方學(xué)華,李祖發(fā),王世利,王宏明

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船舶在海洋中航行時(shí),往往會(huì)受到風(fēng)浪沖擊,其中船首、船尾受風(fēng)浪沖擊的可能性較大。舷墻通常高度約1 m,主要作用是船舶在風(fēng)浪天氣中航行時(shí)預(yù)防或減少甲板上浪,保障人員安全,防止甲板上的物品落入水中,提升船舶和人員的安全性。舷墻[1]屬于防護(hù)型結(jié)構(gòu),由外板、加強(qiáng)筋板、肘板和扶手等組成,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足自身強(qiáng)度即可,一般不參與船體總縱強(qiáng)度計(jì)算。為了減輕船舶自身重量,船舯也可以采用欄桿、玻璃幕墻和新型復(fù)合材料等形式;鋼制舷墻通常選用低合金高強(qiáng)度鋼提升耐腐蝕性。隨著船舶建造技術(shù)快速發(fā)展和滿足客戶多元化需求,舷墻使用性能有焊接固定式、活動(dòng)式,還有隱身式等,鋼制舷墻為最常見。

在建首制國產(chǎn)VISTA級(jí)13.55萬t大型郵輪可容納5 000多名游客[2],外形美觀大氣,船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,共有15層甲板,每層甲板邊緣都有舷墻作為安全屏障,游客可以停留在甲板通道上吹海風(fēng)、看風(fēng)景,享受郵輪帶來的樂趣。相比其他民用船舶,大型郵輪舷墻不僅數(shù)量多,其獨(dú)特的設(shè)計(jì)融入了建筑學(xué)、美學(xué)概念,外觀線型優(yōu)美奇特,是郵輪重要的外觀工程之一。VISTA級(jí)大型郵輪見圖1。

圖1 VISTA級(jí)大型郵輪

1 國內(nèi)外舷墻建造技術(shù)

1.1 國內(nèi)外舷墻分段建造方案

大多數(shù)民用船舶甲板層數(shù)少,舷墻數(shù)量少、結(jié)構(gòu)單一,建造工藝技術(shù)成熟。從線型上看,舷墻分為平直型和曲線型兩種類型,平直型位于船體中間部位,曲線型位于船體艏艉兩端。平直型舷墻建造簡單,在平整的工位或胎架上建造。艏艉舷墻線型復(fù)雜,建造難度較大,目前國內(nèi)外各大船廠通常采用散裝法、臥態(tài)建造法或整體建造法建造,每種工藝各具特色,既可獨(dú)立應(yīng)用,也可同步應(yīng)用。散裝法屬于傳統(tǒng)建造工藝,主要應(yīng)用于中小船舶或復(fù)雜線型,將舷墻零部件在總段上直接安裝、散貼外板,線型可控,但施工效率不高;隨著現(xiàn)代造船技術(shù)快速進(jìn)步,散裝法工藝相對(duì)應(yīng)用較少。整體建造法和臥態(tài)建造法主要不同點(diǎn)在于整體建造與分開建造,其次胎架場地和基準(zhǔn)面選擇不同;共同點(diǎn)是將高空作業(yè)轉(zhuǎn)化為平地作業(yè),從而提升施工效率和安全性,整體建造法常用于精度要求較高的產(chǎn)品。臥態(tài)建造法是國內(nèi)外各大船廠應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的建造方案。

臥態(tài)建造法是將整層舷墻劃分為若干個(gè)片段,每個(gè)片段在單獨(dú)的胎架上建造,再到相應(yīng)的分段上進(jìn)行總組合攏,最終串聯(lián)形成整體。胎架以外板為基準(zhǔn)面,采用支柱式胎架,增加模板控制線型;優(yōu)點(diǎn)是所需場地小,制作效率高,適用于各種船型的舷墻建造。

整體建造法是將整層舷墻劃分為數(shù)個(gè)片段,并且在同一個(gè)胎架上整體正態(tài)建造,合攏口預(yù)留待焊區(qū),再與相應(yīng)的分段總組成型;該工藝胎架制作簡單,以甲板結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),實(shí)質(zhì)是按照1∶1實(shí)物模擬建造,將高空作業(yè)轉(zhuǎn)化為平地作業(yè),優(yōu)點(diǎn)是將同一層舷墻的多個(gè)片段在同一個(gè)胎架上并列建造,有利于控制整體線型和精度,有利于生產(chǎn)管理并節(jié)約建造周期,適用于精度要求較高的船舶制造。

1.2 大型郵輪舷墻建造方案

大型郵輪舷墻與其他民用船舶完全不同,不僅在數(shù)量上有很大差異,尤其是建造難度前所未有。

大型郵輪舷墻數(shù)量多,艉部有30多個(gè)片段,艏部有70多個(gè)片段,共計(jì)100多個(gè)片段組成,全船舷墻總長度近700 m,總共涉及15層甲板。我國造船行業(yè)首次大批量建造舷墻,數(shù)量之多,建造難度之大,創(chuàng)下了單一船型之最。

