船舶管系设计系统的发展和应用

张爱虎

（黄海造船有限公司，山东 威海 264309）

0 引言

近些年，经济发展迅速，科技进步快，国际船舶市场竞争愈发激烈。当前各国为发展海运，降低运输成本，提高船舶竞争力，在船舶造价上做努力，致力于减少船舶制造费用，缩短制造周期。在此过程中，船舶管系设计成为研究重点，通过降低设计周期和制造成本获取竞争优势，对此，大部分船厂采取集成安装方式，即利用单元舾装、分段预装方式减轻设计人员负担，提高设计水平，并为自动化加工提供详细的套装安排，这些工作与计算机应用有直接关系，船舶管系设计系统可以降低船舶制造成本，缩短制造周期，需要进一步创新优化。

1 船舶管系设计系统现状

造船工业中，计算机的应用比较普遍，其最开始应用在船体设计和建造系统领域中，当该系统应用取得进展后，在管系设计系统中得到普遍应用。国外从20世纪60年代开始研究单个计算程序后，形成了计算机系统，之后在20世纪70年代开始在管系程序中应用。例如HICAS系统，该系统从20个世纪60年代后期开始探索性研究形成，在70年代早期形成了管子零件计算程序、自动定法兰功能、管路布置程序、图形显示器管系系统，经过多年研究逐步形成了管系系统研究体系，但是不够完善，仍然需要深入研究，尤其是随着计算机技术和图形显示技术等不断发展，管系设计系统也需要随之不断发展[1]。当前，管系设计工作主要划分3个阶段：第1阶段为原理设计，主要是指管系原理设计（原理图）；第2阶段为布置设计，主要是指管路布置（布置图）；第3阶段为出图，主要是指管系安装、零件图以及材料统计表格等内容。

2 船舶管系设计系统发展

2.1 CAD系统

研究发现，当前国外船舶管系设计系统主要针对图形显示器，在计算机硬件不断发展的基础上，CAD系统在船舶管系设计中应用广泛。例如，某公司的管系系统中应用CAD系统，该系统主机为微型计算机，工作站包括图形显示器、字符终端、图书转换仪等软硬件设备，其中图像显示器的屏幕点阵规格为1024×1024，该显示器具有存储、图像处理功能，其所配置的经典绘图机、墨水笔绘图机可以绘制中间、结果图纸和正式施工图纸，该系统后续可以实现优化完善。由于上述应用的方向，CAD技术管系系统也被称为管系设计系统。一般管系设计系统包括管系布置、原理设计和生产信息，每部分独立输出文件，形成数据库，完成各自操作。在显示器上会显示关系原理、布置设计，数据库中提前存入了管线初始值，屏幕上也临时勾画了一部分数据，该方法与传统管线走向大致一致，但是管线路径布置与船体结构会有矛盾，这一问题难以解决。

2.2 POPS系统

目前，我国缺乏性能好的OAD系统，对图形显示技术研究难以持续深入，为了完善现有管系设计系统，通过共同参与方式，也就是结合国内的管系系统优势进行研究。例如，POPS系统的目标为满足生产设计要求，尽量在IBM4341机上构成新型管系系统，其未来发展方向在于缩短管系布置运算时间，尽可能提高其排出效果差，减少无法排出的管子数量，进而确保管线布置质量。同时，建立完善的绘制安装、管子零件、统计等方面的数据库，将相关参数存储于其中，并不断完善零件图内容，进而适应预制新工艺要求，更好适应船舶出口国家的各种需求，自动绘制计算机可处理信息，减少人工作业[2]。另外，希望该系统能够提供完整的材料统计和其他生产管理相关表格，以满足各种管理需求。

2.3 TRIBON系统

该系统是KSC公司开发的集CAD软件和MIS软件为一体的集成系统，其中管系设计功能可以为船舶管系设计提供辅助。该系统功能主要为绘制关系综合布置图，设计人员根据三维船体结构图布置管路、设备，模拟实船进行管系生产设计。在设计过程中，该系统中的数据处理功能可以计算、统计、管理、输出材料、数据库等内容，并将数据存储在数据库中，设计人员可以随时对数据库中查询、增删信息，生成表册以及结果文件，若是表册格式和内容无法满足船厂生产要求，可以在此基础上编制相应的表册，也就是该系统可以提取数据库中的各种数据，并与其他系统交换接口工具，利用这些接口工具提取数据，将其传输到数据库中，利用辅助船舶设计软件生成管子托盘表等相关表册。

除此之外，该系统生产设计后应用在车间加工制作关系部件中的管子制作图，需要根据船厂实际需求开发相应的图形格式，其所提供的数据主要用于自动弯管机、自动法兰焊接机等，并由用户决定图形格式，所显示的参数根据用户需求调整，形成的三向视图、立体式图十分逼真，大大方便了管制加工制作和安装[3]。同时，数据参数可以为加工制作管制提供方便，减轻了人员劳动压力，提高了加工效率和准确性，缩短了造船周期。但是，该系统管系开发过程中若是出现管子卡、瓦量不够无法实现系统自动增量来弯曲管制的情况，只能够通过控制检点防止出现这问题，未来需要进一步展开研究。

3 船舶管系设计系统应用

3.1 三维管系放样

三维信息添加完成后对二维管系放样情况进行分析，并以固定船体为核心建立三维模型，之后开展三维管系放样。在此过程中，先要注意管系放样综合系列图纸和安装图纸，之后绘制管子零件图，最后编制管系明细表。但是，需要注意三维管系模型建造中的创建管路、修改管路、管支架三维设计等功能，同时注意建模操作实用功能。

