18000TEU集装箱船关键建造技术

刘建峰，张海甬，孙建志，卢军国，邵 丹

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

18000TEU集装箱船关键建造技术

刘建峰，张海甬，孙建志，卢军国，邵 丹

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

对18000TEU集装箱船建造的舱口围与抗扭箱一体化制作、焊接变形控制、精度控制、横隔舱整体建造及模拟试箱等关键技术进行分析。结合该船的建造技术，提出改进意见，在后续大型集装箱船的建造过程中进行优化。

船舶、舰船工程；集装箱船；厚板焊接；工法设计；精度管理

0 引 言

由中国船舶工业集团公司第七○八研究所自主研发设计、上海外高桥造船有限公司负责建造的18000TEU超大型集装箱船“达飞·瓦斯科·达伽马”轮于2015年7月27日在上海外高桥造船有限公司顺利命名，并交付给法国达飞海运集团，打破了之前韩国造船厂在全球超大型集装箱船建造领域的垄断地位，为我国造船业承接并建造此类高附加值船舶积累了成功经验。

1 18000TEU集装箱船关键建造技术研究与应用

该18000TEU集装箱船总长399.2m，型宽54m，型深30.2m，设计吃水14.5m，服务航速22.2kn，投钢量约4.8万t。该船的结构特点决定了其在建造过程中对焊接技术、精度控制及试箱工艺等建造工艺的要求近乎苛刻[1-2]。对此，上海外高桥造船有限公司结合自身的工艺流程及设备实施情况，在借鉴日本、韩国超大型集装箱船建造过程中的成熟技术的基础上，不断创新、勇于尝试，取得了阶段性成果。

1.1 工法设计

18000TEU集装箱船工法设计的主要工作包括分段划分及PRE-DAP/FSD/WSD策划等，是整个生产设计的前道。对此，从结构、舾装、焊接、密性及涂装等方面进行前期研究，确定生产设计的基本框架和基本原则。

1.1.1 分段划分

全船共划分为387个分段（不包括舱口盖和绑扎桥）；货舱区域长度方向FR116-375～FR457+100按环划分共18环，最长17610mm；艉部和艉货舱区域按层划分共40个分段；机舱区域按层划分共52个分段；艏部区域按层划分共19个分段；上层建筑和烟囱划分为23个分段。

分段划分过程中，采用快速建模工具NAPA-STEEL，利用已有的详细设计图纸进行快速建模，并根据初版划分方案进行较为精确的质量预估，最大限度地利用吊车能力和加工能力，减少环缝数量；同时，通过模型直观检验分段划分的合理性。

1.1.2 PRE-DAP/FSD/WSD策划

1) 18000TEU集装箱船分段划分完成后，依据分总段划分方案进行先行的分段组立顺序策划（即PRE-DAP）。通过PRE-DAP研究典型分段的建造顺序，进一步确保分段划分的合理性，同时也为后续船体设计生产及建模出图提供更为详尽的依据（见图1）。

2) FSD作为衔接DAP的一个重要生产策划方案，其重点策划的内容包括大组立后生产状态、零件或组立托盘直送、密性试验、补涂或涂装及舾装阶段注意事项等（见图2）。

3) WSD以分总段划分为基础，以分段DAP和总段FSD为线索，通过明确每个组立、分段及总段的舾装件安装要求指导生产设计。WSD重点策划的内容包括分段预舾装的范围，部件、小组立及中组立舾装件的内容和船坞阶段舾装的内容等（见图3）。

1.1.3 单元设计

18000TEU集装箱船的单元设计考虑各工种在空间上分道、在时间上有序，变外场作业为内场作业，变高空作业为平地作业，舾装作业与船体建造并行，最大限度地缩短船坞周期，达到扩大先行工程、提高预舾装水平和减少坞内工作量的目的。最具特色的是甲板反顶管束单元和抗扭箱管束单元（见图4），最大限度地实现舾装的低空作业。

1.2 典型分段的建造技术

1.2.1 舱口围与抗扭箱一体化建造

集装箱船舱口围采用大量高强钢厚板，强度通常为 EH47，板厚最大 80mm，厚板对接和角接焊接的工作量巨大。18000TEU集装箱船舱口围建造改变了传统的船坞阶段搭载工艺，通过精度控制实现舱口围水平的有效控制，确保其能在抗扭箱分段组立阶段安装；通过合理的 DAP划分，将舱口围与抗扭箱结构组立整体制作，极大地提高厚板焊接的效率，改善作业的安全性。抗扭箱分段在中组立阶段安装管束单元，进一步提高分段舾装的效率和完整性。

1.2.2 横隔舱整体建造

18000TEU集装箱船横舱壁整体幅面最大尺寸为49.8m×29.7m的非水密结构横舱壁非常弱，建造及吊装过程中的变形控制非常难，导轨在船坞搭载前安装以避免高空作业工作量成倍增加和作业安全风险加大。针对以上特点，横舱壁的建造方案着重从控制建造变形、实现舾装前移及减少高空作业等3个方面进行研究。

