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基于分段工艺的中大型船舶建造质量控制研究

作者:赵健 来源:《产品可靠性报告》日期:2024-02-05人气:85

中大型船舶建造能力已经成为衡量一个国家造船业发展水平的重要依据,而传统建造工艺周期长、成本高等问题的存在影响了中大型船舶建造效率,导致我国船舶制造企业的全球竞争力明显偏低[1]。在此情况下,我国船舶制造企业引入分段工艺,在缩短船舶建造工期的同时,也实现了对船舶建造成本的精准控制,但分段工艺技术难度高、工艺复杂,为保证分段建造质量,则需要工程技术人员在数量掌握分段工艺的同时,还需要具备较高的业务能力。

一、分段工艺概述

船舶建造的分段工艺最早可追溯至18世纪的欧洲,船舶建造工程师将船舶划分为多个分段进行独立建造,在完成分段建造任务后,通过转运设备对分段进行组装,并通过系统联合调试,保证船舶建造的整体性。分段工艺是模块化工艺的前身,相比较传统建造工艺,分段工艺的效率更高、成本更低,在对分段工艺进行优化后的船舶建造质量也得到了提升。目前,分段工艺已经成为中大型船舶建造的主流工艺,尤其是在船舶批量建造项目中,分段工艺的优势将得到充分体现。

二、分段工艺对中大型船舶建造的必要性

中大型船舶建造项目参与人员数量较多,各节点项目之间存在大量交叉,传统建造工艺不仅效率低、安全性差,且管理上的疏忽极易导致各种质量问题[2]。基于分段工艺的优势,其在中大型船舶建造中应用的必要性主要体现在以下三个方面。

(一)合理控制进度

中大型船舶分段工艺将船体分成多个工段,而不同工段的建造方案可以独立出具,在进度控制上也就能够“并行”,从而大大压缩船舶建造所需时间周期。由于分段工艺减少了非必要的交叉作业等问题,在进度控制方面更加精准、高效,从而避免了工期延误等问题的发生。

(二)有效降低风险

中大型船舶建造工艺复杂,大量人员集中作业存在潜在安全风险,分段工艺可以将人员拆分至不同工段,以降低人员密度,并便于现场管理,且分段工艺能够降低项目管理的复杂度,尤其是涉及到交叉作业过程中的安全风险。质量方面,分段工艺将船舶建造项目划分为多个子项目,而子项目的质量控制难度要明显低于整个项目的质量控制,因此,分段工艺也能够有效降低中大型船舶建造的质量风险。

(三)优化资源配置

船舶建造过程中需要协调人力、材料、设备、空间等多种资源,中大型船舶建造所涉及的资源在数量和种类方面则更加复杂,传统建造工艺将给项目管理部门带来巨大的压力。分段工艺在中大型船舶建造中的应用实现了相关资源的合理配置,减轻了项目管理部门工作压力,这在提高现场管理质量和船舶建造进度等方面有着积极作用。

三、基于分段工艺流程

船舶分段建造工艺流程包括钢材预处理、下料、加工、理料、小合拢、分段合拢六个节点,针对不同节点的建造内容,以及各分段节点的工艺标准,可实现对中大型船舶建造质量的整体控制。

(一)钢材预处理

钢材是船舶建造的主要材料,是中大型船舶刚体强度的重要保证,基于钢材型号与设计功能指标要求,所焊接钢材应进行预处理。钢材预处理能够改变金属材料的理化特性,例如,为提中大型船舶外壳的抗腐蚀性,则需要通过热镀锌工艺为其外表面增加锌镀层,如此,则可以利用电化学反应保护内部钢材不被腐蚀,该预处理需要严格遵守《金属覆盖层和镀层的电镀和热浸镀规范(GB/T 13912-2022)》的要求。除此之外,中大型船舶钢材预处理还包括热处理、抛丸预处理、钢板校正、表面清理等,且相关预处理应当严格按照标准执行,否则,将直接影响船舶建造质量。

