船舶建造工艺发展现状分析及对策

张 晗，符 道，闫大海，李红烨

(1.中国舰船研究院，北京 100192;2.中国船舶重工集团公司，北京 100097)

1 造船模式与造船方法发展历程

1.1 造船模式发展历程

造船模式已经历了3个发展阶段，目前正处于第4个阶段，正在形成第5个阶段。第1阶段:系统导向型造船模式——船台散装、码头舾装、整船涂装;第2阶段:系统和区域导向型造船模式——分段建造、预舾装、预涂装;第3阶段:区域、类型和阶段型造船模式——分道建造、区域舾装、区域涂装;第4阶段:中间产品导向型阶段——壳舾涂一体化;第5阶段:产品导向型阶段——设计制造一体化。前2个阶段属于传统造船模式，中间2个阶段属于现代造船模式，第5阶段属于未来造船模式。现代造船模式可以理解为以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中间产品为导向，按区域组织生产，壳舾涂作业在空间上分道，时间上有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡、连续的总装造船。

1.2 造船方法发展历程

船舶建造方法出现过3次重大变革。第1次是在二战期间，焊接技术替代铆接技术，并广泛采用分段建造法，大幅度提高了造船效率。第2次出现在20世纪60年代前期，欧洲一些船厂为了快速建造大型油船和散货船，建设了大型干船坞，添置大型门式吊车，制造出重达数百吨的大型分段。这种大型分段建造法再一次显著提高了造船效率。第3次是目前韩国船厂采用的巨型总段造船法，可以使吊进船坞进行大合拢的分段 (已完成大部分舾装工作)重量提高到2000～3000 t。相对于大型分段造船法，巨型总段造船法有以下3个重要变化:一是巨型总段吊入船坞，通常由巨型浮吊完成;二是巨型总段既可以在船厂内制造，也可以由厂外专业分段厂甚至国外分段厂制造，分段制造完成后，通过海上拖航到船坞边，直接吊入坞内;三是巨型总段建造法可以方便地与平地造船法、浮坞造船法、驳船造船法等方法结合使用，进一步提高了造船效率。

2 船舶建造工艺发展趋势

2.1 总体发展趋势

随着船舶建造模式、建造方法和先进造船工艺的蓬勃发展，船舶企业生产和管理方式发生了变革，船厂变得干净整洁，劳动人数大为减少，船舶工业从劳动密集型转变为设备密集型，并正在向信息密集型方向发展。目前，船舶建造总体上呈现出总装化、精益化、数字化、绿色化和智能化等发展趋势。

1)总装化

总装化是现代造船模式发展的重要方向，其主要特征是充分发挥船厂核心资源作用，尽可能将船舶中间产品从造船作业主流程中分离出去，使企业集中力量从事总装生产，提高总装造船生产规模和专业化水平。总装厂的主要任务是船体制造和管子制作，而钢材加工、分段制造、上层建筑加工、单元模块加工、大型铸锻件加工、轴系加工以及其他各类舾装件加工制造由与之配套的专业化协作企业完成。

2)精益化 (精益生产)

精益生产模式源于日本汽车工业，核心思想是消除生产中的浪费和一切非增值环节，使企业同时具备大批量生产经济性和多品种生产灵活性的能力。这是一种以最大限度减少企业生产所占用资源、降低企业管理和运营成本为主要目标的生产方式，它还是一种经营管理理念和企业文化。精益造船由精益生产概念引申而来，是精益生产理论在船舶工业中的应用，首先由美国造船界提出，指从造船合同签约开始到船舶完工交付使用的过程中，通过对员工的激励，不断改进造船过程，减少浪费，达到缩短造船周期、降低造船成本、提高造船质量的目的。

3)数字化

数字化是信息化的核心。以信息化为核心的舰艇总段建造和模块化生产，是造船方式的一次革命。它不仅涉及设计制造技术的改变，更涉及生产组织和管理方法的改变。把过去按工种串行作业的生产方法，转变为按总段和模块多工种并行作业。数字化已经成为现代造船技术的主要内容，数字化造船的基本特征体现为“三全”:船舶研制的全过程信息融合及过程集成管理、全面数字化建模仿真与优化、面向产品全生命周期。实施数字化造船的核心是实现集成、协同和优化。集成和协同，不仅仅是技术上的集成和协同，更是现代组织管理模式下的资源、信息、工具、手段的集成和协同。并且，集成和协同是先进造船模式的固化和积累，是在工程层面、管理层面、企业层面实现真正意义上的数字化的支撑和核心［1］。

4)绿色化

绿色即为“节能、环保、和谐”。国际上对绿色造船并没有统一的定义。根据对船舶各个方面的环保要求，绿色造船可以认为是船舶在设计、制造、营运、报废拆解的全寿命周期中，采用环保技术、设备和材料，最大限度地降低资源消耗，提高建造材料回收利用率，最大限度地减少环境污染，对船舶设计者、生产者和使用者具有良好保护的先进造船技术。

