豪華客滾船設(shè)計與建造關(guān)鍵技術(shù)

冷艷禮

（黃海造船有限公司 威海264309）

0 引 言

國內(nèi)外海峽、島嶼間和特有的陸海地理位置，造就了客滾船的橋梁地位，其將公路、鐵路與水運巧妙結(jié)合，形成特殊的運輸系統(tǒng)，既發(fā)揮各自專業(yè)運輸?shù)膬?yōu)勢，又綜合利用與互補，組成合理的運輸框架。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對客滾船安全性、穩(wěn)定性、快速性，以及裝載車輛大型化、舒適性與豪華型提出了更高的要求。大型豪華快速客滾船是在現(xiàn)有國內(nèi)外客滾船和國外豪華郵輪的設(shè)計與建造進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的設(shè)計與建造理念研發(fā)而成，同時滿足了國內(nèi)航線以及一些國際航線與碼頭的要求。

1 主要設(shè)計特點與先進(jìn)性

該船首次滿足無限航區(qū)的規(guī)范要求，在普通客滾船的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)多個顯著的設(shè)計新特點，代表當(dāng)前客滾船設(shè)計的先進(jìn)性理念。

1.1 總體布局與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該船設(shè)計船長178 m、船寬28 m，擁有三層車輛通艙和三層旅客與船員甲板，載客額定人數(shù)2 300人。車道長度2 500 m，可載大小車輛300余輛，車輛艙高度更是達(dá)到4.85 m，能夠裝載長50 m、寬8 m、高4.85 m、重120 t的特種車輛。該船在船長與船寬比（L/B）、船寬與吃水比（B/T）、方形系數(shù)、穩(wěn)心高度等主要參數(shù)的選取與總體布局上，不僅考慮國內(nèi)（特別是渤海灣航行）的需要，也充分考慮到適應(yīng)韓國等國際航線以及臺灣地區(qū)航線營運時（無限航區(qū)）的海況與裝載碼頭的需求。

該船采用三維的板梁組合模型計算車輛甲板的構(gòu)件。為了方便汽車通行，車輛艙后部不設(shè)縱艙壁或支柱，車輛甲板采用大跨度強橫梁支撐。選取若干典型艙段，用三維有限元分析船體的橫向強度等［4］；通過反復(fù)調(diào)整構(gòu)件布置和尺寸、大量使用高強度鋼等方法，很好解決了大跨距和超長車輛艙結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及輕量化問題。

1.2 線型優(yōu)化設(shè)計［1］

該船除要求艉部寬，以適合安裝艉門、跳板和滿足多層汽車甲板和旅客甲板布置等特點外，還要滿足如下船舶性能：快速性好，同時伴流場要均勻，以避免由螺旋槳產(chǎn)生的噪聲與振動，滿足旅客舒適性的需求。為此，艉部線型在母型船的人字架、縱流型設(shè)計的基礎(chǔ)上，優(yōu)化為雙短尾鰭加人字架、縱流型尾部線型的設(shè)計，以保證齒輪箱底部有足夠的安裝空間，也可使艉軸管不至于過長，最大限度降低艉軸加工、安裝等方面的不利因素；同時，又確保螺旋槳盤面處有良好的伴流場。

圖1 雙短艉鰭加人字架、縱流型艉部線型

該船要求周轉(zhuǎn)快，設(shè)計航速達(dá)20.2 kn。根據(jù)航速及載重量要求選取吃水T和方形系數(shù)Cb。該船B/T很大，為保持浮態(tài)，浮心位置比快速性要求所確定的最佳位置靠后。該船的球鼻艏長度、高度，20站面積以及與船體線型的平順過渡，改善了設(shè)計航速時的阻力性能，最終使設(shè)計線型各水線的進(jìn)流角較佳。設(shè)計中要特別關(guān)注縱剖線的形態(tài)和方向，使水流容易轉(zhuǎn)折向船底。

