船舶结构设计中的绿色制造工艺探索

柴建华

（黄海造船有限公司，山东 威海 264309）

0 引言

全球化经济格局的形成促进了国际贸易的繁荣发展，造船业与航运业作为国际贸易交通运输环节的重要产业，其能源消耗问题与环境污染问题受到越来越广泛的重视。在当前能源日益紧缺、污染不断加剧的生态环境中，只有将绿色制造工艺融入到船舶结构设计中，才能降低船舶运行期间的燃油消耗量，减少船舶的污染物排放，避免对大气、水源造成严重污染。在绿色制造工艺的应用过程中，技术人员需要结合船舶的运行要求与原有结构功能进行设计，在提高船舶航速、稳定性等整体性能的基础上，使船舶能够在低能耗与低排放状态下运行。

1 绿色船舶的主要概念及具体特征

1.1 绿色船舶的主要概念

与传统的船舶结构性能不同，绿色船舶的设计制造理念符合能源短缺、污染加剧的生态形势背景下的节能减排与绿色环保要求，在船舶的设计、生产、制造、运行、回收等环节融入绿色环保思想，以降低船舶生产制造与运行过程中的能源消耗量，提高船舶运行能效，降低船舶所产生的固、液、气等多种形式的排放物含量，避免大量排放物污染空气和水源，干扰船舶发动机等内部设施，危害船舶的质量性能与使用寿命，影响船舶的正常运行。绿色船舶是一类复杂系统，涉及不同的流程工序，需要在船体结构、涂装材料、焊接工艺、排放处理等多个环节融入绿色环保理念与绿色制造工艺，实现船舶整体绿色环保性能的提升。

1.2 绿色船舶的具体特征

与传统船舶形式相比，绿色船舶在设计生产制造过程中对工艺技术提出更高的要求，在船体结构设计制造环节、焊接作业环节、涂装施工环节等多个项目中，通常会使用国内外较为先进的工艺技术，更贴近船舶制造业的前沿科技水准，以对传统船舶形式中的船体结构、发动机结构、燃油利用模式、涂装材料等进行优化改进，使之具备更高的质量性能，提高能源利用率，降低污染物排放，更高效、更安全地应用到水上交通运输过程中，各种优势使绿色船舶相关技术在船舶制造市场中得以推广应用[1]。

除去工艺技术方面的先进性特点，绿色船舶还需具备合理的成本价值，在设计生产制造过程中需要综合考虑多个维度，在充分满足实用性能需求、绿色环保标准的同时，能够将生产成本降低至合理水平，避免因先进技术与生产材料设备的引入而增加绿色船舶的生产制造成本，使船舶生产厂家难以获得较高的经济收益。

此外，在绿色船舶的设计生产制造过程中，技术人员还需要结合船舶的使用地点与使用目的对船舶进行合理改造，在船舶使用寿命最终期限前的各个阶段对船舶进行优化调整，使之能够与运行期间的周边环境保持协调融合，提升环境协调性。

2 船舶结构设计中绿色制造工艺的应用思路

2.1 使用绿色材料

在进行绿色船舶设计时，技术人员可以使用具有绿色环保性能的施工材料开展生产制造。一方面，涂装材料在船舶运行期间会与水体环境以及人体皮肤相接触，倘若涂装材料含有较多的有害成分，这些成分就有可能扩散到水体中，对水源造成污染，并会通过人体呼吸系统或人体的皮肤进入人体内部，对船舶驾驶人员的生命健康造成损害。为此，需要使用不含有害物质或有害物质含量较少的涂装材料进行船舶涂装加工。另一方面，焊接材料中含有高温下易挥发的助焊剂物质，对大气环境造成污染，需要使用低烟低毒的焊接材料进行加工。此外，绝缘材料如玻璃棉、矿棉等属于难降解物质，会造成土地污染，应尽可能通过可降解的绿色环保绝缘材料代替[2]。

