基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制研究

中大型船舶建造能力已經(jīng)成為衡量一個國家造船業(yè)發(fā)展水平的重要依據(jù)，而傳統(tǒng)建造工藝周期長、成本高等問題的存在影響了中大型船舶建造效率，導(dǎo)致我國船舶制造企業(yè)的全球競爭力明顯偏低[1]。在此情況下，我國船舶制造企業(yè)引入分段工藝，在縮短船舶建造工期的同時，也實現(xiàn)了對船舶建造成本的精準控制，但分段工藝技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜，為保證分段建造質(zhì)量，則需要工程技術(shù)人員在數(shù)量掌握分段工藝的同時，還需要具備較高的業(yè)務(wù)能力。

一、分段工藝概述

船舶建造的分段工藝最早可追溯至18世紀的歐洲，船舶建造工程師將船舶劃分為多個分段進行獨立建造，在完成分段建造任務(wù)后，通過轉(zhuǎn)運設(shè)備對分段進行組裝，并通過系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，保證船舶建造的整體性。分段工藝是模塊化工藝的前身，相比較傳統(tǒng)建造工藝，分段工藝的效率更高、成本更低，在對分段工藝進行優(yōu)化后的船舶建造質(zhì)量也得到了提升。目前，分段工藝已經(jīng)成為中大型船舶建造的主流工藝，尤其是在船舶批量建造項目中，分段工藝的優(yōu)勢將得到充分體現(xiàn)。

二、分段工藝對中大型船舶建造的必要性

中大型船舶建造項目參與人員數(shù)量較多，各節(jié)點項目之間存在大量交叉，傳統(tǒng)建造工藝不僅效率低、安全性差，且管理上的疏忽極易導(dǎo)致各種質(zhì)量問題[2]?；诜侄喂に嚨膬?yōu)勢，其在中大型船舶建造中應(yīng)用的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）合理控制進度

中大型船舶分段工藝將船體分成多個工段，而不同工段的建造方案可以獨立出具，在進度控制上也就能夠“并行”，從而大大壓縮船舶建造所需時間周期。由于分段工藝減少了非必要的交叉作業(yè)等問題，在進度控制方面更加精準、高效，從而避免了工期延誤等問題的發(fā)生。

（二）有效降低風(fēng)險

中大型船舶建造工藝復(fù)雜，大量人員集中作業(yè)存在潛在安全風(fēng)險，分段工藝可以將人員拆分至不同工段，以降低人員密度，并便于現(xiàn)場管理，且分段工藝能夠降低項目管理的復(fù)雜度，尤其是涉及到交叉作業(yè)過程中的安全風(fēng)險。質(zhì)量方面，分段工藝將船舶建造項目劃分為多個子項目，而子項目的質(zhì)量控制難度要明顯低于整個項目的質(zhì)量控制，因此，分段工藝也能夠有效降低中大型船舶建造的質(zhì)量風(fēng)險。

（三）優(yōu)化資源配置

船舶建造過程中需要協(xié)調(diào)人力、材料、設(shè)備、空間等多種資源，中大型船舶建造所涉及的資源在數(shù)量和種類方面則更加復(fù)雜，傳統(tǒng)建造工藝將給項目管理部門帶來巨大的壓力。分段工藝在中大型船舶建造中的應(yīng)用實現(xiàn)了相關(guān)資源的合理配置，減輕了項目管理部門工作壓力，這在提高現(xiàn)場管理質(zhì)量和船舶建造進度等方面有著積極作用。

三、基于分段工藝流程

船舶分段建造工藝流程包括鋼材預(yù)處理、下料、加工、理料、小合攏、分段合攏六個節(jié)點，針對不同節(jié)點的建造內(nèi)容，以及各分段節(jié)點的工藝標準，可實現(xiàn)對中大型船舶建造質(zhì)量的整體控制。

（一）鋼材預(yù)處理

鋼材是船舶建造的主要材料，是中大型船舶剛體強度的重要保證，基于鋼材型號與設(shè)計功能指標要求，所焊接鋼材應(yīng)進行預(yù)處理。鋼材預(yù)處理能夠改變金屬材料的理化特性，例如，為提中大型船舶外殼的抗腐蝕性，則需要通過熱鍍鋅工藝為其外表面增加鋅鍍層，如此，則可以利用電化學(xué)反應(yīng)保護內(nèi)部鋼材不被腐蝕，該預(yù)處理需要嚴格遵守《金屬覆蓋層和鍍層的電鍍和熱浸鍍規(guī)范（GB/T 13912-2022）》的要求。除此之外，中大型船舶鋼材預(yù)處理還包括熱處理、拋丸預(yù)處理、鋼板校正、表面清理等，且相關(guān)預(yù)處理應(yīng)當嚴格按照標準執(zhí)行，否則，將直接影響船舶建造質(zhì)量。