三维管系放样是基于二维管系放样改进的，可以迅速生成图标，保证数据安全，高效实现预舾装，提高准确性，具体体现为：

1）迅速生成图标。管制零件图所构成的模块作为尺寸标准智能化功能，其有利于编辑文字、制作表格，例如Excel表格、图形等，彼此之间也能够通过该功能实现有效连接[4]。

2）保证数据安全。在数据管理中，三维管系放样软件的应用可以确保数据安全和一致，并将商用数据库作用充分发挥出来。同时，三维管系放样技术的数据库结构具有灵活性和开放性，其可以通过重新生成模型，避免三维文件丢失、损坏。另外，工作人员利用数据库整理系统数据，有效分类汇总数据，并将其与管理系统连接起来，操作更加方便。而掌握数据库中的标准库可以帮助工作人员简化应用单位图形、附件库及其舾装件库，保证设计质量[5]。

3）提高准确性。三维管系放样主要使用三维建模功能，也就是在计算机上基于船体结构立体空间将管子相对位置清晰地表现出来，这样既能够减少使用的管子、设备基座数量，也能够解决管子与船体、电缆托架、其他管子之间存在的摩擦，此时已被船东认可的建造图纸和方案可以直接呈现在计算机屏幕上，若是其中存在问题可以及时改正，有效降低返工返修率，提高施工质量和效率[6]。同时，通过应用三维管系放样技术也可以了解船舶中存在的问题，了解管系放样管理是否会影响管路布置、阀件操作等。

3.2 管系安装和制作

1）管系安装时，先要在分段间构建合拢管道，避免使用勉强连接技术，确保连接面规整。同时，根据船体制作安装标准构建开孔船舱套管，管路简捷，若是现场出现改动或维修现象需要开展3次以上检验。之后在安装管系时，需要根据设计要求安装设备，不可随意变更，定时安装船体不同阶段，定阶段检验。而在安装管系前需要准确标记安装孔、基准线等，并在试阶段安装检验合格后正式进行实体安装。最后在分段安装管子时检验管子材料是否合格，合格后才能够使用，并及时密封管子敞口，选择好安装点，若是管路较多则需要考虑管系层次、流程，遵循从内向外原则安装。

2）安装管系附件时，先要根据标准信号、图纸等要求核对管子附件，并按照管内介质流向确定好安装位置，考虑压力表、液位计等附件安装高度。之后在安装滤器时需要保证安装部位是否有管子经过，按照要求，滤器上方不可有管子经过。而在安装阀件时则需要确保阀件流动方向与管内介质相同，尤其是截止回阀、防浪阀等阀体安装需要保证进口一致，方便开启阀手[7]。吸入滤网、吸入口以及除污器的安装则需要与船底、柜底保持适当距离。

3）安装支架时，需要根据管制安装位置设计选择相应的支撑形式、材料等，而支架焊接则需要尽可能靠近横梁、肘板等部位以便强化构建。另外，需要注意加强焊接甲板缝隙、机电设备等。螺栓安装则需要确保法兰连接材料规格符合图纸设计要求，并保证法兰连接螺栓螺母露出一段距离，并选择专业设备拧接。安装垫片时，在法兰中只需要放置1只垫片，需要选择合适的垫片，避免遮挡内径管制或附件流通方向，按照图纸规定保证法兰通径选择相应的垫片厚度，避免随意改动[8]，要采用材质合适且工作性能好的管子法兰面。

3.3 具体应用

我国船舶管系设计系统受到政治、历史等因素影响，相对于国外而言起步较晚，有些船舶公司从20世纪90年代开始研究，大部分研究人员从头开始计算研究，例如将官洲造船厂、江南造船厂等公司所生产的零件计算程序进行了对比试验，在此过程中应用计算机技术，对统计功能、绘图处理、自动顶法兰功能等进行研究。近些年，广州造船厂和江南造船厂采用管系系统，其已经成为管系设计主要技术。实际操作时，船舶管系设计中，计算机设备提供了相应的管子零件图和安装图，利用电算化处理管子，其在船舶管子上占据大约75%。万吨级的船舶管系放样周期由于应用了管系系统缩短了2～3个月，管子成品返修率也降低了4%～6%，这就表明该系统的应用大大提高了管子安装加工水平[9]。不同统计表方便了管子外场安装、内场加工和搬运存放等工作，经济效果显著。当前，上海造船厂凭借着高速绘图机深入研究管子零件绘图软件，绘制的零件图每张耗时大约1.5 min。零件图提前在绘图纸上印制，既能够避免晒图复制，也能够方便工人读图，方便船舶生产和设计。另外，尽管新河船厂缺乏规范的管系程序，使用计算机和相关程序计算55 m打捞驳零件，应用计算机制作零件图，可以得到准确弯管参数，大大节省了描图校对时间，提高放样质量、精度[10]。同时，应用计算机可以缩短零件出图周期，节省大约半个月的弯管工时。在外场安装时，由于安装数据齐全，弯管加工准确，因此可以提高建造质量和效率，并在其他船厂的管系程序中广泛应用。

4 结语

船舶中的管系设计系统是重要组成部分，其应用和发展直接影响着建设质量、效率。随着船舶管系设计系统的发展，其应用范围也逐渐扩大，应用过程更加完善高效，我国造船行业对管系系统也更加重视，成为船舶生产制造的重要技术引导。同时，船舶设计人员在经济快速发展中不断优化，将管系系统与机舱布置、制造、电缆等系统连接起来，进而实现了设计优化和系统集成，大大降低了成本，缩短了制造周期，增加了经济效益，提高了企业竞争力，为我国船舶企业发展奠定了基础。