大型集装箱船尾轴分段建造工艺优化

董 亮，高 峰，郄金波，韩 涛，汪 璇

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032; 2.中国船舶集团有限公司，上海 200011)

0 引 言

2021年以来，集装箱船市场呈现强劲的发展势头，新船订单创历史新高。根据波罗的海国际航运公会(BIMCO)发布的报告，集装箱船新船订单仅8个月已超2020年的全年水平，出现井喷态势。从集装箱承载能力方面划分，一般将超10 000 TEU的集装箱船定义为大型集装箱船。从船型发展趋势看，大型集装箱船为船舶所有人带来的经济效益更高，因此近年来大型集装箱船新订单量占比较大。

大型集装箱船建造工序多，生产周期长，尤其是船体结构复杂。国内大型集装箱船平台建造周期一般为6～8个月。分段建造是船厂建造大型集装箱船的生产瓶颈，大型集装箱船船体分段具有外板线形大、板材厚、精度要求高和焊接工作量大等特点[1]。随着订单持续增加，船厂对大型集装箱船进行集中建造，因此需要做好船体分段建造前的生产策划和建造工艺优化，通过周密计划、工艺优化和协同策划，充分做好生产准备和工序间的有效衔接，消除生产过程中的等工和浪费，确保分段建造满足船舶建造节点要求[2]。

尾轴分段是大型集装箱船尾部最后一个分段，随着轴系镗孔总组阶段施工工艺、节能导管分段阶段安装工艺和半船拉线照光工艺的研究推广，尾轴分段建造须受控且生产周期需要缩短。各船厂针对尾轴分段的生产建造整体策划和分段工艺策划不够重视，各工艺环节的计划衔接和物资配套体系不够完善，仅针对部分物资进行跟踪，其他物资全部交给现场，缺少统一协调，计划体系、物资配套、关联工艺和生产现场未完全组织起来，导致尾轴分段生产过程遇到较多困难[3]。船舶建造中的关键分段就是“木桶理论”中的短板，补齐短板是缩短船舶建造周期的关键。因此，开展大型集装箱船尾轴分段建造工艺优化研究十分必要[4]。

主要以某23 000 TEU大型集装箱船尾轴分段建造为例，从船型工艺策划、施工计划管理和分段建造工艺优化等方面开展研究，为尾轴分段建造生产提供优化工艺方案，解决尾轴分段建造难点，提升分段建造效率，缩短船坞周期，提升大型集装箱船整体建造水平。

1 建造工艺策划

在开展尾轴分段整体策划和生产作业实施时，应考虑环境因素对分段建造作业的影响。大型集装箱船尾轴分段主要由尾部铸钢件、尾轴管、首部铸钢件、肋板框架和外板等组成。该型船尾轴分段尾部铸钢件质量接近100 t，但分段结构包含首尾铸钢件质量为186 t，而内场分段制作区域起重能力仅为120 t，因此该型船尾轴分段在外场分段建造场地进行制作。

1.1 船型工艺策划

在开展建造项目总体策划时，应充分考虑涉及尾轴分段的建造工艺，采用不同的策划方案，尾轴分段的建造计划差异较大。

(1)轴系镗孔总组阶段施工工艺

该工艺在国外先进船厂已是成熟工艺，但目前国内使用尚不够成熟。若选择在总组阶段进行尾轴镗孔，则尾轴分段纳期应考虑尾轴镗孔工期，且分段精度应满足工艺要求，这对尾轴分段尾轴管的同圆度和安装精度方面提出更高要求。该型船未采用该工艺，不展开论述。

(2)分段阶段节能导管安装工艺

节能导管安装于船体尾部，一般安装于尾轴分段的尾部铸钢件，可减少螺旋桨转动产生的气泡，产生减小阻力的水流，提高螺旋桨效率，降低船舶能源消耗，起到减本增效作用。该型船使用的节能导管主要由4个导流鳍、15块安装封板和导流围板组成。导流鳍与铸钢件的焊接部位要求进行100%的超声波探伤(Ultrasonic Testing，UT)和磁粉探伤(Magnetic Particle Testing，MPT)，焊缝要求较高。除焊接要求外，节能导管对安装精度要求较高，须保证安装半径和偏移距离。

