淺析船舶建造精度控制

滕本旺

(鹽城長河船舶設計公司，江蘇鹽城 224002)

淺析船舶建造精度控制

滕本旺

(鹽城長河船舶設計公司，江蘇鹽城 224002)

船舶精度控制是船舶建造中十分重要的技術，關系著船舶的質量。精度控制不僅能縮短造船周期，降低造船成本，并且能提高船舶質量，在船舶建造中起到了重要的地位。介紹了船舶建造的特點和船舶建造精度控制的發展過程以及船體分段精度控制的發展趨勢和可行性分析，詳細分析了船體建造的具體精度控制方法。

船舶建造;精度控制;精度管理

1 船舶建造與船舶精度管理

1.1 船舶建造的特點

眾所周知，船體的建造是按照設計的船體圖紙，經過鋼材預處理、切割加工、彎曲加工、裝配和焊接等一系列的工序生產過程。鋼材預處理后被加工成零件，然后組裝成部件、分段，再在平臺總組成總段，最后在船塢搭載合攏成主船體。船舶建造具有以下施工特點:①船體建造的周期長、工序多，累計誤差比較大;②船體結構大，其形狀尺寸允許的誤差，相對機加工較大，但相對本身尺寸的誤差很小;③船體建造過程中的變形情況復雜，要掌握在切割、冷熱加工、焊接、矯正、吊運和沖砂過程中的彈塑性與熱塑性變形規律比較困難;④建造過程中大多是手工制作，手工誤差難以控制。

1.2 船體建造精度管理

船體建造精度管理是當代造船的重大新技術之一，也是船廠現代化科學管理的重要內容。它是以船體建造精度標準為基本準則，通過科學管理方法與先進的工藝技術手段，對船體建造進行全過程的尺寸精度分析與控制的一門技術。船體建造精度管理主要研究在船體建造過程中如何加放尺寸精度補償量取代余量，通過合理的建造公差，有效的工藝技術與管理技術，對船體零部件結構進行尺寸精度控制，以提高建造質量。精度管理分事先精度管理和事后精度管理，其構成如圖1所示。

2 船舶建造中精度的控制

2.1 船舶建造精度控制的涵義

造船精度控制是現代造船的一項關鍵的技術，精度控制技術即是在各個生產環節中采取先進的工藝技術、精準的檢測手段，以船舶建造精度標準為基本準則，以數量統計為理論基礎，以補償量取代余量為核心，并且采取一系列的技術管理措施，對船舶的建造進行全過程的尺寸精度分析和控制。船體制造精度控制技術的源頭是生產設計。從生產設計開始，對船體零部件的尺寸精度進行控制，從而最大限度的減少分段制造、分段總組及塢內搭載裝配工作量，實施外場無修割、少修割，一次定位，快速裝配、快速搭載，縮短船舶建造的周期，從而取得降低船舶建造成本的綜合性效果。

圖1 精度管理構成圖

2.2 船舶建造精度控制的發展過程

本文主要介紹國外的船舶建造精度控制的發展過程。國外造船精度控制經歷了一個不斷發展、完善與提高的過程。其工藝技術，歸結為以下3個發展階段。

(1)分段上船臺(船塢)前進行預修整，以適應船臺或船塢裝配的尺寸精度要求。上世紀五十年代末，前蘇聯船廠應用經緯儀檢測技術對萬噸級油船船體分段采取預修整措施，使其按凈尺寸上船臺裝配，實現了船臺裝配的精度控制，從而有效地減少了船臺裝配的現場修整作業。

(2)對平直分段進行建造全過程的尺寸精度控制，與曲面分段預修整尺寸精度控制相結合。上世紀七十年代，國外一些造船發達國家的造船業，開展了廣泛的尺寸鏈與公差研究、零部件加工中熱彈塑性變形研究等，通過大量的數據積累與分析，用經驗數值或公式來確定加工變形的補償量問題，并對船體平行舯體的平直分段按精度計劃從分段制造到船臺裝配進行有效的精度控制。

(3)對全船所有分段進行建造全過程的尺寸精度控制。造船精度控制技術發展到上世紀八九十年代，日本、韓國等國的船廠，通過多年的現場實測數據的積累與統計分析及理論計算，掌握了船體建造過程所有加工過程的變形規律，因而能給出大部分零部件、分段一個可靠的補償量及船臺裝配的調整量，并開發了計算機輔助補償量確定系統。

這3個發展階段反映了國外造船精度控制技術所采用的3種工藝方法。目前，國外先進船廠大都已達到了第二階段水平，有些船廠已達到第三階段水平，有些國外船廠基本實現精度控制的自動化，這是造船精度管理的新的發展方向。

國內從上世紀六十年代中期開始引入船體建造精度控制概念，通過廠校聯合共同努力，目前精度控制技術在國內船業得到了廣泛研究和應用。許多船廠都己做到對平行舯體分段加放補償量，曲面分段預修整上船臺，并建立了精度管理工作組。

