海工平台单元模块化设计的研究

郝永庆 王有芳 张海宁

摘 要：单元模块化设计是目前船舶制造业中被广泛应用的一种造船方法，它大大缩短了船舶机舱舾装的的周期，提高了生产效率，是推进现代化制造的重要手段之一。本文将机舱单元模块化在海工平台上的应用展开研究，在初期阶段策划、生产设计阶段策划和单元吊装阶段设计策划等方面进行详细的探讨和研究。

关键词：单元；模块化设计；海工平台

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.116

0 引言

目前，机舱区域單元模块化设计[1]是各国船舶制造广泛应用的一项技术，欧美韩日等国家已将此项技术得到了广泛的应用，为缩小与上述国家之间的差距，国内各厂也在单元模块化研究和应用方面得到了迅速发展，单元模块化造船已成为造船业重点研究和开发应用的一项新技术[2]。笔者单位近几年在自升式海工平台上取得非凡的成绩，结合多个海工项目建造交付经验，笔者希望借助单元模块化设计─工艺技术的研究和应用实践，使海工平台的机舱设计与建造在生产效率和建造水平方面能得到进一步提高。

1 单元模块化的设计意义

机舱是海工平台的心脏部位，所有动力设备、辅助设备、电力系统和为其服务的管路系统都布置在此处，它是全船最为繁杂、施工难度最大的区域，其施工工程量占全船总工程量的一半以上。传统造船是将所有管路、设备、舾装件在分段阶段和总装阶段散装，此种造船方式存在施工周期长、各施工工种交叉作业的情况发生，而单元模块化造船可避免此种现象。单元模块化造船是根据机舱的功能将各区域划分成若干块，再从主船体生产主流程中剥离开来，形成一个独立的个体，与船体分段同步推进制造，待分段搭载合拢后再整体吊装上船，从而可大大降低平台上相互干扰的不利因素。单元模块化的优点在于可有效减少现场施工量；通过事前判断安装时发生的问题，排除后期可能存在的不合理因素；使单元模块化制造设计标准化；改善工艺、减少设计误差；大幅度提高预舾装效率；提高材料利用率、提高生产效率、缩短造船周期[3]。如表1所示。

2 海工平台与常规船舶开展单元模块化的区别

（1）海工平台具有型宽大、型深低的优点；

（2）机舱形状较为规则，平底，舷侧结构无剧烈变化的曲面线型；

（3）机舱管路较常规船舶管径小，而管路系统更多，安装更为复杂；

（4）海工平台机舱地板框架较低，布置在其下的管路更为密集；

（5）设备与执行机构之间的跨度较小，方便管路、设备集中化布置。

综上所述，海工平台较常规船舶更需要也更适合单元模块化的制作，施行单元模块化制造将可大大降低海工平台舾装的误差率。

3 单元模块化的设计流程

3.1 项目初期阶段策划

项目初期阶段，需首先了解技术规格书、施工要领、设计标准及规范要求[4]等，从而确定单元舾装区域并将其纳入建造计划书，做好单元模块化的划分。详细设计阶段应熟悉机舱设备布置图、分段划分图、分段结构图、分段建造方案、分段搭载顺序、各管路系统原理图等，才能对其有较全方位的策划，它是以最大可能组合单元的目的出发，在保证不影响总体布置的前提下，以不破坏单元的整体性为目标，对各个区域的布置进行调整，在满足通道、维修空间的情况下，将管子和设备的布置尽量集中，使其能够形成单元。

3.2 生产设计阶段策划

在详细设计图纸提供后，依据项目初期阶段的策划，对原单元的划分进行逐一评估，基本原则如下：

（1）要充分注意单元分割的科学性和合理性，单元上包含的设备、基座、管路、阀件、附件、支架、构架等。在分割单元时应充分考虑其分解的可行性，分解后是否具有可恢复性。布置时不能将设备布置在单元的边缘，在分割时也不能对整体的结构强度造成不良影响。单元划分的原则是：能进行单元组装的就不要到平台上散装，在起吊能力足够的情况下，尽可能把单元的尺度设计的大一些，单元划分的越小，单元的数量相对就会越多，单元的连接点就会越多，从而浪费工时，增加安装误差，也加大了安装和定位的工作量；

（2）确定单元模块化的种类：管束单元、设备单元、综合性单元；

（3）单元的管路设计主要采用分层设计思想，单元上的管路大致可分为两大类。一类是穿过单元的管路，该类型的管路与该单元的设备无关，此类管路支管和管附件较少；另一类是与单元设备相连接的管路，由于单元上的设备一般布置在单元的表面，便于操作和维修，因此此类管路也应布置在单元的上层。单元管路的放样布置，应按系统管路的管径划分，穿过单元的管路管径最大者一般布置在单元的下层。优先确定单元间管路的接口，再布置单元的设备管路，根据管径的大小、是否有阀件等因素将此类管路布置在单元的中上层；

