绿色船舶的设计与制造

摘 要：本文探讨了绿色船舶的内涵,并重点论述了绿色船舶设计、制造的实施方法与途径.

关 键 词：绿色船舶；设计；制造

1引言

制造业在为人类提供巨大财富的同时,也在不断地产生污染物,对环境造成严重的影响.船舶在制造过程中也存在材料选用不当而造成资源的浪费,以及对空气、土壤和水体等环境的污染问题.因此,在20世纪90年代中期出现了“绿色船舶”的概念.

2绿色船舶的内涵

“绿色船舶”概念的核心内容是在其全寿命周期中（包括设计、制造、营运、报废拆解）,通过采用先进技术,能经济地满足用户功能和使用性能的要求,并节省资源和能源,减少或消除环境污染,且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的船舶.

绿色船舶的绿色度主要取决于设计人员的环境意识、以人为本的设计理念和营运过程中的管理力度.当前绿色船舶在设计、建造和运营过程中主要体现在以下几方面：

设计中,广泛采用绿色无污染材料、标准化和模块化零部件或单元；充分考虑加工制造过程中材料利用率,同时还须考虑船舶产品在营运寿命终止后,报废、拆解不会对环境造成负面影响,以及部分材料、零部件和设备能够再生利用；尽量简化工艺,优化配置,提高整个制造系统的运行效率,使原材料和能源的消耗最少；减少不可再生资源和短缺资源的使用量,尽量采用各种替代物资和技术.

制造中,采用绿色制造工艺,即从技术入手,尽量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线.目前最有效的绿色制造工艺包括：绿色加工工艺、绿色焊接工艺和绿色涂装工艺.其中,绿色加工工艺包括净成形制造、干式加工、工艺模拟技术、网络技术、虚拟现实技术与敏捷制造等；绿色焊接工艺即选择使用节能焊机,采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法；绿色涂装工艺即通过合理选择涂料,减少涂料品种,简化工序,提高工时效率,采用移动式涂装系统和环保型分段涂装房,实现环保型涂装作业的目标.

运营中,减少发动机氮氧化物、硫氧化物等温室气体的排放；防止燃料油、有害液体的泄漏；合理进行垃圾、污水处理；严格控制舱底油的卸载等.

通过对绿色船舶的内涵的探讨,我们可以得出,绿色船舶产品是指在其全寿命周期中（包括设计、制造、营运、报废拆解）,通过采用先进技术,能经济地满足用户功能和使用性能的要求,并节省资源和能源,减少或消除环境污染,且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的产品.

而船舶绿色制造技术是一种在船舶设计、制造中融入“绿色”理念,在保证船舶产品的功能、质量、成本的前提下,综合考虑环境影响和资源效率的现造技术.绿色造船技术使船舶产品在设计、制造、管理过程中对环境的污染小,资源利用率高,能源消耗低,符合可持续发展的要求.绿色造船技术是融设计、生产、管理于一体的综合制造技术.

3绿色船舶的设计

开展绿色造船,设计是先导.传统的船舶设计仅从结构和功能、外观造型、加工制造、生产管理等角度考虑,设计概念是以市场需求为基础,技术方案也是重点考虑设计与制造两个领域的问题,设计过程中缺乏环境保护的意识.因此,设计人员必须具备良好的环境意识.

3.1船舶优化设计

3.1.1船型优化设计

优化船体结构功能,如对万吨级散货船充分考虑环保的要求,在总体设计中大胆地将传统设计中的燃油舱从双层底搬到顶边舱,并在舷侧设置隔离空舱,这样可有效地减少燃油泄漏的可能性.优化主尺度和型线,涉及空船质量、稳性、阻力、舱容等技术指标.它不但影响船舶的装载量、航速、能耗等经济指标,而且从根本上影响船舶的安全性能.通过优化主尺度和型线,使船舶在制造和未来的营运中,实现节能、环保和提高经济效益.

3.1.2消除冗余功能设计

在设计阶段,从系统导向型的合同设计、初步设计到区域导向型的详细设计、生产设计,强化设计的节约意识,树立简约化的设计理念,全过程地推行功能成本分析.对船舶设备选型、管系布置、电缆走向等专业设计进行优化分析,全面消除不必要的冗余功能,降低制造成本和资源消耗.

