船舶管子自動化制造設計解決方案

龔建東，宋 偉

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，隨著我國船舶工業(yè)的快速發(fā)展，造船數(shù)量不斷增加[1]；同時，整個船舶市場持續(xù)低迷，船價不斷下降，人員成本不斷提高。在此情況下，船廠應采用新技術、新工藝、新設備，對船舶制造技術進行改進，以加快新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向[2]，不斷提升船舶建造質量，提高工作效率。

管子制造是船舶和海洋工程裝備建造的重要環(huán)節(jié)之一[3]。以一艘18萬噸級的散貨船為例，全船的管子總數(shù)約為1.1萬根，目前國內船廠制造單根管子所需時間約為3.2h，制造全船所有管子所需總時間約為3.5萬h。國內船廠在管子制造效率和制造質量方面已遇到瓶頸，且弊端日益凸顯，主要問題在于制造的自動化及流水線化程度低、設備陳舊和加工工藝落后[4]。因此，迫切需對管子制造技術進行優(yōu)化，以提高船廠的競爭力。

本文以實現(xiàn)管子制造的流水線作業(yè)和自動化作業(yè)為目標，通過對國內外船舶行業(yè)的管子制造工藝的差異和單船管子大數(shù)據進行分析，提出多種解決方案，如優(yōu)化加工代碼、增加管子綜合放樣環(huán)節(jié)和將特殊管子標準化設計等，便于船廠靈活運用；同時，對設計方案的優(yōu)點和不足進行總體評價。

1 國內外船舶管子設計與制造現(xiàn)狀

1.1 國外船舶管子設計與制造現(xiàn)狀

從20世紀90年代開始，國外先進船廠（尤其以日本、韓國的船廠為代表）就已開始致力于管子的自動化制造研究，以此減少人工成本，提高生產效率和產品質量。表1為2016年國外2家知名船廠的管子加工效率調研結果。

表1 2016年國外2家知名船廠的管子加工效率調研結果

國外船廠設計管子的主要目的是提高現(xiàn)場制造的效率。以管子分類為例，國外的管子設計除了按口徑大小對管子進行分類之外，還將其分為純直管、純彎管（1個彎、2個彎和多個彎）、純鑲管、只帶支管管子及其他類管子，設計管子細分原則有利于在施工現(xiàn)場對管子制造工位進行細分，并實施流水線作業(yè)。

由此可知，國外設計對管子的分類更有利于流水線及自動化完成純直管和純彎管制造。國外先進船廠的管子制造通常以管子制造流程為主導，以自動焊接為輔助，以傳送帶或導軌為運輸方式，布置靈活方便，管子堆放整齊（見圖1）。國外先進船廠的管子焊接主要以自動焊接為主（見圖2），自動焊機調試之后能一直維持穩(wěn)定的焊接質量，同時能使生產效率顯著提高。

圖1 國外船廠管子制造車間

圖2 國外船廠管子焊縫

1.2 國內船舶管子設計與制造現(xiàn)狀

當前我國的船廠在管子制造自動化方面仍處于起步階段，主要靠人工完成，管子制造效率較低。表2為2016年國內幾家知名船廠的管子加工效率的調研結果。

表2 2016年國內幾家知名船廠的管子加工效率調研結果

國內的管子設計原則以完成系統(tǒng)設計為主要目的。以管子分類為例，目前國內設計的管子除了以管子口徑大小來分之外，主要將其分為主管直管、主管彎管和其他類型管。

根據調研，國內管子制造車間以行車運行路線為主導，便于吊運管子，但行車資源稀缺，導致工作效率較低。同時，以工人工種（下料、裝配、焊接和打磨等）為輔，導致管子堆放零散。由于自動化程度較低，國內船廠的管子焊接主要由人工完成。焊接質量受人為因素（如焊接工人的技能水平、情緒和身體健康狀況等）的影響較大，后期會增加大量的補焊、打磨和檢查等工作。

由表1和表2可知，同類型船舶單根管子的制造時間，國外船廠約為國內船廠的1/3，同類型船舶自動焊比率，國外船廠約為國內船廠的6倍，同時自動焊接的焊接質量遠好于手動焊接的焊接質量，國內船廠的競爭力受到了嚴重影響。

2 設計解決方案

實施先進管子制造工藝的前提是能自動區(qū)分管子類型。傳統(tǒng)的管子設計數(shù)據比較簡單，只能實現(xiàn)對直管、彎管和鑲管的區(qū)分，不能滿足自動化制造管子的要求。對此，考慮多種設計解決方案，包括優(yōu)化加工代碼、管子綜合放樣和建立中間產品設計原則。