（4）在单元间管道接口位置应采用前后左右的垂直法兰连接方式，把法兰、接头整齐的分布在单元的两侧，并让其在单元连接位置适当的错开，以便于后期单元合拢的连接。另外在单元间不允许布置沿单元断开方向的管路；

（5）单元的管子主要是以角钢框架为基准，由于机舱区域花钢板下的空间有限，管路布置的较为密集，管路定会和花钢板支腿争夺安装位置，因此应先设计管路走向和支架的布置位置，再合理布置花钢板支腿；

（6）在布置管路、设备、单元框架时，应注意预留管路及设备的维修空间、扫舱空间，切不可大面积平铺布置，以紧凑型为主；

（7）单元内的管件应使用管支架紧固的与周围框架连接在一起，确保单元结构的牢固性，应使整个框架结构与设备、基座、管路、阀件、附件、支架等组合成一个整体；

（8）单元内的设备可考虑采用公共底座，公共平台或者相关的结构件连接，同类、同系统的机械设备尽可能的布置在一个单元内，要力求紧凑，尽可能的缩短管路、减轻单元重量；

（9）整个单元与外部管路连接时，应考虑制作调整管处理；单元内部管路和设备之间的连接，一般采用预先校管的方式来解决；

（10）各单元先在内场进行单元预组装，完成所有合拢管的研装工作，处理完毕后待用；

（11）在机舱单元的布置区域内，是否有PSPC要求，特别是压载舱，设计时必须注意单元框架的支腿、管支架等提前焊接垫板以防止破坏舱室的油漆[5]。

3.3 吊装阶段设计策划

3.3.1 平衡性

在单元吊装图纸上应显示单元吊点的位置，单元吊装应保证不少于四个点起吊，计算单元的重心位置，保证单元起升后不应有偏斜，防止单元的结构变形。避免以设备为吊点，以免损伤设备，减弱或直接损坏设备的性能。

3.3.2 牢固性

由于单元以管系和框架类为主，挠性较强，刚性较差。因此在单元的组装图上应制作合理的加强连接，尤其在吊点的周围区域，加强类型一般采用斜拉撑的加强方式。

3.3.3 安全性

在单元吊装图纸上应显示单元的重量，采用总载荷大于1.5倍的吊带起吊，尽量不使用钢丝绳吊装，以免钢丝绳滑脱造成安全隐患。模拟吊带起吊后，吊带是否与设备接触，以免设备易损件受力损坏，若不可避免与设备接触，应预先采用木头或胶皮等软质物品垫压。单元的吊装应采用从单元底部捆绑托起式起吊，尽量避免吊带连接吊耳，防止单点受力撕裂单元框架。

综上所述，单元模块化造船的生产的流程应综合设计、生产和吊装等方面，简图如图1所示。

4 研究实例

以某型自生式海工生活辅助平台的机舱设计为例展开研究，该平台具备自航能力，机舱为平底结构，主要设置有两台主机、离合器、四台发电机、两台造水机、两台淡水压力柜、两台海水压力柜及其它泵类等设备，种类繁多但功能性区域较强，平底的结构为单元设计带来了很大的便利条件。因此机舱区域根据功能主要划分单元如下：消防水泵综合型单元（图2）、舱底系统管路单元（图3）、压载系统管路单元等。单元模块化制造后大大提高了海工平台的施工进度，将平台的制造周期缩短了一个月，施工效率提高了30 %。

5 结论

通过对生活平台项目的调研，了解生活平台机舱区域管系、电舾、铁舾等产品的安装过程中存在的问题，有利于建立规范化、标准化的单元制作安装形式。单元模块化形式的推进，有利于提升海工平台建造质量和生产效率，缩短建造周期，单元模块化设计已成为现代造船一种行之有效的造船方式。

参考文献：

[1]郑忠，徐鑫.船舶机舱区域单元模块化设计的探讨[J].江苏船舶，2006，23（04）：7-10.

[2]李永旺，姚寿光，陈宁.船舶模块化设计与制造的现状及发展方向[J].江苏船舶，2005，22（03）：5-13.

[3]赵桂开.浅谈机舱区域单元模块化设计及应用[J].广东造船，2017，

36（03）：37-39.

[4]中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[M].北京：人民交通，

2005：52-130.

[5]中国船舶工业总公司编.船舶设计实用手册：轮機分册[M].第二版.北京：国防工业，1999：640-644.

作者简介：郝永庆（1989-），男，山东平邑人，大专，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程舾装设计。