3.1.3动力节能设计

船舶动力节能设计体现在以下几个方面：一是探寻船舶新型动力能源,用其他能源辅助或取代石油作为动力能源,如太阳能、风能及波浪能等；二是改进推进效率的节能方式,例如柴电联合动力推进方式,使能效转换效率最大化；三是利用主机废气节能技术、应用新型燃油添加剂、采用燃油电喷技术；四是综合使用电子技术和网络技术,通过对动力装置和船舶各参数实时监控,使其处于最佳运行状态,最大限度降低能耗和排放.

3.2从设计源头提高钢材利用率

运用船舶设计软件的套料功能,合理调整船体零件套料排列,在板材零件的开孔中套补板零件等其他零件,以提高整板的利用率和生产效率；通过利用船体设计软件中的材料管理程序,从余料数据库中调取合适的余料进行再次套料,以提高余料的利用率.

3.2.1材料的选择原则

在船舶全寿命周期中,对环境影响最大的,一是制造过程中的焊接、涂装作业；二是船舶拆解后废弃的舱室绝缘材料.因此材料的选择对船舶的绿色性能具有重要的影响,在材料选择时应注意下述几点：

（1）选用便于回收、生产过程简便、易于加工的材料,产生的废料不污染环境；

（2）选用无毒无害材料,避免生产过程对人体健康造成危害和对环境造成污染；

（3）选用可再生的材料；

（4）选用较少种类的材料,简化设计,尽可能少用复合材料；

（5）选用工艺性能优良的材料,以降低零件加工的难度与废品率,节约加工过程的能源消耗.

3.2.2各类材料的选择重点

（1）焊接材料.焊丝（焊条）的添加助焊药剂,在电弧高温燃烧下,随焊接烟尘一起向空气中扩散,对操作人员和环境构成危害.因此,设计人员在生产设计上,应首先选用高效焊接工艺和低毒低烟焊丝（焊条）.（2）舱室绝缘材料.由于具有防火、隔音、保温等优良性能和可加工性,矿棉、玻璃棉被用于船舶舱室的内装.在船舶营运寿命结束后的拆解过程中,这些保温材料由于没有再生利用价值而被大量抛弃.矿棉、玻璃棉的不可降解性,使这些废弃的材料直接导致周围的水质和土质的恶化.因此,选用保温材料,不仅要考虑其技术性能,还应考虑环保性能,研制一种高效、环保的绝缘材料也将成为完善绿色造船技术的一项重要工作.随着硅质纳米孔绝热保温材料、聚酰亚胺泡沫材料等新型节能环保绝热保温材料的开发与应用,传统舱室绝缘材料将逐步被替代.

（3）涂装材料.船舶涂装工艺分为钢板预处理（在钢材预处理车间完成）和二次除锈涂装（在涂装房内进行）.先进造船国家一般较少进行二次除锈涂装,这不仅减少了资源浪费,而且生产效率大大提高.我国在引入区域造船方法的同时,也在尝试减少二次除锈涂装,采用跟踪补涂技术.传统溶剂型涂料因其对人体的危害和对空气的污染已无法满足绿色造船的要求,取而代之的应是一些无污染、省资源、省能源的绿色涂料.如水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等.另外,船舶外板水线以下涂料,应具有只驱赶而并不杀灭海洋生物的性能,是既能防止海洋生物附着,但又不污染海洋的绿色环保涂料.

3.3标准化、模块化设计

随着科学技术的进步,各国对海洋保护意识日益提高,对船舶结构、性能提出更高的要求.由此,船舶更新换代的周期越来越短.为了避免由此造成的不良后果,船舶在设计时,有必要采用标准化、模块化的设计.

（1）通过标准化、模块化设计,可以简化船体结构.采用功能多样化与复合化的零件以及简单的连接方法,使整体装置的零件数减少；合理地设计产品中零件、支撑、载荷的布置,确定适当的整体尺寸,提高材料利用率；设计结构符合工艺性与加工性,以减少加工过程中的材料损耗与能源消耗；设计的结构便于回收,实现资源的重复利用；设计的结构便于维修,延长产品使用寿命.

