第一情报 ---装备制造业

世界造船技术发展态势

供稿人:刘峰  供稿时间:2010-2-4   关键字:造船  技术  绿色  数字化  
 

(一)船舶制造关键技术和前沿技术

船舶制造技术是造船的主体技术,是各型产品达到预期性能、产量、周期、成本和效率的决定性因素。以船舶制造技术对竞争的影响程度来衡量,可把船舶制造技术分为“基础技术”、“关键技术”和“前沿技术”。其中“基础技术”是业内各企业都掌握的造船必须具备的技术,对竞争力影响较少;“关键技术”是目前已被业内某些先进企业掌握的技术,关键技术能显著提高产品性能和生产绩效,能有力地增强其国际竞争力,提高国际地位;而前沿技术是指对造船未来的竞争力可能产生重大影响的技术,这些技术有待实验验证,但尚未很好地融入产品设计和制造中。船舶技术的发展目标是:依据现代造船理论,充分发挥先进制造技术和信息技术的作用,在船舶制造中熟练地运用各项关键技术,在船舶中间产品专业化高效生产基础上,实现精细的壳舾涂一体化集成制造。同时致力于造船前沿技术的探索、研究和应用,旨在实现基于全面数字化动态联盟的敏捷化造船。目前船舶建造的关键技术和前沿技术(见表1)。
 
表 1 船舶建造的关键技术和前沿技术
技术
领域
关键技术
前沿技术
项目与目标
项目与目标
船体建造
船体分道建造技术:自钢材供应至全船合拢的全过程,实现按日程控制的各级“中间产品”专业化生产。如型线生产线、大合拢焊接、构件角焊、船体零部件和分段的尺寸精度补偿系统等。
1)船体模块化建造技术:实现各型船舶通用的船体机构全面模块建造。如船体分段的全面模块化设计以及制造船体结构模块的装备等。
2)高科技船舶建造技术:实现船体曲面结构制造的自动化和更高质量与工效的船体建工、装配和焊接。如智能化的激光切割、智能化的曲面分段胎架装配和焊接等。
船舶舾装
船舶区域的舾装技术:除船体建造和涂装外的所有造船作业,按照区域导向实现由托盘控制的专业化生产。如托盘集配、管件族制造、区域舾装等。
1)模块化舾装技术:专业化生产独立的系列化的功能模块,适应于各型船舶的各系统。如模块设计、模块制造、模块连接等。
2)管路接口技术:狭小空间中的高压接口的快速可靠连接。如连接工艺和连接装置设计、制造和试验,管路接口的标准化、通用化、系列化及其生产等。
船舶涂装
船舶区域涂装技术:涂装作业分布于造船全过程,提高质量工效和防止污染。如二次除锈、新型涂料、热喷涂技术等。
涂装智能设备:替代人工从事恶劣环境的作业,并提高涂装工效。如6轴机械手、移行智能装置等。
造船模式
集成制造模式:在中间产品专业化生产基础上,实现空间分道、时间有序、责任明确、相互协调的作业优化排序。如壳舾涂一体化的计划、设计、执行等。
敏捷制造模式:根据所建船舶的需要快速构建相关企业的动态联盟,在一体化环境中实现高质量、低成本的造船。如按功能构建网络层的造船虚拟企业和物理层的虚拟企业模型、精细管理、虚拟设计等。
资料来源:上海科学技术情报研究所搜集整理

(二)世界先进船企数字化造船技术现状

各国对数字化造船的理解各不相同,没有统一的模式,其内涵也随着技术进步而不断发展变化。数字化工程以提高造船各阶段的效率为目的,而造船组织生产过程是真正的“主体”,数字化只是提高主体运行效率的“润滑剂”。当前,数字化造船可以理解为:信息技术在造船全寿期活动中的有效应用,使得造船的决策、经营、采购、设计、排产、制造、物资配送生产过程监控、资源分配、成本估算、供应链、保障等各个环节协调一致,实现“以中间产品为导向、按区域组织生产、壳、舾、涂作业在空间上分道、时间上有序,设计、生产、管理一体化均衡、连续地总装造船”的现代造船模式。数字化造船是船舶先进制造技术、计算机技术、网络技术与现代造船模式交叉、融合、发展与应用的结果。
 
目前,在数字化造船技术方面,世界船企竞争非常激烈,采用软件主要有CAD/CAM系统、NAPA三维CAD系统软件、Tribon造船系统等,其中Tribon造船系统是在当今造船界中最为流行,受到很多船厂的青睐。从中日韩先进船企数字化应用现状(见表9)可以看出,总体而言,日本船企造船数字化技术应用整体水平最为先进,其次是韩国,中国与日本、韩国造船业差距很大。
 
