活动马板的研究与应用

郄金波， 黄　燕， 黄敏健

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200030； 2.沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)



活动马板的研究与应用

郄金波1， 黄燕2， 黄敏健2

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200030； 2.沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

摘要现代化造船要求绿色环保、快捷高效，同时还需降低现场施工人员的劳动强度，更要求船厂以降低建造成本、提高企业利润为出发点进行考虑。新式活动马板的应用改变了传统的船舶建造工艺，基本取消了传统焊接马板的使用，避免了传统马板使用时的焊接、切割、打磨及修补等工作，提高了生产效率，获得现场生产人员的认可。活动马板可以重复使用，节约了马板的制作材料，为造船企业降本增益创造了条件。

关键词活动马板优化生产效率效益

1传统马板应用现状

船舶的分段总组或分段/总段搭载的传统操作流程是先将其放置到位，再进行合拢部位的装配，最后进行焊接。由于分段/总段合拢部位经常会出现变形，在装配时，会采取火工或液压油缸对存在高低差的钢板进行校平，再通过焊接马板以固定相邻分段/总段，如图1所示。传统马板在使用结束后，需要割除并留根，还要对留根部位进行打磨处理。在割除马板时，由于操作不规范，个别情况割刀会伤及钢板本体，这种情况则还需要进行补电和打磨，影响生产效率。传统马板重复利用率不高，一般情况下，一块传统马板最多可以用四次，使得船厂必须制作一定量的马板做为储备，在一定程度上造成了材料的浪费。

综上所述，传统马板的使用既费时、耗材，生产效率又低，不符合现代化造船的要求，在船舶市场持续低迷的环境下，这种情况亟需改善，需要设计一种不必焊接和切割、拆装便利、可以反复利用的新式马板。

图1　传统马板的使用

2活动马板的选型及设计

为了进一步提高工作效率、降低造船成本，同时克服传统马板的不足，我们与设备厂家确定了新型马板选型的基本原则，并据此选择了一种活动马板应用于生产现场。

2.1选型基本原则

(1) 采用非焊接形式，尽可能省去焊接、割除、打磨甚至补电环节，安装和拆除要方便；

(2) 通用性强，不仅能适用于平直部位的合拢，还应适用于线形部位的装配合拢；

(3) 在使用过程中尽可能不伤及钢板；

(4) 能通过简单快捷的方式将两个合拢的分段/总段错位的钢板拉平；

(5) 新型马板要经济实用，成本不能太高，且要能多次重复使用。

2.2活动马板的设计

根据上述基本原则，我们选择了一种“挂板+螺栓+顶板+压板”的复合件作为活动马板的基本形式，如图2所示，并按照相应的施工工艺，确定了活动马板的各部件规格参数。

图2　活动马板示意图

2.2.1挂板

挂板的主要作用是将整个活动马板的各个组件连接在一起，同时承载螺栓与压板向下的力以及顶板向上的力。由于挂板承载最大，是整个活动马板工装能否实现应用的关键，因此我们对其进行了多型选择。

(1) 板厚范围。目前公司在制产品有散货船、化学品船、LNG船、集装箱船等民用船舶，常规分段和总段在总组和搭载过程中需要采用CO2半自动焊进行装配定位，普通碳钢分段在使用CO2半自动焊装配时，两分段/总段之间的间距范围为6 mm～9 mm，化学品船的双相不锈钢分段/总段间距范围为4 mm～9 mm。

从材质的特性出发，选择3 mm的中间挂板通用性较强，但由于板太薄会使拉伸强度减弱，如增大拉伸强度则需要将材质提高若干等级，板材等级提高则会使得马板成本上升；另外，由于普通碳钢分段/总段间距较大(6 mm～9mm)，如选择3 mm厚的中间挂板，在使用时会产生晃动。在兼顾38 000 t化学品船上不锈钢分段的应用，综合考虑后我们决定选择4 mm厚度的挂板。

(2) 挂板材质。选择16Mo和40CrMo两种材质作为中间挂板，与之对应的板材屈服强度分别为1 200 MPa和2 000 MPa，两种材料分别按照3 mm、4 mm、5 mm和6 mm厚度进行有限元计算，计算模型见图3。

