浅析船舶建造精度控制

滕本旺

(盐城长河船舶设计公司，江苏盐城 224002)

浅析船舶建造精度控制

滕本旺

(盐城长河船舶设计公司，江苏盐城 224002)

船舶精度控制是船舶建造中十分重要的技术，关系着船舶的质量。精度控制不仅能缩短造船周期，降低造船成本，并且能提高船舶质量，在船舶建造中起到了重要的地位。介绍了船舶建造的特点和船舶建造精度控制的发展过程以及船体分段精度控制的发展趋势和可行性分析，详细分析了船体建造的具体精度控制方法。

船舶建造;精度控制;精度管理

1 船舶建造与船舶精度管理

1.1 船舶建造的特点

众所周知，船体的建造是按照设计的船体图纸，经过钢材预处理、切割加工、弯曲加工、装配和焊接等一系列的工序生产过程。钢材预处理后被加工成零件，然后组装成部件、分段，再在平台总组成总段，最后在船坞搭载合拢成主船体。船舶建造具有以下施工特点:①船体建造的周期长、工序多，累计误差比较大;②船体结构大，其形状尺寸允许的误差，相对机加工较大，但相对本身尺寸的误差很小;③船体建造过程中的变形情况复杂，要掌握在切割、冷热加工、焊接、矫正、吊运和冲砂过程中的弹塑性与热塑性变形规律比较困难;④建造过程中大多是手工制作，手工误差难以控制。

1.2 船体建造精度管理

船体建造精度管理是当代造船的重大新技术之一，也是船厂现代化科学管理的重要内容。它是以船体建造精度标准为基本准则，通过科学管理方法与先进的工艺技术手段，对船体建造进行全过程的尺寸精度分析与控制的一门技术。船体建造精度管理主要研究在船体建造过程中如何加放尺寸精度补偿量取代余量，通过合理的建造公差，有效的工艺技术与管理技术，对船体零部件结构进行尺寸精度控制，以提高建造质量。精度管理分事先精度管理和事后精度管理，其构成如图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义

造船精度控制是现代造船的一项关键的技术，精度控制技术即是在各个生产环节中采取先进的工艺技术、精准的检测手段，以船舶建造精度标准为基本准则，以数量统计为理论基础，以补偿量取代余量为核心，并且采取一系列的技术管理措施，对船舶的建造进行全过程的尺寸精度分析和控制。船体制造精度控制技术的源头是生产设计。从生产设计开始，对船体零部件的尺寸精度进行控制，从而最大限度的减少分段制造、分段总组及坞内搭载装配工作量，实施外场无修割、少修割，一次定位，快速装配、快速搭载，缩短船舶建造的周期，从而取得降低船舶建造成本的综合性效果。

图1 精度管理构成图

2.2 船舶建造精度控制的发展过程

本文主要介绍国外的船舶建造精度控制的发展过程。国外造船精度控制经历了一个不断发展、完善与提高的过程。其工艺技术，归结为以下3个发展阶段。

(1)分段上船台(船坞)前进行预修整，以适应船台或船坞装配的尺寸精度要求。上世纪五十年代末，前苏联船厂应用经纬仪检测技术对万吨级油船船体分段采取预修整措施，使其按净尺寸上船台装配，实现了船台装配的精度控制，从而有效地减少了船台装配的现场修整作业。

(2)对平直分段进行建造全过程的尺寸精度控制，与曲面分段预修整尺寸精度控制相结合。上世纪七十年代，国外一些造船发达国家的造船业，开展了广泛的尺寸链与公差研究、零部件加工中热弹塑性变形研究等，通过大量的数据积累与分析，用经验数值或公式来确定加工变形的补偿量问题，并对船体平行舯体的平直分段按精度计划从分段制造到船台装配进行有效的精度控制。

(3)对全船所有分段进行建造全过程的尺寸精度控制。造船精度控制技术发展到上世纪八九十年代，日本、韩国等国的船厂，通过多年的现场实测数据的积累与统计分析及理论计算，掌握了船体建造过程所有加工过程的变形规律，因而能给出大部分零部件、分段一个可靠的补偿量及船台装配的调整量，并开发了计算机辅助补偿量确定系统。

这3个发展阶段反映了国外造船精度控制技术所采用的3种工艺方法。目前，国外先进船厂大都已达到了第二阶段水平，有些船厂已达到第三阶段水平，有些国外船厂基本实现精度控制的自动化，这是造船精度管理的新的发展方向。

国内从上世纪六十年代中期开始引入船体建造精度控制概念，通过厂校联合共同努力，目前精度控制技术在国内船业得到了广泛研究和应用。许多船厂都己做到对平行舯体分段加放补偿量，曲面分段预修整上船台，并建立了精度管理工作组。

2.3 船舶精度控制在船舶建造中的意义

船舶精度控制在船舶建造中的意义主要为:

第一，能确保船体的主尺寸和线形误差在允许范围内，保证船舶的载重量及航速，从而保护船东的利益;第二，能够控制船体结构错位在允许范围之内，保证船舶的强度和安全;第三，最大限度减少装焊作业的现场修整工作量，提高劳动效率，降低人力成本;第四，提高船体分段下船坞的定位效率，缩短造船的周期;第五，提高钢材的利用率，降低材料成本;第六，能够减少结构修割，高空作业平地做，改善工作的环境，保证生产工人的安全和健康;第七，能够减少修割和返修，降低能源消耗，能够节约能源，减少环境污染;第八，能够控制接缝间隙在合理范围之内，有利于保证船舶焊接质量，从而保证船舶航行的安全。

3 船体分段精度控制

3.1 船体分段精度控制的发展趋势

通过对国内外资料的分析，可以认为当前精度控制技术有如下几个发展趋势。

(1)变形分析理论化。这主要体现在两个方面:一方面是几种新的简化热弹塑性变形理论的提出和在焊接变形、线加热成形、激光成形等领域的验证与应用，使船体建造过程中的热变形有可能从理论分析和计算得到;另一方面是计算机技术和数值模拟技术的发展，使船体建造过程中热变形的数值计算已成为可能，目前日本、韩国都已在此方面开展了大量研究。由于理论计算与数值计算的快速度与低成本，使船厂可以不必经过长时间的、大量的数据积累工作即可建立自己的补偿量确定标准。

(2)精度控制系统集成化。由于精度控制涉及船厂的组织体系、生产流程、生产设计、质量保证等各方面，因而目前另一个趋势是精度控制系统被集成到船厂CIMS系统中，是造船CIMS的子系统。因此，在精度控制的研究中，应当注意和整体系统及其子系统间的联系，如数据格式、数据库类型、数据采集传输、数据处理、数据共享，其子系统对精度控制系统的约束与需求等。

系统的研究、数据积累与分析的成果，可开发出相应的软件，如补偿量的计算机辅助确定软件、数据采集分析软件、精度监控软件、船厂精度控制系统等。除了因实施精度控制而产生效益外，这些成果及软件可以作为商品为船厂创造额外的效益。

3.2 船体分段精度控制的可行性分析

从生产现场来看，船体分段精度控制要求分段建造流程、设备和工艺有一定的稳定性，这样才能稳定余量和补偿量标准。目前已成功建造交付多条商品船，生产工艺、流程和设备已稳定，基本具备控制分段精度的生产条件。从软件来看，应用先进的TRIBON船舶设计软件，能够进行余量、补偿量加放，计算机上实现三维建模和干涉检验。这样能够在计算机模型中提前发现设计间隙偏大或构件相碰等情况，能够提前修改。从装焊技术的发展来看，目前船体分段装配采用扩大中组和重型分段建造等方法，使分段装配精度得以提高，分段建造变形减少。国内造船业大量采用焊接变形小的自动焊和半自动焊，减少分段焊接变形;大间隙焊接技术已经发展成熟(最大间隙可达25 mm且不超过板厚)，这样可以弥补分段精度的控制偏差，保证分段能顺利进行搭载焊接，分段精度控制比以前容易进行实施。

4 具体的精度控制

4.1 胎架

胎架是精度造船的基础，各组立分段装配的依据。胎架如果出现了几毫米的误差，实施到分段上就有可能是十或几十毫米的偏差，尤其是艏艉分段的建造。在胎架的制作时，要考虑胎架自身的稳定性。胎架的设计除了模板制造的尺寸要求精确、总体尺寸要保证、线型要光顺吻合之外，还应该有足够的连接刚性和整体四角水平。对于目前广泛应用的活络胎架，每2个活络胎之间纵、横向要有加强连接，以此来满足整个装配过程中分段不出现偏差和变形。胎架的水平面应该尽量减少误差，应该考虑分段的变行，在胎架制作中要采用加反变形措施。