1) 建造变形控制着重从2个方面解决，横舱壁建造过程中的精度控制尤为重要；同时，横舱壁整体吊装受吊排尺寸的限制无法保证整体受力均匀，通过有限元进行吊装模拟仿真并结合有限元分析找到结构变形薄弱点，进行相应的加强和预设反变形，以补偿吊装产生的变形，确保吊装后整体尺寸符合要求（见图5）。

2) 横舱壁舾装主要是指双面导轨和风管安装，该船采用导轨反顶安装方式，在不翻身的前提下实现导轨的两面分段预装，船坞阶段仅需少量调整，可有效减少船坞导轨安装和调整的工作量。

3) 进行横舱壁与舷侧结构的焊接顺序研究，确保焊接完成后精度尺寸可控。通过精度控制，避免大面积坞内修正工作，仅在大接缝处搭设脚手结合高空车作业即可。

2 舾装安装技术创新及应用

2.1 绑扎桥立式总组

该船采用板式3层绑扎桥，共设有27座，单座绑扎桥尺寸约为53.0m×12.1m×1.2m。为减少坞内工作量、降低劳动强度、缩短船坞周期，确定在厂内对左右两榀进行预拼后搭载。该船采用立式总组工艺（见图6），一方面减少大量总组场地，另一方面减少平躺总组后的翻身变形。绑扎桥立式总组可有效缩短船坞搭载周期和提高搭载精度。

2.2 舾装件前移安装

该船通过前期策划和精度控制实现立柱及箱脚的预装。定位销、限位块和支撑块将在后续新船研究中分段安装。

舱盖附件的舾装前移，改变传统的通过舱口盖实体放样进行舾装件定位划线的工艺。在分段阶段设置定位基准线，分段总组和总段搭载均以定位基准线为准进行对合，保证整个船体结构的基准统一。在此基础上，利用船体划线确定舱口附件的安装位置，同时舱盖安装也以相同的基准进行定位。在此过程中，分段精度控制及舾装精度控制是实现舱盖附件舾装前移的关键所在。

3 EH40/EH47高强度钢工艺设计和焊接变形控制

该船船体舱口围及抗扭箱区域主要由EH40/EH47高强度钢组成，舱口围及抗扭箱厚板结构见图7。

由于厚板较厚，在设计坡口时将两面坡口深度设为 2/5t和3/5t，留根由8mm改为6mm，反面坡口由60°改为70°，减少碳刨的工作量。同时，在焊接顺序上采取上下交替的方式，使受热均匀，避免局部过热，尽量做到减少焊接变形，保证焊接质量[3]。具体厚板坡口形式见图8。

焊接变形控制方面，由于厚板焊接缝收缩变形会导致焊缝处钢板焊接变形，因此通过预先焊接变形试验收集相关厚板的焊接变形数据，并在此基础上利用数理统计的方法研究确定厚板焊接部位反变形作业标准，通过预放反变形控制最终的焊接变形。

4 精度控制

对该船的绑扎系统和涉及的结构进行精度控制，从而减少平台总组及船坞搭载修正量，实现快速搭载，提升整船分段主板原始坡口保留率和吊箱试验一次到位率，达到缩短建造周期、降低建造成本和保证建造精度的目的。

4.1 前期精度策划

前期精度策划是指从船体建造精度的角度对每道工序进行预先分析和了解，明确建造过程中的重点与难点，并预先使用精度管理的办法。前期精度策划包括新旧船型结构对比、全船精度管理图、精度控制标准、精度控制目标和加工、组立、总组、搭载及舾装精度控制方案。

4.2 精度管理过程控制

精度管理过程控制是指从技术方面和管理方面着手，制定集装箱船船体和舾装精度作业标准书及精度标准，从分段主板切割、基准线施工、导轨架安装到船坞搭载都有明确的作业顺序、作业要求和精度标准。其规范了集装箱船建造过程中的作业顺序，明确了施工过程中的精度标准，强化了划线师的作业要求，使得现场精度作业规范化得到了大幅提升。

4.3 数字化定位

依托高精度测量的全站仪和先进的精度管理软件，通过船坞实测作业坐标系与集装箱船本体理论坐标系的有效转换，以统一的基准控制所有定位数据，借助全站仪中的精度软件在现场自动得出偏差值，使总段搭载定位更加精确、迅速。同时，持续从积累的数据中分析和优化设计下料尺寸，减少分段制作及总段搭载过程中的无谓修割，得到确定精确的精度补偿量来指导现场作业，提高生产效率（见图9）。

4.4 精度专用工装

精度控制质量和效率的提升依靠专用工装的开发来保证。为落实舾装精度管理技术，结合集装箱船舾装件的特性，研发集装箱船专用工装保距规和底锥划线定位器，专门用于导轨架分段安装和底锥划线定位，促进现场效率的提升。