由于节能导管为非对称结构，焊接过程中的变形量较大，需要通过专用工装和加强固定与加放反变形等方式控制焊接变形量。应保证尾轴分段精度，尤其是尾部铸钢件、尾轴管和首部铸钢件的装配长度L。在节能导管安装前，须由精度部门提供分段焊接完成的L值，并确定尾端面的镗孔削量。因此一般在尾轴分段搭载焊接完成、确认尾部全部尺寸后进行节能导管安装。为提升船坞效率，减少船坞周期，该型船采用节能导管分段阶段安装工艺，工艺流程如图1所示。

图1 节能导管分段阶段安装工艺流程

(3)半船拉线照光工艺

拉线照光工序在船坞建造中是较为重要的生产节点。在通常情况下，在完成船舶所有船体分段搭载焊接、确定全船精度尺寸与变形量后方可进行拉线照光。该型船突破常规，将拉线照光工序提前，在完成尾部结构搭载和半船船体分段搭载焊接后进行拉线照光，首部与尾部同时施工，解决出坞前的关键工序影响整个船舶建造周期的问题。半船拉线照光工艺实施较为关键的基础是尾轴分段按期提供。拉线照光如图2所示。

图2 拉线照光示例

1.2 分段划分原则

在整船建造工艺中，尾轴分段建造策划主要涉及整船分段划分、船体总组搭载建造工艺和尾柱设计方案。建议在分段划分后进行三维仿真模拟，充分考虑外板加工线形问题和对接板缝位置，并考虑狭小空间作业情况和尾柱对接情况，避免后续生产建造的局限性。分段划分原则如下：

(1)接缝尽可能避免布置于船体总强度或局部强度的受力集中位置。

(2)结构应力集中区域尽可能避免布置分段接缝。

(3)分段接缝尽可能选择结构原有板缝或构件(例如肘板)的连接部位；尽可能采用优化设计使分段长度与结构强度要求的分布区域相匹配，达到减少钢板拼缝的目的。

(4)分段具有足够刚度，不会由焊接、火工校正和翻身吊运引起较大变形。

(5)根据总段质量和起重能力，尾轴分段可先总组为总段再进行搭载，或考虑将分段进行散搭；建议在满足吊装设备要求情况下对尾轴分段先总组再搭载，可减少船坞生产周期，提升船舶建造生产效率。

1.3 尾柱设计方案

尾柱设计方案的主要区别在于龙筋形式，可采用圆钢式或扁钢式。该型船尾轴分段采用扁钢式尾柱龙筋，主要优点在于：扁钢可通过数控切割控制弧形轮廓，线形更加精确，在分段建造过程中可更准确定位，调整龙筋安装位置；可减少装焊工作量，方便分段建造，提升分段合龙效率。

2 施工计划管理

2.1 生产计划

生产计划是生产组织的核心要素，传统的生产计划是指生产计划的时间安排，而所论述的生产计划更强调生产计划的组织。采用协同理论，将所有涉及的工艺创新整合至生产计划的组织和安排中。生产计划应充分考虑工艺优化的各系统实施，方可保证尾轴分段建造的生产效率。

(1)中日程计划

中日程计划是船厂先行计划整体安排的基础，以搭载开始时间为最终节点，根据分段建造各工序生产周期，考虑各工序间的浮时，以倒序的生产计划串联，生成各工序建造的计划开始时间和计划完工时间，指导图纸、材料准备和生产实施。中日程计划不仅应考虑上述周期，而且应考虑在项目中计划开展的工艺创新。采用不同工艺方法，各工序耗时会产生较大变化，对各工序间的节点影响较大。若采用半船拉线照光工艺，不仅尾轴分段纳期提前，而且所有机舱尾部分段纳期均相应提前。因此，在传统的计划管理基础上，应考虑工艺优化对整体生产流程的影响，对各生产工序进行有效的计划组织。充分考虑各系统工艺优化对中日程计划进行拟定，会更加精准地指导生产。