2.3 船舶精度控制在船舶建造中的意義

船舶精度控制在船舶建造中的意義主要為:

第一，能確保船體的主尺寸和線形誤差在允許范圍內，保證船舶的載重量及航速，從而保護船東的利益;第二，能夠控制船體結構錯位在允許范圍之內，保證船舶的強度和安全;第三，最大限度減少裝焊作業的現場修整工作量，提高勞動效率，降低人力成本;第四，提高船體分段下船塢的定位效率，縮短造船的周期;第五，提高鋼材的利用率，降低材料成本;第六，能夠減少結構修割，高空作業平地做，改善工作的環境，保證生產工人的安全和健康;第七，能夠減少修割和返修，降低能源消耗，能夠節約能源，減少環境污染;第八，能夠控制接縫間隙在合理范圍之內，有利于保證船舶焊接質量，從而保證船舶航行的安全。

3 船體分段精度控制

3.1 船體分段精度控制的發展趨勢

通過對國內外資料的分析，可以認為當前精度控制技術有如下幾個發展趨勢。

(1)變形分析理論化。這主要體現在兩個方面:一方面是幾種新的簡化熱彈塑性變形理論的提出和在焊接變形、線加熱成形、激光成形等領域的驗證與應用，使船體建造過程中的熱變形有可能從理論分析和計算得到;另一方面是計算機技術和數值模擬技術的發展，使船體建造過程中熱變形的數值計算已成為可能，目前日本、韓國都已在此方面開展了大量研究。由于理論計算與數值計算的快速度與低成本，使船廠可以不必經過長時間的、大量的數據積累工作即可建立自己的補償量確定標準。

(2)精度控制系統集成化。由于精度控制涉及船廠的組織體系、生產流程、生產設計、質量保證等各方面，因而目前另一個趨勢是精度控制系統被集成到船廠CIMS系統中，是造船CIMS的子系統。因此，在精度控制的研究中，應當注意和整體系統及其子系統間的聯系，如數據格式、數據庫類型、數據采集傳輸、數據處理、數據共享，其子系統對精度控制系統的約束與需求等。

系統的研究、數據積累與分析的成果，可開發出相應的軟件，如補償量的計算機輔助確定軟件、數據采集分析軟件、精度監控軟件、船廠精度控制系統等。除了因實施精度控制而產生效益外，這些成果及軟件可以作為商品為船廠創造額外的效益。

3.2 船體分段精度控制的可行性分析

從生產現場來看，船體分段精度控制要求分段建造流程、設備和工藝有一定的穩定性，這樣才能穩定余量和補償量標準。目前已成功建造交付多條商品船，生產工藝、流程和設備已穩定，基本具備控制分段精度的生產條件。從軟件來看，應用先進的TRIBON船舶設計軟件，能夠進行余量、補償量加放，計算機上實現三維建模和干涉檢驗。這樣能夠在計算機模型中提前發現設計間隙偏大或構件相碰等情況，能夠提前修改。從裝焊技術的發展來看，目前船體分段裝配采用擴大中組和重型分段建造等方法，使分段裝配精度得以提高，分段建造變形減少。國內造船業大量采用焊接變形小的自動焊和半自動焊，減少分段焊接變形;大間隙焊接技術已經發展成熟(最大間隙可達25 mm且不超過板厚)，這樣可以彌補分段精度的控制偏差，保證分段能順利進行搭載焊接，分段精度控制比以前容易進行實施。

4 具體的精度控制

4.1 胎架

胎架是精度造船的基礎，各組立分段裝配的依據。胎架如果出現了幾毫米的誤差，實施到分段上就有可能是十或幾十毫米的偏差，尤其是艏艉分段的建造。在胎架的制作時，要考慮胎架自身的穩定性。胎架的設計除了模板制造的尺寸要求精確、總體尺寸要保證、線型要光順吻合之外，還應該有足夠的連接剛性和整體四角水平。對于目前廣泛應用的活絡胎架，每2個活絡胎之間縱、橫向要有加強連接，以此來滿足整個裝配過程中分段不出現偏差和變形。胎架的水平面應該盡量減少誤差，應該考慮分段的變行，在胎架制作中要采用加反變形措施。

