极地自破冰科学考察船重量和重心控制技术

李啸峰，赵振华，韩冰洋

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

地球两极具有独特的地理位置和自然环境，在该区域开展科研活动较为困难。“雪龙2”号极地自破冰科学考察船的交付使用为我国的极地科学考察工作提供了很大的便利。在建造“雪龙2”号过程中，控制好其重量和重心是保证船舶各项性能不受影响的基本条件，这是由于船舶空船重量直接影响船舶的装载能力，船舶重心直接影响船舶的稳性和主要运行能力。由于极地自破冰科学考察船通常需在特殊的区域航行，在建造过程中对其空船重量和重心进行控制显得尤为重要。

1 现状分析

1.1 “雪龙2”号重量和重心控制的必要性

船舶的重量和重心直接影响其安全性能和舒适性，船舶建造任务书也将空船重量控制作为一项重要的考核指标。因此，需从船舶设计阶段开始，到船舶建造完成，通过对每个环节进行严格把控，持续不断地对船舶重量进行控制，确保建造过程中全船的重量不大于详细设计的指标值，稳性满足《极地规则》（Polar CODE）、《国际海上人命安全公约》（Convention on the Safety of Life at Sea, SOLAS）、《2008国际特殊用途船规则》（Special Purpose Ships Code of 2008, 2008 SPS CODE）和《海洋调查船特殊抗风力要求》（CB/T 3526—1994）中的特殊抗风力要求，载重量满足船舶建造规格书的要求。

1.2 “雪龙2”号重量和重心控制的特点[1]

“雪龙2”号配置有大量科考设备（见图1），上层建筑丰富，能装载20个20ft（1ft≈0.3048m）标准集装箱，货舱顶部还可装载10个20ft可移动的标准集装箱；同时，该船装载有2架直升机（H425和Ka32），随之配套众多航保设施，考虑到船东以后还有可能增加部分设备，这些重量主要分布在主甲板以上，且部分设备是偏心布置的，对稳性的影响很大。总体上看，“雪龙2”号重量和重心控制工作的主要特点是：露天甲板面的科考设备和其他重型设备较多，且分散布置，重量和重心控制难度大；板材选用进口钢板，质量较高，但厚度公差偏大；具备PC3的破冰能力，需满足骑冰稳性要求，同时兼顾过西风带的要求，稳性要求更高。

图1 “雪龙2”号配备的设备、系统示意

2 重量和重心控制方案

船舶建造过程中一旦有重量误差积累，会严重影响船舶建造精度，因此需采取全过程的控制措施，从设计到建造有序衔接，缺一不可，在各环节控制好每个组件的重量[2]。

2.1 详细设计阶段重量和重心的控制

在签订设备技术协议之前，基于充足的技术要求，对非常规、重点系统/设备和新材料的重量进行预摸底，形成《技术协议前需摸底设备表》，在签订技术协议时根据该表进行重量约束。

在详细设计阶段，以满足《技术协议前需摸底设备表》中各项重量的设计要求为前提，以各项设备订货资料为基础，整理出《重量重心跟踪表-详细设计》，给出详细设计的空船重量预估值，并列出结构、设备和舾装等各分项的重量控制范围及要求。主要采取的控制措施如下。

2.1.1 基座结构设计优化

在基座尺寸满足规范要求的前提下，兼顾结构强度和减振降噪等指标的要求，通过对基座的结构进行优化设计，有效减轻空船重量。

2.1.2 全船管系优化

对管路原理图进行严格预审，优化管路系统，做到管路连接合理、阀件轻化和附件量少；同时，优化设备布置，做到设备与设备、设备与箱柜和箱柜与箱柜之间的管路连接最短；管路系统的布置优化原则遵循大管子布置率先优化、厚壁管布置率先优化和底层管路率先优化。

2.1.3 全船电缆优化

电缆一般选用不带内护套的电缆，在满足规范和电磁兼容要求的前提下，尽量选用多芯电缆，通过合理布置接线箱或接线盒，缩短电缆总长度。

2.1.4 轻型化和新形式的采用

在满足规范要求的前提下，采用轻型材料设计操作平台，选用轻型舾装件和管附件，采用比较薄的敷料布置节点，减小舷窗的窗框和风暴盖上开孔的尺寸，采用轻质的钢质风雨密门和轻质的卫生单元。

2.2 生产设计阶段重量和重心的控制

在生产设计阶段，系统原理和设备布置已基本确定，对重量和重心的影响主要体现在结构建模、电缆及管系走向、设备安装形式和舾装件订货及安装形式等方面。根据生产设计三维建模软件的特点，设计重量和重心统计方法，整理出《重量重心跟踪表-生产设计》，并将其与《重量重心跟踪表-详细设计》相互验证。主要采取的控制措施如下。

