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(tuán)有限公司，上海 200011)

0 引 言

2021年以來，集裝箱船市場呈現(xiàn)強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，新船訂單創(chuàng)歷史新高。根據(jù)波羅的海國際航運(yùn)公會(huì)(BIMCO)發(fā)布的報(bào)告，集裝箱船新船訂單僅8個(gè)月已超2020年的全年水平，出現(xiàn)井噴態(tài)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(fā)展趨勢看，大型集裝箱船為船舶所有人帶來的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)周期長，尤其是船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。國內(nèi)大型集裝箱船平臺建造周期一般為6～8個(gè)月。分段建造是船廠建造大型集裝箱船的生產(chǎn)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(diǎn)[1]。隨著訂單持續(xù)增加，船廠對大型集裝箱船進(jìn)行集中建造，因此需要做好船體分段建造前的生產(chǎn)策劃和建造工藝優(yōu)化，通過周密計(jì)劃、工藝優(yōu)化和協(xié)同策劃，充分做好生產(chǎn)準(zhǔn)備和工序間的有效銜接，消除生產(chǎn)過程中的等工和浪費(fèi)，確保分段建造滿足船舶建造節(jié)點(diǎn)要求[2]。

尾軸分段是大型集裝箱船尾部最后一個(gè)分段，隨著軸系鏜孔總組階段施工工藝、節(jié)能導(dǎo)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(chǎn)周期需要縮短。各船廠針對尾軸分段的生產(chǎn)建造整體策劃和分段工藝策劃不夠重視，各工藝環(huán)節(jié)的計(jì)劃銜接和物資配套體系不夠完善，僅針對部分物資進(jìn)行跟蹤，其他物資全部交給現(xiàn)場，缺少統(tǒng)一協(xié)調(diào)，計(jì)劃體系、物資配套、關(guān)聯(lián)工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場未完全組織起來，導(dǎo)致尾軸分段生產(chǎn)過程遇到較多困難[3]。船舶建造中的關(guān)鍵分段就是“木桶理論”中的短板，補(bǔ)齊短板是縮短船舶建造周期的關(guān)鍵。因此，開展大型集裝箱船尾軸分段建造工藝優(yōu)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(jì)劃管理和分段建造工藝優(yōu)化等方面開展研究，為尾軸分段建造生產(chǎn)提供優(yōu)化工藝方案，解決尾軸分段建造難點(diǎn)，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(chǎn)作業(yè)實(shí)施時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境因素對分段建造作業(yè)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(zhì)量接近100 t，但分段結(jié)構(gòu)包含首尾鑄鋼件質(zhì)量為186 t，而內(nèi)場分段制作區(qū)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(jìn)行制作。

1.1 船型工藝策劃

在開展建造項(xiàng)目總體策劃時(shí)，應(yīng)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(jì)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(jìn)船廠已是成熟工藝，但目前國內(nèi)使用尚不夠成熟。若選擇在總組階段進(jìn)行尾軸鏜孔，則尾軸分段納期應(yīng)考慮尾軸鏜孔工期，且分段精度應(yīng)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(jié)能導(dǎo)管安裝工藝

節(jié)能導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣泡，產(chǎn)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(jié)能導(dǎo)管主要由4個(gè)導(dǎo)流鰭、15塊安裝封板和導(dǎo)流圍板組成。導(dǎo)流鰭與鑄鋼件的焊接部位要求進(jìn)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(jié)能導(dǎo)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(jié)能導(dǎo)管為非對稱結(jié)構(gòu)，焊接過程中的變形量較大，需要通過專用工裝和加強(qiáng)固定與加放反變形等方式控制焊接變形量。應(yīng)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(jié)能導(dǎo)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(rèn)尾部全部尺寸后進(jìn)行節(jié)能導(dǎo)管安裝。為提升船塢效率，減少船塢周期，該型船采用節(jié)能導(dǎo)管分段階段安裝工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 節(jié)能導(dǎo)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(chǎn)節(jié)點(diǎn)。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(jìn)行拉線照光。該型船突破常規(guī)，將拉線照光工序提前，在完成尾部結(jié)構(gòu)搭載和半船船體分段搭載焊接后進(jìn)行拉線照光，首部與尾部同時(shí)施工，解決出塢前的關(guān)鍵工序影響整個(gè)船舶建造周期的問題。半船拉線照光工藝實(shí)施較為關(guān)鍵的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)方案。建議在分段劃分后進(jìn)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(yè)情況和尾柱對接情況，避免后續(xù)生產(chǎn)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(qiáng)度或局部強(qiáng)度的受力集中位置。

