船舶管系設計系統的發展和應用

張愛虎

（黃海造船有限公司，山東 威海 264309）

0 引言

近些年，經濟發展迅速，科技進步快，國際船舶市場競爭愈發激烈。當前各國為發展海運，降低運輸成本，提高船舶競爭力，在船舶造價上做努力，致力于減少船舶制造費用，縮短制造周期。在此過程中，船舶管系設計成為研究重點，通過降低設計周期和制造成本獲取競爭優勢，對此，大部分船廠采取集成安裝方式，即利用單元舾裝、分段預裝方式減輕設計人員負擔，提高設計水平，并為自動化加工提供詳細的套裝安排，這些工作與計算機應用有直接關系，船舶管系設計系統可以降低船舶制造成本，縮短制造周期，需要進一步創新優化。

1 船舶管系設計系統現狀

造船工業中，計算機的應用比較普遍，其最開始應用在船體設計和建造系統領域中，當該系統應用取得進展后，在管系設計系統中得到普遍應用。國外從20世紀60年代開始研究單個計算程序后，形成了計算機系統，之后在20世紀70年代開始在管系程序中應用。例如HICAS系統，該系統從20個世紀60年代后期開始探索性研究形成，在70年代早期形成了管子零件計算程序、自動定法蘭功能、管路布置程序、圖形顯示器管系系統，經過多年研究逐步形成了管系系統研究體系，但是不夠完善，仍然需要深入研究，尤其是隨著計算機技術和圖形顯示技術等不斷發展，管系設計系統也需要隨之不斷發展[1]。當前，管系設計工作主要劃分3個階段：第1階段為原理設計，主要是指管系原理設計（原理圖）；第2階段為布置設計，主要是指管路布置（布置圖）；第3階段為出圖，主要是指管系安裝、零件圖以及材料統計表格等內容。

2 船舶管系設計系統發展

2.1 CAD系統

研究發現，當前國外船舶管系設計系統主要針對圖形顯示器，在計算機硬件不斷發展的基礎上，CAD系統在船舶管系設計中應用廣泛。例如，某公司的管系系統中應用CAD系統，該系統主機為微型計算機，工作站包括圖形顯示器、字符終端、圖書轉換儀等軟硬件設備，其中圖像顯示器的屏幕點陣規格為1024×1024，該顯示器具有存儲、圖像處理功能，其所配置的經典繪圖機、墨水筆繪圖機可以繪制中間、結果圖紙和正式施工圖紙，該系統后續可以實現優化完善。由于上述應用的方向，CAD技術管系系統也被稱為管系設計系統。一般管系設計系統包括管系布置、原理設計和生產信息，每部分獨立輸出文件，形成數據庫，完成各自操作。在顯示器上會顯示關系原理、布置設計，數據庫中提前存入了管線初始值，屏幕上也臨時勾畫了一部分數據，該方法與傳統管線走向大致一致，但是管線路徑布置與船體結構會有矛盾，這一問題難以解決。

2.2 POPS系統

目前，我國缺乏性能好的OAD系統，對圖形顯示技術研究難以持續深入，為了完善現有管系設計系統，通過共同參與方式，也就是結合國內的管系系統優勢進行研究。例如，POPS系統的目標為滿足生產設計要求，盡量在IBM4341機上構成新型管系系統，其未來發展方向在于縮短管系布置運算時間，盡可能提高其排出效果差，減少無法排出的管子數量，進而確保管線布置質量。同時，建立完善的繪制安裝、管子零件、統計等方面的數據庫，將相關參數存儲于其中，并不斷完善零件圖內容，進而適應預制新工藝要求，更好適應船舶出口國家的各種需求，自動繪制計算機可處理信息，減少人工作業[2]。另外，希望該系統能夠提供完整的材料統計和其他生產管理相關表格，以滿足各種管理需求。

