现代造船工艺技术的发展

1.4.1　现代造船工艺技术的发展

1.4.1.1　民船制造工艺技术的发展

20世纪20～50年代开始，造船业引进焊接技术，从根本上改变了传统造船工艺，是造船发展史上的一次飞跃。

第二次世界大战后，船舶产量大增，船厂采用流水定位生产组织方法，采用总段分段造船法。同时轮机工程与造船分开，船厂向总装厂方向迈出了第一步，船体加工实现机械化，如感光投影号料、光电切割、高频弯管机，以及初步采用半自动和自动埋弧焊等。

20世纪60～70年代，由于石油工业的发展，船舶趋向大型化和超大型化，所有传统的造船国家一方面对原有船厂进行大规模技术改造，另一方面选址建设新厂。同时出现了机械化加工车间、生产流水线、数学放样、数控切割、管子加工线、半自动焊、CO₂气体保护焊、超大型船台和船坞、双坞门系统、大型龙门吊等工艺技术和装备。

20世纪70年代后半期到80年代，油船市场开始衰退，世界航运业陷入不景气。但先进制造技术和工艺并未停止发展，如在工艺和生产过程控制中采用数控和计算机技术是最显著的变革。具体有数控切割、等离子切割、数控成形、高效焊接、精度控制、预制预装、机械化和生产流水线、高效喷涂等工艺技术和装备的应用。数控绘图和材料、成本管理等管理工作的计算机化，基本实现了“两甩工程”（甩图板、甩账本）的目标。

20世纪90年代，造船界由于CIMS的加盟而改变造船模式。同时，精良生产（Lean production）、敏捷制造（Agile Manufacturing）和并行工程（Concurrent Engineering）等先进制造技术理念，以及激光、FMS、仿真、虚拟、机器人等高新技术的不断加盟造船业，使得分道和区域建造技术向设计制造一体化、计算机集成化、生产自动化、柔性化和模块化，以及虚拟现实制造等方向发展。

进入21世纪，人类将进入知识经济和低碳经济时代，制造业将向绿色制造和清洁生产发展。IMO（国际海事组织）和IACS（国际船级社组织）已制订了系列保护地球海洋环境的新规则，除了原有的敏捷制造和智能技术以外，造船技术将以节能、减排、降耗技术为中心，向轻量化、低碳化、无害化及全生命周期制造技术等绿色造船技术发展。

造船技术的五级发展和船舶生产方式和造船技术进步情况见表1.4－1。

表1.4－1　船舶生产方式和造船技术进步

（续表）

1.4.1.2　军船制造工艺技术的发展

经过多年的发展，特别是第二次世界大战后，舰艇的种类和数量不断增加，性能不断提高。在发展潜艇和大中型水面舰艇方面，美国、前苏联、英国、法国、中国、联邦德国、意大利、荷兰、日本、西班牙和瑞典等国均取得了显著的进展，使舰船大家族增添了许多新成员：弹道导弹核潜艇、攻击型核潜艇、核动力航空母舰、轻型航空母舰、核动力导弹巡洋舰、导弹驱逐舰、导弹护卫舰、小型导弹护卫舰、导弹快艇、水翼艇、气垫船、地效翼船，还有各种攻击登陆舰艇、猎雷舰艇和航天综合测量船等都是这一时期出现的新型舰艇。进入新世纪以来，各种新概念舰艇更是层出不穷。

1）潜艇

在众多舰艇中，潜艇的发展尤为突出。自从19世纪80年代，世界第一艘潜艇问世至今已有百余年历史。但是，以前的潜艇只能被称作“可以潜入水下的舰艇”；而只有当美国的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号于1954年建成下水，潜艇才成为名副其实的水下舰艇，才真正把人类期望长时间潜游于海底的梦想变为现实。核潜艇的研制成功是本世纪船舶工业的重大成就。至今，美国、前苏联、英国、法国、中国五国共建造了核潜艇300多艘，约占世界潜艇总数的1/3。在40多年的时间里，美国船厂先后建成了5个级别、100多艘攻击型核潜艇，其中“鲟鱼”级和“洛杉矶”级是目前的主力。近期研制成性能更先进的“SSN－21”级攻击型核潜艇，将成为21世纪的水下重要攻击力量。

前苏联是世界上建造和拥有潜艇数量最多的国家，约建造了各型潜艇160余艘。20世纪70年代开始采用区域建造原理，以总段模块化建造工艺替代传统的整艇建造工艺。新工艺主要是将整艘潜艇划分成若干区域，即以若干的工艺总段（完成艇内舾装作业的总段）代替传统建造中的结构总段，对各工艺总段实行平行作业，最后组装合拢成整艇。前苏联的潜艇制造厂在建成首制艇后，批量后续艇的建造周期一般仅为24个月。

美国、德国、瑞典等造船先进国家，在潜艇建造中均已实现了潜艇总段建造或潜艇模块化建造。主要以“分道作业”为特征的区域模块化建造法取代传统的系统导向建造法。号称21世纪最先进的“海狼”级核动力潜艇是由美国通用动力公司电船部和纽波特纽斯船厂采用区域模块化建造法建造的。区域模块化建造法是按照船的区域而不是按照船的系统将船分成许多模块，以模块为建造单位在车间内组装建造。区域建造法的最大优点在于能更好地组织工件流动和平行作业，最大限度地提高预舾装率。

