船舶結構設計中的綠色制造工藝探索

柴建華

（黃海造船有限公司，山東 威海 264309）

0 引言

全球化經濟格局的形成促進了國際貿易的繁榮發展，造船業與航運業作為國際貿易交通運輸環節的重要產業，其能源消耗問題與環境污染問題受到越來越廣泛的重視。在當前能源日益緊缺、污染不斷加劇的生態環境中，只有將綠色制造工藝融入到船舶結構設計中，才能降低船舶運行期間的燃油消耗量，減少船舶的污染物排放，避免對大氣、水源造成嚴重污染。在綠色制造工藝的應用過程中，技術人員需要結合船舶的運行要求與原有結構功能進行設計，在提高船舶航速、穩定性等整體性能的基礎上，使船舶能夠在低能耗與低排放狀態下運行。

1 綠色船舶的主要概念及具體特征

1.1 綠色船舶的主要概念

與傳統的船舶結構性能不同，綠色船舶的設計制造理念符合能源短缺、污染加劇的生態形勢背景下的節能減排與綠色環保要求，在船舶的設計、生產、制造、運行、回收等環節融入綠色環保思想，以降低船舶生產制造與運行過程中的能源消耗量，提高船舶運行能效，降低船舶所產生的固、液、氣等多種形式的排放物含量，避免大量排放物污染空氣和水源，干擾船舶發動機等內部設施，危害船舶的質量性能與使用壽命，影響船舶的正常運行。綠色船舶是一類復雜系統，涉及不同的流程工序，需要在船體結構、涂裝材料、焊接工藝、排放處理等多個環節融入綠色環保理念與綠色制造工藝，實現船舶整體綠色環保性能的提升。

1.2 綠色船舶的具體特征

與傳統船舶形式相比，綠色船舶在設計生產制造過程中對工藝技術提出更高的要求，在船體結構設計制造環節、焊接作業環節、涂裝施工環節等多個項目中，通常會使用國內外較為先進的工藝技術，更貼近船舶制造業的前沿科技水準，以對傳統船舶形式中的船體結構、發動機結構、燃油利用模式、涂裝材料等進行優化改進，使之具備更高的質量性能，提高能源利用率，降低污染物排放，更高效、更安全地應用到水上交通運輸過程中，各種優勢使綠色船舶相關技術在船舶制造市場中得以推廣應用[1]。

除去工藝技術方面的先進性特點，綠色船舶還需具備合理的成本價值，在設計生產制造過程中需要綜合考慮多個維度，在充分滿足實用性能需求、綠色環保標準的同時，能夠將生產成本降低至合理水平，避免因先進技術與生產材料設備的引入而增加綠色船舶的生產制造成本，使船舶生產廠家難以獲得較高的經濟收益。

此外，在綠色船舶的設計生產制造過程中，技術人員還需要結合船舶的使用地點與使用目的對船舶進行合理改造，在船舶使用壽命最終期限前的各個階段對船舶進行優化調整，使之能夠與運行期間的周邊環境保持協調融合，提升環境協調性。

2 船舶結構設計中綠色制造工藝的應用思路

2.1 使用綠色材料

在進行綠色船舶設計時，技術人員可以使用具有綠色環保性能的施工材料開展生產制造。一方面，涂裝材料在船舶運行期間會與水體環境以及人體皮膚相接觸，倘若涂裝材料含有較多的有害成分，這些成分就有可能擴散到水體中，對水源造成污染，并會通過人體呼吸系統或人體的皮膚進入人體內部，對船舶駕駛人員的生命健康造成損害。為此，需要使用不含有害物質或有害物質含量較少的涂裝材料進行船舶涂裝加工。另一方面，焊接材料中含有高溫下易揮發的助焊劑物質，對大氣環境造成污染，需要使用低煙低毒的焊接材料進行加工。此外，絕緣材料如玻璃棉、礦棉等屬于難降解物質，會造成土地污染，應盡可能通過可降解的綠色環保絕緣材料代替[2]。