經(jīng)國內(nèi)某著名水池船模試驗證明，該船船體線型阻力低，附體阻力增加較少，其阻力性能達(dá)到同型船中優(yōu)秀水平。此外，該線型具有良好的推進(jìn)因子和均勻的尾部伴流場。

1.3 旅客區(qū)豪華設(shè)計

該船旅客區(qū)布局和設(shè)計引進(jìn)國際豪華郵輪的設(shè)計概念。

（1）該船設(shè)有豪華的套間、寬敞的大廳以及大型的旅客餐廳、盥洗室、旅客觀光甲板、網(wǎng)吧、多功能放映廳、表演大廳、咖啡廳、練歌房、棋牌室、會議室等，高檔服務(wù)與娛樂設(shè)施一應(yīng)俱全，讓旅客在安全旅行的同時，盡情享受海上星級賓館的服務(wù)。

（2）船舶外觀，特別是旅客區(qū)房間的外窗設(shè)計為凸出型，美觀華麗。房間內(nèi)靠窗設(shè)沙發(fā)與茶幾，旅客足不出戶就可以盡情欣賞大海的美麗風(fēng)光。

（3）該船配備3部電梯，從車輛艙直達(dá)頂層一等艙區(qū)，旅客乘坐電梯可以方便地到達(dá)船舶每一層，特別是方便年齡較大、行動不便、攜帶行李較多的旅客上下船。

（4）房間空調(diào)通風(fēng)設(shè)計為雙風(fēng)管高低溫送風(fēng)方式，同時，為保證房間內(nèi)適當(dāng)?shù)男嘛L(fēng)量，在房間門旁設(shè)置智能控制開關(guān)，旅客可根據(jù)自身的舒適感進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（5）按照高級賓館的要求，房間照明采用集中控制與分床控制相結(jié)合。

1.4 便捷裝卸與登乘設(shè)計

實現(xiàn)碼頭車輛進(jìn)出車輛艙的快速性和旅客上下旅客區(qū)的快速與便捷性一直是客滾船設(shè)計的追求，也是營運方縮短碼頭占用時間、降低營運成本的重要一環(huán)。特別是對大型客滾船尤為重要。

根據(jù)市場調(diào)查，此類船每次承載的車輛以中小型車輛為主、超大型和特大型車輛為輔。為此，加大艏門和艉門的開孔寬度，并且加寬艏跳板和艉跳板的車道寬度，可使中小型車輛實現(xiàn)雙進(jìn)雙出，比普通單進(jìn)單出的客滾船裝卸效率提高35%左右。

為便于司機快速進(jìn)出車輛艙以及旅客快速上下船，因此在機艙棚前端3甲板（底車輛艙）至9甲板（一等房間）區(qū)域設(shè)置1部負(fù)荷為12人（0.9 t）的客貨二用電梯；在船舶舯前右舷4甲板（中車輛艙）至9甲板設(shè)置2部可載20人（1.5 t）的客用電梯。

1.5 節(jié)能環(huán)保設(shè)計理念

（1）空調(diào)器采用變頻控制，當(dāng)旅客較少關(guān)掉部分閑置艙室風(fēng)管上的電動風(fēng)門時，空調(diào)器自動變頻運行，達(dá)到節(jié)能的效果?？照{(diào)部分區(qū)域設(shè)置了能量回收裝置，能量回收效率高達(dá)75%以上，節(jié)能效果非常明顯。

（2）該船設(shè)4臺冷水機組，采用PLC集中控制［1］，可根據(jù)每日氣溫變化引起的空調(diào)器負(fù)荷變化自動控制冷水機組的加載與卸載。

（3）為滿足渤海灣水域油污水零排放和國際航線的需求，在船上專門設(shè)置了大容量的艙底水存放艙和生活污水收集艙，布置相應(yīng)的排岸接口，由岸上收集處理。