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域盡可能避免布置分段接縫。

(3)分段接縫盡可能選擇結(jié)構(gòu)原有板縫或構(gòu)件(例如肘板)的連接部位；盡可能采用優(yōu)化設(shè)計(jì)使分段長度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的分布區(qū)域相匹配，達(dá)到減少鋼板拼縫的目的。

(4)分段具有足夠剛度，不會(huì)由焊接、火工校正和翻身吊運(yùn)引起較大變形。

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

1.3 尾柱設(shè)計(jì)方案

尾柱設(shè)計(jì)方案的主要區(qū)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(yōu)點(diǎn)在于：扁鋼可通過數(shù)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(zhǔn)確定位，調(diào)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(jì)劃管理

2.1 生產(chǎn)計(jì)劃

生產(chǎn)計(jì)劃是生產(chǎn)組織的核心要素，傳統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃是指生產(chǎn)計(jì)劃的時(shí)間安排，而所論述的生產(chǎn)計(jì)劃更強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)計(jì)劃的組織。采用協(xié)同理論，將所有涉及的工藝創(chuàng)新整合至生產(chǎn)計(jì)劃的組織和安排中。生產(chǎn)計(jì)劃應(yīng)充分考慮工藝優(yōu)化的各系統(tǒng)實(shí)施，方可保證尾軸分段建造的生產(chǎn)效率。

(1)中日程計(jì)劃

中日程計(jì)劃是船廠先行計(jì)劃整體安排的基礎(chǔ)，以搭載開始時(shí)間為最終節(jié)點(diǎn)，根據(jù)分段建造各工序生產(chǎn)周期，考慮各工序間的浮時(shí)，以倒序的生產(chǎn)計(jì)劃串聯(lián)，生成各工序建造的計(jì)劃開始時(shí)間和計(jì)劃完工時(shí)間，指導(dǎo)圖紙、材料準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)施。中日程計(jì)劃不僅應(yīng)考慮上述周期，而且應(yīng)考慮在項(xiàng)目中計(jì)劃開展的工藝創(chuàng)新。采用不同工藝方法，各工序耗時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變化，對各工序間的節(jié)點(diǎn)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(jī)艙尾部分段納期均相應(yīng)提前。因此，在傳統(tǒng)的計(jì)劃管理基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮工藝優(yōu)化對整體生產(chǎn)流程的影響，對各生產(chǎn)工序進(jìn)行有效的計(jì)劃組織。充分考慮各系統(tǒng)工藝優(yōu)化對中日程計(jì)劃進(jìn)行擬定，會(huì)更加精準(zhǔn)地指導(dǎo)生產(chǎn)。

(2)小日程計(jì)劃

小日程計(jì)劃是具體項(xiàng)目開展的基礎(chǔ)。船廠的小日程計(jì)劃是指分段建造過程中的節(jié)點(diǎn)計(jì)劃，通過確定分段建造過程各生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，控制分段建造進(jìn)度。小日程計(jì)劃不僅應(yīng)包含分段建造的施工計(jì)劃，而且應(yīng)考慮各工藝節(jié)點(diǎn)的施工計(jì)劃，例如節(jié)能導(dǎo)管安裝計(jì)劃和拉線照光計(jì)劃等，通過細(xì)化的施工計(jì)劃對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出具體要求，確保生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的精確實(shí)施。小日程計(jì)劃不僅應(yīng)考慮分段和工藝節(jié)點(diǎn)的客觀要求，而且應(yīng)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(jì)劃精準(zhǔn)實(shí)施。若發(fā)生施工計(jì)劃拖期，應(yīng)通過應(yīng)急預(yù)案實(shí)施趕工計(jì)劃措施，保證小日程計(jì)劃的剛性實(shí)施。