（2）通过标准化、模块化设计,船舶设备可以有效地避免舾装件逐件装船,从而降低舱室内的污染和噪声危害,提高工作效率和工作质量,还可使劳动量和资金的消耗大大减少.而且船舶设备的标准化、模块化设计,也较好地满足了设备更新拆装的互换要求.

（3）标准化设计可以提高零部件的通用性,提高零部件的重复性.标准化设计亦可以促进专业化生产.

3.4并行设计

根据并行工程的思想,由设计者、制造者和环保工程师参与船舶的初步设计、详细设计和生产设计整个过程,通过相互协调,综合考虑船舶由初步设计到报废拆解的整个寿命周期中影响资源利用与环境污染的所有因素,优化各个设计环节,提高整个制造系统的资源利用率,降低废品率,节约资源.另外,还应综合考虑产品的结构设计、材料选择、制造环境设计、工艺设计、回收处理设计等各个方面,实现并行式绿色制造设计.

4绿色船舶的制造

4.1绿色加工工艺

4.1.1净成形制造

成形制造技术包括铸造、塑性加工等技术.成形制造技术正从接近零件形状向直接制成工件形状即精密成形或净成形方向发展.成形的零件有些可以直接或稍加处理即可用于组成产品,这可以大大减少原材料和能源的消耗.

4.1.2干式加工

加工过程中不采用任何冷却液.干式加工简化了工艺、减少了成本,而且消除了冷却液所带来的一系列问题,如废液处理和排放等.目前,干式加工在国外已经得到局部应用,如干车削、干磨削、干镗削等.我国还刚开始研究,作为一种新型的加工工艺,有望在船舶制造中发挥其应有的作用.

4.1.3无余量制造.

无余量制造是船体建造过程中以加放尺寸精度补偿量以取代余量,通过设计合理的建造公差,采用有效的工艺技术与原理,对船体零部件、结构进行尺寸精度控制的一项精度控制技术.这项技术在减少作业量、降低建造成本、提高产品质量、缩短制造周期上将发挥更大作用,也会为企业带来经济效益.

4.1.4工艺模拟技术

工艺模拟技术主要用于水火弯板等热加工过程.过去通常必须做大量的实验才能初步控制和保证加工工件的质量.采用工艺模拟技术将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合确定最佳工艺参数,优化工艺方案,预测加工过程中可能产生的缺陷并采取防止措施,从而有效地控制和保证加工工件的质量.

4.1.5网络技术、虚拟现实技术与敏捷制造

虚拟现实技术主要包括虚拟制造技术和虚拟公司两部分.虚拟制造技术就是在真正产品生产之前在虚拟制造环境下生成软产品模型来代替传统的真实样品进行实验,对其性能和可制造性进行预测和评估,从而减少损耗,降低成本.虚拟制造技术和网络技术相结合就可根据市场需求,将产品所涉及到的不同公司临时组建成一个由计算机网络联系的虚拟公司.各造船企业和设计院所可通过因特网建立制造资源信息网络来实施敏捷制造.

这些工艺和技术或减少了原材料和能源的耗用量,或可缩短开发周期、减少成本,而且有些工艺改进对环境起到保护作用,所以都被归于绿色制造工艺.

4.2绿色焊接工艺

4.2.1高效焊接电源

高效、节能是焊接电源的发展方向.逆变焊接电源具有节能、高效、直流输出稳定、焊接质量高等优点,成为焊接电源的发展方向.随着微电子技术和计算机技术的发展,数字焊接电源日趋成熟,如与数字送丝机相配,能获得最佳的焊接与节能效果.

