尚峰

摘 要：分析了船舶管系設(shè)計布局的具體要求，指出了目前管系設(shè)計布局中存在的主要缺陷，討論了布局優(yōu)化的方法及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：船舶；管系設(shè)計；管路系統(tǒng)；水泵

中圖分類號：U664.84 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.100

船舶管系是分布于船舶各艙室的用于傳遞氣體與液體的管路系統(tǒng)，包括管子、閥門、法蘭、管路支架、減振接管等部分。船舶管系遍布全船各艙室、各個部位，合理的管系布局是保證船舶安全性、操作方便、維修便捷和機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要前提。

1 管系設(shè)計布局的要求

船舶管系是船舶建造過程中的重要過程和工序，對于船舶制造有重大的影響。在生產(chǎn)過程中，船舶管系會受到重多因素的約束和影響，主要應(yīng)滿足以下4方面的要求：①經(jīng)濟(jì)性要求。管路長度盡量短，彎頭、管卡數(shù)量盡量少。②安全性要求。管路應(yīng)避免在振動較大的設(shè)備上面布置，比如水泵、壓縮機(jī)等；油管應(yīng)避免在高溫蒸汽等高溫管路及設(shè)備上方布置；管路安裝時應(yīng)滿足管系的力學(xué)要求，同時，考慮到管系受熱膨脹會影響使用中管系的受力情況，在安裝時，應(yīng)考慮管系布置的靈活性。③維修性要求。保證管路與管路、管路與設(shè)備之間有一定的間距，管路中的閥件及控制裝置應(yīng)避開障礙物，并處于易維護(hù)的范圍內(nèi)；為安裝與維修階段所用的扳手、絞車等移動設(shè)備預(yù)留足夠的操作空間。④精細(xì)化要求。管系布置時應(yīng)先布置粗管，后布置細(xì)管，管路應(yīng)盡量與艙壁、設(shè)備、管路支架正交成束敷設(shè)；管路必須排列整齊，系統(tǒng)閥門應(yīng)整齊布置；水平與垂直管路安裝時應(yīng)在管路垂直位移最小的位置支撐，防止管路過度變形扭曲。

2 管系設(shè)計布局存在的缺陷

目前，管系在設(shè)計布局時主要采用平面方法進(jìn)行管系布局放樣，在平面上（通過AutoCAD軟件）按照一定比例繪制船體型線和有關(guān)結(jié)構(gòu)圖。繪制出艙內(nèi)主要機(jī)械設(shè)備的安裝位置后，應(yīng)繪制管系的放樣總圖，而后依據(jù)放樣總圖生成各系統(tǒng)管系的放樣圖，開展管件加工和生產(chǎn)。

目前，設(shè)計方法存在多方面的缺陷：①平面設(shè)計方法無法表示管路錯綜復(fù)雜的三維立體關(guān)系，不易在設(shè)計階段規(guī)避管路之間、管路與設(shè)備之間的聲短路情況，且要求在現(xiàn)場放樣完成后再開展設(shè)備布置，這種串行設(shè)計的方法不利于生產(chǎn)周期的縮短。②該方法依賴對設(shè)備安裝位置的數(shù)據(jù)測量，且因管系密集，在設(shè)計不同系統(tǒng)管系時，易出現(xiàn)管路相互影響的情況，導(dǎo)致返工。③人工放樣、設(shè)計管系布局的最大缺陷是設(shè)計布局的結(jié)果極度依賴設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)知識。

3 管系優(yōu)化布局的發(fā)展趨勢

隨著自動化與信息化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代造船模式向著數(shù)字化發(fā)展，設(shè)計模式也向著自動化發(fā)展，傳統(tǒng)的管系優(yōu)化布局模式也應(yīng)緊隨科技革新。筆者認(rèn)為，船舶管系優(yōu)化布局應(yīng)向以下幾方面發(fā)展。