5 试箱与堆箱技术

吊箱试验分为货舱内试验和主甲板/舱口盖试验 2部分。吊箱试验前，为避免后续验证绑扎桥而进行的堆箱试验，根据设计数据进行模型试验，试验后出具试验报告，经船东及船检部门签字认可后避免实物堆箱检验。

5.1 模型堆箱试验法

绑扎桥用来对舱口盖上的集装箱进行绑扎固定，主要通过套母螺栓、钢丝绳及固定眼板将集装箱固定在甲板上。为验证固定系统之间是否发生碰撞、钢丝绳的长度是否合理，需进行堆箱试验。船厂为减少设计图纸出来后的实际工作，会以模型试验来代替实物试验。试验主要涉及系绳长度和范围、系绳时绑扎单元干扰间隙、系绳时套筒螺母与扶栏之间的干扰间隙、系绳时套筒螺母和螺栓挂钩的干扰间隙及绑扎桥停车螺丝扣等（见图10）。

5.2 吊箱试验（模拟试箱）

对于货舱吊箱试验，搭载过程中以完整舱室为单位，焊接完毕后即可进行模拟试箱，该工作可直接在码头阶段进行。

5.2.1 导轨测量

1) 确定数据收集点位置：在隔舱总组阶段，于导轨架距边(20±1)mm处贴反射片，高低方向分4处进行张贴。

2) 建立坐标系：以双层底上的中心线为参考线，以前后隔舱偏移100mm线为模拟试箱舱室的边界线，使用全站仪（精度在1mm以内）进行数据测量。

3) 分析数据：收集4层箱位的相对位置数据，并将其与理论数据比较，列出超标的偏差值；根据数据偏差值对超过标准的导轨梁进行人工修正，现场修正完毕之后由精度人员复检，直至确认偏差值在可控范围内为止。

5.2.2 箱脚测量

箱脚及箱锥的位置要经过尺寸和水平2方面的检查。

1) 尺寸检查。根据导轨架的相对箱脚中心点理论位置垂线确定实际尺寸并以实际尺寸确定中心线之后，根据理论尺寸确定箱脚首尾方向和左右方向的位置。划线尺寸控制在±1mm以内；箱脚安装中心尺寸的长度和宽度控制在标准范围以内。

2) 水平检查。箱脚安装完之后进行水平确认，分别以20ft（1ft=0.3048m）箱和40ft（1ft=0.3048m）箱为单位进行水平测量。水平公差为±3mm（判定方法为：以3个箱脚组成一个面判定第4个箱脚的误差），不足用调节板进行水平调整，必须保证箱脚的4个角点都接触到调节板。

此外，对于装箱与导轨的间隙，集装箱与导轨下端两侧间隙尺寸相加的公差在纵向和横向上控制在标准范围以内。

5.2.3 舱口盖上箱脚和箱柱测量

舱口盖上箱脚和箱柱测量包括舱口盖试箱（在舱口盖施工完后进行实物试箱）及舷侧箱柱与舱口盖位置箱位测量（参考箱脚测量）。

在船东认可的情况下用模拟试箱数据和实体试箱抽查的方式代替全范围实体试箱,从而缩短整个集装箱船的建造周期。

6 结 语

结合18000TEU集装箱船的实际建造，从设计和工法策划等环节着手，重点对建造关键技术进行了探讨，为今后载箱量＞20000TEU的超大型集装箱船建造技术研究奠定了较好的基础。

通过实船应用，以往研究成果及工艺策划得到了有效验证，对提高建造质量、缩短建造周期起到了较为理想的效果，进一步缩短了与国外先进造船企业的差距。然而，受各类因素影响，环段建造、轴系先行安装等工艺还需在后续相似船型设计建造中加以实施和验证，拟在环段建造、超长轴系先行化安装、舾装先行化技术挖掘、绑扎桥完整性到厂和进一步推进标准化试箱堆箱等方面进行优化。

[1] 卓东明. 面对集装箱船舶大型化[J]. 中国远洋航务，2011 (12)： 76-78.

[2] 邢丹. 马士基组合拳的多米诺效应[J]. 中国船检，2011 (10)： 44-47.

[3] 许志祥，边东成，沈志根. 大型集装箱船超厚板立对接焊接工艺[J]. 金属加工（热加工），2012 (16)： 44-45.

Key Technologies of 18000TEU Container Ship Construction

LIU Jian-feng，ZHANG Hai-yong，SUN Jian-zhi，LU Jun-guo，SHAO Dan

（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

This paper introduces the key technologies of the 18000TEU Container Ship construction, including integrated construction of hatch coaming and torsion box, welding deformation control, accuracy control, transverse bulkhead overall construction, mock-up test and etc. Based on the construction technologies of this vessel, suggestions for the improvement are proposed to optimize the construction process of the subsequent vessels.

ship and naval architecture; containership; thick plate welding; method design; accuracy control

U674.13+1

A

2095-4069 (2017) 01-0065-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.012

2015-11-26

刘建峰，男，工学博士，1964年生。2000年上海交通大学博士研究生毕业，现从事造船生产技术研究。