2 關(guān)鍵建造技術(shù)的突破與應(yīng)用

大型豪華快速客滾船是功能齊備、技術(shù)先進(jìn)的新型船舶，施工難點比普通客滾船多。只有掌握和應(yīng)用關(guān)鍵造船工藝技術(shù)和綜合生產(chǎn)設(shè)計，才能實現(xiàn)設(shè)計要求，同時滿足船東和船檢的質(zhì)量要求并如期交船。

2.1 完整的綜合生產(chǎn)設(shè)計

該船功能強大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及專業(yè)多、布置緊湊，專業(yè)間協(xié)調(diào)量很大，采用一般船舶的生產(chǎn)設(shè)計模式滿足不了分道作業(yè)、綜合預(yù)裝、節(jié)拍生產(chǎn)和成組吊裝的精益造船模式的需要［3］。因此，必須進(jìn)行綜合生產(chǎn)設(shè)計，在生產(chǎn)設(shè)計的細(xì)化與完整性上有所創(chuàng)新并注重如下細(xì)節(jié)：

（1）分段劃分的綜合考慮。分段劃分不僅要考慮起重運輸能力、勞動組織與分段場地布置、分段自身結(jié)構(gòu)剛性、板幅限制、涂裝的方便性等基本要素，也要充分考慮減搖鰭系統(tǒng)分段預(yù)裝、通道系統(tǒng)中與結(jié)構(gòu)連接部分在分段中的位置以及可左右開關(guān)的首護(hù)罩的延伸結(jié)構(gòu)范圍，以便保證結(jié)構(gòu)剛性和消除應(yīng)力需要、房間薄板裝配與自動焊施工方便等特殊施工要求。

（2）以完整的船體結(jié)構(gòu)建模為基礎(chǔ)和背景，對舾裝、空調(diào)通風(fēng)、設(shè)備、管子、電氣乃至房間布置等進(jìn)行完整建模，不斷調(diào)整與補充。

（3）專業(yè)間綜合而細(xì)致的協(xié)調(diào)工作好壞是生產(chǎn)設(shè)計能否深入、準(zhǔn)確與細(xì)化的關(guān)鍵。各專業(yè)三維模型在協(xié)調(diào)中不斷修改、調(diào)整、補充，在滿足規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的前提下達(dá)到最佳的空間布置，實現(xiàn)全新的數(shù)字化模擬造船。

（4）引入船東、設(shè)備商參與生產(chǎn)設(shè)計的理念。如果生產(chǎn)設(shè)計施工現(xiàn)場修改量很大，不僅造成人力物力的浪費，也影響建造進(jìn)度。該船在設(shè)計的過程中提前向船東、設(shè)備商展示三維數(shù)字模型，使他們有身臨其境的體驗，船東與供應(yīng)商可據(jù)此提出修改意見，從而極大地減少現(xiàn)場的修改意見。

（5）全新的綜合預(yù)舾裝圖紙模式。把外舾、內(nèi)舾、管舾、電舾、設(shè)備座架等需要在小組、中組、分段、總組各階段預(yù)安裝件統(tǒng)一進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，細(xì)化標(biāo)識，分工序綜合出圖，統(tǒng)一施工，開創(chuàng)了新的預(yù)舾裝施工模式。 PSPC分段預(yù)舾裝率達(dá)到100%，綜合預(yù)舾裝率達(dá)到97%以上。

2.2 關(guān)鍵施工工藝技術(shù)的應(yīng)用

薄板焊接變形控制工藝、艏護(hù)罩建造與切割工藝、通道系統(tǒng)制作安裝技術(shù)、房間精裝修工藝、長艉軸校中工藝、精度管理技術(shù)、大型落地窗框防變形技術(shù)、大面積甲板敷料防裂技術(shù)等大量關(guān)鍵工藝技術(shù)的應(yīng)用，支撐著船的施工與管理，本文僅簡述其中兩個關(guān)鍵工藝技術(shù)。

2.2.1 薄板焊接變形控制技術(shù)

