现代船舶机舱独立箱柜单元设计思路分析

张春成

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江苏 南京 210015）

0 引言

在加入世贸组织之后，我国外贸经济得到飞速发展，这对我国航运业的服务提出了更高的要求，配套的航运服务成为支撑我国外贸经济发展的关键。因此大力发展船舶制造业是我国经济发展中的重要一环，在船舶制造业中的竞争越来越激烈[1]。对于船舶制造业来说，一套合理的船舶舾装工艺对于整个船舶的建造具有重要作用。但是我国现代化的造船技术发展起步比较晚，存在设计与工艺不足问题。如何在船舶制造方面降低成本、提高效率成为船舶制造业关注的问题。目前在船舶的制造过程中，船舶单元化设计是主流工艺方向，也成为船舶制造业研究的重点。本文针对我国当前船舶制造业发展中的不足和船舶制造工艺发展趋势，对船舶机舱独立箱柜进行单元化设计研究，加速我国实现总装造船的脚步。

1 船舶舾装单元化理论分析

1.1 船舶舾装单元化设计主要内容

舾装设备的单元化设计需要从设备功能的角度进行研究，其中一个关键项目是子系统的设计。在子系统设计的过程中，首先需要了解各个系统的功能和原理，包括整个系统组件的形成模式，并设计几种可能的方案。通过各方案在系统质量、功能、成本预算和协同方面的比较，综合选择出最优方案。

造船单元主要是尺寸和功能比较标准的功能模块。一般来说，各个单元中的主要部件带有最终产品的预制模块，是可选的。因此，这些预制单元可以分为船体结构单元和功能单元。

其中，船舶机舱独立箱柜的单元化设计具体包括：烟灰雨水收集柜、污水溢流柜、高温水膨胀水箱、低温水膨胀水箱、冷却水报警装置箱、溢流报警箱、焚烧炉柴油柜、应发柴油柜、气缸油测量柜[2]。

1.2 船舶机舱独立箱柜单元化的设计优势

1）有效缩短船舶的制造周期

在船舶的建造过程中，通过对造船结构的单元化设计，可以改善某些船型设备的制造流程，并缩短制造周期。与此同时，这样小型的单元模块也可以在一些独立的工厂内进行，大大提高了造船的效率。在造船企业中，船只舾装系统的设计、制造、安装是最复杂、最琐碎的环节。单元化的设计能够减少船上作业的繁琐程度，并增加管线的安装精度，确保生产的可靠性，减少生产的经济费用[3]。

2）方便船舶部分故障的维修

船舶独立箱柜的建造是以设备单元化的方式进行的，选择不同的设备零件进行替换和维修，既提高船舶的维修效率，又可以实现船舶大多数零部件的通用性。对船舶进行维修，可以改善船舶的持续操作稳定性。

1.3 船舶机舱独立箱柜单元化造船的发展前景

传统的船舶制造工业以劳动密集型为主，但由于采用了单元化的设计模式，使得船舶制造行业的竞争更加激烈，从而提升了我国造船行业的技术标准，大大提高造船效率。因此，模块式装配式船舶建造技术将会在今后的船舶制造过程中得到更多的应用。随着船舶生产的持续推进，单元化船舶装配技术将会得到进一步的发展。同时，它也将推动船舶工业的发展与进步。

2 船舶机舱独立箱柜单元化设计思路及流程

2.1 整体设计思路

根据单元化设计的特点，在独立箱柜的设备开发中明确实现了“生产从设计开始，到工艺结束”。独立箱柜的统一设计开发从功能设计开始，根据各个箱柜的功能进行独立设计。然后通过现场生产流程反馈对单元化的改进，实现所有单元的统一。独立箱柜的具体组合方式是将独立柜划分为功能设计和布局设计2部分；平面布置图设计包括设备配置、管线图、施工图；功能设计包括3个方面；然后，根据6个方面的细致分析，将独立箱柜分为“基本型”和“可选型”。最后，将“基本类型”部分设计为标准模块，主要由标准组件组成。“变体”部分保持灵活性，可以根据不同的设计要求进行修改[4]。

2.2 设计过程

独立箱柜的单元化设计以产品平台为基础，对各个模块进行独立性、功能性、统一性的标准设计，使各个零部件功能独立，统一标准[5]。

1）概念设计

概念设计是所有船舶设计的基础，是对整个产品系统的逻辑和原理的设计与实现说明，提出了设计目标和基本的思路，并进行设计概念的验证和修订。

2）功能设计

首先对独立箱柜单元的系统功能进行分解，并对其功能性进行完善，根据分解结果绘制完整的功能框图。确定客户所需求的功能和需要增加的性能，对已有的功能进行完善。然后，确定独立箱柜单元在整个系统功能上的贴合度进行再次完善，并确定单元与总系统的关系。

3）系统设计

系统设计就是将各个独立单元的功能进行统一，是整个船舶建造中的关键，需要联系不同的模块和接口，需要具有一定的稳定性和统一性，包括基本系统和非基本系统。基本系统是实现系统功能的基础，非基本系统可以根据客户需求进行更改和调试。

