在设计和建造过程中控制船体钢材重量探讨

陈政 刘亚 李辉 黄德燕 王肖

摘    要：在船舶建造过程中，材料管理是一项非常重要的工作，它影响着船舶建造的流畅性及生产负荷的合理性。本文旨在研究船体设计和建造过程钢材控制要点，以及全流程、系统性的钢材管控方法，实现减少船体钢材订货规格和数量，减少钢材库存量，提高板材和型材的套料利用率，从而降低钢板采购以及集配难度，缩短订货周期，达到降本增效的目的。

关键词：材料；规格；订货；利用率

中图分类号：U668.2                                文献标识码：A

Discussion on Control of Hull Material Weight in

Design and Construction Process

CHEN Zheng，  LIU Ya，  LI Hui，  HUANG Deyan，  WANG Xiao

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，  Guangzhou 510715 ）

Abstract： In the process of ship construction ， the material management is a very important work， which affects the smooth ship construction and the rationality of production load. The purpose of this paper is to study the design and construction material control points， comb the whole process， the systematic material control method， the reduction of hull material order specification and quantity， reduce steel inventories ， improving the utilization ratio of plate and profiles of nesting， thereby reducing steel procurement and centralized distribution difficulty， and shorten the ordering cycle， and  achieve the goal of reducing cost and incresing efficiency.

Key words： material;  specification;  order;  utilization rate

1     前言

船舶設计和建造是一个错综复杂的系统工程，而船体设计是这个系统工程的基础。一艘船有几十个甚至数百个分段，每个分段都包含板材、型材以及管材。一般情况下，钢材成本占船舶建造总成本20%左右，通过船体钢材订货和生产设计采用钢材管控措施显得尤为重要。

2     船体钢材订货

2.1   船用钢材

船用钢材，是指按照船级社建造规范要求用于制造船体结构的钢材。船用钢材对强度、塑性、韧性、抗脆性、耐疲劳、耐海水腐蚀性能以及其它特殊性能有一定的要求，同时还应有良好加工工艺性能。其中，屈服强度是船用钢材主要性能指标，通常以此作为船体强度计算的依据。船用钢材按照其最小屈服强度，划分为一般强度结构钢；高强度结构钢；焊接结构用高强度钢：

（1）一般强度船体结构钢

分为A、B、D、E  四个等级，这四个等级的钢材屈服强度和抗拉强度一样，只是不同温度的冲击功不一样；A、B、D、E分别表示其分别在20°、0°、-20°、-40°的情况下所能达到的冲击韧性；

（2）高强度船体结构钢

按其最小屈服强度划分强度等级，每一强度等级又按其冲击韧性不同分为A、D、E、F 四个等级，表示其分别在0°、-20°、-40°、-60°的情况下所能达到的冲击韧性；

（3）焊接结构用高强度钢

按其最小屈服强度划分强度等级。

按船东需求，订购不同国家规范的船用钢材。目前国际船级社协会有12个正式会员，其规范如下：

中国           CCS

美国           ABS

法国           BV

挪威           DNV

日本           NK

英国           LR

韩国           KR

意大利       RINA

俄罗斯       RS

印度            IRS

波兰            PRS

克罗地亚   CRS

船用钢材，主要分为钢板、型材、管材三种：型材主要包括球扁钢、角钢、圆钢、半圆钢、方钢；管材主要包括圆管、方管两种。

2.2   船体钢材订货流程

根据钢厂排产以及生产管理部门的要求，设计部门需在开工前120天下发钢材订货清单。钢材是根据搭载总组的先后顺序分区域订货，考虑生产、仓库集配方面的因素，订货批次以3～8批为宜；首制船订货是依据基本结构图、区域结构图以及各类结构加强图等详设图纸，再结合船厂的分段及总段划分图、精度布置图，最后再根据主板板缝划分图，通过三维软件建模，将建模零件通过不同形式进行预套料，根据预套料情况制定订货清单；考虑钢厂生产规格及加价政策、超宽板运输限制等因素，对超规钢板需额外注意；另外，后续船是根据上一条船的定额清单进行订货，如果后续船与前一条船订货相隔时间比较短时，一般后续船沿用上一条船的订货清单。依据目前订货流程，可按照以下几点对订货成本进行控制：

2.2.1起订量

国内钢厂生产的船用钢板，一般宽度≥1.6 m、长度≥6 m。船用钢板订货宽度和长度上限主要取决于各船厂的预处理能力，以中船黄埔文冲龙穴厂区为例，其预处理钢板长度≤16 m、宽度≤4 m，所以该厂区的钢板订货范围长度为6 m～16 m，宽度1.6 m～4 m；对于同厚度同材质的钢板，如果需求较少达不到起订标准（如宽度≤1.6 m、长度≤6 m），可考虑多船合订或者将相近材质规格的钢板合并一起订货。以中船黄埔文冲建造的85 000 DWT散货船首制船为例，其221分段实际需要钢板27.5x2600x4200 AH36 1张，如果直接订货的话实际来货27.5x2600x6000 AH36 1张，这样一条船实际订货相差1.01 t；如果采用两船合订的方法，直接订27.5x2600x8400 AH36 1张，则没有订货损失。