图3　活动马板挂板有限元计算模型

如图3所示，A-A面受均匀拉力，B-B为位移约束面，有限元模型采用四节点板单元建模，材料性能参数如下。

弹性模量：2.1×105 MPa。

泊松比：0.3。

板材屈服强度：1 200 MPa和2 000 MPa两种材料。

1 200 MPa材料挂板能承受最大拉力如表1所示，各板厚对应应力分布图如图4～图7所示。

表1　1 200 MPa材料挂板能承受的最大拉力

图4　3 mm挂板应力云图(拉力3.4 t)　　　　　　　　　图5　4 mm挂板应力云图(拉力4.6 t)

图6　5 mm挂板应力云图(拉力5.8 t)　　　　　　　　　图7　6 mm挂板应力云图(拉力7.0 t)

2 000 MPa材料挂板能承受最大拉力如表2所示，各板厚对应应力分布图如图8～图11所示。

在相同厚度下，16Mo挂板的拉力较40CrMo挂板小约40%，成本略低。但使用40CrMo挂板会更好地实现分段/总段的拉平，同时也能够保障现场施工人员的安全，成本略高。在现场试验过程中，

表2　2 000 MPa材料挂板能承受的最大拉力

图8　3 mm挂板应力云图(拉力5.6 t)　　　　　　　　　图9　4 mm挂板应力云图(拉力7.6 t)

图10　5 mm挂板应力云图(拉力9.6 t)　　　　　　　　　图11　6 mm挂板应力云图(拉力11.6 t)

16Mo挂板在使用三次后开始出现变形，而40CrMo挂板则无变形产生。综合考虑后，我们决定采用40CrMo作为中间挂板的材料。

2.2.2螺栓

螺栓的作用是调整合拢部位钢板的水平，同时与压板一起将活动马板进行固定。当时公司有一批发黑处理的螺栓，为了节约成本，充分利用库存，我们决定使用现有螺栓进行试验。

在螺栓螺纹形式的选择方面，我们主要从粗牙和细牙两种形式来考虑，分别找出其优缺点，最终确定螺栓的选型。

(1) 粗牙。

优点：螺纹少，施工人员现场操作方便，旋转较少的圈数就可将螺栓放置到位，生产效率高。

缺点：由于螺栓受力较大，螺纹少会加大其受力，使用几次之后螺纹容易变形甚至扭曲，使螺栓无法顺利旋转，从而导致其报废。当螺栓受力不均时，还可能会出现螺纹迸裂或出现安全事故。

(2) 细牙。

优点：螺纹受力均匀，多次使用后，螺栓的螺纹不会变形扭曲。

缺点：螺纹多，施工人员需要旋转多次才能将螺栓放置到位，生产效率较低。

通过综合考虑，为了进一步保障施工人员安全并节约成本，拟采用细螺纹形式的螺栓。

2.2.3压板

压板与螺栓的作用类似，起到调整合拢部位钢板水平的作用，同时还能与螺栓、挂板形成一体，承载挂板的压力。压板主要由螺栓孔和钢板组成，目前考虑将螺栓孔与钢板通过焊接形成一体。

2.2.4顶板

顶板为一底端带槽的实心钢块。在螺栓及压板施加向下的力的时候，顶板将在挂板的作用下，为螺栓与压板起到一个支撑的作用，即在反面将钢板的水平调整平齐。顶板与钢板接触的部位需要水平，同时在下端还需要开槽，以起到固定挂板并避免其左右晃动的作用。

3活动马板的优化和改进

活动马板样品在试用过程中遇到了前期未曾考虑到的问题，我们对此进行了几方面的优化和改进。

3.1增加垫片

在普通碳钢分段上进行活动马板样品试验时，螺栓直接与钢板接触，由于接触部位的摩擦力过大，使用几次之后便导致螺栓底部变圆，同时在钢板上也产生螺栓压痕。因此，需要对接触部位进行保护，我们考虑在螺栓底部增加垫片，以避免产生上述缺陷。垫片可选用两种材质：

