23万吨矿砂船机舱单元模块设计探讨
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摘要：以中间产品为导向是现代造船模式的基本思想，舾装工程是以托盘、单元模块等中间产品为基础来展开的，通过对23万吨矿砂船机舱单元模块设计的研究，将有助于降低船舶建造成本和缩短船舶建造周期。
关键词：矿砂船；现代造船模式；机舱；单元模块设计
1 前言
单元模块是船舶舾装中除重大设备外的重要部件，对提高船舶的预舾装量、缩短造船周期起着至关重要的作用。我国造船业自上世纪末引进模块化造船理念，开始了模块化造船技术的研究和探索。船舶机舱区域由于空间狭窄，设备、管路、铁舾件众多，是功能性单元和区域性单元预舾装最合适的区域，若能有效的设计和划分单元模块，将大大减轻劳动强度和缩短建造周期。近几年来，国内大型船厂在该领域进行了大胆地改革和尝试，如机舱底部区域从传统的船内散装设计改变为分段舾装综合生产设计，后又改变为以区域性单元预装设计。在母型船设计时将机舱底层作为全宽型单元，即在车间内场模拟船上的空间，整体制作，分块吊装。据此工艺变外场作业为内场作业，取消了合拢管，改善了工作环境，缩短了船舶建造周期。
2 机舱单元模块设计概况
23万吨系列矿砂船是华南地区建造的最大吨位的散货船，该船为单机单桨尾机型船舶，受龙穴造船公司的委托，广船国际技术中心承担了其生产设计任务。在生产设计前期，我们以该系列船的《详细建造计划书》为依据，以机舱布置图为基础，对机舱单元模块组装设计进行了构思。在机舱区域综合布置（利用TRIBON进行建模）结束后，与综放、电气专业协调平衡确定单元的具体界面范围和组合力量。同时和建造部门加强协调沟通，确保单元模块组装的结构大小和重量控制在舾装设施能力范围之内。
在机舱单元模块设计过程中，我们把握三个原则：一是布置要相对集中；二是工艺要合理；三是要尽可能采用无余量设计。在此基础上形成具有独立功能、完善的接口特性、互换性强、具有适用性和超前性、商品性的模块特征。
3 机舱舾装单元模块设置的分析
单元模块组装设计需立足于区域舾装，针对分段、总段或区域的具体结构情况，开展单元模块组装的规划与设计。该系列船在进行机舱布置设计时就提前考虑了模块的组合形式和可能性，尽量使这些设备集中布置，以形成模块。同时考虑设备的维修空间及操作、维修通道，以及单元的外形尺寸，以保证其布置、吊装的可行性。该船机舱为尾机舱，设在15#～51#肋之间，总长34.3 m，但机舱下平台至上甲板之间位于15#～50#肋之间，下平台至内底面的连接为倾斜的壁。
下面我们分析该船机舱各层设备布置特点及对单元模块划分的影响。
机舱双层底设置了主机滑油循环舱、燃油泄放舱、燃油溢油舱、舱底水舱等。由于本船不设泵舱，两台排量为3 500 m3/h的压载泵位于机舱内。由于压载泵排量太大，所以根据规范要求单独在机舱内设置压载泵专用海底门（左右各一个）。另外，机舱还设置2个高、低位海底门，位于45#～49#肋之间，主要是为海水冷却系统服务。三台主海水泵布置在底层右舷39#～44#肋之间主海水总管附近，有利于减少海水管的长度。两台压载泵布置在左、右舷各一台，压载泵进出口与压载水总管高度一致，以避免不必要的弯管。本船内底面距离花钢板高度为2 736 mm，因为花钢板比较高，考虑到泵的自吸能力问题，部分卧式泵要低于花钢板面距离内底面1 300 mm布置。由于这部分泵布置在花钢板下，为了使船员能够方便使用及检修，在这些泵的周围均设有直梯。由于艉轴密封为油、气混合密封，所以比常规的油密封的配套设备要多一些，这些设备都需要根据艉轴管滑油系统的高度要求安装在底层。在构思底层单元模块时，在充分考虑到船体结构特点的基础上，尽量将设备、管子纳入单元内，设备布置在满足通道、维修空间的要求后应尽量往船舯靠，实在无法布置时才考虑布置在舷侧。根据内底D31，D32，D33分段线的位置，将其划分成12个全宽型综合单元和空冷器化学清洗模块、主机填料函泄放柜模块、防海生物装置单元等3个模块。在综合单元设计时，把能够在地面组装的部件（如梯子、栏杆、扶手、花钢板等铁舾件）考虑进去，尽最大可能减少船上安装量。