（二）下料

中大型船舶分段工藝的關(guān)鍵在于分段建造的精準性，因此，在下料階段需要參考設(shè)計方案對分段工藝中的下料精準性進行評估，明確下料管理流程，在下料前對鋼材材質(zhì)、規(guī)格進行檢查，保證下料與套料分段相對應(yīng)；在完成下料后，需要對相關(guān)部位進行標注，標注內(nèi)容應(yīng)按照分段設(shè)計方案保持一致；質(zhì)檢部門需要對已經(jīng)標注的下料部位進行質(zhì)量檢查，并完成套料分段質(zhì)量等級。

下料主要包括板材下料、型材下料、板條下料和半自動下料四種方式，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)下料質(zhì)量、精度等要求選擇最佳的下料方式。對質(zhì)檢部門提出的質(zhì)量問題，車間技術(shù)人員需要對下料過程進行優(yōu)化，為中大型船舶提供高質(zhì)量的材料。

（三）加工

經(jīng)下料處理后的材料并不能直接用于船體焊接，還需要經(jīng)過冷加工和火加工工藝處理。冷加工工藝是依據(jù)圖紙對板材、型材進行處理，保證相關(guān)參數(shù)與圖紙要求之間的誤差將至要求范圍內(nèi)，而火工則是對冷加工后的材料進行平滑處理，為保證火工工藝質(zhì)量，火工溫度應(yīng)保證在600~900℃之間，并根據(jù)鋼材內(nèi)部應(yīng)力需求選擇水冷和自然冷卻兩種冷卻方式。通過已上加工處理，中大型船舶分段質(zhì)量將得到有效控制，為船舶建造質(zhì)量打下了堅實基礎(chǔ)。

（四）理料

在完成下料加工后，所有的材料都已經(jīng)具備小合攏的條件，為保證小合攏順利執(zhí)行，則需要對小合攏所需材料進行梳理，即理料工藝。理料的關(guān)鍵不僅包括相關(guān)材料的齊備性，還應(yīng)當根據(jù)小合攏的流程設(shè)計調(diào)整材料存放位置、順序，并做好材料轉(zhuǎn)運所需設(shè)備等資源的調(diào)配。理料能夠保證分段建造過程中材料的精準供給，降低材料標注位置不符等問題發(fā)生的概率。

（五）小合攏

所謂合攏，是指單個分段的材料拼接、組裝，首先，虛擬仿真合攏效果檢查，技術(shù)人員需要將理料結(jié)果進行小合攏流程仿真，確保仿真驗證結(jié)果的準確性；其次，小合攏過程中涉及大量焊接工作，在焊接過程中需要對焊點、焊縫質(zhì)量進行檢查，堅決杜絕焊接質(zhì)量問題；最后，小合攏的精度控制將直接影響分段合攏質(zhì)量，因此，分段管理人員需要動態(tài)檢測小合攏過程中各部位的精讀，對誤差超出范圍的部位應(yīng)及時進行調(diào)修。

（六）分段合攏

基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制的關(guān)鍵在在于分段合攏環(huán)節(jié)，工程技術(shù)人員需要在保證各分段之間精度的同時，對分段合攏后的船體焊接質(zhì)量進行分析，主要包括是否存在焊渣、氣孔、咬邊等現(xiàn)象，以及焊縫左右兩側(cè)分段的應(yīng)力變化等。這里需要注意的是，在進行分段合攏之前，需要完成中大型船舶分段的應(yīng)力釋放，以避免分段合攏后船體發(fā)生明顯形變。

四、中大型船舶分段工藝優(yōu)化與質(zhì)量控制

分段工藝的優(yōu)化是在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，融合新的技術(shù)與方法，提高中大型船舶建造質(zhì)量控制的科學(xué)性?；谥写笮痛敖ㄔ熨|(zhì)量要求，以及參考現(xiàn)階段分段工藝的相關(guān)流程與內(nèi)容，為進一步提高中大型船舶建造質(zhì)量，可以從以下幾個方面優(yōu)化船舶分段工藝。

（一）數(shù)字化分段設(shè)計與質(zhì)量控制

中大型船舶建造質(zhì)量的控制難度較大，以經(jīng)驗為參考的質(zhì)量控制方法無法適用于分段工藝，這是由于分段工藝需要在考慮分段質(zhì)量的同時，還要保證中大型船舶整體建造質(zhì)量。因此，分段工藝的質(zhì)量控制將直接貫穿預(yù)處理、下料、加工、理料、小合攏、分段合攏六個環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制將直接關(guān)系到中大型船舶合攏后的質(zhì)量[3]。因此，為實現(xiàn)基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量的精準控制，可利用大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)進行數(shù)字化分段設(shè)計，技術(shù)人員通過采集分段工藝流程中各節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)大數(shù)據(jù)模型進行虛擬組裝，從而快速定位存在質(zhì)量風(fēng)險的點位。

數(shù)字化分段設(shè)計能夠利用大數(shù)據(jù)模型對動態(tài)獲取的分段質(zhì)量數(shù)據(jù)進行匯總、計算，隨著分段建造數(shù)據(jù)的不斷增加，該大數(shù)據(jù)模型對基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量的計算結(jié)果將更加準確。同時，利用大數(shù)據(jù)模型可以對分段工藝優(yōu)化策略進行仿真，如此，則可以縮短分段工藝優(yōu)化周期，降低分段工藝優(yōu)化成本。