2.2.1 结构建模重量控制

对于分段模型，控制板缝大小和焊缝量，合理施加端部补偿量和焊接收缩补偿量；对于设备基座模型，应将其布置在船体结构上，与已有的结构对齐，在满足强度要求的前提下，采用重量最轻且易施工的加强结构形式。

2.2.2 管系重量控制

对管系全局布置进行预分析，分阶段对各区域管系进行综合放样，缩短全船管系的长度；优化管系取段，减少法兰的使用量，尽可能地使用套筒连接代替法兰连接；采用单元模块化设计，利用单元框架做管支架，减少支架的使用量，提高支架的利用率。

2.2.3 电缆重量控制

与管系重量控制相似，首先对电缆进行全局分析，分阶段对各区域电缆进行综合放样，优化电缆走向，缩短全船电缆的长度。此外，按照电缆的类型和数量确定托架上电缆的分束数，结合管系放样综合考虑支架配备，有效减少支架使用量，提高全船支架的利用率；电缆走向兼顾电缆管的布置，选择合理的贯穿位置和走向，缩短电缆管的长度。

2.2.4 舾装件重量控制

在订货时写明舾装件制作标准和重量要求，要求制作厂家按理论重量交货，交货时提供重量自检报告。对于强度要求较低的铁舾件，考虑采用轻型材料控制重量，内部加强对正船体结构骨材，实行零余量制作，尽量采用无紧固件固定的焊接形式；上层建筑尽量选用轻型隔音隔热材料。

2.3 现场建造阶段重量和重心的控制

在现场建造阶段，需严格做到规范施工、精度控制和余量控制[3]。具体采取的控制措施如下：

1) 严守工艺纪律，严格控制建造精度；

2) 按控制程序的要求实施测量，反馈正确的测量数据；

3) 规范使用配件，禁止随意增加螺帽、垫片和螺栓；

4) 禁止随意加焊，严格控制焊脚高度；

5) 严格控制电缆接线处的电缆余量；

6) 全面清除不属于船舶的部件，对于结构上的临时加强结构，确定拆除时间，并进行检查；

7) 编制有效可行的甲板平整度控制工艺文件，规范现场操作流程，严格控制甲板的平整度；

8) 严格按认可的油漆明细表进行涂装施工，禁止油漆施工随意翻新。

2.4 重量和重心控制的质量保证

对重量进行跟踪和检验是保证重量和重心控制质量的有效措施，主要包括成立称重工作小组、设立称重岗位、制定称重制度和明确称重设备及其精度等。

2.5 重量检查方法

基于保证重量和重心控制质量的措施，开展重量检查。

1) 船体结构以分段为单位，对其进行称重、退重、汇总和检查。

2) 钢板进厂验收时，需全部进行厚度检测，具体测点位置见图2，从直线1、直线2和直线3中选择2条线上的6个点进行测量。

3) 按类型抽取1捆绝缘隔热材料称重，取得每种规格绝缘隔热材料的单位面积重量之后，计算舱室绝缘隔热材料的实际装船重量。施工完毕之后，对余料废料进行退重，记录实际安装重量。

4) 阻尼需按图纸要求施工，分别统计施工前与施工后的重量，计算出上船实际重量。

5) 舾装件均以托盘表为单位称重，抽称比例不少于总量的5%，重量超过0.5t的大型舾装件（如雷达桅）需单独称重检查。

6) 甲板敷料在甲板平整度合格之后方可施工，施工之前先对甲板敷料的用量进行预判断，若理论用量满足预估用量，则可施工，否则需提交给重量和重心控制小组分析并处理，甲板敷料采用总量控制方法施工。

7) 舱室封面板每种规格抽取1包称重检验，取得每种规格舱壁板的单位面积重量。在施工完毕之后，按安装位置对余料和废料进行退重，计算舱室封面板的重量。

8) 油漆重量根据干膜测厚结果和实际使用面积统计。

9) 钢质门和舱口盖每种规格各抽取1个进行称重检查。

图2 钢板厚度测点位置示意

2.6 建立重量和重心数据库

重量和重心控制过程其实就是重量和重心数据不断积累、更新、完善而趋于真实的过程，建立设计和建造全过程中的重量和重心数据统计跟踪表，不仅能发现重量和重心控制过程中存在的问题，而且能在可预见的前提下考虑应急预案；同时，当空船重量和重心数据在不同阶段系统收集之后，可对这些数据进行回归分析，得到一份可用的数据，为后续整船的重量和重心控制提供重要的数据支撑。

