船舶管系布局优化的研究

张建明

摘要：船舶管系就像人身体里的血管，有了它，才能使船上各系统的功能得以正常连接和发挥作用，它是船舶设计中的重要内容。同时，管系设计的好坏直接关系到一条船的经济成本。船舶管系设计由五个连续的阶段组成：初步设计、功能设计、详细设计、生产设计和系统支持信息。管路布局设计是在二维或三维布局空间内寻找满足约束准则，并连接给定起点和终点的管道路径。占有管系详细设计50%的管路布局设计是管系详细设计阶段的重要组成部分。由于船舶管子数量庞大，约束繁杂及布局空间较大，目前在实践中，还主要依靠经验丰富的专家去完成。所以，管路布局设计优化非常困难、耗时，与整个船舶在利用先进技术方面相比严重滞后，并已成为制约船舶设计周期的瓶颈，是一项亟待解决的技术难题。为此，管路布局设计的自动化和优化对船舶设计质量，缩短造船周期有重要意义。

关键词：船舶；管系设计；管路系统；水泵

1 船舶管系的基本状况

“船舶机体”是一个综合性概念，它所包含的管系较为复杂，涉及到的直径差异性管子数量极其多，且管子的品种也很多，规格较为复杂多样。如果从管子的具体作用来划分，可以将其划分为动力管系和船舶管系两种类型。从这2种管系各自作用的发挥来看，两者是既相互独立又相互配合的关系，在互补中共同发挥优势，以确保船舶机体性能良好。这也从侧面说明了对船舶管系进行安装监管是监督监管人员的工作重点所在。从整个流程来看，船舶工程中的管系安装主要涉及图纸设计、现场制作、表面处理、船上安装密试及效用等几个主要阶段。

2 管系设计布局存在的缺陷

船舶管系是分布于船舶各舱室的用于传递气体与液体的管路系统，包括管子、阀门、法兰、管路支架、减振接管等部分。船舶管系遍布全船各舱室、各个部位，合理的管系布局是保证船舶安全性、操作方便、维修便捷和机械正常运转的重要前提。

目前，管系在设计布局时主要采用平面方法进行管系布局放样，在平面上按照一定比例绘制船体型线和有关结构图。绘制出舱内主要机械设备的安装位置后，绘制管系的放样总图，而后依据放样总图生成各系统管系的放样图，开展管件加工和生产。目前，设计方法存在多方面的缺陷：①平面设计方法无法表示管路错综复杂的三维立体关系，不易在设计阶段规避管路之间、管路与设备之间干涉情况，且要求在现场放样完成后再开展设备布置，这种串行设计的方法不利于生产周期的缩短。②该方法依赖对设备安装位置的数据测量，且因管系密集，在设计不同系统管系时，易出现管路相互影响的情况，导致返工。③人工放样、设计管系布局的最大缺陷是设计布局的结果极度依赖设计者的经验、专业知识。

3 管系设计布局的要求

船舶管系是船舶建造过程中的重要过程和工序，对于船舶制造有重大的影响。在生产过程中，船舶管系会受到重多因素的约束和影响，主要应满足以下 4 方面的要求：①经济性要求。管路长度尽量短，弯头、管卡数量尽量少。②安全性要求。管路应避免在振动较大的设备上面布置，比如水泵、压缩机等；油管应避免在高温蒸汽等高温管路及设备上方布置；管路安装时应满足管系的力学要求，同时，考虑到管系受热膨胀会影响使用中管系的受力情况，在安装时，应考虑管系布置的灵活性。③维修性要求。保证管路与管路、管路与设备之间有一定的间距，管路中的阀件及控制装置应避开障碍物，并处于易维护的范围内；为安装与维修阶段所用的扳手、绞车等移动设备预留足够的操作空间。④精细化要求。管系布置时应先布置粗管，后布置细管，管路应尽量与舱壁、设备、管路支架正交成束敷设；管路必须排列整齐，系统阀门应整齐布置；水平与垂直管路安装时应在管路垂直位移最小的位置支撑，防止管路过度变形扭曲。

4 管系优化布局的发展趋势

随着自动化与信息化技术的快速发展，现代造船模式向着数字化发展，设计模式也向着自动化发展，传统的管系优化布局模式也应紧随科技革新。笔者认为，船舶管系优化布局应向以下几方面发展。

4.1 实现自动化管系布局

提高管系设计效率和布局精度的根本方法是进行自动化管系布局。三维数字化管系布局将管系设计工作从二维平面发展到了三维空间，但本质上还是依赖经验丰富的设计者，且设计不一定是最优的。一套成熟的自动化管系优化布局系统是利用预设的专家知识、算法自动输出最优的管系布局。国内外学者对自动化管系优化布局展开了大量的研究，研究过的管系优化布局方法有试凑法、动态规划法、迷宫法、逃逸法、网络优化法、遗传算法、专家系统和模糊集理论及单元生成法等。经过对管路布局优化设计的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行业形成了小范围的自动化管系布局系统，但目前研究的算法中依然存在问题，未形成一套完整的自动化管路优化布局系统。

4.2 进行三维数字化放样

以三维化为基础的数字化造船模式已经成为现代造船业的发展趋势，开展三维数字化管路布局设计迫在眉睫。三维数字化管路布局的优点在于使管路布局与设备安装同时进行，设备安装完成即可进入管系安装阶段，从而缩短生产周期。此外，三维数字化管系布局设计可以模拟出管系之间、管系与设备之间的三维空间关系，避免在生产阶段出现返工、材料浪费的情况。近年来，国内主力船企（比如广州造船厂、渤海造船厂等）已经在三维数字化管系布局放样方面进行了有益尝试——引进国际上先进的三维设计软件（比如Tribon、CATIA 等）进行可管系布局设计，并取得了一定的效果。

4.3 检测反馈手段的数字化

虚拟化在现代造船模式下起着十分重要的作用。当前的虚拟化仅限于设计效果的演示及生产结果的演示中，对于指导生产的作用比较薄弱。要想加强虚拟化在生产过程中的作用，则要强化监测反馈手段，发展三维在线监测手段，实时监测、采集管路安装的三维数据，并与三维的设计效果图进行对比；对安装误差过大的部位进行报警提醒，施工人员应及时纠正，在提高生产水平的同时缩短生产周期，降低生产成本。

5 结束语

本文分析了船舶管系设计布局的具体要求，指出了目前管系设计布局中存在的主要缺陷，讨论了布局优化的方法及发展方向。

参考文献

[1]范小宁.船舶管路布局优化方法及应用研究[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[2]樊江，马牧，杨晓光.航空发动机外部管路自动敷设研究[J].機械设计，2003，20（07）.

[3]张大船.专家系统在管道工程设计中的应用[J].炼油设计，2001，32（01）.

[4]胡勇，刘光武，王呈方.船舶制造中的现场取样管人工样杆的数字化[J].船海工程，2004（06）.