模块可以脱离耐压壳体而独立制造，这不但有利于预舾装，还便于平行作业的进行。以图1.4－1所示的潜艇控制室平台为例，控制室平台在吊装入分段之前业已经安装上驾驶台、主机控制台、计算机、无线电收发室、厨房、居住室、管系和电缆等，其先进性毋庸置疑。

图1.4－1　潜艇的区域模块化建造

区域建造法的基础是“中间产品”分道制造。潜艇建造中的中间产品可分为零件、部件或组件、模块、分段和总段5种。每级中间产品由一综合小组施工，该小组配备了为完成产品所需的不同工种的工人，是一个“自给自足”封闭的生产单位，能独立完成某一级中间产品的制造任务。“海狼”级核潜艇采用区域模块建造法引起了世界海军船厂的高度关注。

2）驱护舰

水面舰艇建造技术的突破，主要也是区域总段模块化设计制造技术的应用。最早应用可以追溯到美国20世纪60年代建造的DDG963“斯普鲁恩斯”级驱逐舰。在设计时，首先把全舰按功能区域进行划分，尽可能把功能相同的设备部件包含在一组模块中。

德国布隆福斯公司从1969年开始研究护卫舰模块化设计制造技术，运用MEKO（MEKO意指有可供安装各种不同的推进系统、武备和电子设备等装备的标准舰船平台）。采用模块化技术建造护卫舰已经从20世纪70年代初的第一代发展到目前的第四代。德国MEKO200型舰在型号发展中模块化比重不断增大，建造周期不断缩短，第一代MEKO200型舰建造周期为48个月，第二代下降到35个月，第三代的实际建造周期缩短到29个月。

加拿大在护卫舰建造中，应用民船建造中的成组技术原理，在两名美国造船师帮助下，实施壳舾涂一体化技术，其主要做法是建立大型的、封闭的、一体化的综合车间，统一纳入船体建造和舾装作业，建立了六个生产中心：

钢材加工中心、平面和曲面分段装焊中心、分段组装和热舾装（Hot Outfit）中心、大型分段组装和冷舾装（Cold Outfit）中心、坞内装配中心、试验完工中心。

这六个生产中心的建立形成了按区域建造的体制，主要区域内包含了船体建造、舾装和涂装作业内容，形成了壳舾涂一体化的生产体系。它们是劳动力和物流的控制点，替代了传统的按工种建造的体制。在中心内融合了不同工种的作业，便于实施总装化造船。

3）航空母舰

航空母舰是迄今最大的水面舰艇。1912年，英国将巡洋舰“竞技神”号改装成世界上第一艘以搭载水上飞机为主要使命的航空母舰；1922年，美国将一艘运煤船改装成“兰格利”号航母；年底，世界上第一艘直接设计与建造的航母“凤翔”号在日本问世；随后，由于弹射、阻拦、升降、助降等特种装置技术的突破，使航母发展到一个更高的水平。

从航空母舰发展的整个过程来看，可把航空母舰的发展分成几个阶段：初期改装的航空母舰被称为第一代航空母舰；从1922年到1933年间建造的一些航空母舰已初具规模但又各有缺点，被人们称为第二代航空母舰。第二代航空母舰检验了理论，并把理论付诸实践，可以这样说，没有第二代航空母舰，就不可能有威力强大的具有弹射阻拦大吨位核动力的第三代航空母舰。

从20世纪80年代开始，在航母现代化改造和“尼米兹”级航母建造中，要求应用以成组技术（GT）为指导思想的区域造船法。采用按作业类型、工艺阶段、施工区域为原则组织生产，航母制造模式从船舶制造按系统导向型工程分解（SWBS）向“中间产品”导向型工程分解（PWBS）发展。

美国纽波特纽斯船厂在新一代核动力航母建造中，广泛地应用先进的预舾装和模块化舾装技术。在船体和轮机工程的工艺设计中，采用CAD/CAM集成系统辅助三维建模，在建造中采用激光测量等技术来制造和安装舾装单元和模块。大量舾装件制作和单元组装在车间内的平台上完成，使得自动化焊接应用比例提高，对焊工技术要求降低，同时制造安装质量也得到保证。由于采用了先进的模块化建造技术，使得“尼米兹”级核动力航母，被称为美国21世纪最先进的里程碑式的航母。从建造技术方面来说，以前的航母都是采用分段总段建造方式，而“乔治·布什”号是第一艘采用区域总段模块化建造方式的美国航母。该舰共分为13个区域总段模块，其区域总段模块化的建造是按零件→组件→分段→区域总段模块方式依次组合。在组合的过程中，不断地将特装件、舾装件等安装到舰体结构中，最后形成舰体区域总段模块，采用900t龙门式起重机吊入干船坞进行大合拢，其中最重的舰体区域总段模块为底部球鼻艏模块，该舰于2006年10月7日下水。

美国纽波特纽斯船厂在建造CVN71航母时采用模块化技术，其周期比CVN70缩短17个月，节省费用1亿美元。

目前，美国、英国、法国及俄罗斯在新一代航母的研制中，在船体建造技术方面，均采用总段、区域和模块化建造技术；在特装舾装技术中广泛采用预舾装和区域模块化舾装技术，机舱CAD/CAM集成系统实现三维建模、并辅以虚拟仿真技术；同时，建造中采用了先进的精度控制、激光检测、高效焊接和绿色涂装等技术。