跟踪表包含的信息主要有：初步设计数据；详细设计数据（主要设备订货结束之后）；生产设计数据（三维基本完成）；设计更改数据；下水状态预估（出坞时）；系泊试验模拟（重吊试验时）；倾斜试验结果。

3 重量和重心控制注意事项

3.1 公差分配

船舶公差分配基础为尺寸链原则，即将公差分配到各个环节，分配时，可根据船厂已有的经验，从各个方面出发，根据建造情况进行校验核算。本文所述目标船采用的公差分配方法为以下3种：

1) 等精度法，对一部分组件设置相同的公差，待设计加工完成之后再进行公差分配；

2) 协调法，根据构件的尺寸和位置为重心以下的部分分配较大的公差，为剩余部分分配较小的公差；

3) 比例法，考虑建造的难易程度，难加工的构件的比例系数大于1.0，易加工的构件的比例系数等于1.0，这样能提高建造的精度。

本文所述目标船部分构件公差要求见表1～表3。

表1 钢板厚度公差

表3 系统（设备）重量公差

船舶分段建造完成之后，将测得的公差与设计的公差相对比，并建立数据库。若实测公差大于设计公差，要分析原因，并进行超差处理；若实测公差小于设计公差，可将剩余公差分配到剩余分段中，对接下来的分段公差进行动态调整。

3.2 超差处理

对于设计或建造阶段出现重量和重心超过允许偏差问题的项目，需由该问题的发现人将情况上报给重量和重心控制小组，召开会议讨论超差处理方案。此时遵循以下原则：

1) 复查该项目是否确实超出控制要求；

2) 检查该项目是否严格遵循重量和重心控制要求；

3) 若复查结果确实超出控制要求且该项目严格遵守重量和重心控制要求，则船厂组织沟通讨论，制订解决方案。

在重量和重心控制中前期，控制小组发现重心无法满足控制要求，及时确定采用固定压载调整重心的措施，并在最短时间内综合船舶的建造状态，制订固定压载进舱及固定的方案，完成固定压载敷设及固定，并记录固定压载详细的重量数据。

3.3 动态执行

重量和重心控制涉及船厂的多个部门，是一个动态的控制过程。以计划和目标为基础，通过检查调整计划，不断循环，使结果得到改善，使管理水平得到提升，严格控制每个环节，在设计修改与重量和重心控制之间达到一种均衡[4]。

4 重量和重心控制结果

4.1 下水起浮预估和预倾斜试验

船舶出坞时，将计算得到的下水起浮浮态的重量和重心数据与实际观测到的六面吃水和浮态相对比，初步验证船舶重量和重心控制情况。

在开展码头系泊试验时，船舶建造已趋于完工，改变重吊吊臂位置和起吊重物会使船舶发生横倾，因此可同步进行预倾斜试验。试验时，基于《重量重心跟踪表》，通过读取六面吃水和重吊的状态信息，可得到预估的空船重量和重心，进一步验证该船舶重量和重心控制情况。

4.2 倾斜试验

在船舶建造接近设计规定的空船状态时，开展倾斜试验，对控制结果进行最终的验证。验证结果表明，实船的排水量比设计目标下降了约400t，直接增加了燃油载重量，提高了续航力，重心高度等性能指标良好，均满足设计要求。

4.3 结论

“雪龙2”号的重量和重心控制技术涵盖设计单位的前期设计、船厂的生产设计和现场建造等3个阶段，包含控制目标、控制要求、控制小组、控制细则、称重管理、数据管理、超差管理和倾斜试验验证等多个部分，各部分由专人负责，设计单位和船东共同参与把关，从设计源头介入，编制完整的执行文件，制定健全的工作制度，规范可靠的数据收集和处理方法，并定期召开控制小组推进会和三方汇报会，使“雪龙2”号的重量和重心控制工作有序、可靠、可控地多维度开展，最终取得了预期的控制效果。通过开展“雪龙2”号重量和重心控制实践，船厂总结出来了一套完整、有效的重量和重心控制技术。

5 结 语

重量和重心控制是船舶建造过程中的一项很有难度的重要工作，涉及面广，周期长，内容复杂。对于破冰船而言，科考作业和极地破冰等都与船舶的重量和重心息息相关。因此，重量和重心控制是全员参与、目标明确、责任到人、全过程控制和闭环管理的关键项目，需从技术和管理2个方面落实到可操作层面[5]。项目团队要在各方面严格把控，确保设计、建造同步匹配，确保最终结果满足设计目标要求。本文的研究结果可为船舶的轻量化研究提供参考。