綠色船舶建造工藝技術分析及應用

朱晨帆，趙啟兵，汪毅琛，何 巍

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.蕪湖造船廠有限公司，安徽蕪湖 241081）

0 引言

船舶工業是一項高能耗、高金屬消耗和高污染的工業項目。當下人類生存環境惡化、資源短缺，已經嚴重影響了人類的生存和發展。為推動經濟可持續發展，采用高新技術和現代化管理等手段來提高生產效率，降低生產所消耗的資源、勞動力等成本。事實上，綠色生產理念已經影響并引領著制造行業的發展。除了國際船建行業通用的標準、制度和規則以外，綠色船舶設計還需要遵守注冊地和某些特定區域關于環境保護的建議和要求。綠色環保的意識和手段已經深入船舶建造、服務和維護中的方方面面，同時國際海事組織出臺針對船舶節能減排的新公約、新規范，促使業界必須慎重考慮如何更好地實現船舶綠色發展[1]。

實現綠色船舶的制約因素主要是船舶總體設計，即船舶型號立項之初，就應考慮在制造階段爭取將環境污染降到最低，典型措施主要包括：1）建造船舶過程中選擇清潔材料[2]，優化改進材料和設備的選擇；2）研究綠色船舶新的制造/焊接/涂裝工藝技術；3）維修船舶過程中分類回收、循環使用零部件。其次是后續分解拆卸，即船舶型號使用之后，綠色拆船。

本文對綠色船舶工藝技術在環保意識日益增強背景下的重要性進行分析，主要從船舶設備選擇優化要素、制造原則、綠色船舶建造工藝技術的實際應用、全船制造加工的關鍵技術及其發展趨勢等方面進行詳細的分析和總結。此外，通過分析船舶拆解過程中的風險點，對綠色拆船的要求和改進技術提出相關建議。

1 設備的選擇與優化設計

船舶裝置的選擇要以滿足總體設計的性能指標要求為第一要務，以綠色制造為原則，聚焦輪機專業方向的主機、發電機等大功率裝置，優先考慮效率高、排污少、能耗低的同類型設備進行平行替換。例如綜合電力推進系統可在船體內可靈活布置，擺脫了傳統機艙布局的設計，融入了新的推進理念，同時運行效率高、使用維護成本低，綜合電力推進系統正逐步成為船舶綠色設計、綠色制造的典型趨勢之一。

綠色制造重點圍繞節約材料、提高效率、降低成本等3個要素[3]來考慮開展船舶優化設計。通過模塊化、單元化設計實現中間產品的擴散式生產和并行式作業，可有效提升船廠的預舾裝率、總裝能力，有效改善船廠生產效率。優化生產設計和建造工藝有利于節約人力資源、減小環境污染。船舶系統、結構和建造工藝的優化改進也是在船舶制造過程中實現高效清潔環保的重要手段，是船舶制造中值得重點研究的課題。

2 綠色船舶制造選材原則

在船舶全壽命保障周期中，焊接作業、涂裝作業、拆解艙室等方面均涉及使用多種材料，因此材料的選擇直接關系到整船的綠色性能。在選擇船舶材料時，應重點關注以下4點：

1）優先選擇無毒、無害的環保材料。

2）優先選擇易回收、可再生的材料。

3）減少材料的品種規格，提高材料的利用率。

4）減少材料質量，提高船舶裝載能力。

3 綠色船舶制造/焊接/涂裝工藝技術

3.1 綠色船舶制造工藝技術

3.1.1 成形制造工藝技術

先進制造技術是由傳統的制造技術發展起來的，是制造技術的最新發展階段，其技術既保持了過去制造技術中的有效要素，又不斷吸收各種高新技術成果，滲透到產品生產過程中[4]。因此在成形制造工藝技術中引入3D打印增材制造的高新技術理念，將成形的零件可稍加處理甚至直接組裝形成大部件，可大幅減少資源浪費，這種技術稱為快速成型技術（Rapid Prototyping, RP），這是由計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）模型直接驅動可快速制造任意復雜形狀的三維物理實體技術總稱。

RP技術的基本過程如下：1）設計出所需零件的計算機三維模型；2）將模型按照一定的規律離散為一系列有序的單元，按照一定的厚度（習慣上稱為分層）在某方向進行離散，將原有的三維CAD模型按一定的厚度進行分層，使原有的三維CAD模型變成一系列的層片；3）輸入加工參數，根據各層片的輪廓信息自動生成數控機床（Computer Numerical Control, CNC）代碼；4）成形系統生成一系列層片并自動連接，從而得到一個立體的物理實體。與傳統的制造工藝技術相比，RP技術可制造任意復雜形狀，具有高度柔韌性和適應性的部件。目前已有的RP工藝技術主要有4種，具體見表1。