4.2 設置對合線

對合線控制是精度控制的關鍵內容之一，目前國內外對此都比較重視。在各個裝配的分段，如零部件、分段、總段建造時，一般都留有工藝余量。裝配中要對零部件進行修正，切除工藝余量后再組裝。而修正這些偏差需要預修整，包括重新測量、劃線、切割、裝配、矯正，需耗費大量的工時和材料。例如拼板時，為了保證對角線尺寸的正確，在板的長、寬方向一般都要加放余量，放好構件線以后，再對板邊進行二次切割。生產設計時，引入公差標準來控制施工精度，在兩兩相拼接的板上距板邊一定的位置處設置對合線，作業者可按對合線調整方正度，達到無余量裝配。這樣既減少了修正量，又確保了裝配質量。同樣的道理，在分段生產設計中，通過設置中心線、縱剖線、肋骨檢驗線、水線等三維線型模式，裝配時依據點、線、面的型位尺寸裝配對合，就可判斷分段的正方度和扭曲度，以確保分段的裝配精度。如在建造18萬t散貨船時對合基準線設置為:全船中心線、9 m和18 m直剖線;分段正肋位-100 mm的肋骨檢驗線;4.8、13.6、18.4 m 水線。在裝配階段建立線型肋骨拼接矯直線;小組和中組拼板板縫對合線;肋板框架對合線;圓弧加工的切點線、裝配定位線;安裝參考線等。在分段完工后，用樣沖敲出這些標記線，還可便于塢內搭載。在生產設計文件里設置了對合基準線，同時繪制出各小組和中組分段的施工圖紙，對總體尺寸和水平、彎曲度提出要求，有利于提高部件、分段裝配精度控制手段，減少消耗，節省工時，降低建造成本。

4.3 加放補償量

在傳統的船體造船中，實施精度管理時，都采用加放余量的方法來確保整條船的尺寸精度。隨著精度管理在造船上的廣泛發展，加放余量已不適宜造船生產發展的需要。精度管理最重要以補償量取代余量，因此補償量的確定是船舶精度控制的核心內容之一。它可保證各工序的尺寸精度，提高鋼材利用率，縮短船塢周期，滿足船體建造的精度要求。

4.3.1 補償量加放技術的發展過程

造船中的精度控制的發展源于機械制造中的公差與配合。20世紀50年代，造船出現了2大技術突破:一是原蘇聯應用激光經緯儀對船體的分段采用預修整;二是日本開始接受質量管理的新思路，用統計質量管理和群眾性質量管理相結合，發展成造船質量管理體系。到了20世紀60年代，開始運用數理統計方法與尺寸鏈理論，探索公差及其合理的分配。到20世紀80年代，日本成功運用電子計算機技術開發補償系統，并且開發了計算機輔助補償量確定系統，建立了零部件子系統，充實到船型信息集成系統，從而方便了生產設計和制圖工作。

4.3.2 補償量加放原則

(1)補償量加放設置的基本原則:

①與板的長和寬有關。板越長或越寬，補償量加放越大;

②跟板的厚度有關。板越薄，補償量越大;

③與角焊縫的焊腳有關。焊腳越大，補償量越大;

④與結構的稀密程度有關。結構越密，補償量越大。

(2)具體的補償量加放原則:

①工件或產品的重復性(相似性)。重復的產品可以按照成熟的尺寸精度補償量進行加放，而具有相似性的產品可以按照相似產品進行加放;

②穩定的工藝。不同的建造方法對于分段的變形趨勢和大小都是不相同的;

③嚴格的質量控制。嚴格的質量控制可以實現船體建造全過程的尺寸精度控制，且盡可能的以補償量取代工藝余量;

④確定補償量時以焊接收縮變形因素為主。

4.3.3 補償量加放系統確立的作用

(1)減少了無效勞動。通過補償量取代余量，可以大大的減少不必要的作業時間，從而提高了生產效率。

(2)降低了作業難度。由于實施精度造船后，各部件、分段的精度提高了船體裝配成為簡單的要素作業，這就大大降低了公認的熟練化程度，加快了造船速度，縮短了造船周期。

(3)有利于高效焊接。由于船體的焊縫精度得到了高效的控制和提高，這就使得高效焊接設備的使用成為了可能，并使得AIP方案優選結果更加客觀、準確。

(4)提高了產品質量。造船精度提高后，各種間隙、錯位和余量大大減少，船體強度得到了強有力的保證。

5 結語

以計算機技術、網絡技術、通訊技術為代表的信息技術革命正在迅速改變著社會的生產方式。企業是信息化的主角，信息技術已成為決定企業競爭力強弱的關鍵因素。我國造船業的發展正在以信息化帶動工業化，實施跨越式的發展。船舶建造是以船體建造為基礎，因此精度控制在船舶建造中起到了非常關鍵的作用。精度管理是造船企業高效率、低成本造船的保證，是造船企業技術革新、工藝革新的基礎。近年來，國內各大造船廠為了抓緊縮短造船的周期，都在推廣2個一體化。但是具備2個一體化的前提條件是精度控制和精度管理技術的提高，從而保證產品質量，縮短造船的周期，降低生產成本，提高效率，以便企業獲得最大的利潤。因此生產設計精度控制技術是船舶建造重要的技術支持，以達到最大限度減少現場修整量，提高工作效率。

［1］ 郭榮奎，蔡三明，秦耀良.補償量加放技術的分析和應用［J］.江蘇船舶，2007，24(6):1-4.

［2］ 秦耀良，郭榮奎，唐建瓊.船舶建造精度控制技術研究［J］.江蘇船舶，2008，25(2):41-41.

U673.2

B

2011-06-10

滕本旺(1968-)，男，工程師，主要從事船舶設計工作。