国外舰艇建造工艺技术概况

陈桂明, 丁伟康

(江南造船(集团)有限责任公司， 上海 201913)

国外舰艇建造工艺技术概况

陈桂明, 丁伟康

(江南造船(集团)有限责任公司， 上海 201913)

分别从数字化造船、舰体、舾装、焊接等方面介绍了以美国为首的军事强国的舰艇建造工艺技术。

国外舰艇建造 数字化造船 舰体 舾装 焊接

1 前言

舰艇建造工艺主要包括舰体建造工艺和舾装工艺，此外还包括舰艇下水、试航和交舰等环节。舰艇建造工艺技术的最典型特征是以虚拟建造为代表的数字化造船，逐步向产品模块化、信息数字化、设计虚拟化、设计制造一体化的新型造船技术发展。

本文所引用的实例以欧美军船为主，但是部分项目只能采用日、韩主流船厂民船实例，由于日本和韩国大型军工企业的军民结合发展模式，因此可以判断所述船厂在舰艇建造中将同样采用相应的先进建造工艺。

2 国外舰艇数字化造船技术

2.1 以虚拟建造为代表的数字化造船研究和应用

早在2001年，美国、日本、韩国等国开展了以虚拟设计建造为代表的数字化设计建造方面的研究和应用。

近年来，美国在舰船研制中广泛应用了以数字化虚拟样机(福特级航母)、多学科优化设计(宙斯盾导弹驱逐舰)、产品设计数据管理(海军)、并行协同设计(弗吉尼亚级潜艇)以及人机工程(“布什”号航母)等为核心的数字化设计建造技术。

美国LPD-17 两栖船坞运输舰是第一次按“全虚拟设计”的大型舰船，应用了法国达索子公司——DELMA 公司的虚拟现实软件，在舰体开工建造之前已完成了80%的设计。而传统设计方法同期只能完成20%～30%的设计。

美国“福特”号航母是第一艘完全利用3D产品模型进行设计的航母，应用了法国达索系统公司的CATIA软件，选用大屏幕显示器来展示舰船三维立体图像，以便随时调整建造策略，对该航母的设计、工程、计划编制及建造进行可视化整合。图1所示为用虚拟现实系统展示“福特”号航母上2号泵室的海水管道系统。

图1 虚拟现实系统展示舰船三维图像

2.2 美国海军第一艘建造过程完全使用数字化管理的航母

2009年服役的“布什”号航母是美国海军第一艘整个建造过程完全使用数字化管理的航母，管理项目包括数千名员工的分工和工资、工程进度和质量、各种设备的维护以及多达6万种零部件的订购等。全程数字化管理会使各部门间的联络更加积极主动，并自动监控各个环节的事件和工程进度，提醒相关人员下一步要做什么，提高了建造的效率。

2.3 日本佐世保造船厂3D-CAD的有效运用

舰艇建造是该船厂的4个领域之一。从2007年开始导入3D-CAD进行管道数字化工艺设计，生产部门运用3D观测仪及等角图，可以以图像的形式进行复杂配管的确认及管路安装顺序的研讨，降低了舾装难度。另外，应用3D-CAD进行组装化管道完成状态的确认及模拟搭载，对缩短工期和防止出现不对接的情况做出了贡献。随着数字化的推进，可在生产现场使用iPad进行图纸、订单状况、交货期的确认。

3 国外舰艇舰体建造工艺技术

国外船厂舰体制造拥有CAD/CAM集成自动号料、等离子/激光及机器人切割、水火弯板自动加工机(日本数控水火弯板成型率已经达到80%以上)、激光线加热系统(美国双向弯曲弯板厚度可达25.4 mm)、钢板柔性加工成形生产线、部件装配流水线、焊接小合拢装焊机器人群；并含有机器人、构架自动安装、激光检测的平面分段无余量装焊流水线、曲面分段无余量生产流水线等工艺装备，整体机械化、自动化、智能化程度高。

3.1 舰艇快速搭载

在舰艇总装时，应用三维坐标激光测量技术和精度管理系统，实施大型总段吊装，减少坞内工作量，实现分段快速合拢，可基本实现精度控制自动化，有效地缩短船坞周期。日、韩民船在坞内总段的吊装时间平均为2.5～3 h，实行半串联并行建造出坞时间仅为30～40天。

3.2 巨型总段造船法

通过甲地组装的巨型总段至乙地合拢为整船，使最贵的资源——总装设施充分发挥作用，以形成船舶制造异地并行批量生产模式，大幅缩短造船周期。

3.2.1 意大利“加富尔”号航母

满载排水量2.71万t的“加富尔”号航母的舰体建造由意大利芬坎蒂尼公司的2家造船厂分担建造。主舰体部分于2004年7月下水，并于2004年底借助浮船坞与另一家船厂承建的舰艏部分“合拢”(见图2)，采用了两船厂制造、两半艘拖轮浮运、浮坞两半合拢的巨型总段造船法。