2.2 生產(chǎn)準(zhǔn)備和物資管理

根據(jù)中日程計(jì)劃確定各項(xiàng)生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃，例如設(shè)計(jì)出圖計(jì)劃、鋼料納期計(jì)劃、舾裝件納期計(jì)劃、設(shè)備納期計(jì)劃和大型鑄鋼件納期計(jì)劃等。做好充分的生產(chǎn)準(zhǔn)備是確保項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵，尾軸管分段建造的生產(chǎn)準(zhǔn)備主要涉及圖紙、鋼料、加強(qiáng)材、舾裝件、樣板樣箱和鑄鋼件等方面。

樣板樣箱準(zhǔn)備是尾軸分段效率提升的關(guān)鍵要素，設(shè)計(jì)部門為節(jié)省樣箱成本，通常會(huì)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(shù)，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(shù)，需要采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行施工，則不僅須為現(xiàn)場提供足夠的樣箱，而且應(yīng)提升樣板樣箱制作精度，增加監(jiān)控手段對樣箱進(jìn)行精度驗(yàn)收，在設(shè)計(jì)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(zhǔn)備須同時(shí)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(diǎn)。在明確鑄鋼件廠家后，需要落實(shí)鑄鋼件的機(jī)加工要求、表面質(zhì)量要求、檢驗(yàn)流程和到貨方式。施工工藝應(yīng)細(xì)致策劃，重點(diǎn)是表面處理工藝。鑄鋼件的最大質(zhì)量隱患是產(chǎn)生裂紋與凹坑，導(dǎo)致加工性能差，鑄鋼件質(zhì)量不佳對尾軸分段的建造產(chǎn)生嚴(yán)重影響。首部鑄鋼件和尾部鑄鋼件完成制作，應(yīng)做好樣沖點(diǎn)的標(biāo)記和保護(hù)，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(xiàn)人為質(zhì)量事故。鑄鋼件到貨方式須明確，若是船運(yùn)到廠，則需要編制鑄鋼件吊裝、門架落駁和加強(qiáng)工藝，減少廠內(nèi)周轉(zhuǎn)時(shí)間。

3 建造工藝優(yōu)化

該型船尾軸分段采用立態(tài)建造，區(qū)別于側(cè)態(tài)建造。側(cè)態(tài)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(tài)建造更適用于大型集裝箱船尾軸分段。除傳統(tǒng)的分段建造工藝外，尾軸分段建造更應(yīng)聚焦需要采用的工藝優(yōu)化，例如尾軸管制作工藝優(yōu)化、尾軸管與尾部鑄鋼件對接工藝優(yōu)化、焊接工藝優(yōu)化、腳手架工藝優(yōu)化和作業(yè)環(huán)境優(yōu)化等。

3.1 尾軸管制作工藝優(yōu)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(jìn)行裝配和焊接。根據(jù)加工裝備能力，可采用整體加工工藝或以外協(xié)方式直接采購相應(yīng)直徑管子。雙加工板對接制作工藝優(yōu)化如下：

(1)外板加工方式優(yōu)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(jìn)行裕量切割與開坡口作業(yè)。施工過程不安全，坡口加工質(zhì)量差，操作需要成熟經(jīng)驗(yàn)，操作周期長且質(zhì)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(kuò)。對工藝進(jìn)行改進(jìn)，坡口增加條材加強(qiáng)，在冷加工時(shí)使坡口外緣同時(shí)受力，減少坡口外擴(kuò)，保證裝配精度，優(yōu)化尾軸管制作的準(zhǔn)備過程[5]。

(2)焊接方式優(yōu)化

尾軸管對接原采用二氧化碳手工焊接方式，焊接時(shí)間長，周期不可控?？紤]尾軸管對接縫為直線焊縫，對尾軸管對接縫進(jìn)行焊接優(yōu)化，采用二氧化碳打底、埋弧焊填充蓋面的方式進(jìn)行焊接，并制作工裝架對埋弧焊小車進(jìn)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(yōu)化

