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        基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制研究

        作者:趙健 來(lái)源:《產(chǎn)品可靠性報告》日期:2024-02-05人氣:171

        中大型船舶建造能力已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家造船業(yè)發(fā)展水平的重要依據,而傳統建造工藝周期長(cháng)、成本高等問(wèn)題的存在影響了中大型船舶建造效率,導致我國船舶制造企業(yè)的全球競爭力明顯偏低[1]。在此情況下,我國船舶制造企業(yè)引入分段工藝,在縮短船舶建造工期的同時(shí),也實(shí)現了對船舶建造成本的精準控制,但分段工藝技術(shù)難度高、工藝復雜,為保證分段建造質(zhì)量,則需要工程技術(shù)人員在數量掌握分段工藝的同時(shí),還需要具備較高的業(yè)務(wù)能力。

        一、分段工藝概述

        船舶建造的分段工藝最早可追溯至18世紀的歐洲,船舶建造工程師將船舶劃分為多個(gè)分段進(jìn)行獨立建造,在完成分段建造任務(wù)后,通過(guò)轉運設備對分段進(jìn)行組裝,并通過(guò)系統聯(lián)合調試,保證船舶建造的整體性。分段工藝是模塊化工藝的前身,相比較傳統建造工藝,分段工藝的效率更高、成本更低,在對分段工藝進(jìn)行優(yōu)化后的船舶建造質(zhì)量也得到了提升。目前,分段工藝已經(jīng)成為中大型船舶建造的主流工藝,尤其是在船舶批量建造項目中,分段工藝的優(yōu)勢將得到充分體現。

        二、分段工藝對中大型船舶建造的必要性

        中大型船舶建造項目參與人員數量較多,各節點(diǎn)項目之間存在大量交叉,傳統建造工藝不僅效率低、安全性差,且管理上的疏忽極易導致各種質(zhì)量問(wèn)題[2]?;诜侄喂に嚨膬?yōu)勢,其在中大型船舶建造中應用的必要性主要體現在以下三個(gè)方面。

        (一)合理控制進(jìn)度

        中大型船舶分段工藝將船體分成多個(gè)工段,而不同工段的建造方案可以獨立出具,在進(jìn)度控制上也就能夠“并行”,從而大大壓縮船舶建造所需時(shí)間周期。由于分段工藝減少了非必要的交叉作業(yè)等問(wèn)題,在進(jìn)度控制方面更加精準、高效,從而避免了工期延誤等問(wèn)題的發(fā)生。

        (二)有效降低風(fēng)險

        中大型船舶建造工藝復雜,大量人員集中作業(yè)存在潛在安全風(fēng)險,分段工藝可以將人員拆分至不同工段,以降低人員密度,并便于現場(chǎng)管理,且分段工藝能夠降低項目管理的復雜度,尤其是涉及到交叉作業(yè)過(guò)程中的安全風(fēng)險。質(zhì)量方面,分段工藝將船舶建造項目劃分為多個(gè)子項目,而子項目的質(zhì)量控制難度要明顯低于整個(gè)項目的質(zhì)量控制,因此,分段工藝也能夠有效降低中大型船舶建造的質(zhì)量風(fēng)險。

        (三)優(yōu)化資源配置

        船舶建造過(guò)程中需要協(xié)調人力、材料、設備、空間等多種資源,中大型船舶建造所涉及的資源在數量和種類(lèi)方面則更加復雜,傳統建造工藝將給項目管理部門(mén)帶來(lái)巨大的壓力。分段工藝在中大型船舶建造中的應用實(shí)現了相關(guān)資源的合理配置,減輕了項目管理部門(mén)工作壓力,這在提高現場(chǎng)管理質(zhì)量和船舶建造進(jìn)度等方面有著(zhù)積極作用。

        三、基于分段工藝流程

        船舶分段建造工藝流程包括鋼材預處理、下料、加工、理料、小合攏、分段合攏六個(gè)節點(diǎn),針對不同節點(diǎn)的建造內容,以及各分段節點(diǎn)的工藝標準,可實(shí)現對中大型船舶建造質(zhì)量的整體控制。

        (一)鋼材預處理

        鋼材是船舶建造的主要材料,是中大型船舶剛體強度的重要保證,基于鋼材型號與設計功能指標要求,所焊接鋼材應進(jìn)行預處理。鋼材預處理能夠改變金屬材料的理化特性,例如,為提中大型船舶外殼的抗腐蝕性,則需要通過(guò)熱鍍鋅工藝為其外表面增加鋅鍍層,如此,則可以利用電化學(xué)反應保護內部鋼材不被腐蝕,該預處理需要嚴格遵守《金屬覆蓋層和鍍層的電鍍和熱浸鍍規范(GB/T 13912-2022)》的要求。除此之外,中大型船舶鋼材預處理還包括熱處理、拋丸預處理、鋼板校正、表面清理等,且相關(guān)預處理應當嚴格按照標準執行,否則,將直接影響船舶建造質(zhì)量。

