基于分段工藝的中大型船舶建造質量控制研究

中大型船舶建造能力已經成為衡量一個國家造船業(yè)發(fā)展水平的重要依據，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，也實現了對船舶建造成本的精準控制，但分段工藝技術難度高、工藝復雜，為保證分段建造質量，則需要工程技術人員在數量掌握分段工藝的同時，還需要具備較高的業(yè)務能力。

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后，通過轉運設備對分段進行組裝，并通過系統(tǒng)聯合調試，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)化后的船舶建造質量也得到了提升。目前，分段工藝已經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。

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致各種質量問題[2]?；诜侄喂に嚨膬?yōu)勢，其在中大型船舶建造中應用的必要性主要體現在以下三個方面。

（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）有效降低風險

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

（三）優(yōu)化資源配置

船舶建造過程中需要協(xié)調人力、材料、設備、空間等多種資源，中大型船舶建造所涉及的資源在數量和種類方面則更加復雜，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用實現了相關資源的合理配置，減輕了項目管理部門工作壓力，這在提高現場管理質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)點的建造內容，以及各分段節(jié)點的工藝標準，可實現對中大型船舶建造質量的整體控制。

（一）鋼材預處理

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，基于鋼材型號與設計功能指標要求，所焊接鋼材應進行預處理。鋼材預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，則可以利用電化學反應保護內部鋼材不被腐蝕，該預處理需要嚴格遵守《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，中大型船舶鋼材預處理還包括熱處理、拋丸預處理、鋼板校正、表面清理等，且相關預處理應當嚴格按照標準執(zhí)行，否則，將直接影響船舶建造質量。

（二）下料

中大型船舶分段工藝的關鍵在于分段建造的精準性，因此，在下料階段需要參考設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、規(guī)格進行檢查，保證下料與套料分段相對應；在完成下料后，需要對相關部位進行標注，標注內容應按照分段設計方案保持一致；質檢部門需要對已經標注的下料部位進行質量檢查，并完成套料分段質量等級。

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，技術人員應根據下料質量、精度等要求選擇最佳的下料方式。對質檢部門提出的質量問題，車間技術人員需要對下料過程進行優(yōu)化，為中大型船舶提供高質量的材料。

（三）加工

經下料處理后的材料并不能直接用于船體焊接，還需要經過冷加工和火加工工藝處理。冷加工工藝是依據圖紙對板材、型材進行處理，保證相關參數與圖紙要求之間的誤差將至要求范圍內，而火工則是對冷加工后的材料進行平滑處理，為保證火工工藝質量，火工溫度應保證在600~900℃之間，并根據鋼材內部應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，中大型船舶分段質量將得到有效控制，為船舶建造質量打下了堅實基礎。

（四）理料

在完成下料加工后，所有的材料都已經具備小合攏的條件，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。理料的關鍵不僅包括相關材料的齊備性，還應當根據小合攏的流程設計調整材料存放位置、順序，并做好材料轉運所需設備等資源的調配。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，技術人員需要將理料結果進行小合攏流程仿真，確保仿真驗證結果的準確性；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、焊縫質量進行檢查，堅決杜絕焊接質量問題；最后，小合攏的精度控制將直接影響分段合攏質量，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及時進行調修。

（六）分段合攏

基于分段工藝的中大型船舶建造質量控制的關鍵在在于分段合攏環(huán)節(jié)，工程技術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量進行分析，主要包括是否存在焊渣、氣孔、咬邊等現象，以及焊縫左右兩側分段的應力變化等。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)化與質量控制

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

（一）數字化分段設計與質量控制

中大型船舶建造質量的控制難度較大，以經驗為參考的質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量的同時，還要保證中大型船舶整體建造質量。因此，分段工藝的質量控制將直接貫穿預處理、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)的質量控制將直接關系到中大型船舶合攏后的質量[3]。因此，為實現基于分段工藝的中大型船舶建造質量的精準控制，可利用大數據、人工智能、虛擬仿真等技術進行數字化分段設計，技術人員通過采集分段工藝流程中各節(jié)點的數據，經大數據模型進行虛擬組裝，從而快速定位存在質量風險的點位。

數字化分段設計能夠利用大數據模型對動態(tài)獲取的分段質量數據進行匯總、計算，隨著分段建造數據的不斷增加，該大數據模型對基于分段工藝的中大型船舶建造質量的計算結果將更加準確。同時，利用大數據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與質量控制

基于分段工藝的中大型船舶建造質量控制需要在提高分段建造質量的同時，還需要保證船體合攏后的重量。因此，在小合攏環(huán)節(jié)，相關工藝優(yōu)化可以借助大空間定位技術實現，即利用三維空間掃描設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能夠輔助完成中大型船舶分段建造質量評估，快速定位存在質量問題的點位，避免造成更大規(guī)模的損失[4]。

以中大型客滾船建造為例，分段工藝能夠將原有建造周期縮短45%左右，但是，若未能及時發(fā)現分段建造質量問題，則建造任務將無法按照原有時間節(jié)點完成，尤其是內部空間分布較為復雜的客滾船來說，分段艙室空間的相對位置定位就顯得尤為重要。工程技術人員利用激光定位技術將空間測量精度控制在2mm以內，技術人員在小合攏環(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，應根據大空間精準定位技術的需要提供與之相適應的環(huán)境，當測量平臺發(fā)生變化后，技術人員應及時對定位設備進行修平。

（三）分段應力緩釋工藝與質量控制

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

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

（1）焊接應力緩釋。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力變化，因此，在焊接過程中需要根據焊縫寬度、深度等調整焊接電流大小和焊材移動速度，并采取合理的降溫措施，避免高溫導致鋼材結構強度降低?；诜侄喂に嚨闹写笮痛敖ㄔ爝^程中焊點、焊縫較多，且部分焊縫較長，通過釋放焊接應力，則船體分段的結構應力將得到有效控制，這為小合攏工作的開展創(chuàng)造了良好條件。

（2）合攏應力釋放。中大型船舶結構應力的控制將直接關系到其航行安全，在優(yōu)化焊接應力緩釋工藝的情況下，還需要關注合攏過程中機械應力的釋放。為保證中大型船舶分段應力的一致性，需要對保證分段工藝下船臺設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力釋放，并保持分段應力在合攏后的穩(wěn)定性。

分段應力緩釋工藝解決了中大型船舶分段合攏過程中應力重構的問題，然而，分段應力緩釋工藝對于大跨度鋼結構的效果并不明顯，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力分布進行分析，合理調整船臺布局，自然釋放橫向、縱向應力。

五、結語

分段工藝已經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、結構的差異，在落實分段工藝方面應根據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)務領域的競爭提供強有力的支撐。

本文來源：《產品可靠性報告》http://00559.cn/w/kj/32519.html