日本:一些先进船厂基本上都已采用CIMS系统,实现数字化造船。但是除川崎造船厂和日立造船厂应用CIMS较成功外,其它船厂自行开发系统的维护更新步伐都已经跟不上生产模式和计算机信息技术的发展,正面临着继续系统维护更新还是更换引进新系统选择问题。
 
韩国:在造船数字化生产技术方面,与日本造船业的先进水平还有比较大的差距。韩国船厂在90年代开发的“CIMS”系统相当于日本船厂80年代所开发的CI2M系统。但是,韩国在引进日本、美国和欧洲等国的先进造船信息技术后,研制实施自己的造船CIMS,取得了显著成果。如1991年韩国大宇船厂开始实施CIMS后,其造船销售量增长3倍,年造船缩短约500万工时,船舶建造周期缩短约3.5个月,实现年利润2.2亿美元。
 
中国:在数字化生产技术方面,与日本、韩国造船业差距更大。
 
中国骨干船厂引进国外先进的船舶设计软件系统,如TRIBON和CADDSS等,并不断地进行二次开发和应用,已初步建立了面向造船过程的计算机辅助数字化设计系统。江南造船集团《企业技术创新能力评估报告》对中国目前骨干船厂的“数字化造船”水平进行评估结果显示:
  •  数字化设计船舶:基于3D模型的CAD/CAM已得到了广泛地应用,但基本/送审设计和生产设计之间的信息载体仍为纸质图纸。As Built的电子模型远没有实现。CAE的应用局限于设计分析阶段,在船舶建造过程中CAE的应用程度相当低,而数字化造船更强调CAE技术在制造过程中的应用。此外,日、韩等国先进造船企业船舶平均设计周期为100天,而中国一般要1年才能完成。
  • 数字化管理造船:CAPP、PDM、CMIS等船舶建造信息支持系统尚处于起步阶段,标准和编码等基础工作不扎实,并缺乏准确而齐全的基础数据。
  •  数字化建造船舶:信息流对生产设备和设施的是离散型的驱动,并且仅局限于船体部件加工阶段,船舶建造过程中的集成度、自动化程度和数字化程度还是相当落后。
表 2  中日韩先进船厂数字化造船技术应用现状
国家
主要船厂
数字化造船应用现状
日本
三菱重工
20世纪80年代初,开发并采用完整的CAD/CAM系统及CIMS系统;
2005年,在自身开发MATES基础上,购入由芬兰设计公司开发的NAPA三维CAD系统软件,并且成功投入大型客船建造中。
三井造船
自行开发采用MACISS设计系统,并整合了Tribon系统中部分模块。
石川岛播磨
 
开发出AJISAI系统,该系统可生成一个3D-CAD系统覆盖概念设计参数,建立三维模型到全船模型;此外,该公司还开发了KLEAN(船厂生产计划管理系统。
住友重机械
1997年开发并采用SUMIRE系统,从基本设计到船体结构设计、舾装设计、设备采购、生产计划和工厂自动化控制等整个造船流程进行集成和简化,其船体系统和舾装系统与联合造船共同开发,先进的三维建模系统是其核心系统;2006年引进目前造船界最流行的Tribon造船系统,以替代自身开发的SUMIRE系统,用于分段建造和舾装工作。
万国造船
自行开发并采用完整CAD/CAM系统(HICADEC)、自动套料系统JNEST+、以及数字造船机器人;
引进由日本IBM/达索系统公司提供的CATIA软件,用于舾装设计,同时还将CATIA与船体设计采用的HICADEC—A系统组合成三维CAD系统,并在所属的有明、鹤舞和津三家船厂实施。
川崎造船
1996年,川崎重工将Tribon系统产品信息和其自行开发的先进计算机集成信息管理系统CI2M进行整合,还和南通川崎实现了异地设计数据互通。
韩国
现代重工
90年代末,以PTC公司的Winchile为核心,开发出HICIMS集成制造系统,并全面实施。据称:该系统可使平均设计周期缩短约25%、平均建造周期缩短约10%;目前,现代重工正在全面采用Tribon系统作为其主流的CAD/CAM系统。
大宇造船
韩国造船业界使用Tribon系统最好的一个船厂,该厂采用Tribon系统在实船上的应用、二次开发和CAD/CAM电子模型的覆盖程度相当高;
2004年8月,该公司全面启用新开发完成的信息一体化综合管理系统(CI2M),公司综合效益每年可达5100万美元,生产效率可提高7%~8%。
三星重工
2000年,提出“数字三星”;2001年,开始应用由丹麦、日本、美国和韩国的船厂共同开发的GSCAD系统,同时将其应用的分立系统全面整合成基于统一数据库和产品模型的系统。
中国
外高桥造船
2004年2月8日,开始全面实施CIMS系统一期项目,包括购买一套由HANA-IT公司开发的融入先进专业船厂经验的CIMS系统。
沪东中华
提出“数字沪东”,并已经开始启用企业信息化系统HZS-CIMS,同时继续开发后续模块。
江南造船
2003年6月,开始启用“e江南I”企业信息化系统;江南造船集团在长兴造船基地总体目标:实施信息化建设“e江南II”,全面提升数字化生产技术。
广船国际
已成功使用GSI-SCMIS一期系统,正在实施以SPDM为核心的GSI-SCMIS二期系统。
资料来源:上海科技情报研究所分析整理

