì)》，給出詳細(xì)設(shè)計(jì)的空船重量預(yù)估值，并列出結(jié)構(gòu)、設(shè)備和舾裝等各分項(xiàng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在基座尺寸滿足規(guī)范要求的前提下，兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減振降噪等指標(biāo)的要求，通過對(duì)基座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效減輕空船重量。

2.1.2 全船管系優(yōu)化

對(duì)管路原理圖進(jìn)行嚴(yán)格預(yù)審，優(yōu)化管路系統(tǒng)，做到管路連接合理、閥件輕化和附件量少；同時(shí)，優(yōu)化設(shè)備布置，做到設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與箱柜和箱柜與箱柜之間的管路連接最短；管路系統(tǒng)的布置優(yōu)化原則遵循大管子布置率先優(yōu)化、厚壁管布置率先優(yōu)化和底層管路率先優(yōu)化。

2.1.3 全船電纜優(yōu)化

電纜一般選用不帶內(nèi)護(hù)套的電纜，在滿足規(guī)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(zhǎng)度。

2.1.4 輕型化和新形式的采用

在滿足規(guī)范要求的前提下，采用輕型材料設(shè)計(jì)操作平臺(tái)，選用輕型舾裝件和管附件，采用比較薄的敷料布置節(jié)點(diǎn)，減小舷窗的窗框和風(fēng)暴蓋上開孔的尺寸，采用輕質(zhì)的鋼質(zhì)風(fēng)雨密門和輕質(zhì)的衛(wèi)生單元。

2.2 生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段重量和重心的控制

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)原理和設(shè)備布置已基本確定，對(duì)重量和重心的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)建模、電纜及管系走向、設(shè)備安裝形式和舾裝件訂貨及安裝形式等方面。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)三維建模軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)重量和重心統(tǒng)計(jì)方法，整理出《重量重心跟蹤表-生產(chǎn)設(shè)計(jì)》，并將其與《重量重心跟蹤表-詳細(xì)設(shè)計(jì)》相互驗(yàn)證。主要采取的控制措施如下。

2.2.1 結(jié)構(gòu)建模重量控制

對(duì)于分段模型，控制板縫大小和焊縫量，合理施加端部補(bǔ)償量和焊接收縮補(bǔ)償量；對(duì)于設(shè)備基座模型，應(yīng)將其布置在船體結(jié)構(gòu)上，與已有的結(jié)構(gòu)對(duì)齊，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，采用重量最輕且易施工的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 管系重量控制

對(duì)管系全局布置進(jìn)行預(yù)分析，分階段對(duì)各區(qū)域管系進(jìn)行綜合放樣，縮短全船管系的長(zhǎng)度；優(yōu)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(shè)計(jì)，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(duì)電纜進(jìn)行全局分析，分階段對(duì)各區(qū)域電纜進(jìn)行綜合放樣，優(yōu)化電纜走向，縮短全船電纜的長(zhǎng)度。此外，按照電纜的類型和數(shù)量確定托架上電纜的分束數(shù)，結(jié)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(zhǎng)度。

2.2.4 舾裝件重量控制

在訂貨時(shí)寫明舾裝件制作標(biāo)準(zhǔn)和重量要求，要求制作廠家按理論重量交貨，交貨時(shí)提供重量自檢報(bào)告。對(duì)于強(qiáng)度要求較低的鐵舾件，考慮采用輕型材料控制重量，內(nèi)部加強(qiáng)對(duì)正船體結(jié)構(gòu)骨材，實(shí)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(xiàn)場(chǎng)建造階段重量和重心的控制

在現(xiàn)場(chǎng)建造階段，需嚴(yán)格做到規(guī)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(yán)守工藝紀(jì)律，嚴(yán)格控制建造精度；

2) 按控制程序的要求實(shí)施測(cè)量，反饋正確的測(cè)量數(shù)據(jù)；

3) 規(guī)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(yán)格控制焊腳高度；

5) 嚴(yán)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(duì)于結(jié)構(gòu)上的臨時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，確定拆除時(shí)間，并進(jìn)行檢查；