3.1.2 干式加工工藝技術及半干式加工工藝技術

干式加工工藝技術簡化工序，取消了干車削、干磨削等干式加工工藝技術對冷卻液的使用，從工藝源頭實現冷卻液的零使用及零傳輸、廢液的零過濾及零排放。半干法及傳統濕加工技術示意見圖2。半干式加工工藝技術是在0 ℃環境下將極微量潤滑油與壓縮空氣（空氣、氮氣等）混合，噴入加工區進行有效潤滑，冷卻效果更好。相較于傳統濕法，液量用量為20～100 L/min，而半干式加工工藝技術使用液量只需要0.03～0.40 L/h，技術更環保，更利于延長刀具使用壽命。

圖1 半干法及傳統濕加工技術示意圖

圖2 數字化工藝模擬技術步驟

3.1.3 數字化工藝模擬技術

綠色設計發展體系的關鍵是對產品從設計、制造、包裝、運輸、報廢整個生命周期中每一個環節對環境影響作出評價，并且要在整個生命周期中、集成環境下建立綠色產品的評價體系[5]。因此，利用系統工程的理念去建立數字化評價體系，融合物理計算、半實物仿真、專家評價、優化迭代等方式共同得出最佳工藝方案及預防措施，從而實現結果可控、時間可控、成本可控的效果。

目前，數字化工藝模擬技術已經在汽車生產線上成熟應用，可幫助企業在實際投入生產前在虛擬環境中進行模擬仿真和測試，還可在生產過程中對整個生產流程進行實時監測、同步優化，包括自動化線體動態干涉、機器人可達性問題、線體聯動與節拍平衡驗證、裝配動態干涉、人機交互舒適度分析、離線程序的應用與導入、現場設備的精度校正、電氣程序虛擬調試、虛實互聯等，最終實現高效的柔性生產線集成。如圖2所示，數字化工藝模擬技術的步驟如下：

1）工廠掃描，通過應用激光掃描儀，快速對廠房及土建環境掃描成點云，導入仿真系統，保證虛擬仿真基礎環境與現場環境保持一致。

2）工藝設計，通過控制器安全模擬真實的機器人動作，自動建立機器人干涉區，整線聯動仿真驗證，自動生成計算機離線編程。

3）虛擬調試，通過離線程序對現場機器人進行指示，將機器人仿真系統連接至編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），實現與現場機器人等機械設備與電氣設備的整線聯調運行。

4）通過人機仿真檢查作業可行性，進行人體工程學分析和動作時間測量（Methods Time Measurement，MTM）分析。

5）進行物流產能和排產分析，并進行裝配可行性仿真。

3.1.4 精度控制及組裝吊裝技術

3.1.5 二次鋼材套料技術

套料是影響鋼材利用率的一個重要因素。在套料過程中，提高鋼材利用率與結構零件的配套、生產效率和施工管理是相互矛盾的。以提前優化、精準套料為首要目標，提高鋼材的二次利用率，減少原材料的采購?？赏ㄟ^深度開發套料軟件來提高套料水平，XSuperNEST自動套料軟件能快速處理應急事項，有效釋放套料人員的精力，進而使套料人員更加專注于圖紙質量，減少設計差錯。

3.2 綠色船舶焊接工藝技術

目前綠色船舶焊接工藝技術主要是基于節能焊機，配合高效、無弧光、無粉塵污染的焊接材料，采用新的工藝方法實現綠色制造。綠色船舶焊接工藝技術的具體方式和優點見表2。

表2 綠色船舶焊接工藝技術

3.3 綠色船舶涂裝工藝技術

船舶在全壽命保障期間經常需要進行涂裝作業。一些油漆中含有有毒有害物質和揮發性可燃性氣體，對生態環境和現場生產安全具有較大威脅。因此，設計和實施綠色涂裝工藝是綠色造船舶一項重要內容。船舶環保涂裝要走可持續發展之路。從生產全流程角度出發，持續應用環保的涂裝工藝及對應設施。設計和實施綠色涂裝工藝可從以下3方面考慮：

1）合理選擇涂料，優化施工工藝

為提高防護效果和生產效率，在熱加工區采用高性能專用涂料減少漆膜的損傷；采用分段制造減少長效型車間底漆的銹蝕；采用薄膜型油漆減少噴漆次數；選擇合理的除銹等級，采用低表面處理涂料；采用萬用型底漆，減少油漆品種；簡化工序，提高效率。

2）一體化涂裝管理系統

3) 為避免使用階段再次發生上浮破壞，對地下車庫底板進行加厚處理，或在基坑周圍預留排水井，當雨季來臨時，及時對基坑進行降排水，避免超過抗浮水頭.