(二)下料

中大型船舶分段工艺的关键在于分段建造的精准性,因此,在下料阶段需要参考设计方案对分段工艺中的下料精准性进行评估,明确下料管理流程,在下料前对钢材材质、规格进行检查,保证下料与套料分段相对应;在完成下料后,需要对相关部位进行标注,标注内容应按照分段设计方案保持一致;质检部门需要对已经标注的下料部位进行质量检查,并完成套料分段质量等级。

下料主要包括板材下料、型材下料、板条下料和半自动下料四种方式,技术人员应根据下料质量、精度等要求选择最佳的下料方式。对质检部门提出的质量问题,车间技术人员需要对下料过程进行优化,为中大型船舶提供高质量的材料。

(三)加工

经下料处理后的材料并不能直接用于船体焊接,还需要经过冷加工和火加工工艺处理。冷加工工艺是依据图纸对板材、型材进行处理,保证相关参数与图纸要求之间的误差将至要求范围内,而火工则是对冷加工后的材料进行平滑处理,为保证火工工艺质量,火工温度应保证在600~900℃之间,并根据钢材内部应力需求选择水冷和自然冷却两种冷却方式。通过已上加工处理,中大型船舶分段质量将得到有效控制,为船舶建造质量打下了坚实基础。

(四)理料

在完成下料加工后,所有的材料都已经具备小合拢的条件,为保证小合拢顺利执行,则需要对小合拢所需材料进行梳理,即理料工艺。理料的关键不仅包括相关材料的齐备性,还应当根据小合拢的流程设计调整材料存放位置、顺序,并做好材料转运所需设备等资源的调配。理料能够保证分段建造过程中材料的精准供给,降低材料标注位置不符等问题发生的概率。

(五)小合拢

所谓合拢,是指单个分段的材料拼接、组装,首先,虚拟仿真合拢效果检查,技术人员需要将理料结果进行小合拢流程仿真,确保仿真验证结果的准确性;其次,小合拢过程中涉及大量焊接工作,在焊接过程中需要对焊点、焊缝质量进行检查,坚决杜绝焊接质量问题;最后,小合拢的精度控制将直接影响分段合拢质量,因此,分段管理人员需要动态检测小合拢过程中各部位的精读,对误差超出范围的部位应及时进行调修。

(六)分段合拢

基于分段工艺的中大型船舶建造质量控制的关键在在于分段合拢环节,工程技术人员需要在保证各分段之间精度的同时,对分段合拢后的船体焊接质量进行分析,主要包括是否存在焊渣、气孔、咬边等现象,以及焊缝左右两侧分段的应力变化等。这里需要注意的是,在进行分段合拢之前,需要完成中大型船舶分段的应力释放,以避免分段合拢后船体发生明显形变。

四、中大型船舶分段工艺优化与质量控制

分段工艺的优化是在传统工艺的基础上,融合新的技术与方法,提高中大型船舶建造质量控制的科学性。基于中大型船舶建造质量要求,以及参考现阶段分段工艺的相关流程与内容,为进一步提高中大型船舶建造质量,可以从以下几个方面优化船舶分段工艺。

(一)数字化分段设计与质量控制

中大型船舶建造质量的控制难度较大,以经验为参考的质量控制方法无法适用于分段工艺,这是由于分段工艺需要在考虑分段质量的同时,还要保证中大型船舶整体建造质量。因此,分段工艺的质量控制将直接贯穿预处理、下料、加工、理料、小合拢、分段合拢六个环节,不同环节的质量控制将直接关系到中大型船舶合拢后的质量[3]。因此,为实现基于分段工艺的中大型船舶建造质量的精准控制,可利用大数据、人工智能、虚拟仿真等技术进行数字化分段设计,技术人员通过采集分段工艺流程中各节点的数据,经大数据模型进行虚拟组装,从而快速定位存在质量风险的点位。