7) 編制有效可行的甲板平整度控制工藝文件，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)操作流程，嚴(yán)格控制甲板的平整度；

8) 嚴(yán)格按認(rèn)可的油漆明細(xì)表進(jìn)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(zhì)量保證

對(duì)重量進(jìn)行跟蹤和檢驗(yàn)是保證重量和重心控制質(zhì)量的有效措施，主要包括成立稱重工作小組、設(shè)立稱重崗位、制定稱重制度和明確稱重設(shè)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(zhì)量的措施，開展重量檢查。

1) 船體結(jié)構(gòu)以分段為單位，對(duì)其進(jìn)行稱重、退重、匯總和檢查。

2) 鋼板進(jìn)廠驗(yàn)收時(shí)，需全部進(jìn)行厚度檢測(cè)，具體測(cè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

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

4) 阻尼需按圖紙要求施工，分別統(tǒng)計(jì)施工前與施工后的重量，計(jì)算出上船實(shí)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(dá)桅）需單獨(dú)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(duì)甲板敷料的用量進(jìn)行預(yù)判斷，若理論用量滿足預(yù)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(guī)格抽取1包稱重檢驗(yàn)，取得每種規(guī)格艙壁板的單位面積重量。在施工完畢之后，按安裝位置對(duì)余料和廢料進(jìn)行退重，計(jì)算艙室封面板的重量。

8) 油漆重量根據(jù)干膜測(cè)厚結(jié)果和實(shí)際使用面積統(tǒng)計(jì)。

9) 鋼質(zhì)門和艙口蓋每種規(guī)格各抽取1個(gè)進(jìn)行稱重檢查。

圖2 鋼板厚度測(cè)點(diǎn)位置示意

2.6 建立重量和重心數(shù)據(jù)庫(kù)

重量和重心控制過程其實(shí)就是重量和重心數(shù)據(jù)不斷積累、更新、完善而趨于真實(shí)的過程，建立設(shè)計(jì)和建造全過程中的重量和重心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)跟蹤表，不僅能發(fā)現(xiàn)重量和重心控制過程中存在的問題，而且能在可預(yù)見的前提下考慮應(yīng)急預(yù)案；同時(shí)，當(dāng)空船重量和重心數(shù)據(jù)在不同階段系統(tǒng)收集之后，可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到一份可用的數(shù)據(jù)，為后續(xù)整船的重量和重心控制提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

跟蹤表包含的信息主要有：初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（主要設(shè)備訂貨結(jié)束之后）；生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（三維基本完成）；設(shè)計(jì)更改數(shù)據(jù)；下水狀態(tài)預(yù)估（出塢時(shí)）；系泊試驗(yàn)?zāi)M（重吊試驗(yàn)時(shí)）；傾斜試驗(yàn)結(jié)果。

3 重量和重心控制注意事項(xiàng)

3.1 公差分配

船舶公差分配基礎(chǔ)為尺寸鏈原則，即將公差分配到各個(gè)環(huán)節(jié)，分配時(shí)，可根據(jù)船廠已有的經(jīng)驗(yàn)，從各個(gè)方面出發(fā)，根據(jù)建造情況進(jìn)行校驗(yàn)核算。本文所述目標(biāo)船采用的公差分配方法為以下3種：

1) 等精度法，對(duì)一部分組件設(shè)置相同的公差，待設(shè)計(jì)加工完成之后再進(jìn)行公差分配；

2) 協(xié)調(diào)法，根據(jù)構(gòu)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(gòu)件的比例系數(shù)大于1.0，易加工的構(gòu)件的比例系數(shù)等于1.0，這樣能提高建造的精度。

本文所述目標(biāo)船部分構(gòu)件公差要求見表1～表3。

表1 鋼板厚度公差

表3 系統(tǒng)（設(shè)備）重量公差

船舶分段建造完成之后，將測(cè)得的公差與設(shè)計(jì)的公差相對(duì)比，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。若實(shí)測(cè)公差大于設(shè)計(jì)公差，要分析原因，并進(jìn)行超差處理；若實(shí)測(cè)公差小于設(shè)計(jì)公差，可將剩余公差分配到剩余分段中，對(duì)接下來的分段公差進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2 超差處理