机舱下平台右舷20#～22#肋之间主要布置了热井和大气冷凝器，为了节省空间，将大气冷凝器布置在热井上面做成了一个模块。制淡装置单元、主机缸套水冷却泵组单元、主机缸套水冷却器单元、主机滑油冷却器单元、主机滑油自清滤器单元布置在20#～22#肋之间。由于下平台不设发电机室，3台发电机敞开布置在17#～25#肋之间，为此我们根据船体结构的特点布置了10个综合性单元。同时将发电机平台花钢板高度设计为600 mm，将单元延伸至舷旁，热井摸块和制淡装置单元布置在其上，便于吊装上船。3台低温淡水冷却泵和两台中央冷却器布置在33#～42#肋之间，按原设计3台低温淡水冷却泵与两台中央冷却器和船舯线平行布置，但因为33#～42#肋之间船体结构上有3根工字型的柱子，这样就使得两台中央冷却器被中间的一根柱子挡住，而造成了两台中央冷却器没有空间进行检修，也不利于做成单元，后来我们将这些设备旋转了90度，终于顺利解决了该问题。分油机室里设置六个综合单元，里面包括分油机标准模块、主机供油单元标准模块、辅机供油单元标准模块、锅炉燃油供给泵单元。其中分油机及其相关附件安装于分油机间油渣舱上，按原计划分油机油渣舱是作为船体结构的一部分，属G2D31P分段，未组装进分油机标准模块，这样就导致分油机单元上有下平台封闭下有油渣柜封底而无法进行吊装，同时分油机模块也缺乏完整性。最后考虑将分油机油渣舱分离出来做成一个独立的结构，和分油机等设备及部件组合成标准模块，在船坞进行吊装。
在上平台区域22# ～28#肋右舷，布置了两个卧式主空气瓶，由于外形较大，为了便于操作及检修，在两个主空气瓶之间布置了两把梯子，中间部分布置框架并铺设花钢板，考虑将其做为一个功能性单元进行整体吊装。在上平台右舷其它区域，同时还布置了主压缩机组单元、伙食冷藏装置单元、空调压缩机组单元及气缸油日用柜模块。集控室位于上平台右舷22# ～28#肋之间，我们在设计时将集控室做成独立分段，把集控室内集控工作台、各种仪表管路、控制管路、电缆、空调器及管路和电缆的所有通舱件做成一个完整体，在上平台合拢时吊入就位，然后连接外部管子和敷电缆，这样就形成了标准的集控室模块。
总的来说，机舱上下平台甲板侧重于采用模块和功能单元，如有条件，尽可能考虑把分油机室和集控室做成独立于分段建造的模块。通过分油机模块、热井模块等标准模块的采用，有利于我们简化设计和缩短设计周期。为提高标准模块的适用性，我们也可将标准模块拆分，组合成若干子模块。布置形式也可根据空间位置灵活组织，可以是一字形地排开，也可是丁字形的布置。但在划分时，要尽量减少产品所含的子模块数量，简化模块自身的复杂程度，避免模块组合时产生混乱。
围井区域上甲板布置有焚烧炉单元、焚烧炉废油柜单元等设备。在A甲板4个带百叶窗风机室分别布置了4台机舱风机，可连同其基座一起组合成功能性单元。除此之外根据围井和烟囱区域的建造特点，将1A2、2A2、3A2、4E2分段组合成X1A2 总段，侧放在胎架上，进行组合锅炉、消音器等设备，排气管和透气管等管系以及相关直梯、格栅等铁舾件的预装，最后在船坞将整个总组总段吊上船合拢。因此，对于围井和烟囱区域，可充分利用船体结构的特点，采用分段预装的综合单元。
