人类造船已有悠久的历史。从史前刳木为舟起?在漫长的时期内人类制造的都是利用人力或风力推进的木船。1807年?美国的富尔顿?R.建成世界上第一艘蒸汽机船?当时采用明轮推进。1879年?世界上第一艘钢船问世。从此船舶进入了以钢船为主?以机器为动力的时代。从20世纪50年代起?船舶推进装置由汽轮机和柴油机逐步取代蒸汽机?并开始应用核能作为推进动力。由于航运的发展和军事上的需要?船舶趋于大型化和专业化?造船技术随之迅速发展?造船业已成为世界上最主要的重工业部门之一。
船舶由成千上万种零件构成?几乎与各个工业部门都有关系。除特有的船体建造技术外?造船还涉及到机械?电气?冶金?建筑?化学以至工艺美术等各个领域。因此?造船是以全部工业技术为基础的一门综合技术?反映一个国家的工业技术水平。
由于船舶的航区?任务和要求不同?船舶产品具有品种多?生产批量小的特点。为了有节奏地生产?缩短制造周期?造船厂从接受订货至完工交船为止?都必须有周密的生产管理和技术管理。造船用的材料品种多?数量大?其中以钢材的使用量为最大。例如?制造一艘装载量为 1万吨的货船需要钢材3000～4000吨。船体结构用的材料主要是碳素钢和低合金高强度钢(见钢)。采用高强度钢可减轻船体自重?降低推进功率?达到多装客货?增加装备或提高航速的目的。小型舰艇还采用铝合金?玻璃钢或钛合金作为船体材料。船舶需要在严酷的环境下营运?对于船用材料?除保证冶炼方法?化学成分和机械性能外?在可焊性能和耐蚀性能等方面都有较高的要求。
造船厂 造船厂均位于沿海或江河之滨?应有一定的岸线长度和水深。厂区内设有船台?造船坞?滑道?装码头和大型起重机等专用造船设备。造船厂内设有各种生产车间。
船体加工车间?担负船体放样?号料以及船体零件的加工。
船体装备焊接车间?完成船体零件?部件?分段?总段的装焊和船体总装工作。
安装车间?负责船上机械设备及其附件的安装和调试。
管子加工车间?进行管子及其附件的加工和安装。
电工车间?负责电器和无线电设备的安装和调试。
木工车间?负责木质家具?舱室的制作和安装?以及绝缘工作。
油漆帆缆车间?负责除锈?涂漆和帆缆索具的制作和安装。
起重运输车间?负责船舶的上墩?下水?进出坞以及船台?滑道?码头区的起重运输作业。此外还有各种辅助车间?主要有机修车间?工具车间?动力车间和中央试验室等。
车间的划分常根据船厂的生产规模?性质?习惯而有所不同。
过去很多造船厂除进行钢材加工?船体装配?焊接和设备系统安装外?还具有一定的铸?锻和机械加工能力?在制造船体的同时还制造主机?辅机?锅炉等设备。20世纪50年代以来?随着造船及其配套工业的发展?造船厂已向总装方向发展?即以建造船体为主?大量的机电设备和装件则由专业或非专业的协作厂配套提供?船厂只进行安装?以提高造船质量和效率。
造船工序 造船的主要工艺流程可用下面的框图 造船工艺流程框图
表示。
钢材预处理 在号料前对钢材进行的矫正?除锈和涂底漆工作。船用钢材常因轧制时压延不均?轧制后冷却收缩不匀或运输?储存过程中其它因素的影响而存在各种变形。为此?板材和型材从钢料堆场取出后?先分别用多辊钢板矫平机和型钢矫直机矫正?以保证号料?边缘和成型加工的正常进行。矫正后的钢材一般先经??光除锈?最后喷涂底漆和烘干。这样处理完毕后的钢材即可送去号料。这些工序常组成预处理自动流水线?利用传送滚道与钢料堆场的钢料吊运?号料?边缘加工等后续工序的运输线相衔接?以实现船体零件备料和加工的综合机械化和自动化。
放样和号料 船体外形通常是光顺的空间曲面。由设计部门提供的用三向投影线表示的船体外形图?称为型线图?一般按1?50或1?100的比例绘制。由于缩尺比大?型线的三向光顺性存在一定的误差?故不能按型线图直接进行船体施工?而需要在造船厂的放样台进行1?1的实尺放样或者是1?5?1?10的比例放样?以光顺型线?取得正确的型值和施工中所需的每个零件的实际形状尺寸与位置?为后续工序提供必要的施工信息。船体放样是船体建造的基础性工序。