對(duì)于設(shè)計(jì)或建造階段出現(xiàn)重量和重心超過允許偏差問題的項(xiàng)目，需由該問題的發(fā)現(xiàn)人將情況上報(bào)給重量和重心控制小組，召開會(huì)議討論超差處理方案。此時(shí)遵循以下原則：

1) 復(fù)查該項(xiàng)目是否確實(shí)超出控制要求；

2) 檢查該項(xiàng)目是否嚴(yán)格遵循重量和重心控制要求；

3) 若復(fù)查結(jié)果確實(shí)超出控制要求且該項(xiàng)目嚴(yán)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(fā)現(xiàn)重心無法滿足控制要求，及時(shí)確定采用固定壓載調(diào)整重心的措施，并在最短時(shí)間內(nèi)綜合船舶的建造狀態(tài)，制訂固定壓載進(jìn)艙及固定的方案，完成固定壓載敷設(shè)及固定，并記錄固定壓載詳細(xì)的重量數(shù)據(jù)。

3.3 動(dòng)態(tài)執(zhí)行

重量和重心控制涉及船廠的多個(gè)部門，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的控制過程。以計(jì)劃和目標(biāo)為基礎(chǔ)，通過檢查調(diào)整計(jì)劃，不斷循環(huán)，使結(jié)果得到改善，使管理水平得到提升，嚴(yán)格控制每個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)修改與重量和重心控制之間達(dá)到一種均衡[4]。

4 重量和重心控制結(jié)果

4.1 下水起浮預(yù)估和預(yù)傾斜試驗(yàn)

船舶出塢時(shí)，將計(jì)算得到的下水起浮浮態(tài)的重量和重心數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)到的六面吃水和浮態(tài)相對(duì)比，初步驗(yàn)證船舶重量和重心控制情況。

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

4.2 傾斜試驗(yàn)

在船舶建造接近設(shè)計(jì)規(guī)定的空船狀態(tài)時(shí)，開展傾斜試驗(yàn)，對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行最終的驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，實(shí)船的排水量比設(shè)計(jì)目標(biāo)下降了約400t，直接增加了燃油載重量，提高了續(xù)航力，重心高度等性能指標(biāo)良好，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 結(jié)論

“雪龍2”號(hào)的重量和重心控制技術(shù)涵蓋設(shè)計(jì)單位的前期設(shè)計(jì)、船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)建造等3個(gè)階段，包含控制目標(biāo)、控制要求、控制小組、控制細(xì)則、稱重管理、數(shù)據(jù)管理、超差管理和傾斜試驗(yàn)驗(yàn)證等多個(gè)部分，各部分由專人負(fù)責(zé)，設(shè)計(jì)單位和船東共同參與把關(guān)，從設(shè)計(jì)源頭介入，編制完整的執(zhí)行文件，制定健全的工作制度，規(guī)范可靠的數(shù)據(jù)收集和處理方法，并定期召開控制小組推進(jìn)會(huì)和三方匯報(bào)會(huì)，使“雪龍2”號(hào)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(yù)期的控制效果。通過開展“雪龍2”號(hào)重量和重心控制實(shí)踐，船廠總結(jié)出來了一套完整、有效的重量和重心控制技術(shù)。

5 結(jié) 語

重量和重心控制是船舶建造過程中的一項(xiàng)很有難度的重要工作，涉及面廣，周期長(zhǎng)，內(nèi)容復(fù)雜。對(duì)于破冰船而言，科考作業(yè)和極地破冰等都與船舶的重量和重心息息相關(guān)。因此，重量和重心控制是全員參與、目標(biāo)明確、責(zé)任到人、全過程控制和閉環(huán)管理的關(guān)鍵項(xiàng)目，需從技術(shù)和管理2個(gè)方面落實(shí)到可操作層面[5]。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要在各方面嚴(yán)格把控，確保設(shè)計(jì)、建造同步匹配，確保最終結(jié)果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。本文的研究結(jié)果可為船舶的輕量化研究提供參考。