(三)绿色造船技术发展趋势

近几年,国际海事组织(IMO)不断以强制性公约、规则的形式来加强对海洋环境乃至大气环境的保护。同时,越来越多的国际非政府组织、行业组织等也不断推出新的行业标准,一些国家和地区也在酝酿着更为严格的区域性标准,这些对环保要求的日益严格,在很大程度上表明推进绿色造船是未来船舶工业发展的大趋势,绿色造船主要内容及其要求(见表3)。
 
表 3 绿色造船主要内容及其要求
 
主要内容
基本要求
绿色造船
绿色设计
从设计阶段开始,就充分考虑船舶制造、营运乃至拆解回收等各个环节的环保问题,严格按照国际海事组织新规范、新标准的要求,采用利于环境保护和节约能源的设计方式。
绿色制造
采用先进的适用技术和工艺,推行精细化和数字化造船,以减少或消除环境污染,提高资源和材料的利用率。
绿色材料
选择容易回收、便于加工、无毒无害、性能高效的材料。
绿色管理
在造船生产管理过程中,不断改善作业环境、不断提升现场管理水平,同时采用先进设备,高效使用材料和能源,减少对环境的污染。
资料来源:上海科学技术情报研究所分析整理
 
现就船舶绿色设计、绿色制造、如何选择绿色材料这三个方面技术分别阐述如下:

1、绿色设计技术

合理设计船舶构造,优化系统布置,降低环境污染,是世界船舶工业发展必然趋势。鉴于此,国际海事组织、船舶设计研究所、造船厂等相关机构正在提倡“绿色设计”船舶构造及系统,而“绿色设计”要求主要体现在以下五个方面:
 
(1)燃油舱保护。为防止船舶自用燃油所带来的污染,燃油舱应采用双壳双底保护设计。对于大型油船设计,燃油舱常规的布置一般位于机器处所和货油舱(包括污油水舱)之间,用于油船的货物区域与机器处所的分隔。比如中国大连新船重工有限责任公司建造的30万吨VLCC船,在货舱区域为双壳结构,有双层底、双层壳和两道纵舱壁,燃油深舱设置了双壳保护;上海外高桥造船有限公司17.7 万吨散货船,充分考虑了当今世界对环保的要求,在总体设计中将传统设计中的燃油舱从机舱区域搬到了顶边舱,并在舷侧设立隔离空舱,有效地减少了燃油泄露的可能性。
 
(2)有利于压载水更换和沉积物清除的设计。压载水更换方法是目前船舶能够安全有效管理船上压载水的唯一有效途径,新建船舶应最大限度地减少沉积物的积聚,并为沉积物的清除和取样提供安全通道。如上海外高桥造船有限公司17.7 万吨散货船在压载系统的设计中也考虑在海上交换压载水的最新要求,既保证了交换压载水,又满足了船舶的性能要求(稳性、盲区、结构应力等),取得了ABS船级社“绿色入级符号”,同时该船也是能进入法国敦刻尔港的最大载重量船舶。
 
(3)船舶机舱舱底水系统布置设计。从源头上减少机舱舱底含油污水的产生,避免油类和清洁水的混合,并减轻滤油设备的工作负荷。比如设置相互分隔的集油槽和集水槽,将泄漏油类收集到油渣柜,干净的泄漏水收集到清洁水柜;清洁水放残柜排放布置应和含油污水系统分开,清洁水柜里的水直接排到舷外;设置预处理单元,将机舱污水阱中的含油舱底水先驳至预处理单元,通过重力预先进行油/水分离,再将预处理过的舱底污油水驳至舱底水储存柜等。
 