一體化涂裝管理系統借助信息化手段，形成集涂裝設計、施工、質量管理、物料管理為一體的生產標準并下發執行計劃。該系統還可動態監督涂裝過程，評判工人是否嚴格執行標準和計劃。

3）移動環保型涂裝系統

移動環保型涂裝系統以模塊化設計為指導思想，根據工程需要，搭配輕質鋼材、鋼板等原材料，可快速在指定地點搭建涂裝房[7]，見圖3。移動環保型涂裝系統主要包括進氣管道模塊、除塵設備接口模塊、除漆霧接口模塊、動力設備接口模塊等，可實現涂裝、凈化、溫濕度控制等一系列功能，能有效提升船體分段涂裝效果，將原先的高污染作業降級為低污染。

圖3 船廠移動伸縮噴漆房

4 綠色拆船

4.1 拆船影響因素

船舶退役后處理是一個相當大的工程，為推行可持續發展，降低經濟成本，在全球范圍內持續推廣無害拆船理念，將船舶資源回收再利用。在服役幾十年后，船舶系統和設備狀態難以準確評估，若工人在港口、沙灘僅通過簡易的拆裝工具開展作業，則會導致污油和有害化學物質無法回收處理。因此，在拆船過程中存在的不確定風險直接關系到人員安全，對自然環境也構成威脅，背離了綠色管理的理念，具體影響因素如下：

1）造成水環境污染的因素

廢船的油艙、機艙、油箱、油柜、油管等系統剩余大量原油、燃油、潤滑油、液壓油等廢油，據估計全球每年拆船會產生40萬噸至130萬噸的廢油[8]。尤其是拆解廢油船，若操作不慎，極有可能發生油污染事故。

2）造成大氣污染的因素

在拆船作業中，使用電石產生乙炔氣體進行切割作業，高溫作業使油漆燃燒，產生有毒煙霧，工人長期吸入會引起慢性鉛中毒[9]。此外，氟里昂和殘留油渣燃燒產生的廢氣會對空氣造成進一步污染。

3）固廢有害物

船上的固廢有害物包括石棉（危險廢物HW36）、重金屬（危險廢物HW26、HW29）、多氯聯苯（危險廢物HW10）、含有機錫的油漆和涂料碎片等。這些固廢有害物會嚴重威脅著拆船人員的身體健康及周邊環境，必須在船舶有害材料清單[10]中列出。

4.2 綠色拆船要求

綠色拆船指在無環境污染和保證工人職業健康與安全情況下的拆穿，主要具有以下要求：

1）拆船廠在進行拆船作業前應通過本船所在國家主管部門授權。

2）拆船廠編制的拆船實施計劃應符合香港《2009年國際安全及無害化拆船國際公約》（Hong kongInternationalConventionfortheSafeand EnvironmentallySoundRecyclingofShips, HKV）的相關要求。

3）根據《歐盟船舶回收條例》（EurpopeanShip RecyclingRegulation, EUSRR）的相關規定，500 t及以上的船舶必須攜帶危險物料清單。此外，船舶也必須在歐盟批準的船舶回收設施中進行拆解。

4）拆船廠應當建立管理和監測系統機制，在可行的范圍內盡可能消除對相關工人和拆船廠附近居民的健康風險，以及對環境造成的不利影響。檢測系統主要包括以下要求：

（1）監測熱工安全狀態以預防火災和爆炸。

（2）監測船上密閉空間的可燃氣體濃度以預防危險情況。

（3）預防檢測可能危害人類健康和環境的事故、職業病、傷害、泄漏、排放及其他不利影響。

5）做好應急準備，制定相應計劃，確保消防車、起重機、救護車等應急設施能夠快速到達船舶和拆船廠的所有區域。

6）對工人進行培訓并為其提供個人防護設備。

4.3 改進措施建議

綠色拆船可從3個方面進行優化：1）通過良好的后勤管理和拆船流程改革，從源頭上減少廢物；2）通過工藝改變、設備改造、過程控制等方式從過程中減少廢物；3）通過生產有用的副產品在結果上減少廢物。

船體本身含有石棉、多氯聯苯、重油、污泥、重金屬、破壞臭氧物質等有害物質。拆船廠既不能控制船舶本身的復雜性，也不能控制船舶本身所含的有害物質。因此，在拆船過程中，船廠可使用更高效、排放更少的拆船工具，如水射流切割，以避免在切割操作過程中排放有害氣體。

將廢料進行再利用，如熔化、鑄造和軋制等過程中產生的廢料，可在鋼廠內重復使用。船上部分廢料可轉換能源或其他可用產品，如通過垃圾焚燒發電廠轉化成電能等。

5 結論

綠色船舶需要突破船舶總體設計的制約、力求降低在制造與回收2個階段的環境影響。為實現綠色船舶應用，應優化船用設備的選擇與設計、選擇更加環保的制造材料、運用綠色船舶制造/焊接/涂裝工藝技術、嚴格管理并充分利用船舶在拆解過程中產生的各種廢棄物。