图2 “加富尔”号航母借助浮船坞进行舰艏与主舰体部分的对接合拢

3.2.2 英国45型驱逐舰

英国45型驱逐舰的多个巨型总段在不同的地方建造，然后再集中总装, 比单家船厂建造节约大约4%的费用。

3.2.3 英国“伊丽莎白女王”号航母

将于2014年服役的满载排水量6.66万t的“伊丽莎白女王”号航母分成5个总吨(超级分段)在全英国多家造船厂建造，每个总段5 000 t～16 000 t，并尽可能达到80%～90%的舾装率，然后通过驳船载运等方式运输到位于苏格兰的乐赛(也译为罗塞斯)船厂，该驳船便潜入水中使该分段起浮，再将它拖到主港池，利用坞内的绞盘系统和对中辅助设备使它座落在1号船坞的坞墩上，关闭坞门，将船坞里的水抽干，便着手进行最后的总装。这种并行建造的效率大为提高，工期大大缩短。

3.3 使用“超级分段”或总段的塔式建造法

美国纽波特纽斯船厂和前苏联黑海船厂因航母排水量大以及设施、管路复杂等原因，在建造中仍然采用传统的塔式建造法。

3.3.1 美国“里根”号和“福特”号航母

“里根”号航母由163个“超级分段”组成，其中最重的约900 t，利用900 t龙门吊吊到船坞内，按照最佳的有效性顺序，自下而上、从舰艉到舰艏的顺序拼装，其内部的管道、设备和线缆及上首部分段中的大部分设备如主锚链部已经安装到位，尽量减少在浮动的舰上工作，然而电缆的铺设工作还是要等到全舰拼装完毕后才能进行，这样才能避免产生不必要的接头。“福特”号航母与“里根”号航母一样，也是按照这种最优化的顺序进行建造的。

3.3.2 前苏联“库兹涅佐夫”号航母

前苏联黑海船厂装备2部900 t龙门吊，同步作业时最大能吊装1 500 t的舰体构件。从1983年建造“库兹涅佐夫”号航母时开始采用总段建造，该航母由24个总段组成，每个总段由若干个分段构成。最大的总段长24 m，宽38 m，高13 m，重1 400 t。相邻总段的对接精度达到毫米级，以便在船台上总段安装后马上进行对接焊。黑海船厂把每一个总段都看作完整的制件，在船台旁平台上总段内进行尾轴架、舵和轴毂的安装，在大范围内实施了封舱前向总段内吊装机械设备、管道和其它工艺单元的工艺路线，大大缩短船台周期。

4 国外舰艇舾装工艺技术

舾装工程量通常占舰艇建造总工程量的60%～70%，甚至更高。舰艇与民船最显著的不同之处在于“舾装密度”。据日本船厂统计，对比护卫舰和一般民船中舾装密度最高的LNG船，配管方面护卫舰的密度是LNG船的7倍，电缆密度则超过了15倍，且还需要很多如雷达天线安装这类一般民船所没有的技术。

4.1 模块化技术

20世纪末，美国在设计建造海狼级核潜艇时首次采用模块化技术。美国巴斯钢铁公司于2006年第一次采用重达1 300 t的大型模块建造阿利·伯克级驱逐舰，船厂还致力于采用重达2 600 t的“超级模块”建造未来的阿利·伯克级驱逐舰和DDG 1 000级驱逐舰。美国奥斯塔船厂通过应用模块化设计技术建造完成了美国海军第三艘联合高速船超过30%的工作；2012年，美国通用动力电船公司为弗吉尼亚级潜艇设计并采购通用控制器，以实现潜艇上的多种功能，是模块化设计技术深入应用的体现。模块化设计技术在英国“45型”导弹驱逐舰和伊丽莎白女王级航母第二、三总段的建造中也得到充分应用。

国外大量采用了减振隔声的浮筏技术，即将多个机械设备紧凑地布置在一个统一的筏体(中间弹性支承结构)上，筏体通过隔振器柔性地支撑在艇体上以减少机械振动，对于大型潜艇，浮筏的质量达到400 t～500 t。俄罗斯、德国、瑞典、美国等国均已实现了潜艇总段模块化建造，如整个动力舱可制作成带有浮筏的大型动力模块，在耐压分段合拢前从纵向进入舱内；具有相近功能的电子模块、生活模块等可以按照隔声降噪的要求分布在舱室不同部位。这样，减振降噪隐身技术和模块制造技术便有机结合起来了。

4.2 美国航母的舾装

美国纽波特纽斯船厂利用新建成的CAD/CAM集成系统辅助三维图形设绘、建立立体模型，以及激光测量等技术来制造航母的舾装单元和模块。

舰载机的弹射和拦阻装置都是在舰体拼接合拢之后，在舰面上安装的，这时常常需要切开完整的飞行甲板安装设备，然后再将切开的部分焊接上。舰体拼接合拢之后进行舰面特种设备安装的原因主要为：受船厂龙门吊的起重能力限制,这些设备分布在多个超级分段上。如果和飞行甲板装配好了再吊装，吊装过程中由于重力作用产生的变形有可能造成损坏。