水上部分外形光滑美觀是豪華客滾船的重要指標(biāo)。該區(qū)域的鋼板厚度都在7 mm以下，且基本上是高強度鋼，如果施工工藝技術(shù)不到位就會凹凸變形，極易形成越矯正越鼓包的惡性循環(huán)。控制薄板裝配焊接變形是建造豪華客滾船和郵輪必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。通過對韓國、日本以及國內(nèi)薄板焊接變形控制技術(shù)的研究和現(xiàn)場反復(fù)試驗，決定從焊前、焊中、焊后三方面著手［2］：

（1）焊前：合理劃分施工單片、剛性固定、保證小焊縫間隙；

（2）焊中：臨時固定，采用自動焊機小電流焊接控制焊角在設(shè)計范圍內(nèi)，合理的焊接順序（見下頁圖2），用測量設(shè)備時時檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果及時調(diào)整焊接速度等參數(shù)；

圖2 薄板焊接順序

（3）焊后：翻身后采用敲擊和低溫流火相結(jié)合方式消除應(yīng)力，用全站儀三維測量數(shù)據(jù)及分析，對少量局部變形部位研究其變形方向與趨勢，標(biāo)識需要機械或火攻矯正的線路，嚴(yán)格控制火攻速度、溫度與方向，保證該船外觀符合船東的要求。

2.2.2 通道系統(tǒng)制作安裝技術(shù)

通道系統(tǒng)包括艏艉跳板、艏艉水密門、升降平臺及水密門、活動坡道、艏護(hù)罩等部分，是客滾船上下車輛的關(guān)鍵設(shè)備，其制造質(zhì)量精度與船體結(jié)構(gòu)連接安裝的要求都很嚴(yán)格。例如，活動坡道長度接近51 m、寬度3.5 m，且為一整體；水平撓度誤差要求控制在±5 mm～8 mm，長度誤差要求控制在±15 mm，寬度誤差要求控制在±5 mm（見圖3），施工和安裝難度很大。為此，該船專門成立通道系統(tǒng)制作與安裝攻關(guān)小組，制定工藝、模擬試驗各種狀態(tài)下收縮與變形趨勢、在生產(chǎn)設(shè)計中加放合理的收縮量和反變形量，從下料、小組、中組到整體組裝的各道工序的裝配與焊接順序與方向，焊接電流的大小、應(yīng)力消除時機與方法，用最新的精度管理手段加以測量、分析與控制焊前與焊后的精度，及時調(diào)整，從而達(dá)到通道系統(tǒng)安裝調(diào)試的要求。

圖3 活動坡道結(jié)構(gòu)與精度示意圖

3 結(jié) 論

該船的設(shè)計構(gòu)思借鑒了國內(nèi)外客滾船的成功設(shè)計和建造經(jīng)驗，并結(jié)合國外大型豪華郵輪的建造理念，在主尺度選取、船型、快速性、安全、穩(wěn)性、空調(diào)通風(fēng)、救生、豪華性等方面進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新與升級；建造方面也引入新的綜合生產(chǎn)設(shè)計和綜合預(yù)舾裝模式，關(guān)鍵制造技術(shù)上，應(yīng)用先進(jìn)的精度控制軟件與設(shè)備，使我國客滾船研制水平邁上了新的臺階，為今后設(shè)計、建造大型國際豪華郵輪奠定了基礎(chǔ)。

［1］張敏建.客滾船開發(fā)與設(shè)計研究，船舶與海洋工程［J］.2012（2）：20-26.

［2］康秋聯(lián)，劉永前.客滾船上層建筑薄板火攻矯正，廣船科技［J］.2002（4）：20-24.

［3］吳炅東，李倩，吉春正.從實踐看深化設(shè)計對船廠轉(zhuǎn)模的推動［J］.船舶，2011，22（6）：71-76.

［4］顧耀軍，王麟.16 000總噸客滾船設(shè)計與建造技術(shù)［J］.上海造船，2007（3）：17-21.