4 机舱舾装单元模块设计的实施
通过对机舱布置的分析，我们可以确定底层单元模块、下平台单元模块、上平台单元模块和围井烟区单元模块的范围和包括的相关设备和附件（详略）。
单元模块划分和组装时，在满足系统功能的前提下，布置上应力求紧凑、美观，使外形尺寸尽可能小。设备的控制箱等电气设备也需尽量布局于设备单元中，做到控制箱与设备的电缆接线，在单元安装前就可以接线完毕。同时还需兼顾满足船舶舱室布置要求和保证其操作维护方便。
如空冷器化学清洗模块和热井模块，我们将化学清洗泵和大气冷凝器分别布置在化学清洗柜和热井及凝水观察柜顶上，不仅可以满足功能要求，而且也节省了空间和便于操作维护。
根据单元模块设备组成的情况，每个单元均设有设备基座、框架、管支架，用以安装设备和固定管路及相关附件。本船设备基座尽量采用角钢或其他型材来制作，一方面减轻了空船重量，另一方面也避免了板材结构给管路布置带来的困难。在设计框架时，我们统一选用了L75×75等边角钢。由于综合单元的外形尺寸一般都较大，且设备管路密集，往往较重，但框架脚却是散的，容易造成变形。考虑到采用不同吊装方式时的受力和强度问题，选用L63×63角钢提供给现场进行临时加强，单元吊装就位后割除。管支架尽量利用框架角钢作为码脚，对于通径>200 mm的管子，局部采用相应的大尺寸角钢或槽钢作为码脚。对于大型的综合单元，我们在框架面上铺设了4 mm厚的花钢板，同时设置直梯、扶手栏杆等铁舾件。花钢板面上也设计了手孔盖以便于阀件操作，除应急吸口阀的手轮露出花钢板面460mm外，其他花钢板下的管子阀门操纵手轮、泥箱盖等，低于花钢板平面100 mm。
由于模块单元一般外形尺寸较大，在设计时需考虑进机舱的时间、顺序及吊装的要求，同时避开船体的大结构和柱子。机舱舾装单元模块的作业阶段需遵循以下基本原则：按扩大先行工程的原则，单元尽可能在X阶段吊装到位；大型单元，如综合单元，可在Y阶段吊装，按照单元的安装顺序吊装；对某些可能影响船体结构装配单元（或封舱件单元），可先在船上临时搁置，待船体结构装配完成后再安装到位。
5 机舱舾装单元模块设计出图方式的优化
为满足单元模块托盘设计和优化要求，需要改善机舱舾装单元的设计方法，我们在23万吨矿砂船上对机舱舾装单元进行了相关探索。在TRIBON系统中对组成舾装单元的框架、设备、花钢板、梯子、栏杆、管码等都进行了准确的建模，经过对机舱舾装单元的深化设计，我们可以在TRIBON系统中提取设备、单元框架、花钢板、梯子、栏杆、管码等的制作及安装信息。这样不但保证舾装图纸的准确性，还为管舾装综合布置提供了良好的条件。经过深化后的机舱单元模块设计图纸包括单元框架制作图、花钢板制作图、单元框架安装图，共三份图纸。单元框架制作图集中体现了框架、管件的固定支架、铁舾件的制作信息及设备座架在单元中安装信息。花钢板制作图包含了花钢板及手孔盖的制作信息。单元框架安装图反映了该单元在船上的安装位置。
深化后的机舱单元模块设计图纸，减少了设计的差错率，实现了单元铁舾件100%的预装率和单元整体吊装，托盘的设计和划分也得到优化，大大减少现场工作量。同时单元框架精度控制和无余量安装也减少了材料的浪费，节省了成本。
6 总结
通过现场建造的反馈情况来看，23万吨机舱区单元模块设计和划分是成功的，其深化设计也取得了预期效果，不仅满足了龙穴总装化造船模式的要求，而且极大的促进了生产流程的优化，提高了建造效率，缩短了造船周期。随着造船技术的发展，生产工序的优化和完善，对设计的要求也越来越高，我们只有不断的优化设计方法，提高设计效率才能满足生产的需要。