数字化分段设计能够利用大数据模型对动态获取的分段质量数据进行汇总、计算,随着分段建造数据的不断增加,该大数据模型对基于分段工艺的中大型船舶建造质量的计算结果将更加准确。同时,利用大数据模型可以对分段工艺优化策略进行仿真,如此,则可以缩短分段工艺优化周期,降低分段工艺优化成本。

(二)大空间精准定位技术与质量控制

基于分段工艺的中大型船舶建造质量控制需要在提高分段建造质量的同时,还需要保证船体合拢后的重量。因此,在小合拢环节,相关工艺优化可以借助大空间定位技术实现,即利用三维空间扫描设备测量小合拢的空间精度,同时,还可以将超声波探伤仪在各焊接点位的三维成像进行匹配,所以,大空间精准定位技术能够辅助完成中大型船舶分段建造质量评估,快速定位存在质量问题的点位,避免造成更大规模的损失[4]。

以中大型客滚船建造为例,分段工艺能够将原有建造周期缩短45%左右,但是,若未能及时发现分段建造质量问题,则建造任务将无法按照原有时间节点完成,尤其是内部空间分布较为复杂的客滚船来说,分段舱室空间的相对位置定位就显得尤为重要。工程技术人员利用激光定位技术将空间测量精度控制在2mm以内,技术人员在小合拢环节可以借此控制建造精度。

大空间精准定位技术的使用对环境有着较高的要求,在无遮挡的情况保证测量平台的稳定性。因此,在分段工艺优化方面,应根据大空间精准定位技术的需要提供与之相适应的环境,当测量平台发生变化后,技术人员应及时对定位设备进行修平。

(三)分段应力缓释工艺与质量控制

中大型船舶所承受的应力较为复杂,基于分段工艺的中大型船舶建造质量控制多忽略了应力释放带来的影响,并最终体现为船体结构分段疲劳强度分布差异。基于这一情况,工程技术人员在分段工艺优化方面需要采取科学的应力缓释方案,从而保证各分段应力的一致性[5]。传统应力释放多通过打孔实现,虽然,从成本、效率等方面看,打孔可以实现快速应力释放,但需要对打孔位置进行评估,避免破坏船舶结构强度。

分段应力缓释工艺主要包括焊接应力缓释与合拢应力缓释两个方面,针对以上两种应力产生的不同原因,相关应力缓释工艺如下:

(1)焊接应力缓释。焊接过程中由于热量、焊材熔融等因素会造成一定程度的应力变化,因此,在焊接过程中需要根据焊缝宽度、深度等调整焊接电流大小和焊材移动速度,并采取合理的降温措施,避免高温导致钢材结构强度降低。基于分段工艺的中大型船舶建造过程中焊点、焊缝较多,且部分焊缝较长,通过释放焊接应力,则船体分段的结构应力将得到有效控制,这为小合拢工作的开展创造了良好条件。

(2)合拢应力释放。中大型船舶结构应力的控制将直接关系到其航行安全,在优化焊接应力缓释工艺的情况下,还需要关注合拢过程中机械应力的释放。为保证中大型船舶分段应力的一致性,需要对保证分段工艺下船台设计与分段合拢后的位置保持一致,尽管,该优化工艺将增加建造成本,但是,这能够提前进行中大型船舶分段部分的应力释放,并保持分段应力在合拢后的稳定性。

分段应力缓释工艺解决了中大型船舶分段合拢过程中应力重构的问题,然而,分段应力缓释工艺对于大跨度钢结构的效果并不明显,其中主要原因在于合拢后的形变较大[6]。针对这一问题,可通过有限元分析软件对此类分段的应力分布进行分析,合理调整船台布局,自然释放横向、纵向应力。

五、结语

分段工艺已经成为中大型船舶建造的主流工艺,然而,基于中大型船舶吨位、结构的差异,在落实分段工艺方面应根据实际情况进行重点优化。随着分段工艺水平的不断提升,中大型船舶建造质量也将得到显著改善,建造成本也随之降低,这将为船舶制造企业参与中大型船舶业务领域的竞争提供强有力的支撑。


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