2.2 优化船体结构

船舶的整体结构会影响船舶在水中运行期间的受力分布，倘若船体结构设计不够合理，船舶在前进过程中就会受到较大的水体阻力，消耗更多的燃油来为发动机提供更高的动力，这一过程会增加船舶运行能耗，产生更多的污染物排放。为解决这一问题，需要在绿色船舶设计生产制造过程中加大对船体结构的优化力度，合理配置其尺寸大小、吃水深度、载荷重量、船体线形、船头构造等，使船舶能够在保证平稳运行的基础上受到更小的水体阻力，减少发动机所承担的运行压力，从而达到节能减排的目标。

2.3 改进推进系统

船舶推进系统需要消耗大量能源，绿色船舶的设计重点也应落脚于船舶推进系统的改造上，相关技术人员需要结合船舶类型、结构特征以及功能用途设计合理的船舶推进系统优化方案，如使用重量与功率比值较小的推进系统作为浅水快船的动力来源，使用柴-燃-点联合推进系统作为客船的动力来源，并起到降低运行噪音的效果，提升船舶的运行舒适度[2]。此外，技术人员还需要对推进系统进行优化改造，以便提升燃油利用率与主机效率，选择更符合节能环保目标的发电设备与螺旋桨设备等。

2.4 完善节能体系

在绿色船舶设计中，技术人员需要将节约能源的绿色环保理念应用至生产制造的各个环节，例如，使用风能、水能等可再生自然能源为船舶运行提供动力；对发动机结构进行改造以提升燃油利用率，并对燃油回收再利用，避免在燃油消耗过程中产生过多浪费；合理控制船舶运行速度以降低发动机的能源消耗量与排放量。此外，技术人员还应对废旧船舶进行回收利用，修复废弃船舶中具有利用价值的破损失效零件，将其合理应用至新型绿色船舶的生产制造过程中。

2.5 增强系统设计

在绿色船舶的设计生产制造过程中，相关技术人员需要提高船舶系统设计的标准化程度，在船舶材料构件与零部件的选择上采用行业标准规定的型号尺寸，避免零件损毁失效时发生难以找到可替换零件的情况，造成船舶材料的损失浪费。通过标准化设计，绿色船舶制造技术能够将标准化零件衔接组合，大大提高船舶的生产制造效率，降低生产制造成本，使材料资源得到充分利用，达到绿色环保目标[3]。

3 船舶结构设计中绿色制造工艺的应用策略

3.1 轻量化绿色设计工艺

为提升绿色船舶的质量性能，实现节能减排目标，相关技术人员需要对船舶进行轻量化绿色设计，让船舶的整体结构能够满足节能减排目标下的发动机运行需求。在这过程中，技术人员需要关注船舶生产制造所使用的材料类型，尤其在对船舶内室进行设计制造时，选择无害无污染的绿色绝缘材料，避免有害物质挥发，损害船舶驾驶人员健康。在船体结构的设计制造过程中，技术人员需要选择高强度钢材料作为船舶的骨架结构，利用高强度钢的轻质以及力学性能优点来降低船体结构的总体重量，减少船舶生产制造过程中的资源浪费，降低船舶在运行过程中所受到的水体阻力，减少船舶推进系统负担，避免运行期间产生过多能耗与污染物排放，提升运行稳定性与安全性[4]。

3.2 工艺模拟制造技术

船舶水火弯板的生产制造过程涉及加热加工工艺，在传统的船舶生产制造流程中，通常先进行技术实验，再模拟生产制造过程，以确定最终的生产参数，不仅难以准确把控船舶水火弯板的生产参数，还会造成资源浪费，违背了绿色环保目标。为此，技术人员需要采用工艺模拟制造技术来完成水火弯板的生产制造过程，在生产水火弯板之前，先根据船舶三维立体模型的实验模拟结果明确不同零部件的具体生产参数，再以生产参数作为指导开展工作，以提高生产精度，增强船舶整体结构的质量性能，避免资源浪费，减少生产制造过程中的污染排放。