(2)小日程计划

小日程计划是具体项目开展的基础。船厂的小日程计划是指分段建造过程中的节点计划，通过确定分段建造过程各生产节点，控制分段建造进度。小日程计划不仅应包含分段建造的施工计划，而且应考虑各工艺节点的施工计划，例如节能导管安装计划和拉线照光计划等，通过细化的施工计划对各生产环节提出具体要求，确保生产节点的精确实施。小日程计划不仅应考虑分段和工艺节点的客观要求，而且应明确施工人员、施工工装、辅助材料和施工天气等因素，保证施工计划精准实施。若发生施工计划拖期，应通过应急预案实施赶工计划措施，保证小日程计划的刚性实施。

2.2 生产准备和物资管理

根据中日程计划确定各项生产准备计划，例如设计出图计划、钢料纳期计划、舾装件纳期计划、设备纳期计划和大型铸钢件纳期计划等。做好充分的生产准备是确保项目实施的关键，尾轴管分段建造的生产准备主要涉及图纸、钢料、加强材、舾装件、样板样箱和铸钢件等方面。

样板样箱准备是尾轴分段效率提升的关键要素，设计部门为节省样箱成本，通常会减少样板样箱的制作。若可采取三维模拟仿真或三维成像的技术，则可减少样板样箱制作，保证外板加工精确度；若无法采用上述技术，需要采用传统工艺进行施工，则不仅须为现场提供足够的样箱，而且应提升样板样箱制作精度，增加监控手段对样箱进行精度验收，在设计源头重视样板样箱制作。该型船尾轴分段外板分为2层，下层外板加工主要采用样板测量方式。样板准备须同时具备纵向样板和横向样板的要求，方可保证外板的加工线形。

铸钢件是尾轴分段建造的核心资源，做好铸钢件的采购和物流策划是尾轴分段建造的重点。在明确铸钢件厂家后，需要落实铸钢件的机加工要求、表面质量要求、检验流程和到货方式。施工工艺应细致策划，重点是表面处理工艺。铸钢件的最大质量隐患是产生裂纹与凹坑，导致加工性能差，铸钢件质量不佳对尾轴分段的建造产生严重影响。首部铸钢件和尾部铸钢件完成制作，应做好样冲点的标记和保护，确定铸钢件的首尾和前后方向，确保在铸钢件安装过程中不出现人为质量事故。铸钢件到货方式须明确，若是船运到厂，则需要编制铸钢件吊装、门架落驳和加强工艺，减少厂内周转时间。

3 建造工艺优化

该型船尾轴分段采用立态建造，区别于侧态建造。侧态建造对外板的精度控制更有利，更适用于中小型船舶尾轴分段，但建造难度更大；综合考虑分段建造的周期、施工效益和成本，立态建造更适用于大型集装箱船尾轴分段。除传统的分段建造工艺外，尾轴分段建造更应聚焦需要采用的工艺优化，例如尾轴管制作工艺优化、尾轴管与尾部铸钢件对接工艺优化、焊接工艺优化、脚手架工艺优化和作业环境优化等。

3.1 尾轴管制作工艺优化

该型船尾轴管制作采用双加工板对接制作工艺，2块板加工为半圆的圆弧进行装配和焊接。根据加工装备能力，可采用整体加工工艺或以外协方式直接采购相应直径管子。双加工板对接制作工艺优化如下：

(1)外板加工方式优化

外板加工原有加工方式外板保留裕量，切割阶段不开坡口，在尾轴管开工前将加工部竖起，在焊接支撑后使用手割刀对加工板进行裕量切割与开坡口作业。施工过程不安全，坡口加工质量差，操作需要成熟经验，操作周期长且质量差。在切割过程中保留裕量、不开坡口主要考虑在冷加工过程中，坡口处滚圆无压力，造成上下口加工边缘外扩。对工艺进行改进，坡口增加条材加强，在冷加工时使坡口外缘同时受力，减少坡口外扩，保证装配精度，优化尾轴管制作的准备过程[5]。