（二）大空間精準定位技術(shù)與質(zhì)量控制

基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制需要在提高分段建造質(zhì)量的同時，還需要保證船體合攏后的重量。因此，在小合攏環(huán)節(jié)，相關(guān)工藝優(yōu)化可以借助大空間定位技術(shù)實現(xiàn)，即利用三維空間掃描設(shè)備測量小合攏的空間精度，同時，還可以將超聲波探傷儀在各焊接點位的三維成像進行匹配，所以，大空間精準定位技術(shù)能夠輔助完成中大型船舶分段建造質(zhì)量評估，快速定位存在質(zhì)量問題的點位，避免造成更大規(guī)模的損失[4]。

以中大型客滾船建造為例，分段工藝能夠?qū)⒃薪ㄔ熘芷诳s短45%左右，但是，若未能及時發(fā)現(xiàn)分段建造質(zhì)量問題，則建造任務(wù)將無法按照原有時間節(jié)點完成，尤其是內(nèi)部空間分布較為復(fù)雜的客滾船來說，分段艙室空間的相對位置定位就顯得尤為重要。工程技術(shù)人員利用激光定位技術(shù)將空間測量精度控制在2mm以內(nèi)，技術(shù)人員在小合攏環(huán)節(jié)可以借此控制建造精度。

大空間精準定位技術(shù)的使用對環(huán)境有著較高的要求，在無遮擋的情況保證測量平臺的穩(wěn)定性。因此，在分段工藝優(yōu)化方面，應(yīng)根據(jù)大空間精準定位技術(shù)的需要提供與之相適應(yīng)的環(huán)境，當測量平臺發(fā)生變化后，技術(shù)人員應(yīng)及時對定位設(shè)備進行修平。

（三）分段應(yīng)力緩釋工藝與質(zhì)量控制

中大型船舶所承受的應(yīng)力較為復(fù)雜，基于分段工藝的中大型船舶建造質(zhì)量控制多忽略了應(yīng)力釋放帶來的影響，并最終體現(xiàn)為船體結(jié)構(gòu)分段疲勞強度分布差異。基于這一情況，工程技術(shù)人員在分段工藝優(yōu)化方面需要采取科學(xué)的應(yīng)力緩釋方案，從而保證各分段應(yīng)力的一致性[5]。傳統(tǒng)應(yīng)力釋放多通過打孔實現(xiàn)，雖然，從成本、效率等方面看，打孔可以實現(xiàn)快速應(yīng)力釋放，但需要對打孔位置進行評估，避免破壞船舶結(jié)構(gòu)強度。

分段應(yīng)力緩釋工藝主要包括焊接應(yīng)力緩釋與合攏應(yīng)力緩釋兩個方面，針對以上兩種應(yīng)力產(chǎn)生的不同原因，相關(guān)應(yīng)力緩釋工藝如下：

（1）焊接應(yīng)力緩釋。焊接過程中由于熱量、焊材熔融等因素會造成一定程度的應(yīng)力變化，因此，在焊接過程中需要根據(jù)焊縫寬度、深度等調(diào)整焊接電流大小和焊材移動速度，并采取合理的降溫措施，避免高溫導(dǎo)致鋼材結(jié)構(gòu)強度降低。基于分段工藝的中大型船舶建造過程中焊點、焊縫較多，且部分焊縫較長，通過釋放焊接應(yīng)力，則船體分段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力將得到有效控制，這為小合攏工作的開展創(chuàng)造了良好條件。

（2）合攏應(yīng)力釋放。中大型船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的控制將直接關(guān)系到其航行安全，在優(yōu)化焊接應(yīng)力緩釋工藝的情況下，還需要關(guān)注合攏過程中機械應(yīng)力的釋放。為保證中大型船舶分段應(yīng)力的一致性，需要對保證分段工藝下船臺設(shè)計與分段合攏后的位置保持一致，盡管，該優(yōu)化工藝將增加建造成本，但是，這能夠提前進行中大型船舶分段部分的應(yīng)力釋放，并保持分段應(yīng)力在合攏后的穩(wěn)定性。

分段應(yīng)力緩釋工藝解決了中大型船舶分段合攏過程中應(yīng)力重構(gòu)的問題，然而，分段應(yīng)力緩釋工藝對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的效果并不明顯，其中主要原因在于合攏后的形變較大[6]。針對這一問題，可通過有限元分析軟件對此類分段的應(yīng)力分布進行分析，合理調(diào)整船臺布局，自然釋放橫向、縱向應(yīng)力。

五、結(jié)語

分段工藝已經(jīng)成為中大型船舶建造的主流工藝，然而，基于中大型船舶噸位、結(jié)構(gòu)的差異，在落實分段工藝方面應(yīng)根據(jù)實際情況進行重點優(yōu)化。隨著分段工藝水平的不斷提升，中大型船舶建造質(zhì)量也將得到顯著改善，建造成本也隨之降低，這將為船舶制造企業(yè)參與中大型船舶業(yè)務(wù)領(lǐng)域的競爭提供強有力的支撐。

本文來源：《產(chǎn)品可靠性報告》http://12-baidu.cn/w/kj/32519.html