        (二)下料

        中大型船舶分段工藝的關(guān)鍵在于分段建造的精準性,因此,在下料階段需要參考設計方案對分段工藝中的下料精準性進(jìn)行評估,明確下料管理流程,在下料前對鋼材材質(zhì)、規格進(jìn)行檢查,保證下料與套料分段相對應;在完成下料后,需要對相關(guān)部位進(jìn)行標注,標注內容應按照分段設計方案保持一致;質(zhì)檢部門(mén)需要對已經(jīng)標注的下料部位進(jìn)行質(zhì)量檢查,并完成套料分段質(zhì)量等級。

        下料主要包括板材下料、型材下料、板條下料和半自動(dòng)下料四種方式,技術(shù)人員應根據下料質(zhì)量、精度等要求選擇最佳的下料方式。對質(zhì)檢部門(mén)提出的質(zhì)量問(wèn)題,車(chē)間技術(shù)人員需要對下料過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,為中大型船舶提供高質(zhì)量的材料。

        (三)加工

        經(jīng)下料處理后的材料并不能直接用于船體焊接,還需要經(jīng)過(guò)冷加工和火加工工藝處理。冷加工工藝是依據圖紙對板材、型材進(jìn)行處理,保證相關(guān)參數與圖紙要求之間的誤差將至要求范圍內,而火工則是對冷加工后的材料進(jìn)行平滑處理,為保證火工工藝質(zhì)量,火工溫度應保證在600~900℃之間,并根據鋼材內部應力需求選擇水冷和自然冷卻兩種冷卻方式。通過(guò)已上加工處理,中大型船舶分段質(zhì)量將得到有效控制,為船舶建造質(zhì)量打下了堅實(shí)基礎。

        (四)理料

        在完成下料加工后,所有的材料都已經(jīng)具備小合攏的條件,為保證小合攏順利執行,則需要對小合攏所需材料進(jìn)行梳理,即理料工藝。理料的關(guān)鍵不僅包括相關(guān)材料的齊備性,還應當根據小合攏的流程設計調整材料存放位置、順序,并做好材料轉運所需設備等資源的調配。理料能夠保證分段建造過(guò)程中材料的精準供給,降低材料標注位置不符等問(wèn)題發(fā)生的概率。

        (五)小合攏

        所謂合攏,是指單個(gè)分段的材料拼接、組裝,首先,虛擬仿真合攏效果檢查,技術(shù)人員需要將理料結果進(jìn)行小合攏流程仿真,確保仿真驗證結果的準確性;其次,小合攏過(guò)程中涉及大量焊接工作,在焊接過(guò)程中需要對焊點(diǎn)、焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查,堅決杜絕焊接質(zhì)量問(wèn)題;最后,小合攏的精度控制將直接影響分段合攏質(zhì)量,因此,分段管理人員需要動(dòng)態(tài)檢測小合攏過(guò)程中各部位的精讀,對誤差超出范圍的部位應及時(shí)進(jìn)行調修。

        (六)分段合攏

        基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制的關(guān)鍵在在于分段合攏環(huán)節,工程技術(shù)人員需要在保證各分段之間精度的同時(shí),對分段合攏后的船體焊接質(zhì)量進(jìn)行分析,主要包括是否存在焊渣、氣孔、咬邊等現象,以及焊縫左右兩側分段的應力變化等。這里需要注意的是,在進(jìn)行分段合攏之前,需要完成中大型船舶分段的應力釋放,以避免分段合攏后船體發(fā)生明顯形變。

        四、中大型船舶分段工藝優(yōu)化與質(zhì)量控制

        分段工藝的優(yōu)化是在傳統工藝的基礎上,融合新的技術(shù)與方法,提高中大型船舶建造質(zhì)量控制的科學(xué)性?;谥写笮痛敖ㄔ熨|(zhì)量要求,以及參考現階段分段工藝的相關(guān)流程與內容,為進(jìn)一步提高中大型船舶建造質(zhì)量,可以從以下幾個(gè)方面優(yōu)化船舶分段工藝。

        (一)數字化分段設計與質(zhì)量控制

        中大型船舶建造質(zhì)量的控制難度較大,以經(jīng)驗為參考的質(zhì)量控制方法無(wú)法適用于分段工藝,這是由于分段工藝需要在考慮分段質(zhì)量的同時(shí),還要保證中大型船舶整體建造質(zhì)量。因此,分段工藝的質(zhì)量控制將直接貫穿預處理、下料、加工、理料、小合攏、分段合攏六個(gè)環(huán)節,不同環(huán)節的質(zhì)量控制將直接關(guān)系到中大型船舶合攏后的質(zhì)量[3]。因此,為實(shí)現基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量的精準控制,可利用大數據、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)進(jìn)行數字化分段設計,技術(shù)人員通過(guò)采集分段工藝流程中各節點(diǎn)的數據,經(jīng)大數據模型進(jìn)行虛擬組裝,從而快速定位存在質(zhì)量風(fēng)險的點(diǎn)位。