2.2.2薄板订货

对于厚度≤8 mm的薄板，板越宽轧废率越高。以鞍钢为例，6 mm薄板的轧制成功率约60%，8 mm薄板轧制成功率＞90%；此外，薄板在运输和吊装中极易变形，所以薄板宽度不宜>3 m、长度不宜>12.5 m。各大钢厂厚度≤8 mm的薄板，若宽度>2.2 m单价会有较大涨幅，所以厚度≤8 mm薄板的优选板宽≥1.6 m；对于内围壁、内构件等结构，为了将板宽控制在优选板宽范围，可优化板缝，虽然增加了焊缝，但是减少了订货价格，缩短了订货周期；对于外围壁，因为考虑到整体外观美观，可不做此要求，但板宽也需尽量控制在3 m以内。

2.2.3订货裕度

为了保证订货清单的准确性，一般需设置订货裕度。对于系列船，其首制船钢板可按板厚设置不超过5%的訂货裕度，型材订货可加放约10%～15%的订货裕度，以保证连续生产；对于无后续船的产品，钢板订货裕度不超过3%，型材可按高强钢加放8%～10%的订货裕度，普通钢则加放3%～6%的订货裕度。

2.2.4起吊能力

钢板订货需要考虑钢厂和船厂的钢板吊车起吊能力，例如中船黄埔文冲龙穴厂区吊车起吊能力最大为20 t，因而订货钢板单张尽量不要超过20 t。

2.2.5 订货清单数据管理

钢材订货清单按船号分开订货，即便是系列船也要分开订货，这样既能为后续的套料优化提供空间，又便于单船的成本核算；但对于腹板高度≥430 mm的球扁钢、板材厚度超过60 mm的钢板，因其起轧重量和轧制要求高，钢厂生产周期较长，为了保证船厂生产周期，可考虑采购多船的量，并做好纪录跟踪与闭环管理。

2.2.6库存平衡

物资部在匹配平衡时需要灵活应变，首先保证材质一致，然后保证规格厚度一致，钢板长和宽均要满足订货清单上的原板规格，需要转级或替代的钢材要知会船东、船检和项目主管，做好库存钢材发放使用，减少库存，降低生产成本。

2.2.7 型材订货

为防止在吊运和运输中过程变形 ，腹板高度<180 mm的型材，订货时长度每根不超过14 m；钢厂生产型材长度通常为整数，为了减少订货成本和规格，型材订货时以整米数计算，一般球扁钢、角钢单根长度在6～16 m，管材单根长度在6～12 m，圆钢、半圆钢、方钢因极易变形，单根长度以6 m为宜。

2.2.8运输方式

钢板的运输主要是汽车运输和船舶运输，目前汽车运输单价约550元/ 吨，船舶运输单价约330元/ 吨；汽车运输到货时间2～5天，船舶运输到货时间10～15天。根据超限运输车辆行驶公路管理规定，对于宽度超过3300 mm的钢板无法实行汽运，只能选择船运；一般钢厂对于钢板订货需要达到一定量才能船运，对于订货周期紧张的加急清单或总量不足的清单需汽运，必须限制板宽不超过3 300 mm。

2.2.9后续船优化

后续船订货相对于首制船需进行优化，根据首制船实际建造情况对板缝和余料加以优化以增加套料利用率，余料使用可以允许少量厚度代用，原则上只允许厚代薄（厚度相差2 mm以内）、高等级代低等级，余料代用需在套料册上标注清楚；对于同一批次进行切割分段的小零件，可考虑混合套料，减少分段余料的产生，进一步提高套料利用率。

2.3   套料优化

钢材是建造船舶的主要材料，想要降低钢材成本，材料的充分利用十分关键，因此提高零件套料利用率及合理性，拥有一款先进的套料软件显得极为重要。但目前市面上自动套料软件都存在一些不足之处，例如产生的余料偏多、板规选择不够智能、套料软件的二次开发程度和套料水平还需进一步提高、套料利用率还有提升空间。基于此，需要采取相应措施，提高套料利用率。

2.3.1 详设图纸优化

在详细设计阶段，生产设计主管提前与详细设计主管沟通，在满足规范要求情况下尽量选择厚度较薄的高强度等级板。以中船黄埔文冲建造12 000 DWT散货船为例，其货舱中部舷侧外板，按规范要求和强度计算结果选择21.5 mm AH32和19.5 mm AH36两种规格均可，整个区域涉及有680 m2，以订货钢板单价19.5 mm AH36 为5 630元/ 吨、21.5 mm AH32为5 530 元/吨计算，两者差价= 48 219元。相比而言，选择薄的钢板强度会减弱，但整体材料价格会相对降低，并且整体结构重量减轻，增加船舶建造效益。