号料是将放样后所得的船体零件的实际形状和尺寸?利用样板?样料或草图划在板材或型材上?并注以加工和装配用标记。最早的放样和号料方法是实尺放样?手工号料。20世纪40年代初出现比例放样和投影号料?即按1?5或1?10的比例进行放样制成投影底图?用相应的低倍投影装置放大至实际尺寸?或将投影底图缩小到1/5～1/10摄制成投影底片?再用高倍投影装置放大50～100倍成零件实形?然后在钢材上划线。比例放样还可提供仿形图?供光电跟踪切割机直接切割钢板用?从而省略号料工序。投影号料虽在手工号料的基础上有了很大改进?但仍然未能摆脱手工操作。60年代初开始应用电印号料?即利用静电照相原理?先在钢板表面喷涂光敏导电粉末?进行正片投影曝光?经显影和定影后在钢板上显出零件图形。适用于大尺寸钢板的大型电印号料装置采用同步连续曝光投影方式?即底图和钢板同步移动?在运动过程中连续投影曝光。适用于小尺寸钢板的小型电印号料装置?则在钢板上一次投影出全部图形。这种号料方法已得到较广泛的应用。随着电子计算器在造船中的应用?又出现数学放样方法。即用数学方程式表示船体型线或船体表面?以设计型值表和必需的边界条件数值作为原始数据?利用计算器进行反复校验和计算?实现型线修改和光顺?以获得精确光顺和对应投影点完全一致的船体型线。船体的每条型线都由一个特点的数学样条曲线方程表示?并可通过数控绘图机(见绘图用具)绘出图形。数学放样可取消传统的实尺放样工作?还可为切割和成形加工等后续工序提供控制信息?对船体建造过程的自动化具有关键的作用?是造船工艺的一项重要发展。
船体零件加工 包括边缘加工和成形加工。边缘加工就是按照号料后在钢材上划出的船体零件实际形状?利用剪床或氧乙炔气割?等离子切割进行剪割。部分零件的边缘还需要用气割机或刨边机进行焊缝坡口的加工。气割设备中的光电跟踪气割机能自动跟踪比例图上的线条?通过同步伺服系统在钢板上进行切割?它可与手工号料?投影号料配合使用。采用数控气割机不但切割精度高?而且根据数学放样资料直接进行切割?可省略号料工序?实现放样?切割过程自动化。
对于具有曲度?折角或折边等空间形状的船体板材?在钢板剪割后还需要成形加工?主要是应用辊式弯板机和滚压机进行冷弯?或采用水火成形的加工方法?即在板材上按预定的加热线用氧-乙炔烘炬进行局部加热?并用水跟踪冷却?使板材产生局部变形?弯成所要求的曲面形状。对于用作肋骨等的型材?则多应用肋骨冷弯机弯制成形。随着数字控制技术的发展?已使用数字控制肋骨冷弯机?并进而研制数字控制弯板机。船体零件加工已从机械化向自动化进展。
船体装配和焊接 将船体结构的零部件组装成整个船体的过程。普遍采用分段建造方式?分为部件装配焊接?分段装配焊接和船台装配焊接3个阶段进行。
部件装配焊接?又称小合扰。将加工后的钢板或型钢组合成板列?T 型材?肋骨框架或船首尾柱等部件的过程?均在车间内装焊平台上进行。
分(总)段装配焊接?又称中合拢。将零部件组合成平面分段?曲面分段或立体分段?如舱壁?船底?舷侧和上层建筑等分段?或组合成在船长方向横截主船体而成的环形立体分段?称为总段?如船首总段?船尾总段等。分段的装配和焊接均在装焊平台或胎架上进行。分段的划分主要取决于船体结构的特点和船厂的起重运输条件。随着船舶的大型化和起重机能力的增大?分段和总段也日益增大?其重量可达800吨以上。
船台(坞)装配焊接?即船体总装?又称大合拢。将船体零部件?分段?总段在船台(或船坞)上最后装焊成船体。排水量10万吨以上的大型船舶?为保证下水安全?多在造船坞内总装。常用的总装方法有?以总段为总装单元?自船中向船首?船尾吊装的称总段建造法?一般适用于建造中小型船舶?先吊装船中偏尾处的一个底部分段?以此作为建造基准向船首?船尾和上层吊装相邻分段?其吊装范围呈宝塔状的称塔式建造法?设有2～3个建造基准?分别以塔式建造法建造?最后连接成船体的称岛式建造法?在船台(或船坞)的末端建造第一艘船舶时?在船台的前端同时建造第二艘船舶的尾部?待第一艘船下水后?将第二艘船的尾部移至船台末端?继续吊装其它分段?其至总装成整个船体?同时又在船台前端建造第三艘船舶的尾部?依此类推?这种方法称为串联建造法?将船体划分为首?尾两段?分别在船台上建成后下水?再在水上进行大合拢的称两段建造法。各种总装方法的选择根据船体结构特点和船厂的具体条件而定。
船体装配和焊接的工作量?占船体建造总工作量的75％以上?其中焊接又占一半以上。故焊接是造船的关键性工作?它不但直接关系船舶的建造质量?而且关系造船效率。自20世纪50年代起?焊接方法从全手工焊接发展为埋弧自动焊(见埋弧焊)?半自动焊?电渣焊?气体保护电弧焊。自60年代中期起?又有单面焊双面成形?重力焊?自动角焊以及垂直焊和横向自动焊等新技术。焊接设备和焊接材料也有相应发展。由于船体结构比较复杂?在难以施行自动焊和半自动焊的位置仍需要采用手工焊。