        數字化分段設計能夠利用大數據模型對動(dòng)態(tài)獲取的分段質(zhì)量數據進(jìn)行匯總、計算,隨著(zhù)分段建造數據的不斷增加,該大數據模型對基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量的計算結果將更加準確。同時(shí),利用大數據模型可以對分段工藝優(yōu)化策略進(jìn)行仿真,如此,則可以縮短分段工藝優(yōu)化周期,降低分段工藝優(yōu)化成本。

        (二)大空間精準定位技術(shù)與質(zhì)量控制

        基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制需要在提高分段建造質(zhì)量的同時(shí),還需要保證船體合攏后的重量。因此,在小合攏環(huán)節,相關(guān)工藝優(yōu)化可以借助大空間定位技術(shù)實(shí)現,即利用三維空間掃描設備測量小合攏的空間精度,同時(shí),還可以將超聲波探傷儀在各焊接點(diǎn)位的三維成像進(jìn)行匹配,所以,大空間精準定位技術(shù)能夠輔助完成中大型船舶分段建造質(zhì)量評估,快速定位存在質(zhì)量問(wèn)題的點(diǎn)位,避免造成更大規模的損失[4]。

        以中大型客滾船建造為例,分段工藝能夠將原有建造周期縮短45%左右,但是,若未能及時(shí)發(fā)現分段建造質(zhì)量問(wèn)題,則建造任務(wù)將無(wú)法按照原有時(shí)間節點(diǎn)完成,尤其是內部空間分布較為復雜的客滾船來(lái)說(shuō),分段艙室空間的相對位置定位就顯得尤為重要。工程技術(shù)人員利用激光定位技術(shù)將空間測量精度控制在2mm以?xún)?,技術(shù)人員在小合攏環(huán)節可以借此控制建造精度。

        大空間精準定位技術(shù)的使用對環(huán)境有著(zhù)較高的要求,在無(wú)遮擋的情況保證測量平臺的穩定性。因此,在分段工藝優(yōu)化方面,應根據大空間精準定位技術(shù)的需要提供與之相適應的環(huán)境,當測量平臺發(fā)生變化后,技術(shù)人員應及時(shí)對定位設備進(jìn)行修平。

        (三)分段應力緩釋工藝與質(zhì)量控制

        中大型船舶所承受的應力較為復雜,基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制多忽略了應力釋放帶來(lái)的影響,并最終體現為船體結構分段疲勞強度分布差異?;谶@一情況,工程技術(shù)人員在分段工藝優(yōu)化方面需要采取科學(xué)的應力緩釋方案,從而保證各分段應力的一致性[5]。傳統應力釋放多通過(guò)打孔實(shí)現,雖然,從成本、效率等方面看,打孔可以實(shí)現快速應力釋放,但需要對打孔位置進(jìn)行評估,避免破壞船舶結構強度。

        分段應力緩釋工藝主要包括焊接應力緩釋與合攏應力緩釋兩個(gè)方面,針對以上兩種應力產(chǎn)生的不同原因,相關(guān)應力緩釋工藝如下:

        (1)焊接應力緩釋。焊接過(guò)程中由于熱量、焊材熔融等因素會(huì )造成一定程度的應力變化,因此,在焊接過(guò)程中需要根據焊縫寬度、深度等調整焊接電流大小和焊材移動(dòng)速度,并采取合理的降溫措施,避免高溫導致鋼材結構強度降低?;诜侄喂に嚨闹写笮痛敖ㄔ爝^(guò)程中焊點(diǎn)、焊縫較多,且部分焊縫較長(cháng),通過(guò)釋放焊接應力,則船體分段的結構應力將得到有效控制,這為小合攏工作的開(kāi)展創(chuàng )造了良好條件。

        (2)合攏應力釋放。中大型船舶結構應力的控制將直接關(guān)系到其航行安全,在優(yōu)化焊接應力緩釋工藝的情況下,還需要關(guān)注合攏過(guò)程中機械應力的釋放。為保證中大型船舶分段應力的一致性,需要對保證分段工藝下船臺設計與分段合攏后的位置保持一致,盡管,該優(yōu)化工藝將增加建造成本,但是,這能夠提前進(jìn)行中大型船舶分段部分的應力釋放,并保持分段應力在合攏后的穩定性。

        分段應力緩釋工藝解決了中大型船舶分段合攏過(guò)程中應力重構的問(wèn)題,然而,分段應力緩釋工藝對于大跨度鋼結構的效果并不明顯,其中主要原因在于合攏后的形變較大[6]。針對這一問(wèn)題,可通過(guò)有限元分析軟件對此類(lèi)分段的應力分布進(jìn)行分析,合理調整船臺布局,自然釋放橫向、縱向應力。

        五、結語(yǔ)

        分段工藝已經(jīng)成為中大型船舶建造的主流工藝,然而,基于中大型船舶噸位、結構的差異,在落實(shí)分段工藝方面應根據實(shí)際情況進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。隨著(zhù)分段工藝水平的不斷提升,中大型船舶建造質(zhì)量也將得到顯著(zhù)改善,建造成本也隨之降低,這將為船舶制造企業(yè)參與中大型船舶業(yè)務(wù)領(lǐng)域的競爭提供強有力的支撐。


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