3.1 進(jìn)行三維數(shù)字化放樣

以三維化為基礎(chǔ)的數(shù)字化造船模式已經(jīng)成為現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展趨勢，開展三維數(shù)字化管路布局設(shè)計迫在眉睫。三維數(shù)字化管路布局的優(yōu)點(diǎn)在于使管路布局與設(shè)備安裝同時進(jìn)行，設(shè)備安裝完成即可進(jìn)入管系安裝階段，從而縮短生產(chǎn)周期。此外，三維數(shù)字化管系布局設(shè)計可以模擬出管系之間、管系與設(shè)備之間的三維空間關(guān)系，避免在生產(chǎn)階段出現(xiàn)返工、材料浪費(fèi)的情況。近年來，國內(nèi)主力船企（比如廣州造船廠、渤海造船廠等）已經(jīng)在三維數(shù)字化管系布局放樣方面進(jìn)行了有益嘗試——引進(jìn)國際上先進(jìn)的三維設(shè)計軟件（比如Tribon、CATIA等）進(jìn)行可管系布局設(shè)計，并取得了一定的效果。

3.2 實(shí)現(xiàn)自動化管系布局

提高管系設(shè)計效率和布局精度的根本方法是進(jìn)行自動化管系布局。三維數(shù)字化管系布局將管系設(shè)計工作從二維平面發(fā)展到了三維空間，但本質(zhì)上還是依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計者，且設(shè)計不一定是最優(yōu)的。一套成熟的自動化管系優(yōu)化布局系統(tǒng)是利用預(yù)設(shè)的專家知識、算法自動輸出最優(yōu)的管系布局。國內(nèi)外學(xué)者對自動化管系優(yōu)化布局展開了大量的研究，研究過的管系優(yōu)化布局方法有試湊法、動態(tài)規(guī)劃法、迷宮法、逃逸法、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法、Zhu方法、遺傳算法、專家系統(tǒng)和模糊集理論及單元生成法等。經(jīng)過對管路布局優(yōu)化設(shè)計的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行業(yè)形成了小范圍的自動化管系布局系統(tǒng)，但目前研究的算法中依然存在問題，未形成一套完整的自動化管路優(yōu)化布局系統(tǒng)。

3.3 檢測反饋手段的數(shù)字化

虛擬化在現(xiàn)代造船模式下起著十分重要的作用。當(dāng)前的虛擬化僅限于設(shè)計效果的演示及生產(chǎn)結(jié)果的演示中，對于指導(dǎo)生產(chǎn)的作用比較薄弱。要想加強(qiáng)虛擬化在生產(chǎn)過程中的作用，則要強(qiáng)化監(jiān)測反饋手段，發(fā)展三維在線監(jiān)測手段，實(shí)時監(jiān)測、采集管路安裝的三維數(shù)據(jù)，并與三維的設(shè)計效果圖進(jìn)行對比；對安裝誤差過大的部位進(jìn)行報警提醒，施工人員應(yīng)及時糾正，在提高生產(chǎn)水平的同時縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語

船舶管系布局是船舶設(shè)計生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，實(shí)踐中主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)完成，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了大量的返工現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，管系布局優(yōu)化的發(fā)展方向主要是實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化放樣、實(shí)現(xiàn)自動化布局優(yōu)化及三維在線監(jiān)測與反饋。此外，實(shí)現(xiàn)管系布局三維化、自動化和虛擬化也是數(shù)字化造船模式的客觀要求。

參考文獻(xiàn)

[1]范小寧.船舶管路布局優(yōu)化方法及應(yīng)用研究[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2]樊江，馬牧，楊曉光.航空發(fā)動機(jī)外部管路自動敷設(shè)研究[J].機(jī)械設(shè)計，2003，20（07）.

[3]張大船.專家系統(tǒng)在管道工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].煉油設(shè)計，2001，32（01）.

[4]胡勇，劉光武，王呈方.船舶制造中的現(xiàn)場取樣管人工樣桿的數(shù)字化[J].船海工程，2004（06）.

〔編輯：張思楠〕