4.2.2高效焊接工艺

高效焊接熔敷效率高、速度快、操作方便且易于自动化作业,具有生产效率高、焊接质量好、节约能源和材料等特点.常用的高效焊接方法主要有气体保护焊,包括熔化极活性气体保护焊（MAG焊）和熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）和埋弧焊、电渣焊、气电自动焊、电子束焊和激光焊等.高效焊接在造船企业已成为船体建造中提高焊接生产效率和质量、节约资源和降低对环境负面影响的重要技术之一.4.2.3高效焊接装备

例如,横向对接焊缝焊机是针对船体垂直位置横向对接焊缝的自动化焊接设备,具有施工效率高、焊缝质量好的特点.有效地解决了横向焊缝采用手工焊接所无法解决的焊缝成形质量差、生产效率低、作业条件差、劳动强度大等问题.门架式双丝埋弧焊接装备是拼板焊接的专用设备,其焊接速度高、反面焊接不需清根,既使工艺简化,又压缩了作业时间,是一款高效环保拼板焊接装备.

4.3绿色涂装工艺

4.3.1应用现代造船理念,实现涂装环保作业

实现船舶绿色涂装,应根据现代造船理念,从全局出发,以系统工程的思想加以实施.应按照船体分道、区域舾装、区域涂装的原则,深化涂装生产设计,注重钢材预处理质量,缩短分段制造周期,提高预舾装率和分段完整性,加强涂装生产的动态管理,通过环保型的涂装工艺、涂装设施的应用,以及跟踪补涂等措施,实现环保型涂装作业的目标.

4.3.2合理选择涂料,优化施工工艺

采用高性能专用涂料,减少热加工区域的涂膜损伤,以提高保护效果和生产效率：采用长效型车间底漆,减少分段制造期间的锈蚀；采用厚膜型涂料,减少涂装次数；采用低表面处理涂料,选择合理的除锈等级；采用万能型底漆,减少涂料品种,简化工序,提高工时效率.

4.3.3推进标准化和计算机辅助管理

以壳舾涂一体化为目标,完善涂装设计、施工、质量管理、物料管理等标准,严格按涂装作业计划和标准要求施工作业.同时广泛应用计算机辅助涂装生产管理,特别是计算机辅助涂装工程动态管理,提高工时利用率,降低物料消耗.

4.3.4推广移动式涂装系统和环保型分段涂装房

移动式涂装系统,以模块化设计为指导思想,以轻钢彩板结构为主体,辅以各类专用系列接扣件、钢架件以及多种专用紧固件.涂装系统装置,可根据工程需要的容积在指定地点按要求快速搭建.工程一旦完工,又可方便地拆卸并运至下一个工程所在地再行搭建,继续涂装施工.

移动式涂装系统,设有各种标准的设备接口模块,主要有进气管道模块、除尘设备接口模块、除漆雾接口模块、喷砂设备接口模块、吸砂设备接口模块、温湿度控制设备接口模块、传感系统接口模块、动力设备接口模块等.

环保型分段涂装房内的空气温度和湿度可自动控制,为船体分段涂装提供适宜的环境条件,全天候作业.同时,采用粉尘和漆雾分离技术,有效控制有机溶剂排放,实现环保型的分段涂装.

4.3.5室内造船

受技术和资金等因素的限制,目前分段建造,尤其是曲面分段建造仍然以手工电弧焊为主,而且大多数在露天平台上施工,施工过程中的弧光、烟尘是影响环境的主要因素.随着国家对环境的生态要求越来越高,这就要求我们改变传统的露天作业方式,建立扩大室内分段建造比例,最大限度地减少露天焊接作业量,使焊接尽可能控制在室内,并通过空气循环处理系统净化焊接烟尘,把对环境的不良影响在室内消除掉.

此外,为了更快地推进绿色船舶的发展进程,国际海事组织（IMO）、欧盟以及其它一些国家也都纷纷出台各种规范、标准,从制度上确保全球海洋环境或区域海洋环境尽可能地免受污染.因此,绿色船舶在设计、建造、营运以及后期的报废拆解过程中都要严格地遵守各项规范、标准的要求,同时还须密切关注未来将要颁布、执行的各项规范、标准.

5结束语

绿色船舶是船舶工业发展的大趋势,绿色船舶的设计与制造技术,能够成为贯彻国家“节能减排”方针的重要措施,也将为全面提高我国船舶工业的国际竞争力,为船舶工业的持续发展提供重要的推力.