航母的核动力系统是整个建造过程中对精度要求最高的部分，不允许有丝毫的差错，设计和建造过程都要经过反复多次严格的审查。

当“布什”号航母的舰体在坞内施工完毕下水后，就会用拖船拖到旁边的2 号码头进行下一步的舾装工作，包括舰上生活区域(住舱和餐厅等)的建造、电子设备安装、调试作战系统(弹射器和雷达阵列等)及核动力系统等。2013年11月17日， 美国“福特”号航母出坞进入位于詹姆士河的3号突堤码头，进行为期28个月的舾装和测试。

5 舰艇焊接工艺技术

5.1 新型高强度低合金钢最佳焊接工艺

自20 世纪90 年代以来，美国开发了HSLA-65、10Ni 钢和HSLA-115 钢，用于正在建造的福特级航母的主壳体、飞行甲板和防弹结构，并采用上述焊接材料进行了确定最佳焊接工艺和测定焊件特性的应用研究工作。福特级航母上三分之二的钢使用量用HSLA-65钢来替代，可使壳体重量减轻2 400 t，使每艘航母的全生命周期成本降低2 400万美元(按1万美元/t计算)。

2007年美国海军至少有7艘航母和核潜艇进行了焊接缺陷评估，其中电船公司的核潜艇进行检查时发现，是由于使用了错误的焊接材料而引起的，在进行不锈钢焊接时错误地使用了铜材料，导致焊接强度下降，压力强度过高，使得焊缝裂开。

5.2 激光焊接、激光-电弧复合焊与焊接机器人

5.2.1 高强低合金焊

美国航母上广泛使用激光焊接得到的高强度、低合金钢的T型构件，可使该航母的重量降低大约200 t。美国开展将激光焊夹层钢板应用于新一代航母的关键部位应用开发工作，正在解决接头连接、螺栓应用、可维修性等问题。美国海军已将CO2激光焊接技术应用于航母蒸汽弹射器导架盖板(每个弹射器有100多块导架盖板)的修复，费用仅为更换新导架盖板的50%～60%。

5.2.2 激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊(HLAW)结合激光焊接和熔化极气体保护电弧焊(GMAW)的优势，其焊接速度的提高和热输入的减少使焊接变形大幅减少。美国2008年开发出一套搭载HLAW系统的移动设备，用于船厂角焊缝的焊接。随着光纤技术的发展，HLAW 焊件已可应用于甲板、舱壁、舱盖、舷梯等多个部件，将用于福特级航母以及多种型号舰艇等。

5.2.3 焊接机器人

美国船厂从20世纪80年代起应用机器人。早在1992 年时日本日立造船厂应用机器人焊接的工作量就已达到总焊接量的20%，目前日本先进船厂焊接机械化自动化率已达到90%以上。韩国从1995年起在船厂的平面分段流水线应用了机器人。2013年5月，现代重工研发成功船用微型焊接机器人，并开始在造船生产中使用该焊接机器人。

5.2.4 薄板材料焊接及甲板室与甲板结构焊接技术

美国濒海战斗舰(LCS)的 ASTMA710薄板材料较少变形将使每艘舰降低结构成本60万美元。美国DDG 1 000驱逐舰研究急剧减少甲板室结构与甲板连接的必要时间以防止相邻的非金属复合材料过热，使焊接速率约从0.457 m/h增加到6.096 m/h。

6 结束语

工艺技术是制造技术的核心。水平先进、高效可靠、绿色环保的工艺技术，支撑着军工制造业的不断发展与前进。我国于上世纪80年代从国外引进了造船成组技术和造船生产设计方法，对船体分段建造技术、预舾装技术、精度控制技术、高效焊接技术等进行了研究与应用，造船工艺技术包括军船工艺技术已有了较大进步，但各项关键技术的衔接、协调较差，工艺集成度有待提高，与国外先进造船国家差距较大。从国内外的分析来看，从造船整体综合技术水平评估，日本和韩国大约领先中国10年。

通过我们对以美国为首的军事强国舰船信息化与制造技术的深度融合,以及工艺技术不断创新的分析研究，坚持自主创新与技术引进、消化、吸收相结合，加快技术进步和产业升级，实现造船工艺技术的跨越式发展，加快缩短与先进造船国家在制造工艺技术上的差距，将有利于提升我国舰艇产品制造研发效率和工艺的持续改进，为武器装备研制提供有力支撑保障。

[1] 周炽炜，刘博巍，陈蕾. 工艺工装领域先进造船技术发展分析[J].造船技术,2013,1:1-6.

[2] 阳明，应智善.披露：“布什”号航母建造细节[J].舰船知识,2009,7:44-49.

The Survey of Building Technologies for Foreign Naval Ships

CHEN Gui-ming, DING Wei-kang

(Jiangnan Shipyard Group Co., Ltd, Shanghai 201913, China)

The survey of building techniques for naval vessels in powerful military countries leading by U.S.A. are introduced, such as digital building, hull building,outfitting,painting,welding, etc.

Foreign naval vessels building Digital building Hull Outfitting Welding

陈桂明(1970-)，男，高级工程师。

U671

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