大型郵輪建造工藝技術(shù)十分復(fù)雜,包括舷墻建造技術(shù)[3]。大型郵輪舷墻外板造型獨(dú)特,最小寬度僅有0.7 m,最大寬度達(dá)到4.5 m,是普通民船4倍左右。通過三維建模,將每層舷墻劃分為6～8個(gè)片段,采用臥態(tài)建造法,根據(jù)各區(qū)域場地資源分別獨(dú)立建造,極大地提高場地周轉(zhuǎn)效率,從而有效保證生產(chǎn)計(jì)劃。另外,還將艉部舷墻與分段合并建造,不僅有利于縮短建造周期,也有利于舷墻線型和精度控制。

首先,大型郵輪舷墻是獨(dú)特的外挑式造型,每層舷墻結(jié)構(gòu)跨越甲板上下,與甲板呈斜面和小角度,施工難度大;其次,舷墻數(shù)量多,總組吊裝過程易發(fā)生變形,8 mm曲型外板變形矯正難度大;第三,高空作業(yè)多,例如第15層甲板距離地面高達(dá)52 m。這些都是大型郵輪舷墻與民船建造的典型差異。為了提高施工效率和安全性,借鑒國外郵輪建造經(jīng)驗(yàn),將國產(chǎn)首制大型郵輪艏部舷墻分解轉(zhuǎn)化為地面總組作業(yè),分別安裝在4個(gè)總段上,推進(jìn)總段結(jié)構(gòu)和涂裝的完整性,目標(biāo)是支持船塢連續(xù)搭載,提升船塢階段施工效率。

2 首制大型郵輪舷墻建造工藝技術(shù)

大型郵輪舷墻數(shù)量多,是郵輪建造重要的外觀工程,由于薄板容易變形,工藝流程要緊密圍繞變形控制和提升外觀美觀性為核心開展,明確各工序精度要求和控制點(diǎn)。

2.1 加工技術(shù)

2.1.1 預(yù)處理

為了預(yù)防和減小薄板變形,8 mm以下薄板在預(yù)處理階段進(jìn)行滾壓校平,鋼板在多芯滾床上進(jìn)行二次滾壓校平,平整度控制在0.5 mm/m以內(nèi),充分釋放鋼板的內(nèi)應(yīng)力,保證鋼板的平整度。

2.1.2 切割精度

切割工作主要包括大量的外板和1 800 m加強(qiáng)筋板下料,外板板厚8 mm,筋板寬度僅有80～120 mm。切割變形控制是難點(diǎn)之一。經(jīng)過多次試驗(yàn),采用激光切割機(jī)和等離子切割機(jī)下料,切割精度控制到0.5～1.0 mm,為下階段精度和變形控制打下良好的基礎(chǔ)。

2.1.3 外板加工

大型郵輪舷墻外板加工有三大難點(diǎn):一是外板數(shù)量多,共有500多塊外板需要加工;二是線型復(fù)雜,艏艉線型不同,每層線型不同,每個(gè)肋位的弧度也不同,需要耗費(fèi)大量的加工樣板、周期、動(dòng)能和人工等成本;三是外板弧度大,大多數(shù)外板屬于雙曲線型,并且扭曲度與捩勢較大。

根據(jù)船體曲板加工工藝,雙曲線型外板通常采用冷加工和水火彎板工藝相結(jié)合加工成型。大型郵輪舷墻外板厚度僅有8 mm,據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況,采用水火彎板工藝加工成型,外板表面會(huì)有遺留的火工痕跡,影響外觀質(zhì)量效果。為了提升舷墻外觀的美觀度,采用三芯滾床一次滾壓成型技術(shù),加工過程多次調(diào)整加工軸線和油壓機(jī)滾壓參數(shù),最終解決了舷墻外板加工技術(shù)難題。

2.2 分段建造

2.2.1 胎架

首制大型郵輪舷墻分段采用以外板為基面臥態(tài)工藝建造,分別應(yīng)用活絡(luò)胎架、角鋼支柱式胎架,并增加模板控制線型,劃出地樣線、檢驗(yàn)線,外板四周與胎架之間采用卡碼固定控制自由邊變形。

2.2.2 精度控制

外板鋪板定位后,需要進(jìn)行二次劃線,確保結(jié)構(gòu)的安裝精度,采用樣板、水平儀等檢測過程定位精度,采用全站儀測量和模擬分析,修正精度偏差。

2.2.3 焊接技術(shù)

薄板焊接包括拼板和角焊縫。薄板埋弧是焊接技術(shù)難點(diǎn)之一,焊縫容易出現(xiàn)密集氣孔和未焊透等缺陷[4]。分析認(rèn)為,焊接缺陷的根本問題在于薄板下料過程切割端面有殘留氧化物和氮化物,其中氮化物是影響焊接質(zhì)量的主要因素。通過制定薄板焊接工藝指導(dǎo)生產(chǎn),組織焊工培訓(xùn)提升技能,控制焊接參數(shù),焊縫質(zhì)量滿足要求。焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)(單層,焊絲φ 1.0 mm)