绿色造船技术不是单一的绿色制造技术，涉及船舶设计、建造、配套、原材料、标准、管理等各个环节，是一项复杂的系统工程。实施绿色造船的源头在绿色设计，实现的手段是绿色工艺技术与装备，实现的基础在于绿色管理。通过顶层策划，可以实现绿色造船的资源、信息、工具、手段的集成和协同，可以使船舶设计、生产、管理、配套、使用、维护、报废等成为一体考虑，充分考虑到每个环节的问题［2］。

5)智能化

智能制造是21世纪先进制造技术发展的重要方向。它将人工智能融进产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制、制造和装配等环节，提高制造系统各个环节的智能水平，使制造系统具有更高的柔性。研究表明，现代造船正逐步用自动化制造装备代替人工操纵的各种加工机械、用智能化设备替代人的脑力劳动，向着工厂无人化方向发展。

2.2 造船主要工艺技术现状和发展趋势

1)全面推行壳舾涂一体化

壳舾涂一体化是以船体为基础，舾装为中心，涂装为重点，把壳、舾、涂不同性质的三大作业类型建立在空间上分道，时间上有序的立体排序，体现了设计、生产、管理一体化。应用壳舾涂一体化造船，可以显著提高造船效率，提高建造质量和建造安全水平、改善作业环境、降低劳动强度、降低成本，提升企业的综合竞争力。

2)船体装配采用流水线生产

船体装配一般分为部件装配、分段装配、船体装配3个步骤。船体装配和焊接的工作量占船体建造总工作量的75%以上。目前，先进造船国家船厂的船体部件和曲面分段装配基本上采用了流水线生产。例如，日本万国造船公司有明船厂装备有1条大型平面分段装配生产线，最大可拼焊24 m×25 m的壳板。该系统由2人控制、10个焊机同时焊接时，每分钟焊接总长度为10 m，大约3.5 h可完成重约100 t的24 m×25 m平面分段。

3)焊接向自动化、高效化、绿色化、数字化等方向发展

在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30%～40%，焊接成本约占船体建造总成本的30%～50%，焊接效率和质量对造船质量、周期和成本有重要影响。由于船舶制造多以大厚板材的焊接为主，增加了焊接的难度，对焊接材料和焊接工艺都提出了很高、甚至苛刻的要求。

20世纪70年代中期以来，自动化成为船舶焊接技术发展的一个显著的特点。日本的装配焊接机器人已经从船体零部件制造发展到平面分段纵向构件的装配焊接、外场焊接、坞内船底仰焊，曲面船壳板单面焊接和纵横构件装配焊接等，目标是实现船体焊接的全面自动化。20世纪90年代以来，各先进造船国家非常注重船舶高效焊接技术的开发和应用。如美国开发的一种焊接速度可达5 m/min以上的Tandem熔化极气体保护焊技术，通过提高焊缝熔敷速率，焊接成本显著降低。目前这种技术已在德国船厂中得到使用，使得高效化成为目前船舶焊接技术的一大特点。绿色化已经成为21世纪船舶焊接技术必须解决的重大课题。搅拌摩擦焊、激光焊和激光复合焊、电子束焊等先进焊接技术的开发和应用，为船舶焊接绿色化提供了工艺手段。20世纪70年代末以来，日本、英国、美国、德国等工业发达国家，相继开始了焊接数据库系统的研究工作，取得了丰硕的成果。通用数字工业公司专门为美国海军开发了NEWCS焊接系统，可实时智能控制焊接过程，焊后可离线进行缺陷诊断，对焊接检验结果进行分析。随着各国数字化造船工程的不断推进，船舶焊接数字化的进程会越来越快。

3)加工成形技术向全面自动化方向发展

全自动切割系统在船舶建造过程中得到广泛应用。全自动切割系统包括数控切割系统和机器人切割系统。这2种系统可建立专用的切割生产线，或与焊接系统一起组成自动化生产线，具有自动输料、减少积存、操作人员少、切割前不需要划线、可与CAD系统接口等特点。

船体板材成形工艺由以手工为主向自动化方向转变。通常，船厂一般采用手动生产线来完成热成形工艺的加热过程，即通称的水火弯板。目前，大部分复杂曲度的船壳板都用该方法加工，是一种劳动力密集型生产流程，最终成形产品的质量很大程度上依赖于操作者的知识、经验和技能。90年代中期以来，水火弯板工艺由以手工为主向自动化方向迈进。日本石川岛播磨重工和大阪大学焊接研究所从1994年共同研制了线加热自动化系统IHI－α，它是以高频加热为热源的船体外板自动线加热成形系统。截止到2005年，该系统已经发展到第三代加热方式，系统全部实现了自动化。一个高度复杂的船体曲面以前要2～3 d的手工成形，现在只需要5～6 h，其中还包括2～3 h的方案计算时间。

4)造船精度控制技术得到重视和发展

所谓造船精度控制，就是用数理统计的方法，通过对造船生产过程中的加工公差和焊接热变形等进行精度控制，用补偿量代替余量的办法，减少造船加工、装配和焊接当中的无效劳动。造船精度控制是现代造船的一项关键技术，造船精度控制技术的源头是生产设计。从生产设计开始，对船体零部件的尺寸精度进行控制，最大限度地减少分段制造、分段总组及坞内搭载装配工作量，实施外场无修割、少修割，一次定位，快速装配、快速搭载，缩短船舶建造的周期，从而取得降低船舶建造成本的效果。

