船体详细设计板缝排列对生产成本的影响及其优化

杨九九，章 锐，林 伟，汪家政

（金海重工股份有限公司，浙江岱山 316291）

0 引言

在国际造船行业中，中国以低成本的优势抢占造船市场一定份额，依现在的设计、生产技术水平来看，今后的相当一段时期，国内仍然需要以这种低成本的优势在世界造船大国中搏得一席之地[1]。2008年金融危机以来，船价下跌、人民币升值、材料价格波动等，这些都直接影响企业的经济效益[2]。如何控制风险，降本增效，确保目标利润，对船舶企业具有相当重要的意义。船舶成本当中，生产成本占绝大部分，因此，优化生产工艺是控制造船风险的重要手段之一。

目前，国内大多船舶企业，在船体结构建造方面主要由生产设计和生产部门对工艺进行设计，详细设计涉及工艺甚少。生产设计和生产部门在船舶生产过程中通过总结经验，不断创新，改进生产工艺，从而提高生产效率，降低能耗。生产设计对工艺微小的改进，能为生产部门减少较大的工作量[3]。除了生产设计和生产部门可以改进生产工艺，详细设计阶段也能为生产设计提供优化生产工艺的有力支持，其中船舶结构的板缝排列就是其中的一方面。

1 板缝划分的依据

详细设计板缝设置对生产设计具有重要的影响，实践证明，合理的详细设计板缝有利于船舶生产成本的控制，缩短生产周期，最终实现降本增效[3]。船舶建造过程中，船体结构中的板缝除了生产设计设置以外，还有详细设计的板缝，它们的目的和设置依据如下：

1.1 详细设计的板缝划分依据和目的

1）船舶各个区域的强度、疲劳和腐蚀等要求不同，相应的板厚材质要求不一样，不同材质板厚之间用板缝区分。

2）减轻船舶空船结构重量，满足船舶载重量或其它性能要求。

1.2 生产设计的板缝划分依据和目的

1）详细设计的板缝。生产设计阶段的板缝排列，原则上须按照详细设计方案，只有在能大大提高生产方便或节约成本等的情况下，且需要板缝修改对船舶性能并无影响的论证，方可对详细设计板缝作少许的修改。在生产设计阶段，修改详细设计的板缝排列周期较长而且过程复杂，一般情况不作修改。

2）原材料规格。从钢厂采购的板材和型材有规格限制，船厂切割的零件尺寸不能超过板材规格，尺寸超大的零件需增设板缝。

3）船舶企业的预处理、加工、切割、起重等设备的限制，板材的规格不能超过这些设备的极限能力。当板材超过生产企业设备极限能力时，一般采用增加板缝分割成小零件的方法解决。

4）钢材原材料的利用率和板规数量目标要求。

5）当结构无法安装或安装难度较大时，在允许的条件下，增设板缝是解决方案之一。

2 一般详细设计板缝排列特点

金海重工股份有限公司建造的176KBC项目是一系列船，共建造30多艘，涉及若干船东船检，其主尺寸度如下：总长 291.8m；垂线间长 282.2m；型宽45.0m；设计吃水16.5m；结构吃水18.25m；载重量1758000t。

以本项目详细设计局部外板展开图和槽形横舱壁图为例，展示船体结构主要构件的详细设计板缝排列特点，如图1和图2所示。

图 1显示的局部外板展开图长约 21m，宽约15m，粉红色线条代表详细设计设置的板缝，从图中可看出板缝设置密集，纵、横交织，分割成许多长宽不到3m的方块。板厚按一定规律排列，在横向上越靠近中纵面，板厚越大；在纵向上越靠近船舯，板厚越小。大部分相邻板厚差为0.5mm~1mm，最厚板与最薄板的厚度相差5mm，此局部展开图所有材质都是AH32的高强度钢。

图2显示为典型横舱壁，粉红色线条代表详细设计设置的板缝。图中显示除了肋板、底墩侧板、顶墩侧板上布置了板缝外，槽型舱壁板设置了横向和竖向板缝，把槽型舱壁板分割成11块板格。板厚从下向上增厚，材质升高，但相邻板厚相差约1.5mm，低材质采用AH32，高材质为AH36。