2.3 TRIBON系統

該系統是KSC公司開發的集CAD軟件和MIS軟件為一體的集成系統，其中管系設計功能可以為船舶管系設計提供輔助。該系統功能主要為繪制關系綜合布置圖，設計人員根據三維船體結構圖布置管路、設備，模擬實船進行管系生產設計。在設計過程中，該系統中的數據處理功能可以計算、統計、管理、輸出材料、數據庫等內容，并將數據存儲在數據庫中，設計人員可以隨時對數據庫中查詢、增刪信息，生成表冊以及結果文件，若是表冊格式和內容無法滿足船廠生產要求，可以在此基礎上編制相應的表冊，也就是該系統可以提取數據庫中的各種數據，并與其他系統交換接口工具，利用這些接口工具提取數據，將其傳輸到數據庫中，利用輔助船舶設計軟件生成管子托盤表等相關表冊。

除此之外，該系統生產設計后應用在車間加工制作關系部件中的管子制作圖，需要根據船廠實際需求開發相應的圖形格式，其所提供的數據主要用于自動彎管機、自動法蘭焊接機等，并由用戶決定圖形格式，所顯示的參數根據用戶需求調整，形成的三向視圖、立體式圖十分逼真，大大方便了管制加工制作和安裝[3]。同時，數據參數可以為加工制作管制提供方便，減輕了人員勞動壓力，提高了加工效率和準確性，縮短了造船周期。但是，該系統管系開發過程中若是出現管子卡、瓦量不夠無法實現系統自動增量來彎曲管制的情況，只能夠通過控制檢點防止出現這問題，未來需要進一步展開研究。

3 船舶管系設計系統應用

3.1 三維管系放樣

三維信息添加完成后對二維管系放樣情況進行分析，并以固定船體為核心建立三維模型，之后開展三維管系放樣。在此過程中，先要注意管系放樣綜合系列圖紙和安裝圖紙，之后繪制管子零件圖，最后編制管系明細表。但是，需要注意三維管系模型建造中的創建管路、修改管路、管支架三維設計等功能，同時注意建模操作實用功能。

三維管系放樣是基于二維管系放樣改進的，可以迅速生成圖標，保證數據安全，高效實現預舾裝，提高準確性，具體體現為：

1）迅速生成圖標。管制零件圖所構成的模塊作為尺寸標準智能化功能，其有利于編輯文字、制作表格，例如Excel表格、圖形等，彼此之間也能夠通過該功能實現有效連接[4]。

2）保證數據安全。在數據管理中，三維管系放樣軟件的應用可以確保數據安全和一致，并將商用數據庫作用充分發揮出來。同時，三維管系放樣技術的數據庫結構具有靈活性和開放性，其可以通過重新生成模型，避免三維文件丟失、損壞。另外，工作人員利用數據庫整理系統數據，有效分類匯總數據，并將其與管理系統連接起來，操作更加方便。而掌握數據庫中的標準庫可以幫助工作人員簡化應用單位圖形、附件庫及其舾裝件庫，保證設計質量[5]。

3）提高準確性。三維管系放樣主要使用三維建模功能，也就是在計算機上基于船體結構立體空間將管子相對位置清晰地表現出來，這樣既能夠減少使用的管子、設備基座數量，也能夠解決管子與船體、電纜托架、其他管子之間存在的摩擦，此時已被船東認可的建造圖紙和方案可以直接呈現在計算機屏幕上，若是其中存在問題可以及時改正，有效降低返工返修率，提高施工質量和效率[6]。同時，通過應用三維管系放樣技術也可以了解船舶中存在的問題，了解管系放樣管理是否會影響管路布置、閥件操作等。

3.2 管系安裝和制作

1）管系安裝時，先要在分段間構建合攏管道，避免使用勉強連接技術，確保連接面規整。同時，根據船體制作安裝標準構建開孔船艙套管，管路簡捷，若是現場出現改動或維修現象需要開展3次以上檢驗。之后在安裝管系時，需要根據設計要求安裝設備，不可隨意變更，定時安裝船體不同階段，定階段檢驗。而在安裝管系前需要準確標記安裝孔、基準線等，并在試階段安裝檢驗合格后正式進行實體安裝。最后在分段安裝管子時檢驗管子材料是否合格，合格后才能夠使用，并及時密封管子敞口，選擇好安裝點，若是管路較多則需要考慮管系層次、流程，遵循從內向外原則安裝。