2.3 總組建造

總組建造是首制大型郵輪舷墻建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié),如何做好舷墻外板線型和平整度控制,是總組建造的關(guān)鍵控制點(diǎn)。施工過程需要預(yù)防吊裝變形,解決總組裝配技術(shù),克服小角度空間限制,分析舷墻變形控制與火工矯正技術(shù),確保郵輪外觀線型的美觀性。

2.3.1 吊裝變形

大型郵輪舷墻分段整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱,外板寬度大且弧度大,肘板數(shù)量少,肘板間距是普通民船的3～5倍,吊裝變形控制難度較大,后續(xù)船需要優(yōu)化吊裝方案。

2.3.2 總組裝配

按照郵輪建造工藝流程,艏部舷墻在總組階段進(jìn)行總組安裝,包括第4～15層甲板舷墻,分布在艏部4個(gè)總段上?？偨M裝配定位控制舷墻高度和甲板水平,依次裝配外板與甲板的角接縫,最后裝配甲板上、下肘板。在總組階段需要克服小空間施工的困難,保證裝配質(zhì)量,提升舷墻外觀的美觀度。

艏部第8層甲板舷墻結(jié)構(gòu)特殊,外板弧度大,支撐肘板與甲板結(jié)構(gòu)不對(duì)正,安裝在甲板軟檔,角度是以甲板內(nèi)側(cè)為圓心呈放射型。由于甲板軟檔有波浪變形,導(dǎo)致該層舷墻裝配困難。后對(duì)該層舷墻采用散裝法工藝,提升了施工效率和質(zhì)量。

2.3.3 矯正技術(shù)

大型郵輪舷墻薄板焊接和吊裝等多種應(yīng)力疊加變形復(fù)雜,一根根筋板彎曲變形,每塊超寬造型板都有復(fù)雜變形,如何將彎曲的筋板調(diào)平直,如何矯正8 mm曲型外板變形,需要深入探討舷墻矯正技術(shù)規(guī)律。

火工矯正是大型郵輪舷墻建造的關(guān)鍵技術(shù),也是舷墻建造的難點(diǎn)之一。首先需要分析舷墻矯正技術(shù),形成一套可行的工藝方案,組織火工培訓(xùn),并在技師指導(dǎo)下進(jìn)行施工;其次,開發(fā)制作舷墻輔助矯正工裝,改善現(xiàn)場施工條件,提升施工質(zhì)量和效率;第三,根據(jù)船體火工原理[5],采用整體矯正工藝,外板骨架背燒處理,提升外板角變形矯正效果;第四,舷墻局部變形復(fù)雜,使用千斤頂、葫蘆等工具工裝輔助施工,采用三角形、圓點(diǎn)形和短條形等方法進(jìn)行矯正,將外板整體線型調(diào)整光順;第五,矯正順序由中間向兩端進(jìn)行逐步消除變形應(yīng)力,從變形較小處開始矯正,變形較大的部位采用外力輔助矯正;第六,嚴(yán)格控制火工加熱溫度,最佳加熱溫度約600 ℃,圓弧板不得過度矯正,確保外觀線型光順度和筋板直線度滿足質(zhì)量精度要求。

3 技術(shù)總結(jié)與改進(jìn)建議

首先,為了提升首制大型舷墻建造質(zhì)量,積極探索國內(nèi)外先進(jìn)造船技術(shù),強(qiáng)化自主創(chuàng)新,克服工藝技術(shù)儲(chǔ)備不足,片段采用臥態(tài)建造法,場地資源和建造周期提升35%以上,保證了生產(chǎn)計(jì)劃按期完成;其次,在下料、加工、裝配、焊接、矯正和變形控制等方面采取有效措施,通過工藝創(chuàng)新取得多項(xiàng)成果和階段性成效,片段和總組建造質(zhì)量可控,焊接合格率達(dá)96%,精度合格率92%;第三,為了解決吊裝變形和曲型外板波浪變形,設(shè)計(jì)制作多種工裝輔助施工,攻克舷墻矯正技術(shù),平整度滿足要求,總組涂裝后外板線型光順;第四,發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)奉獻(xiàn)精神,克服小空間限制,確?？偠谓Y(jié)構(gòu)和涂裝完整性達(dá)100%,從而極大地提升船塢搭載效率。

首制船建造缺乏成熟技術(shù),未來建造工藝技術(shù)和生產(chǎn)管理仍需深入研究,建議:①優(yōu)化舷墻分段劃分與建造方案,控制片段長度;②復(fù)雜線型采用整體建造法,并在分段階段完成背燒作業(yè),提升外板線型控制;③優(yōu)化舷墻片段完工后的擺放、運(yùn)輸、吊裝、加強(qiáng)和涂裝工藝,優(yōu)化片段吊裝工藝改善吊裝變形;④提高舷墻片段建造質(zhì)量的一致性,所有舷墻集中場地、固定班組施工,總組預(yù)留調(diào)整周期,組織有經(jīng)驗(yàn)專業(yè)火工矯正,形成固定工序;⑤研究舷墻搭載階段的矯正技術(shù),確保郵輪舷墻建造完工的平整度與美觀性。