2.1 優(yōu)化加工代碼

加工代碼包含的信息多種多樣，如管簇、管子口徑大小、加工工藝和表面處理等，傳統(tǒng)的加工代碼中已包含管子類別，但在內容上還不夠細化、具體，必須對其進行優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場工藝改進的需求。以管簇為例，將其擴展成6大類、32小類，囊括一般造船廠現(xiàn)有管子的幾乎所有種類，如“端部不裝配對接焊法蘭的直管”“端部裝配對接焊法蘭的直管且僅含支管類設計”和“主體為純鑲管且僅含復板類附件”等，具體判斷原則見表3。

表3 代碼定義

新的設計規(guī)則增加了大量判斷的工作量，依靠人工完成不僅繁瑣，而且容易出錯，顯然是不可行的。因此，應通過軟件的二次開發(fā)規(guī)避或減少人工介入，實現(xiàn)自動化。

所有的管簇分類都以TRIBON中自帶的信息為依據，如支管信息、彎管信息和部件庫信息等，且在設計層面均已明確判斷的方法，從而得到管簇代碼。同時，自動讀取管子外徑信息，得到管子口徑代碼。在未改變設計人員工作量的情況下，完成對管子屬性的細分設計，為實現(xiàn)管子流水線制造提供理論基礎。

2.2 管子綜合放樣

通過對船廠大量管子數(shù)據進行收集和統(tǒng)計分析，得到常規(guī)設計的管子規(guī)格比例見表4。

表4 常規(guī)設計的管子規(guī)格比例

由表4可知，純直管和純彎管的占比較小，嚴重影響了管子流水線和自動化制造的能力，主要原因是設計過程中管子走向的設計較為隨意。對此，需在原有的設計方法中增加一道管子綜合放樣的步驟，其操作思路是在機艙布置圖的基礎上（見圖3），綜合考慮各舾裝件與船體之間的安裝關系和施工工藝，利用CAD（Computer Aided Design）軟件設計出管路的綜合布置圖（見圖4），其主要作用是提高后期管子的放樣平整性和正確性，同時優(yōu)化管子的走向。盡可能多地實現(xiàn)純直管和純彎管設計，提高其占比，為管子的自動化制造和先焊后彎制造提供技術保障，提高生產效率。

圖3 機艙布置圖

圖4 綜合布置圖

2.3 建立中間產品設計原則

標準化是提高工作效率的有效途徑之一，通過對管子制造過程進行實際調研發(fā)現(xiàn)，在制造管子過程中，支管制造是一個難點，其焊接和打磨的工時是普通焊接點的1倍左右，通過對支管長度參數(shù)進行大數(shù)據收集和分析，編制標準支管設計原則，使其成為標準產品，提前制造，提高生產效率。成品件樣例見圖5。

圖5 成品件樣例

2.4 創(chuàng)新和不足

本文所述解決方案的創(chuàng)新點在于：

1) 管簇代碼細分方案。將管簇代碼設計成2位，實現(xiàn)對管簇的擴容，理論上可擴展至99個代號，適用性更廣，同時便于管子加工部門根據船廠的實際情況，合理對設計數(shù)據進行組合使用，使生產效率最大化。若船廠運用流水線和自動焊接機器人，則其管子制造效率將提高30%以上。

2) 支管標準化、產品化設計。首先可提高支管與管附件之間的焊接質量，其次可提前完成支管的生產制造。

3) 利用管子綜合放樣的設計方法，擴大了純直管和純彎管的比例，進一步提高了管子制造的效率和焊接質量[5]。

該方案的不足之處在于，對于一家不斷生產的船廠而言，其必定存有在制項目、在設計項目和待設計項目，必然會出現(xiàn)新老設計規(guī)則并存的情況，因此船廠在實施這套解決方案時，需整體協(xié)調船廠的生產節(jié)奏，同時需找到一個最優(yōu)的實施窗口，這對船廠來說是比較困難的。此外，若要最大化利用這套解決方案，需投入大量的基礎建設，如場地擴建和設備更新、升級，以保證實施的效果。

3 結 語

通過調研了解到，國內船廠與國外先進船廠在管子制造方面還存在較大差距，原因有很多，本文主要從設計的視角，結合造船行業(yè)主流的管子加工工藝，對其進行了分析，通過采取優(yōu)化管子加工代碼、增加管子綜合放樣設計環(huán)節(jié)和優(yōu)化中間產品設計原則等方法，可為管子制造車間實現(xiàn)流水線和自動化生產提供精準、細致的理論數(shù)據參考。