(1) 金属垫片。

对于普通碳钢分段/总段，在螺栓下使用普通碳钢的金属垫片，经现场试用后效果明显，但在不规范使用时，会在钢板上产生压痕。

(2) 塑料特氟龙垫片。

将金属垫片调整为塑料特氟龙垫片可减少螺栓与钢板之间的压痕。我们试验性地在螺栓底部钻孔加装特氟龙，将螺栓与塑料垫片连为一体。但在使用过程中塑料特氟龙垫片不耐磨，用过两次以后基本磨平。同时，由于增加了机加工环节，使得马板的总体成本上升。

经综合考虑后，我们决定选择金属垫片。由于使用金属垫片可能在钢板上产生压痕，为消除压痕，我们采取了如下措施：规范活动马板的使用，尽量将垫片使用在钢板的相对平整部位，同时按常规力度紧固螺栓，避免使用蛮力紧固螺栓。图12为塑料垫片形式的活动马板。

图12　塑料垫片形式的活动马板

3.2改进垫片固定形式

在之前的设计方案中，螺栓垫片与螺栓均为散件，施工人员在现场使用时容易遗失垫片，散件垫片也容易掉落到分段/总段的间隙内。对此，我们考虑将垫片与压板通过钢丝连为一体(见图13)，并在76 000 t散货船和20 000 t重吊船上进行了应用，实际证实完全达到预期效果。

图13　优化后活动马板示意图

3.3改进螺栓

在现场使用发黑处理的螺栓时，由于焊接飞溅很容易粘在螺栓螺纹上，且不容易清除，影响螺栓上下移动。通过与生产人员讨论，我们将发黑式螺栓改为镀锌式，在后期的试验过程中证实，即使焊接飞溅粘到螺栓上也很容易被清除下来。

3.4改进压板

由于压板承载负荷较大，为了保障施工人员的安全，需要对焊接部位进行探伤处理，处理结束后再对焊缝部位进行打磨。这一过程将带来压板的成本上升，我们考虑今后将压板改为铸造的形式，即开发专用模具，直接将螺栓孔与钢板铸造成型，直接打磨毛刺后即可使用。

3.5设计适用于双相不锈钢的活动马板

公司承接的38 000 t化学品船，其货舱为双相不锈钢材质，由于这种材质和普通碳钢不能直接接触，因此我们进一步研究了适用于双相不锈钢材质的活动马板。

(1) 垫片、顶板与双相不锈钢接触的部位采用不锈钢材质，避免碳钢与不锈钢接触而产生腐蚀。

(2) 考虑到若现场工人使用时不按规范操作，会导致碳钢与不锈钢接触而产生腐蚀的情况，将压板、挂板与不锈钢不直接接触的部件进行镀锌处理。

(3) 为了更好地减少压板对不锈钢的挤压，在压板顶端加装不锈钢垫板，以增大接触部位的面积，即将之前的压板与钢板之间的线接触优化为面接触，从而降低了压痕现象的产生。

适用于双相不锈钢的活动马板的现场应用图如图14所示。

图14　活动马板在不锈钢分段上的使用

3.6设计不锈钢甲板舱室适用的类型

公司承接的38 000 t化学品船有四个甲板货舱，每个货舱均为正八面体形式，在横截面上的相邻两块不锈钢板之间的夹角为135°。在胎架上进行甲板舱分段的制作，相邻不锈钢板的角度很难控制，需要使用复杂的胎架进行固定，还需要焊接马板进行装配定位。同时由于不锈钢板上安装了大量构架，在构架与不锈钢板焊接过程中，引起了不锈钢企口的波浪变形。上述过程会引起不锈钢板的破损，同时还需要后续的修补工序，增加了大量工作，并浪费了大量马板材料。因此有必要设计一种适用于控制钢板形成135°夹角的无马工装，同时可以矫正钢板企口变形的作用，更主要的是取消传统马板的安装与割除工序。为此，我们设计了一种如图15、图16的135°夹角式的无马工装，通过现场使用，夹角式工装对控制相邻钢板角度和企口变形起到了良好效果。

图15　甲板舱截面图

图16　夹角式活动马板示意图

3.7制订活动马板的使用规范

为了更好地指导现场施工人员科学、正确地使用活动马板，生产部门还编制并颁布了《活动马板使用规范》，如图17所示。

图17　活动马板使用规范

4效益分析

活动马板在76 000 t散货船、20 000 t重吊船和38 000 t化学品船上得到了成功应用，在此基础上，公司计划后续逐步在LNG船、45 000 t集装箱滚装船、超大型集装箱船等高新产品上进一步推广应用活动马板。使用活动马板实施“无马工艺”取得了较为可观的经济效益和社会效益。