图1和图2显示了建造的176KBC项目详细设计板缝排列的特点，板缝密集，纵横交错。但对其它已建造或正在设计的项目进行分析后发现，国内详细设计在结构板缝排列上类似，板缝密集，板缝两边的板厚材质相差甚小。详细设计设置密集的板缝是依据有限元计算，在板厚排列时，按照强度要求分布的特点进行设置，以期得到最轻的结构重量。

图1 176KBC船舯局部外板展开

图2 176KBC横舱壁图

3 一般详细设计板缝排列对生产工艺的影响

上述一般的详细设计板缝排列仅从结构重量的角度出发，为了达到控制空船重量的目的，在满足有限元计算的前提下对板厚材质进行的排列。但从船舶设计、生产和营运整个过程研究，一般板缝的排列的合理性需进一步提高。通过生产设计和现场建造的经验总结发现，图1和图2所示的板缝排列设计，虽然可以作为控制空船重量的一种途径，但设计周期增加、生产成本上升，而且减少营运过程中结构安全寿命。国家倡导资源节约型、环境友好型社会，为响应国家的倡导，在船舶设计、生产和营运整个过程中都要达到最优的经济指标，为社会创造更多的财富[4]。

在生产设计过程中，建模需要增设大量的板缝，增加了建模的周期。板缝越多，产生的零件数量越多，套料、套料图纸设绘、编制零件表等生产设计阶段的工作量相应地大幅度增加。零件数量越多，在生产设计阶段的错误率也就越高，同时，现场车间切割、加工和装配的过程中也会因零件数量增多而可能导致更多的返工。

板缝设置密集，板厚材质种类多，导致套料的板规种类繁多，同种板规的数量减少。板规越多、同种板规数量越少，增加采购的成本。因为在采购中，同种板规数量越多，价格越优惠。板规数量越多，增加了船厂原材料堆放管理难度，管理成本上升[1]。

板缝密集增加了零件切割、加工等的成本，因为板缝越多，零件的数量成倍地增加，大量的零件，切割车间的切割成本升高，紧随其后的零件的吊运、开坡口、打磨、加工的工作量成倍增加，拉长了生产的周期。

被板缝分割成小块的板需用埋弧自动焊或其它焊接方式进行拼接，大大增加了焊材和动能资源等的消耗。拼板前进行拼板对中（图3）。拼板过程中受热胀冷缩的影响，拼接以后的板会发生变形（图4），因此在造船过程中需花大量的人物和能源对拼接的板材进行矫正。现在船厂最为常用的校正方法就是在焊缝两边各约 100mm的范围内进行火烧，然后立即水冷的方法，俗称火工，即利用热胀冷缩原理把发现变形的板矫平，如图5所示。

图3 待拼接的板

图4 变形的板

图5 火工矫平的板

从材料学和焊接学的知识分析，焊接不利于材料物理性能，因此在船舶建造过程中，船东、船检希望焊缝越少越好。板材从待焊接到火工矫平过程，焊缝两边材料内部晶粒发生变化。焊接后，焊缝两边产生热影响区，热影响区的材料性能比母材性能降低。火工相当于热处理学的淬火，钢材经过淬火以后晶粒长大、变硬、变脆。焊缝容易产生缺陷，如内部产生气泡、层状裂纹、夹杂等，外部产生未熔合、气孔等。因此，焊缝密集降低了板材的整体性能，降低了船舶在营运过程中的安全性。

板缝密集，零件增多，精度控制的工作量和难度加大。零件切割时需对零件的尺寸进行测量，以保证其正确的大小。同时大量的拼板工作，也增加了精度管理的难度和工作量。零件尺寸的测量工作简单，但反复而又繁重，要求精度测量员具备细心、耐心和责任心。