(4) 标准化和互换性设计。建立绿色设计维修的概念,利用计算机技术,对船舶及其设备进行标准化、模块化、互换性虚拟设计。通过计算机虚拟现实技术,实现设计过程的可视化,并且对虚拟产品通过仿真试验,确认其性能要求,采用功能多样化与复合化的零件以及简单的连接方法,使整体装置的零件数减少;合理地设计产品中零件、支撑、载荷的布置,确定适当的整体尺寸,提高材料利用率;设计结构符合工艺性与加工性,以减少加工过程中的材料损耗与能源消耗;设计的结构便于回收,实现资源的重复利用;设计的结构便于维修,延长产品使用寿命,从而提高船舶及其设备的维修性。
 
(5) 远程协同设计。通过互联网,根据并行工程的思想,由设计者、制造者和环保工程师参与船舶产品的初步设计、详细设计和生产设计整个过程, 通过相互协调,综合考虑船舶产品由初步设计到报废拆解的整个生命周期中影响资源利用与环境污染的所有因素,优化各个设计环节,减少产品生产的往复过程,提高整个制造系统的资源利用率,降低废品率,节约资源。另外,还应综合考虑产品的结构设计、材料选择、制造环境设计、工艺设计、回收处理设计等各个方面,实现并行式绿色制造设计。

2、绿色制造技术

(1)非传统加工技术
 
非传统加工技术包括净成形制造技术、绿色干式加工技术和数控加工技术等。其中净成形制造技术包括超塑性成形、等温成形、粉末冶金等技术。净成形制造技术正从接近零件形状向直接制成工件形状即精密成形或净成形方向发展。成形的零件有些可以直接或稍加处理即可用于组成产品,这可以大大减少原材料和能源的消耗。绿色干式加工技术、电火花、线切割、高能束加工(激光加工、电子束加工、电解加工、超声波加工、虚拟轴机床加工),干式加工简化了工艺、减少了成本,而且消除了冷却液所带来的一系列问题,如废液处理和排放等。目前,干式加工在国外已经得到局部应用,如美国、日本、德国等国采用干车削、干磨削、干镗削等都取得一定的成果。而中国才刚开始研究,主要应用领域是机械加工行业。这些作为新型的加工工艺,有望在船舶产品制造中发挥其应有的作用。数控加工包括超高速切削技术、多功能化配有自动换刀机构、自适应控制技术等。
 
(2)快速原型技术与敏捷制造技术
快速原型制造(RPM)是利用CAD 技术、数控技术、材料科学等集成从而实现零件从设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。典型的RPM 技术包括:立体印刷、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成形等。
 
敏捷制造技术主要涉及如何虚拟企业、采用智能分解任务、如何虚拟设计、全面模块化设计和制造、以精益生产理论为指导的精细管理等方面技术。如虚拟制造技术就是在真正产品生产之前在虚拟制造环境下生成软产品模型来代替传统的真实样品进行实验,一般采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法。
 
(3)绿色焊接切割技术
 
常用的高效绿色焊接方法主要有气体保护焊、 激光焊接、电子束焊接、 熔化极活性气体保护焊(MAG焊)和熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)、埋弧焊、电渣焊、扩散焊接等。高效焊接是船舶产品制造中提高焊接生产效率和质量、节约资源和降低对环境负面影响的重要技术之一。常用的高效绿色切割方法主要有:激光切割、等离子切割、超声切割和机器人切割等。
 
(4)绿色涂装工艺技术
 
以系统工程的思想加以实施,深化涂装生产设计,实现船舶产品绿色涂装,注重钢材预处理质量、缩短分段制造周期、提高预舾装率和分段完整性、加强涂装生产的动态管理,通过环保型的涂装工艺、涂装设施的应用,以及跟踪补涂等措施,实现环保型涂装作业的目标。主要包括:合理选择涂料、推广移动式涂装系统和环保型分段涂装房、推进标准化和计算机辅助管理等。
 
(5)绿色热处理、绿色铸造技术、表面改性技术、绿色包装技术
 
绿色热处理技术包括真空热处理、离子热处理、可控气氛热处理、激光表面合金化等技术;绿色铸造技术包括消失模铸造、挤压铸造等技术;表面改性技术是采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料不同组织结构和性能的技术,主要包括等离子体表面处理、离子渗氮、激光表面处理、电子束处理、高密度太阳表面处理、离子注入表面改性、表面涂层、热喷涂、电火花表面涂敷、塑料涂敷、真空蒸馏、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、分子束外延、离子束合成薄膜等技术;绿色包装,许多地方把蜂窝纸板包装列为推广对象,为降低商品在流通过程中的破损率、提高包装产品质量起到了积极的作用。除此之外,还应进一步开发农作物秸秆缓冲包装材料、聚乳酸发泡材料、废纸和淀粉制包装用泡沫填料等新型包装材料,应用于船舶工业中。