4.2 设置对合线

对合线控制是精度控制的关键内容之一，目前国内外对此都比较重视。在各个装配的分段，如零部件、分段、总段建造时，一般都留有工艺余量。装配中要对零部件进行修正，切除工艺余量后再组装。而修正这些偏差需要预修整，包括重新测量、划线、切割、装配、矫正，需耗费大量的工时和材料。例如拼板时，为了保证对角线尺寸的正确，在板的长、宽方向一般都要加放余量，放好构件线以后，再对板边进行二次切割。生产设计时，引入公差标准来控制施工精度，在两两相拼接的板上距板边一定的位置处设置对合线，作业者可按对合线调整方正度，达到无余量装配。这样既减少了修正量，又确保了装配质量。同样的道理，在分段生产设计中，通过设置中心线、纵剖线、肋骨检验线、水线等三维线型模式，装配时依据点、线、面的型位尺寸装配对合，就可判断分段的正方度和扭曲度，以确保分段的装配精度。如在建造18万t散货船时对合基准线设置为:全船中心线、9 m和18 m直剖线;分段正肋位-100 mm的肋骨检验线;4.8、13.6、18.4 m 水线。在装配阶段建立线型肋骨拼接矫直线;小组和中组拼板板缝对合线;肋板框架对合线;圆弧加工的切点线、装配定位线;安装参考线等。在分段完工后，用样冲敲出这些标记线，还可便于坞内搭载。在生产设计文件里设置了对合基准线，同时绘制出各小组和中组分段的施工图纸，对总体尺寸和水平、弯曲度提出要求，有利于提高部件、分段装配精度控制手段，减少消耗，节省工时，降低建造成本。

4.3 加放补偿量

在传统的船体造船中，实施精度管理时，都采用加放余量的方法来确保整条船的尺寸精度。随着精度管理在造船上的广泛发展，加放余量已不适宜造船生产发展的需要。精度管理最重要以补偿量取代余量，因此补偿量的确定是船舶精度控制的核心内容之一。它可保证各工序的尺寸精度，提高钢材利用率，缩短船坞周期，满足船体建造的精度要求。

4.3.1 补偿量加放技术的发展过程

造船中的精度控制的发展源于机械制造中的公差与配合。20世纪50年代，造船出现了2大技术突破:一是原苏联应用激光经纬仪对船体的分段采用预修整;二是日本开始接受质量管理的新思路，用统计质量管理和群众性质量管理相结合，发展成造船质量管理体系。到了20世纪60年代，开始运用数理统计方法与尺寸链理论，探索公差及其合理的分配。到20世纪80年代，日本成功运用电子计算机技术开发补偿系统，并且开发了计算机辅助补偿量确定系统，建立了零部件子系统，充实到船型信息集成系统，从而方便了生产设计和制图工作。

4.3.2 补偿量加放原则

(1)补偿量加放设置的基本原则:

①与板的长和宽有关。板越长或越宽，补偿量加放越大;

②跟板的厚度有关。板越薄，补偿量越大;

③与角焊缝的焊脚有关。焊脚越大，补偿量越大;

④与结构的稀密程度有关。结构越密，补偿量越大。

(2)具体的补偿量加放原则:

①工件或产品的重复性(相似性)。重复的产品可以按照成熟的尺寸精度补偿量进行加放，而具有相似性的产品可以按照相似产品进行加放;

②稳定的工艺。不同的建造方法对于分段的变形趋势和大小都是不相同的;

③严格的质量控制。严格的质量控制可以实现船体建造全过程的尺寸精度控制，且尽可能的以补偿量取代工艺余量;

④确定补偿量时以焊接收缩变形因素为主。

4.3.3 补偿量加放系统确立的作用

(1)减少了无效劳动。通过补偿量取代余量，可以大大的减少不必要的作业时间，从而提高了生产效率。

(2)降低了作业难度。由于实施精度造船后，各部件、分段的精度提高了船体装配成为简单的要素作业，这就大大降低了公认的熟练化程度，加快了造船速度，缩短了造船周期。

(3)有利于高效焊接。由于船体的焊缝精度得到了高效的控制和提高，这就使得高效焊接设备的使用成为了可能，并使得AIP方案优选结果更加客观、准确。

(4)提高了产品质量。造船精度提高后，各种间隙、错位和余量大大减少，船体强度得到了强有力的保证。

5 结语

以计算机技术、网络技术、通讯技术为代表的信息技术革命正在迅速改变着社会的生产方式。企业是信息化的主角，信息技术已成为决定企业竞争力强弱的关键因素。我国造船业的发展正在以信息化带动工业化，实施跨越式的发展。船舶建造是以船体建造为基础，因此精度控制在船舶建造中起到了非常关键的作用。精度管理是造船企业高效率、低成本造船的保证，是造船企业技术革新、工艺革新的基础。近年来，国内各大造船厂为了抓紧缩短造船的周期，都在推广2个一体化。但是具备2个一体化的前提条件是精度控制和精度管理技术的提高，从而保证产品质量，缩短造船的周期，降低生产成本，提高效率，以便企业获得最大的利润。因此生产设计精度控制技术是船舶建造重要的技术支持，以达到最大限度减少现场修整量，提高工作效率。

［1］ 郭荣奎，蔡三明，秦耀良.补偿量加放技术的分析和应用［J］.江苏船舶，2007，24(6):1-4.

［2］ 秦耀良，郭荣奎，唐建琼.船舶建造精度控制技术研究［J］.江苏船舶，2008，25(2):41-41.

U673.2

B

2011-06-10

滕本旺(1968-)，男，工程师，主要从事船舶设计工作。