4 板缝排列优化方案及优势

4.1 优化方案

为了减少板缝对船舶建造的影响，需对板缝排列进行优化，优化的依据如下：

1）船厂订货的规格清单。板缝的间距参照清单里的规格宽度排列，且考虑板材切割和余量的因素，要求实际板缝间距比板规宽度小10mm~25mm。目的是减少零件的数量，减少船舶生产过程中零件管理、吊运、打磨、加工、焊接、精度控制等工作量。增加原材料的利用率，减少余料的产生，降低生产成本。

2）结合船厂的设备设施的工作能力。被板缝分割成单个零件的重量、宽度等应适合船厂设备设施的工作能力，重量不超过吊车的最大起吊能力，宽度不超过预处理及切割机的平台宽度，目的是减少二次板缝的布置[5]。

3）有限元分析。板缝优化后，需对内部结构进行修改，获得满足要求的有限元计算报告。

对图1和图2的板缝排列进行优化后，其结果如图6和图7所示。外板取消了横向板缝，仅设置了纵向板缝，板缝之间的间距为3980mm、2580mm、2980mm，套料时可使用4m、2.6m、3m宽的整板。材质与原方案一致，均采用AH32高强度钢。由于横缝的取消，厚度略有变化，但分布的规律不变，越靠船中板厚越厚。横舱壁图取消槽型舱壁板两条竖向和一条横向板缝，上下边舱肋板板缝取消，材质不变，厚度调整。优化以后的重量未发生很大的变化，图6外板展开的重量比图1外板展的重量重0.4t，图7横舱壁与图2横舱壁的重量相差在1t范围内。通过重量的对比，重量相差不大，但重量的问题可通过内部结构调整而消除影响。

图6 板缝优化后外板展开

图7 板缝优化后的横舱壁图

4.2 板缝优化后的优势

板缝优化后有以下几方面的优点：

1）板缝减少，零件的数量明显减少。图1的外板展开，优化前的零件数量达到30个，优化后的零件数量仅有5个，图2横舱壁的零件数量也减少了三分之一。

2）零件数量的变少，减少了生产设计阶段的建模、图纸设绘等工作量，船厂生产车间零件切割、吊运、加工、焊接、打磨等一系列的工作量也大大降低，同时也有利于精度的控制。

3）原材料的板规种类减少，同种板规的数量增加，降低了原材料采购及钢板堆放管理的成本。

4）提高了原材料的利用率。如果 176KBC全船外板、舱壁板、甲板、平台板采用上述方法对板缝排列进行优化，板材的利用率可以提高约 2%，大概可节约钢材452t。

采用板缝优化方法可以明显降低造船成本，节省原材料，降低生产过程中的工作量，缩短建造周期。176KBC可节约钢材总价值约226万元人民币，可降低采购成本10万元人民币。生产过程中节省人力、物力及缩短建周期，预估节约近214万元人民币的生产成本。采用板缝优化方法，单条船舶可降低约500万元人民币的成本。

5 结束语

板缝优化方法是在大量船舶建造过程中总结的经验，旨在减小详细设计的板缝对生产工艺的影响，也是响应公司“精益造船，敏捷造船”要求，降低生产成本，控制风险，提高企业生产效益。详细设计的板缝优化不仅可以减少生产设计阶段的工作量，更为突出的作用是节省原材料，减少船厂车间工作量和设备的损耗，缩短船舶建造周期，降低了详细设计板缝对生产工艺的不利影响。

[1]蒙昌松, 林万春. 29000DWT化学品船外板展开及套料优化[J]. 广船科技, 2006(2): 1-2, 6.

[2]刘松, 杨晔. 船舶设计中多准则决策方法综述[J]. 武汉造船, 2001(1): 19-21.

[3]陈章兰, 熊云峰. 我国船舶设计建造技术现状及展望[J]. 造船技术, 2007(4): 36-38.

[4]陈晓川, 方明伦. 先进设计技术在船舶设计中的应用策略[J]. 机械设计与制造, 2003(6): 115-117.

[5]张光明, 宁宣熙. 与现代造船模式相适应的船厂管理[J]. 造船技术, 2001(1): 5-15.