2.3.2 灵活建模

如果预套料阶段给生产设计建模的时间比较紧，为了减少建模时间，应尽早发布订货清单，明确余量、焊接收缩量和板缝信息，以利于加快完成分段建模，为轮机和舾装、电气专业提供设计基础，同时反馈基本结构图存在的问题并予以完善，这样预套料结果就更加准确，从而减少材料订货成本。

2.3.3钢板规格优选

船厂可基于预处理能力、运输方式、钢厂起订标准、加价原则制定一个钢板优选规格（见表1），以便主板排板、选择板规预套料作为参照。各钢厂加价原则略有不同，生产设计阶段在划分主板排板缝时，在不增加板缝和加价的情况下，优先考虑优选板宽；在不加价和不降低利用率的前提下，选用规格的时候尽量选择长板和宽板。这样可以降低整体的钢板数量，缩短钢板生产周期；同一板厚同一材质，尽量采用相同规格板，以减少订货规格和方便施工；如果确实无法保证长度一致，可尽量保证宽度方向一致，采用同一宽度不同长度的设计可提高钢厂的钢坯利用率，减少交货周期，实现双赢。

2.3.4套料方式选择

目前有三种常用的套料方式：大分区混套、单段套料、小单元套料。

（1）大分區混套

以大分区混套为主，即同区域内互补性强的、板厚材质近似的4～8个分段进行混合套料；

（2）单段套料

对于个别分段因协调复杂或图纸退审迟的，实施单段套料；以单分段套料为主，特殊板厚或稀有材质的则进行组合混套；

（3）小单元套料

相邻分段或零件互补性强的2～3个段进行混套。在预套料之前，根据图纸退审和生产设计、生产建造计划现场施工情况，确认分段的套料方式。

一般来讲，大分区混套，设计利用率相对其他两种套料方式有所提高，订货规格也会减少；缺点是理料难度大，一个分段图纸延误会导致整个套料组合下料图的延误，灵活性差，对于修改比较密集的分段不太适合；单段套料，分段单套出图灵活性强，独立性高，施工理料方便，但相对而言利用率偏低，余料较多；小单元套料，套料方式介于大分区混套和单段套料之间，利用率较高，出图相对灵活，但板材规格和余料还是偏多。

2.3.5明确套料零件

分段零件，主要有整板和内构件两类：

（1）整板一般是甲板、外板、壁板，尺寸由前期排板图划分决定；

（2）内构件大致可分为大型同类结构（如平直T排、肋板、隔板等）及其它不规则和小型结构。在套料时，为了保证单张套料卡号的利用率，一般整板零件单套不要与内构件混套，但是有其它少量整板零件套料达不到起订标准时需要与内构件混套，使其满足订货规格；同批次订货的分段，套内构件中的小型结构（风道、肘板、小肋板、小壁板等），按照优选板规统一规格进行预套料订货，这样可以减少订货规格，增进钢厂的排产效率，减少钢板生产周期。

2.3.6 板缝优化

对于大开孔较多的结构件，可适当增加板缝。建模人员可根据实际情况在满足规范要求的情况下适当增加板缝，以提高材料利用率，例如上建驾驶室等门窗开孔较多的分段。

实船案例：某散货船7字型零件增加板缝处理，通过比较图2和图1，发现利用率提升不少。

2.3.7设定材料主管

单船材料主管对各分段套料后的板规进行统筹整合，对各分段的预套料结果审核。对于利用率不达标的需重新套料优化，对套料不合理的分段进行调整，对余料较多的不同分段调整为共用整板，提前管控好余料的二次使用，减少订货数量。

2.3.8增加工装件套料

在套料板的不规则边角料中套入标准的工装件，如卡码、引熄弧板、焊接试板和其它舾装通用件，现场部门不再单独使用整板和大块余料去制作这些工装件。

2.3.9强化余料库管理

切割产生余料及时入库、同步更新台账，实现余料库在作业区、物资部、设计部信息共享。当套料存在多个分段共用一张板时，需按生产切割顺序优化分段余料调用顺序，这样既保证生产连续性又提高了材料利用率。

3     结束语

船用钢材是造船生产中最主要的原材料，想要降低钢材成本，势必要控制钢材订货成本和提高钢材利用率，其技术质量直接关系到船舶的性能水平和市场竞争力。通过以上控制要点实施，船体在建造和设计过程中船用钢材订货更加快捷准确，套料的效率和利用率有了较大的提升，为船企建立产品成本优势，提高企业的市场竞争力打下坚实的基础。

参考文献

[1]中国船级社.材料与焊接规范[S].北京：人民交通出版社，2015.