3、绿色材料选用和使用

在船舶产品全生命周期中, 对环境和人类影响最大的, 一是制造过程中的焊接、涂装作业;二是船舶产品拆解后废弃的各种绝缘材料。因此,实现船舶产品绿色制造,应最少地使用有害材料,尽可能使用能安全环保、易分解清除、可回收的材料,重点研究和选择无毒、无害化高分子材料,研究废旧高分子材料回收的绿色技术,选用高分子过滤材料——功能膜材料,玻璃纤维毡增强热塑性复合材料等,采用对现有材料的环境性能改进技术等,以降低环境污染,达到环保要求。
 
(1)焊接材料
 
焊丝(焊条) 的添加助焊药剂,在电弧高温燃烧下,随焊接烟尘一起向空气中扩散,对操作人员和环境构成危害。因此,应首先选用高效焊接工艺和低毒、低烟焊丝(焊条)。目前,日本、美国、瑞典等发达国家研制出金属粉型药芯焊丝,就是在药芯焊丝中添加脱氧剂(硅、铝、钛、硼等),用于降低熔池金属中的含氧量,且增加粘度,增强熔池金属的张力,减少烟尘和飞溅物,降低船舶焊接时对环境的污染,同时也具有高效节能特性。该型焊丝非常适用于自动化焊接,广泛用于造船业。如日本船厂对于海洋工程结构物、液化气船等低温材料的焊接,广泛采用金属粉型药芯焊丝,尤其是机器人和全位置焊接。在焊接时飞溅物可减少30~40%,焊接烟尘减少30~35%,而且具有良好的焊接工艺性,接头牢固。
 
(2)船舶产品绝缘材料
 
由于矿棉、玻璃棉具有防火、隔音、保温等优良性能和可加工性,目前被广泛用于船舶产品的内装。在船舶产品营运寿命结束后的拆解过程中,这些保温材料由于没有再生利用价值而被大量抛弃,而且矿棉、玻璃棉的不可降解性,这些废弃的材料直接导致周围的水质和土质的恶化。因此,选用保温材料,不仅要考虑其技术性能,还应考虑环保性能。研制高效、环保的复合绝缘材料也将成为完善绿色船舶产品技术的一项重要工作。
 
(3)涂装材料的选择
船舶产品涂装工艺分为钢板预处理(在钢材预处理车间完成) 和二次除锈涂装(在涂装房内进行)。先进造船国家一般较少进行二次除锈涂装,这不仅减少了资源浪费,而且生产效率大大提高。中国在引入区域船舶产品装备方法的同时,也在尝试减少二次除锈涂装,采用跟踪补涂技术。跟踪补涂一般在露天平台完成,这对涂料提出了更高要求。传统溶剂型涂料因其对人体的危害和对空气的污染已无法满足绿色海洋装备和物流装备的要求,取而代之的应是一些无污染、省资源、省能源的绿色涂料。其中具有代表性的绿色船舶涂料有:环保型固体含量达80%以上的高固份涂料、无溶剂型的环氧涂料、水溶性环氧涂料和聚氨酯涂料、环保型的饮水及环境友好型船舶防污涂料等。不仅如此,各种快速造船所需要的涂料也相继问世,如耐高温的车间底漆、通用型的环氧底漆和低表面处理要求的防锈涂料。据媒体报道,国外业界正在研制光催化氧化钛涂料和智能型涂料等。由于绿色造船是世界造船业发展趋势,而环保、高性能的船舶涂料是绿色涂装、绿色造船必备条件之一,从而成为国际上研发的重点。
 
(4)广泛采用纳米材料
 
纳米材料已被应用于环境保护等领域。当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成的“纳米材料”时,不仅材料的物理、化学、力学等性能发生变化,而且会出现辐射、吸收、吸附等许多新特性。由于纳米技术导致产品微型化,使所需资源减少,可达到“低消耗、高效益”的可持续发展目的,而且其成本极为低廉,其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力将大为减小,噪声污染会得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂,既能在物体表面形成半永久性的固态膜,产生极好的润滑作用,大大降低机器设备运转时噪声,又能延长它的使用寿命,如用在船用主机、大型船用设备上。此外,纳米材料涂层能大大提高遮挡电磁波和紫外线的性能。
 
主要参考文献:
[1]徐学光.船舶制造的关键技术和前沿技术,外高桥造船技术(半月刊)
[2]l刘峰.《2009年世界制造业重点行业发展动态》之船舶篇;
[3]王世明.绿色船舶的现状和发展前景分析,中国造船,2008年10月;
 

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