2.2 優化船體結構

船舶的整體結構會影響船舶在水中運行期間的受力分布，倘若船體結構設計不夠合理，船舶在前進過程中就會受到較大的水體阻力，消耗更多的燃油來為發動機提供更高的動力，這一過程會增加船舶運行能耗，產生更多的污染物排放。為解決這一問題，需要在綠色船舶設計生產制造過程中加大對船體結構的優化力度，合理配置其尺寸大小、吃水深度、載荷重量、船體線形、船頭構造等，使船舶能夠在保證平穩運行的基礎上受到更小的水體阻力，減少發動機所承擔的運行壓力，從而達到節能減排的目標。

2.3 改進推進系統

船舶推進系統需要消耗大量能源，綠色船舶的設計重點也應落腳于船舶推進系統的改造上，相關技術人員需要結合船舶類型、結構特征以及功能用途設計合理的船舶推進系統優化方案，如使用重量與功率比值較小的推進系統作為淺水快船的動力來源，使用柴-燃-點聯合推進系統作為客船的動力來源，并起到降低運行噪音的效果，提升船舶的運行舒適度[2]。此外，技術人員還需要對推進系統進行優化改造，以便提升燃油利用率與主機效率，選擇更符合節能環保目標的發電設備與螺旋槳設備等。

2.4 完善節能體系

在綠色船舶設計中，技術人員需要將節約能源的綠色環保理念應用至生產制造的各個環節，例如，使用風能、水能等可再生自然能源為船舶運行提供動力；對發動機結構進行改造以提升燃油利用率，并對燃油回收再利用，避免在燃油消耗過程中產生過多浪費；合理控制船舶運行速度以降低發動機的能源消耗量與排放量。此外，技術人員還應對廢舊船舶進行回收利用，修復廢棄船舶中具有利用價值的破損失效零件，將其合理應用至新型綠色船舶的生產制造過程中。

2.5 增強系統設計

在綠色船舶的設計生產制造過程中，相關技術人員需要提高船舶系統設計的標準化程度，在船舶材料構件與零部件的選擇上采用行業標準規定的型號尺寸，避免零件損毀失效時發生難以找到可替換零件的情況，造成船舶材料的損失浪費。通過標準化設計，綠色船舶制造技術能夠將標準化零件銜接組合，大大提高船舶的生產制造效率，降低生產制造成本，使材料資源得到充分利用，達到綠色環保目標[3]。

3 船舶結構設計中綠色制造工藝的應用策略

3.1 輕量化綠色設計工藝

為提升綠色船舶的質量性能，實現節能減排目標，相關技術人員需要對船舶進行輕量化綠色設計，讓船舶的整體結構能夠滿足節能減排目標下的發動機運行需求。在這過程中，技術人員需要關注船舶生產制造所使用的材料類型，尤其在對船舶內室進行設計制造時，選擇無害無污染的綠色絕緣材料，避免有害物質揮發，損害船舶駕駛人員健康。在船體結構的設計制造過程中，技術人員需要選擇高強度鋼材料作為船舶的骨架結構，利用高強度鋼的輕質以及力學性能優點來降低船體結構的總體重量，減少船舶生產制造過程中的資源浪費，降低船舶在運行過程中所受到的水體阻力，減少船舶推進系統負擔，避免運行期間產生過多能耗與污染物排放，提升運行穩定性與安全性[4]。

3.2 工藝模擬制造技術

船舶水火彎板的生產制造過程涉及加熱加工工藝，在傳統的船舶生產制造流程中，通常先進行技術實驗，再模擬生產制造過程，以確定最終的生產參數，不僅難以準確把控船舶水火彎板的生產參數，還會造成資源浪費，違背了綠色環保目標。為此，技術人員需要采用工藝模擬制造技術來完成水火彎板的生產制造過程，在生產水火彎板之前，先根據船舶三維立體模型的實驗模擬結果明確不同零部件的具體生產參數，再以生產參數作為指導開展工作，以提高生產精度，增強船舶整體結構的質量性能，避免資源浪費，減少生產制造過程中的污染排放。