大型集裝箱尾軸管與尾部鑄鋼件的對接原采用橫向?qū)臃绞?，尾軸管內(nèi)部需要事先裝配光靶和光標(biāo)，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(zhǔn)備時(shí)間長、精度控制難、焊接難度大。優(yōu)化對接工藝，采用立態(tài)對接。尾部鑄鋼件在燒制吊碼后進(jìn)入胎架，以尾部為基面搭建腳手架平臺，并對尾部鑄鋼件進(jìn)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(nèi)部預(yù)設(shè)腳手架梯道，并在尾軸管外側(cè)粘貼光標(biāo)標(biāo)記，方便后續(xù)施工。尾軸管采取立態(tài)吊裝與鑄鋼件進(jìn)行對接，在吊裝到位后需要拉風(fēng)繩對尾軸管進(jìn)行固定，保證施工安全。

3.3 尾軸分段焊接工藝優(yōu)化

主要考慮2個(gè)方面：外板和構(gòu)件的焊接順序優(yōu)化；外板縫和鑄鋼件的緩冷優(yōu)化。

(1)外板和構(gòu)件的焊接順序優(yōu)化

在尾軸分段施工過程中，應(yīng)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(yīng)盡可能完成內(nèi)部肋板結(jié)構(gòu)的對接焊縫燒焊打磨，在外板吊裝時(shí)根據(jù)吊裝情況逐步實(shí)施肋板與外板的焊接，否則在外板持續(xù)吊裝形成封閉結(jié)構(gòu)后，內(nèi)部肋板與外板的焊縫施工空間變得較小，不便現(xiàn)場施工。在尾軸分段建造過程中，應(yīng)持續(xù)關(guān)注施工空間，減小施工強(qiáng)度。

(2)外板縫和鑄鋼件的緩冷優(yōu)化

在施工過程中，外板縫和鑄鋼件的焊縫若控制欠佳會(huì)出現(xiàn)裂紋，因此在完成施工后應(yīng)進(jìn)行緩冷。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)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(jìn)行緩冷，可保證外板縫焊縫在冷卻過程中不會(huì)溫度驟降而產(chǎn)生焊接裂紋。通過石棉布包裹對鑄鋼件焊縫進(jìn)行緩冷，可減少環(huán)境變化產(chǎn)生的裂紋。

3.4 腳手架工藝優(yōu)化

除搭建腳手架平臺和預(yù)設(shè)腳手架梯道外，腳手架工藝優(yōu)化需要對尾軸分段底部進(jìn)行加強(qiáng)。原有方式是增加立桿對腳手架進(jìn)行支撐，考慮節(jié)能導(dǎo)管在分段階段的安裝會(huì)使腳手架承載質(zhì)量，增加較多，因此需要對腳手架進(jìn)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(jìn)行固定，確保腳手架安全牢固。腳手架的搭建過程應(yīng)配合外板的吊裝分步進(jìn)行，腳手架的及時(shí)配合是尾軸分段滿足小日程計(jì)劃實(shí)施的關(guān)鍵。

3.5 作業(yè)環(huán)境優(yōu)化

作業(yè)環(huán)境優(yōu)化主要考慮2個(gè)方面：室外作業(yè)環(huán)境優(yōu)化；分段施工環(huán)境優(yōu)化。

(1)室外作業(yè)環(huán)境優(yōu)化

室外作業(yè)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(yè)，雨水天氣對分段建造產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在施工過程中可使用大雨布和擋風(fēng)板對分段進(jìn)行防護(hù)，減少惡劣天氣對分段建造的影響。

(2)分段施工環(huán)境優(yōu)化

夏季室外作業(yè)環(huán)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(jìn)度產(chǎn)生影響，在夏季施工中應(yīng)準(zhǔn)備空調(diào)機(jī)和風(fēng)機(jī)等裝備，保證尾軸分段建造的有序進(jìn)行。

4 結(jié) 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(guān)建造工藝、施工計(jì)劃管理和分段建造工藝優(yōu)化的研究，采用協(xié)同施工方式，將整船建造工藝與分段建造工藝結(jié)合起來，可更加精準(zhǔn)地提升尾軸分段的建造效率，確保大型集裝箱船的生產(chǎn)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(shù)支撐和實(shí)施路徑。