(2)焊接方式优化

尾轴管对接原采用二氧化碳手工焊接方式，焊接时间长，周期不可控。考虑尾轴管对接缝为直线焊缝，对尾轴管对接缝进行焊接优化，采用二氧化碳打底、埋弧焊填充盖面的方式进行焊接，并制作工装架对埋弧焊小车进行支撑，提升焊接效率，减少尾轴管制作周期。

3.2 尾轴管与尾部铸钢件对接工艺优化

大型集装箱尾轴管与尾部铸钢件的对接原采用横向对接方式，尾轴管内部需要事先装配光靶和光标，确定尾轴管与尾部铸钢件的同心度，这种对接方式占地面积大、准备时间长、精度控制难、焊接难度大。优化对接工艺，采用立态对接。尾部铸钢件在烧制吊码后进入胎架，以尾部为基面搭建脚手架平台，并对尾部铸钢件进行固定，且胎架必须牢固。在尾轴管吊装前，需要提前在尾轴管内部预设脚手架梯道，并在尾轴管外侧粘贴光标标记，方便后续施工。尾轴管采取立态吊装与铸钢件进行对接，在吊装到位后需要拉风绳对尾轴管进行固定，保证施工安全。

3.3 尾轴分段焊接工艺优化

主要考虑2个方面：外板和构件的焊接顺序优化；外板缝和铸钢件的缓冷优化。

(1)外板和构件的焊接顺序优化

在尾轴分段施工过程中，应注意尾轴分段的焊接顺序，主要考虑施工空间对分段建造的影响[6]。在外板装配前应尽可能完成内部肋板结构的对接焊缝烧焊打磨，在外板吊装时根据吊装情况逐步实施肋板与外板的焊接，否则在外板持续吊装形成封闭结构后，内部肋板与外板的焊缝施工空间变得较小，不便现场施工。在尾轴分段建造过程中，应持续关注施工空间，减小施工强度。

(2)外板缝和铸钢件的缓冷优化

在施工过程中，外板缝和铸钢件的焊缝若控制欠佳会出现裂纹，因此在完成施工后应进行缓冷。结合生产现场，缓冷措施主要为加热板保温缓冷和石棉布包裹缓冷。通过加热装备保温对外板缝焊缝进行缓冷，可保证外板缝焊缝在冷却过程中不会温度骤降而产生焊接裂纹。通过石棉布包裹对铸钢件焊缝进行缓冷，可减少环境变化产生的裂纹。

3.4 脚手架工艺优化

除搭建脚手架平台和预设脚手架梯道外，脚手架工艺优化需要对尾轴分段底部进行加强。原有方式是增加立杆对脚手架进行支撑，考虑节能导管在分段阶段的安装会使脚手架承载质量，增加较多，因此需要对脚手架进行加固。在尾轴分段的下口焊接脚手眼和脚手板，通过链条对脚手板与分段进行固定，确保脚手架安全牢固。脚手架的搭建过程应配合外板的吊装分步进行，脚手架的及时配合是尾轴分段满足小日程计划实施的关键。

3.5 作业环境优化

作业环境优化主要考虑2个方面：室外作业环境优化；分段施工环境优化。

(1)室外作业环境优化

室外作业的不可控因素较多，主要是露天的雨水影响和温度影响。该型船尾轴分段是在室外作业，雨水天气对分段建造产生严重影响。在施工过程中可使用大雨布和挡风板对分段进行防护，减少恶劣天气对分段建造的影响。

(2)分段施工环境优化

夏季室外作业环境炎热，尾轴分段施工空间小且在焊接前局部焊缝需要加热，因此对施工进度产生影响，在夏季施工中应准备空调机和风机等装备，保证尾轴分段建造的有序进行。

4 结 语

以23 000 TEU大型集装箱船为例，通过对大型集装箱尾轴分段相关建造工艺、施工计划管理和分段建造工艺优化的研究，采用协同施工方式，将整船建造工艺与分段建造工艺结合起来，可更加精准地提升尾轴分段的建造效率，确保大型集装箱船的生产建造周期，为集装箱船批量建造和尾轴分段建造效率的提升提供技术支撑和实施路径。