3 对策与建议

3.1 以转变观念为先导，做好工艺工作顶层设计

目前，造船市场竞争激烈，工艺技术水平和保障能力已成为争夺市场的重要因素，迫切需要我们要以转变观念为先导，做好工艺工作顶层设计。在政策和制度上支持工艺工作，将基础建设、人才培训、奖励政策等与工艺创新、工艺技术推广与储备、自主投入等挂钩，营造工艺技术创新、先进工艺推广、降耗革新的氛围。制订工艺工作的目标体系、责任体系和考核体系，强化协作机制。按照目标清晰、职责明确、考核严格的要求，制订并落实工艺计划，加强现场检查与考核。

3.2 以规范运行为目标，加强工艺体系建设

缺少工艺规范，凭主观和经验主导下的工艺过程，受人为和环境因素影响大，容易造成工艺稳定性和一致性差，产品合格率低，制造成本高。实践表明，在船舶产品所发生的质量故障中，有相当一部分是由于工艺的不确定性造成的。工艺的规范化不仅仅是技术问题，更重要的是要有统一的认识，需要以规范运行为目标，加强工艺体系的建设，形成结构优化、布局合理、资源共享、运行有效的工艺研发体系。

1)进一步加强工艺基础研究。重视和加强工艺标准化工作和工艺资源数据库建设，提高行业和企业工艺标准化水平;梳理现有工艺技术，根据造船需求，结合工艺技术现状和发展，编制和完善船舶工艺技术谱系，以指导船舶工艺自主创新的各项工作。

2)进一步完善工艺技术研究体系。对于原理性、材料制备和加工、元器件制造等基础性工艺技术研究，应鼓励产、学、研相结合开展科研攻关，加强科研成果向企业的转化;对于引进工艺技术的消化吸收和再创新、工艺技术集成创新性工艺研究，应强调以企业为主体，开展科研工作，注重工艺创新成果的实际应用。

3)建立健全工艺技术评价体系。主要包括工艺科研项目计划、立项、实施、验收的评价体系及工艺科研成果创新性指标评价体系。

4)建立健全工艺技术升级换代机制。根据工艺技术发展和应用情况，编制淘汰、改进提高、推广应用及新研工艺技术和装备的目录和时间表，有计划、有步骤地推动工艺技术和工艺装备水平的提高。

3.3 以管理创新为保障，大力推进工艺管理创新

做好工艺工作，提高工艺技术整体水平， “三分靠技术，七分靠管理”。只有不断探索新形势下工艺管理的新思路，统筹抓好工艺综合管理、工艺科研管理和工艺信息化管理，在思想观念、工作制度、管理体制、运行机制及管理手段等方面不断创新，才能推动造船模式向集成化、敏捷化、柔性化方向发展，实现从经验设计、制造向预测设计、制造的转变，从传统制造向现代集成制造的转变。应建立健全工艺管理体系，明确各级工艺主管部门(机构)，明确工艺主管领导、工艺管理人员及职责，抓好各项工艺管理工作。建立健全企业工艺师体系，落实相应的责、权、利，规范工艺技术和科研管理，加强工艺评审工作，保证工艺设计质量，充分发挥工艺师在生产中的作用。成立工艺专家咨询组织，进一步发挥工艺专家的咨询作用。建立健全工艺知识产权保护和转让制度，保护科研人员的积极性和企业竞争优势。构建技术交流及成果推广服务平台，加强企业内部和不同行业间工艺工作的技术交流，实现科技成果资源共享，促进工艺技术的快速发展。

3.4 以培养人才为根本，加强工艺技术队伍建设

工艺技术进步与创新关键在人才。应重视加强工艺技术队伍建设，在工艺技术队伍中充实和培养一批事业心强、富有创新和实干精神、理论和实践经验丰富的人才。确保工艺人才的待遇，调动广大工艺技术人员的积极性和创造性。制定和完善工艺工作的评价、考核和奖惩办法，建立激励机制。在科学技术奖和技术职称的评定工作中，充分重视和体现工艺创新成果的价值。创造尊重工艺知识、尊重工艺人才的环境，培养和造就一批工艺大师和高技能工人，凝聚工艺队伍，提高整体素质，推动船舶行业又快又好地发展。

［1］张晗，闫大海，符道.数字化造船——现代造船技术的发展方向［J］.舰船科学技术，2009，31(3):4 －7.ZHANG Han，YAN Da-hai，FU Dao.Digital shipbuilding，the developmentalorientation ofmodern shipbuilding technology［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):4－7.

［2］张林，闫大海，符道.船舶绿色制造技术［J］.现代制造工程，2009(S):176－177.ZHANG Lin，YAN Da-hai，FU Dao.Developing green shipbuilding［J］.Modern Manufacturing Engineering，2009(S):176－177.