3.3 数字化精度造船技术

在传统的船舶生产制造过程中，各类构件的制作过程多采用人工生产模式，构件在形状尺寸上可能会与船舶设计图纸的标注内容产生较大误差，导致船舶整体精度不足，影响其质量性能，还会因返工重修造成资源浪费，增加生产制造成本，影响船舶生产厂家的经济效益。为解决这一问题，需要向船舶制造产业中引入数字化造船技术，将设计图纸中标注的构件尺寸参数录入计算机系统，利用机械设备对材料构件进行切割处理，使之尺寸型号精密匹配设计图纸，尽可能降低误差，提升船舶结构的整体精度，并通过计算机系统的智能化计算模型来减少船舶生产制造过程中所产生的资源浪费，避免因多次返工造成严重污染，实现节能环保目标[5]。

3.4 绿色加工工艺

在对船舶各类构件进行加工处理时，可以使用净成型加工技术来达成绿色环保目标，其主要原理是将原材料直接加工为设计图纸所要求的形状尺寸，一步成型，减去传统船舶构件加工工艺中复杂的中间环节，简化构件制备流程，减少材料浪费以及中间生产流程中排放的污染物含量，降低生产设备成本与运输成本。此外，技术人员还可以使用干式加工技术来生产船舶构件，在切削材料过程中使用更少的冷却液，甚至不使用冷却液，减少资源浪费、污染物排放，从而达成节能减排目标。

3.5 绿色焊接工艺

现阶段的船体结构多使用高性能的轻质钢材料，在对各类钢制构件进行安装连接时通常会使用焊接工艺，而传统的焊接工艺消耗较多能源物质，助焊剂还会在高温状态下挥发，使大量有害物质扩散到空气中，对大气环境造成污染。为解决这一问题，同时贯彻绿色环保理念，可使用绿色焊接工艺取代传统的焊接技术。在优化改进焊接工艺时：1）要注意对焊接电源的选择，确保新型焊接电源比传统电源拥有更为稳定的输出，且具有较高的能源转化效率，能够在较少的能源物质消耗状态下为焊接过程提供更多的电力能源，避免造成过多的能源浪费，技术人员还需要将数字化信息技术与焊接电源相融合，使焊接施工人员能够借助仪表盘读取电源电压数值，并通过调整电源电压控制焊接温度，提升焊接工艺的精准度，减少资源浪费。2）注意焊接设备的选择，技术人员需要根据船舶构件材料的不同性能特征以及具体焊接要求更换不同的焊接设备，在选择电焊机时不仅要对其焊接质量进行评估，还要综合考虑焊机运行期间的能量消耗特点以及污染物排放情况，保障焊接设备的绿色环保性能[6]。3）在对焊接工艺进行选择时，技术人员需要结合构件材料特点与具体加工目标制定合理的焊接方案，尽可能简化工艺流程，避免因环节过多、工序复杂而造成大量资源浪费情况，给船舶焊接工艺流程带来严重的能耗问题与污染问题，影响绿色环保理念在船舶制造产业中的贯彻落实。

3.6 绿色涂装工艺

在船舶设计生产制造过程中，涂装的选择对其绿色环保性能有着重要影响，涂装材料决定船舶的外观形态以及船体结构的稳定性，因长期浸没于水体中，涂装材料分子一定程度上扩散至水体内部，倘若涂装含有有害物质，会对水体造成严重污染。为此，技术人员在选择船舶涂装材料时，可以以厚膜型涂料与万能型底漆进行施工，确保涂装材料无过多有害物质，避免对水体以及人体健康造成严重影响。此外，在涂装施工过程中，技术人员需要采用工序合理、流程简单的涂装工艺，避免过于复杂的操作步骤带来较大的施工难度，增加其施工成本，产生较多不必要的资源浪费，给生态环境带来较大负担。zz

4 结语

国际贸易的繁荣和水上交通运输体系的完善使得船舶制造产业的重要性不断凸显，绿色船舶正是基于能源短缺、污染严重的生态形势背景下诞生的船舶制造理念，旨在提升船舶的整体性能，降低船舶运行期间的能耗与排放量。在设计绿色船舶结构时，不仅需要对其船体结构进行整合设计，使用绿色涂装、焊接、绝缘等材料来提升船舶整体的环保性能，还要融合节能减排技术以降低其能耗污染，制造技术人员需要在船体加工、焊接、涂装等工程环节融入绿色制造工艺，提升船舶的绿色环保性能。