结合焊接技术的发展?自60年代起?在船体部件和分段装配中开始分别采用 T型材装焊流水线和平面分段装焊流水线。T 型材是构成平面分段骨架的基本构件。平面分段在船体结构中占有相当的比重?例如在大型散装货船和油船上?平面分段可占船体总重的50％以上。平面分段装焊流水线包括各种专用装配焊接设备?它利用输送装置连续进行进料?拼板焊接以及装焊骨架等作业?能显著地提高分段装配的机械化程度?成为现代造船厂技术改造的主要内容之一。世界上有些船厂对批量生产的大型油船的立体分段也采用流水线生产方式进行装焊和船坞总装。
船体总装完成后必须对船体进行密闭性试验?然后在尾部进行轴系和舵系对中?安装轴系?螺旋桨和舵等。在完成各项水下工程后准备下水。
船舶下水 将在船台(坞)总装完毕的船舶从陆地移入水域的过程。船舶下水时的移行方向或与船长平行?或与船长垂直?分别称为纵向下水和横向下水。下水滑道主要为木枋滑道和机械化滑道。前者依靠船舶自重滑行下水?使用较普遍?后者利用小车承载船体在轨道上牵引下水?多用在内河中小型船厂。
纵向下水之前先将搁置在墩木上的船体转移到滑板和滑道上?滑道向船舶入水方向有一定倾斜。当松开设置于滑板与滑道间的制动装置后?船舶由于自重连同滑板和支架一起滑入水中?然后靠自身的浮力飘浮于水面。为减少下滑时的摩擦阻力?在滑板与滑道之间常涂上一定厚度的下水油脂?也可用钢珠代替下水油脂?将滑动摩擦改为滚动摩擦?进一步减少摩擦力。在船坞内总装的船?只要灌水入坞即能浮起?其下水操作比在船台下利用滑道下水简单和安全得多。
下水意味着船舶建造已完成了关键性的?主要的工作。按传统习惯?大型船舶下水常举行隆重的庆祝仪式。
码头安装(设备和系统的安装) 船舶下水后常是靠于厂内装码头?以安装船体设备?机电设备?管道和电缆?并进行舱室的木作?绝缘和油漆等工作。码头安装涉及的工种很多?相互影响也较大。而随着船舶设备和系统的日趋复杂?安装质量的要求也不断提高?故安装工作直接关系下水后能否迅速试航和交船。为了缩短下水后的安装周期?应尽可能将上述安装工作提前到分段装配和船体总装阶段进行?称为预装。将传统的单件安装改为单元组装?也可大大缩短安装周期?即根据机舱和其它舱室设备的布置和组成特点确定安装单元的组成程度?如主机冷却单元可包括换热器?泵?温度调节器?带附件的有关管道和单元所必需的电气设备。在车间内组成安装单元?然后吊至分段?总段或船上安装?这样可使18～25％的安装工作量由船上提前到内场进行?能使船上的安装周期缩短15～20％。
系泊试验和航行试验 在船体建造和安装工作结束后?为保证建造的完善性和各种设备工作的可靠性?必须进行全面而严格的试验?通常分为两个阶段?即系泊试验和航行试验。
系泊试验俗称码头试车?是在系泊状态下对船舶的主机?辅机和其它机电设备进行的一系列实效试验?用以检验安装质量和运转情况。系泊试验以主机试验为核心?检查发电机组和配电设备的工作情况?以便为主机和其它设备的试验创造条件。对各有关系统的协调?应急?遥测遥控和自动控制等还需要进行可靠性和安全性试验。系泊试验时船舶基本上处于静止状态?主机?轴系和有关设备系统不能显示全负荷运转的性能?所以还需要进行航行试验。
航行试验是全面地检查船舶在航行状态下主机?辅机以及各种机电设备和系统的使用性能。通常有轻载试航和重载试航。在航行试验中测定船舶的航速?主机功率以及操纵性?回转性?航向稳定性?惯性和指定航区的适航性等。试验结果经验船机构和用户验收合格后?由船厂正式交付订货方使用。
发展 近代造船技术的发展过程是由手工操作向机械化?自动化迈进的过程。自50年代起?船体建造用焊接取代了铆接?使船体建造由过去长期使用的零星散装方式改进为分段装配方式?大大提高了造船效率。由于船体结构和形状比较复杂?手工操作在船体建造中一直占较大比重。电子计算器和数控技术的应用正进一步改变造船业的面貌。电子计算器首先应用于数学放样?进而出现数字输入和图形输出的数控绘图机?数控切割机?数控肋骨冷弯机?数控螺旋桨加工机床和管子加工机床等。同时电子计算技术还在造船厂的生产管理?计画编制?材料设备供应和成本核算等方面逐渐得到应用。为减少信息准备工作?消除设计与生产之间的脱节现象?又研制成大型造船集成数控系统?它包括船舶设计?生产和管理等所有功能的通用信息?能协调地完成从设计到生产的整个工作过程。因此?继续扩大计算器在造船中的应用?是现代发展造船技术?进一步提高造船自动化程度的主要方向。
参考书目
王勇毅等着?《船体建造工艺学》?人民交通工业出版社?北京?1980。