2）安裝管系附件時，先要根據標準信號、圖紙等要求核對管子附件，并按照管內介質流向確定好安裝位置，考慮壓力表、液位計等附件安裝高度。之后在安裝濾器時需要保證安裝部位是否有管子經過，按照要求，濾器上方不可有管子經過。而在安裝閥件時則需要確保閥件流動方向與管內介質相同，尤其是截止回閥、防浪閥等閥體安裝需要保證進口一致，方便開啟閥手[7]。吸入濾網、吸入口以及除污器的安裝則需要與船底、柜底保持適當距離。

3）安裝支架時，需要根據管制安裝位置設計選擇相應的支撐形式、材料等，而支架焊接則需要盡可能靠近橫梁、肘板等部位以便強化構建。另外，需要注意加強焊接甲板縫隙、機電設備等。螺栓安裝則需要確保法蘭連接材料規格符合圖紙設計要求，并保證法蘭連接螺栓螺母露出一段距離，并選擇專業設備擰接。安裝墊片時，在法蘭中只需要放置1只墊片，需要選擇合適的墊片，避免遮擋內徑管制或附件流通方向，按照圖紙規定保證法蘭通徑選擇相應的墊片厚度，避免隨意改動[8]，要采用材質合適且工作性能好的管子法蘭面。

3.3 具體應用

我國船舶管系設計系統受到政治、歷史等因素影響，相對于國外而言起步較晚，有些船舶公司從20世紀90年代開始研究，大部分研究人員從頭開始計算研究，例如將官洲造船廠、江南造船廠等公司所生產的零件計算程序進行了對比試驗，在此過程中應用計算機技術，對統計功能、繪圖處理、自動頂法蘭功能等進行研究。近些年，廣州造船廠和江南造船廠采用管系系統，其已經成為管系設計主要技術。實際操作時，船舶管系設計中，計算機設備提供了相應的管子零件圖和安裝圖，利用電算化處理管子，其在船舶管子上占據大約75%。萬噸級的船舶管系放樣周期由于應用了管系系統縮短了2～3個月，管子成品返修率也降低了4%～6%，這就表明該系統的應用大大提高了管子安裝加工水平[9]。不同統計表方便了管子外場安裝、內場加工和搬運存放等工作，經濟效果顯著。當前，上海造船廠憑借著高速繪圖機深入研究管子零件繪圖軟件，繪制的零件圖每張耗時大約1.5 min。零件圖提前在繪圖紙上印制，既能夠避免曬圖復制，也能夠方便工人讀圖，方便船舶生產和設計。另外，盡管新河船廠缺乏規范的管系程序，使用計算機和相關程序計算55 m打撈駁零件，應用計算機制作零件圖，可以得到準確彎管參數，大大節省了描圖校對時間，提高放樣質量、精度[10]。同時，應用計算機可以縮短零件出圖周期，節省大約半個月的彎管工時。在外場安裝時，由于安裝數據齊全，彎管加工準確，因此可以提高建造質量和效率，并在其他船廠的管系程序中廣泛應用。

4 結語

船舶中的管系設計系統是重要組成部分，其應用和發展直接影響著建設質量、效率。隨著船舶管系設計系統的發展，其應用范圍也逐漸擴大，應用過程更加完善高效，我國造船行業對管系系統也更加重視，成為船舶生產制造的重要技術引導。同時，船舶設計人員在經濟快速發展中不斷優化，將管系系統與機艙布置、制造、電纜等系統連接起來，進而實現了設計優化和系統集成，大大降低了成本，縮短了制造周期，增加了經濟效益，提高了企業競爭力，為我國船舶企業發展奠定了基礎。