4）结构设计

基于构建的产品平台，根据总系统的设计，对各个结构进行空间上的分配。结构设计中需要考虑该单元与船舶整体协调性和功能需求，需要符合船舶设计和应用的相关规定。

5）子系统设计

子系统的设计以单元化、标准化、通用化、可装配性和可制造性为要求，需要满足单元化设计之后的统一性。其具体设计内容如下：①在船舶的机舱设计5个独立的单元箱柜，这些箱柜单元需要与其他总装系统进行连接，其中也会包括一些散装结构，需要做的是将这些独立的单元模块、结构进行整合，连接成为一个具有综合协作的完整单元就能够进行实际的使用。这些单元还需要包括设备、基座、管子、梯子、栏杆等元素；②原总组阶段，船舶机舱的管件多达100多件，这些管件将通过相同的接口进行连接，拼合成为一个完整的单元体；③将若干管附件以及管子组成具有专有功能的单元体，这些单元体形成组合件单元，例如蒸汽减压阀以及压缩空气减压阀，温度调节阀等组成的单元体就可以形成组合件单元；④对于一些管件位置，船舱单元需要进行喷涂处理，这就要提前处理单元箱柜主要位置的焊接。⑤将设计单元的大小及重量进行仔细控制，保证其在舾装能力范围内。例如，低温淡水泵单元要控制在一定的范围之内，避免因规格过大导致后期的安装问题。

6）工艺设计

工艺的设计即在满足各模块统一性标准的前提下，进行各个单元的独立工艺设计，需要实现单元模块的基本功能和性能。单元模块的工艺制造与主船体无关，但是每个独立单元的制造工艺需要达到一定标准，要满足正常船舶应用需求。

2.3 接口设计

在设计独立箱柜时，首先要确定接口。在选择独立箱柜时，需要考虑多种因素，如产品设计、生产工艺条件、产品设计规范、产品使用环境、产品市场环境等[6]。所以，要清楚地界定一个独立箱柜装置的接口，必须满足这个装置与其它装置及环境的连通性。从界面定义的方便性出发，针对其特性，将其特性分为相对属性、功能属性、物理属性和环境属性。在这些特征中，最重要的是物理属性和功能性属性。

统一的设计接口可以用于多种产品平台的开发，其中包括对已有的产品平台进行升级。因此，各子系统界面的交互关系将会影响到目前系统接口的选取与使用，从而对以后的应用系统整体性的设计产生一定的影响。在此基础上，对接口进行详细的设计，并给出各子系统的具体接口标准，其中包含工程参数的选取和确定、功能实现原理的选择和确定，以及工程参数的具体化[7]。

2.4 设计流程

根据规格书，机舱布置图及系统图，确定箱柜容积及摆放高度位置要求。一般情况下，箱柜的位置按照原理图而定，最大程度满足其性能要求的同时，应设置最短配管距离及保证周围阀附件易于维护。

根据系统图，确认箱柜附件的数量及位置，箱柜附件一般含有液位计、透气管、注入管、泄放管、溢流管、人孔盖、观察孔、滤板、加热盘管、液位开关及各种型号座板，液位计、液位开关、压力开关座板一定要按照设备订货要求来确定与之配对的焊接座板，箱柜建模过程中注意沟通协调，需要确认好箱柜周围的电缆设置，液位开关机观察空等位置，防止现场接线不方便造成返工，同时要与管系及通风人员确认好管子位置的接口要求，溢流管与注入管高差范围保证在150 mm以上，以免高处用户不工作时造成液体回流倒灌，从透气管溢出。与轮机确认好液位指示报警装置的报警高度，以免出现高低位报警不及时的情况。箱柜内部管与电气铁条等整体单元出图，整体制作油漆，以免箱柜做好后，因内部管子没有安装或者电气电缆铁条没有安装，导致上船后安装重新烧焊，油漆破损造成返工的情况[8]。

设计过程中需要考虑实用性及现场施工的方便性，柜子顶部带基座，基座下方要在箱柜内部设置反面加强，加强要尽量延伸到末端，保障加强作用。

经常需要检查的箱柜需要增加人孔盖，可在箱柜上方用铰链形式的人孔或手孔盖，有滤箱的箱柜盖子要保证滤器的进出。液位计要尽可能设置在船横倾和纵倾影响小的柜子中央，设置在人孔或观察孔附近，方便观察及使用。透气管按照顶部安装原则，在柜子的最高处或船首方向安装，并且透气管需要向下延伸到箱柜的集水/油盘内，以免使用过程中有液体溢出飞溅。注入管需安装在顶部，尽量与透气管按对角线放置，不可避免时也可安装在侧壁，或安装截止止回阀，除油舱外，其他液体注入口均应焊接防击板。加热盘管设计时蒸汽入口尽量在出口附近，有低位报警时，加热盘管安装在低位报警器下方。一般情况下加热盘管进出口要设置在同一水平线上。加热盘管制成需要考虑管子膨胀，需要在长直管上做支撑，避免弯曲变形[9]。装载热质箱柜的同时还要考虑避免周围散失热量和人员烫伤，应包扎绝缘保护[10]。同时为了方便箱柜上方焊接物，测深人孔及液位计等检查，在柜子上设置直梯踏步及扶手，箱柜起吊需要设置吊耳，吊耳选择一般为每个吊耳能单独吊起整个箱柜，吊耳以安装在箱柜顶部4个角为基准，尽量和下方箱柜板材对筋布置。为了避免箱柜在使用过程中产生变形，需要在柜子内部或外部增加加强筋，加强筋板考虑间距700 mm作用增加，同时加强筋要避开箱柜上的附件，无法避开的可以在箱柜附件处断开，但要保证加强的功能性。箱柜做好后，需要做水压试验，以保证正常使用[11]。

独立箱柜单元化设计，保证了工序的整体性及结构的完整性，大大降低了制作过程中人员的协调及工作周期，将专业间的协调在设计过程中消化掉，将工序前移，降低了现场制作的人工成本及时间成本，提高了工作效率，同时也提高了生产质量。

3 结语

单元化是现代船舶舾装设计、建造的发展趋势，本次研究中通过开展机舱独立箱柜的单元化技术研究，重点对单元化设计一般流程及关键技术进行分析。单元化设计思想对于减少我国造船技术与国外的差距，提升自主造船能力十分必要。舾装单元化势在必行，并已在多方面显示了广阔的发展前景和强大的生命力。