3.3 數字化精度造船技術

在傳統的船舶生產制造過程中，各類構件的制作過程多采用人工生產模式，構件在形狀尺寸上可能會與船舶設計圖紙的標注內容產生較大誤差，導致船舶整體精度不足，影響其質量性能，還會因返工重修造成資源浪費，增加生產制造成本，影響船舶生產廠家的經濟效益。為解決這一問題，需要向船舶制造產業中引入數字化造船技術，將設計圖紙中標注的構件尺寸參數錄入計算機系統，利用機械設備對材料構件進行切割處理，使之尺寸型號精密匹配設計圖紙，盡可能降低誤差，提升船舶結構的整體精度，并通過計算機系統的智能化計算模型來減少船舶生產制造過程中所產生的資源浪費，避免因多次返工造成嚴重污染，實現節能環保目標[5]。

3.4 綠色加工工藝

在對船舶各類構件進行加工處理時，可以使用凈成型加工技術來達成綠色環保目標，其主要原理是將原材料直接加工為設計圖紙所要求的形狀尺寸，一步成型，減去傳統船舶構件加工工藝中復雜的中間環節，簡化構件制備流程，減少材料浪費以及中間生產流程中排放的污染物含量，降低生產設備成本與運輸成本。此外，技術人員還可以使用干式加工技術來生產船舶構件，在切削材料過程中使用更少的冷卻液，甚至不使用冷卻液，減少資源浪費、污染物排放，從而達成節能減排目標。

3.5 綠色焊接工藝

現階段的船體結構多使用高性能的輕質鋼材料，在對各類鋼制構件進行安裝連接時通常會使用焊接工藝，而傳統的焊接工藝消耗較多能源物質，助焊劑還會在高溫狀態下揮發，使大量有害物質擴散到空氣中，對大氣環境造成污染。為解決這一問題，同時貫徹綠色環保理念，可使用綠色焊接工藝取代傳統的焊接技術。在優化改進焊接工藝時：1）要注意對焊接電源的選擇，確保新型焊接電源比傳統電源擁有更為穩定的輸出，且具有較高的能源轉化效率，能夠在較少的能源物質消耗狀態下為焊接過程提供更多的電力能源，避免造成過多的能源浪費，技術人員還需要將數字化信息技術與焊接電源相融合，使焊接施工人員能夠借助儀表盤讀取電源電壓數值，并通過調整電源電壓控制焊接溫度，提升焊接工藝的精準度，減少資源浪費。2）注意焊接設備的選擇，技術人員需要根據船舶構件材料的不同性能特征以及具體焊接要求更換不同的焊接設備，在選擇電焊機時不僅要對其焊接質量進行評估，還要綜合考慮焊機運行期間的能量消耗特點以及污染物排放情況，保障焊接設備的綠色環保性能[6]。3）在對焊接工藝進行選擇時，技術人員需要結合構件材料特點與具體加工目標制定合理的焊接方案，盡可能簡化工藝流程，避免因環節過多、工序復雜而造成大量資源浪費情況，給船舶焊接工藝流程帶來嚴重的能耗問題與污染問題，影響綠色環保理念在船舶制造產業中的貫徹落實。

3.6 綠色涂裝工藝

在船舶設計生產制造過程中，涂裝的選擇對其綠色環保性能有著重要影響，涂裝材料決定船舶的外觀形態以及船體結構的穩定性，因長期浸沒于水體中，涂裝材料分子一定程度上擴散至水體內部，倘若涂裝含有有害物質，會對水體造成嚴重污染。為此，技術人員在選擇船舶涂裝材料時，可以以厚膜型涂料與萬能型底漆進行施工，確保涂裝材料無過多有害物質，避免對水體以及人體健康造成嚴重影響。此外，在涂裝施工過程中，技術人員需要采用工序合理、流程簡單的涂裝工藝，避免過于復雜的操作步驟帶來較大的施工難度，增加其施工成本，產生較多不必要的資源浪費，給生態環境帶來較大負擔。zz

4 結語

國際貿易的繁榮和水上交通運輸體系的完善使得船舶制造產業的重要性不斷凸顯，綠色船舶正是基于能源短缺、污染嚴重的生態形勢背景下誕生的船舶制造理念，旨在提升船舶的整體性能，降低船舶運行期間的能耗與排放量。在設計綠色船舶結構時，不僅需要對其船體結構進行整合設計，使用綠色涂裝、焊接、絕緣等材料來提升船舶整體的環保性能，還要融合節能減排技術以降低其能耗污染，制造技術人員需要在船體加工、焊接、涂裝等工程環節融入綠色制造工藝，提升船舶的綠色環保性能。