4.1经济效益

以76 000 t散货船以及38 000 t化学品船为例进行经济效益分析如下。

4.1.1节约工时方面

从人工成本时间消耗进行统计，使用传统马板时，按1块马板制作需要3 min，电焊需要2 min，割除需要2 min，马脚打磨处理需要10 min计算(部分打磨处还需进行补电工作)，则从安装到拆除1块马板大约需要17 min。

以76 000 t散货船为例，采用传统马板时，需进行对接的焊缝长度大约为2 400 m，按每300 mm一档安装马板，总共需8 000块马板，需要2 800个工时。使用“活动马板”后，定位焊两端削斜打磨按每250 mm一段计算、共9 600段，再加上安装拆除“活动马板”的时间，大约仅需360 h工时。因此使用“活动马板”可以节省工时约2 440 h。

38 000 t化学品船不锈钢焊缝长度为1 800 m，碳钢焊缝长度为1 700 m，使用传统马板时，按每300 mm一档安装马板，总共需要6 000块不锈钢马板，5 700块碳钢马板，需要大约3 600个工时。使用“活动马板”后，定位焊两端削斜打磨按每250 mm一段计算、共14 000段，再加上安装拆除“活动马板”的时间，大约需要520个工时。所以使用“活动马板”可以节省工时约3 080 h。

4.1.2节约成本方面

(1) 材料成本的减少。

① 板材。目前公司使用的常规马板规格为12×120×150 mm，梳状马的规格为12×1 000×150 mm。

76 000 t散货船为例全船大约共需8 000块马板，其中6 000块为常规马板，2 000块为梳状马，按每立方米板材重7 900 t计算，单船损耗马板板材重约20 t，板材每吨约4 000元，则使用传统马板将耗费约8万元。

38 000 t化学品船大约需要6 000块不锈钢马板以及5 700块碳钢马板，其中4 500块为304不锈钢马板，1 500块为304不锈钢梳状马，4 275块为碳钢马板，1 425块为碳钢梳妆马。大约有50%的马板割下来后可以重复利用，按每立方米不锈钢重7 930 t计算，单船损耗不锈钢马板板材重量约为14.6 t，碳钢马板板材重量约为14 t。不锈钢每吨约24 000元、碳钢每吨约4 000元，则使用传统马板将耗费约40.6万元。

由于活动马板可以重复利用，因此每艘76 000 t散货船仅需200块普通“活动马板”，每艘38 000 t化学品船需200块不锈钢“活动马板”以及200块普通“活动马板”，折损率约为5%，以每个不锈钢“活动马板”218元、每个普通“活动马板”150元计算，则76 000 t散货船初期需一次性投入3万元，后续单船仅需投入1 500元；38 000 t化学品船初期需一次性投入7.36万元，后续单船仅需投入3 680元。

与传统马板相比，使用活动马板后，76 000 t散货船首制船可以节省板材成本约5万元，后续单船可以节省板材成本7.85万元。38 000 t化学品船首

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Research and Application of Detachable Clip

QIE Jin-bo1， HUANG Yan2, HUANG Min-jian2

(1.School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai

200030， China； 2.Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129， China)

AbstractModern shipbuilding mode advocates environmental-friendliness, convenience and high efficiency as well as reduction of working intensity for those who work on site. Furthermore, it requires that reducing construction costs and improving enterprise profits shall be taken as the starting point by the ship yards. The application of the new type detachable clip changes the traditional shipbuilding techniques. It ends the application of the traditional welding comb by and large, thus avoiding welding, cutting and grinding, repairing work in the use of the traditional comb and raising production efficiency, which are recognized by the site workers. Materials can be saved as the detachable clip is reusable, which paves the way for cost reducing and efficiency increasing of the shipbuilding enterprises.

KeywordsDetachable clipOptimizeProductivityBenefit

中图分类号U673

文献标志码A

作者简介：郄金波(1981-)，男，工程师。