船舶与海洋工程平台管系加工设计浅谈
[摘 要]随着科技的发展，船舶及海洋工程平台（以下称：船舶与海工平台）的制造技术也在不断发展，从而要求船舶及海工平台中的管路系统（下称：管系）也更加庞大和复杂。管系是船舶及海工平台机体中的重要组成部分，是其正常运转的“血管”，各种用途的管路，能够保证机械设备正常工作。本文浅谈了船舶管系设计布局的具体要求，指出了目前管系设计布局中存在的主要缺陷，讨论了管系布局优化的方法及发展方向。
[关键词]船舶与海工平台；管路系统；加工设计
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0044-01
1前言
管系是分布于船舶及海工平台各舱室或区域用于传递气体与液体的管路系统，包括管子、法兰、阀门、管支架、膨胀节、视流镜及各种仪表等管路附件。管系遍布全船各舱室、各个部位，合理的管系布局是保证船舶安全性、操作方便、维修便捷和机械设备正常运转的重要前提。
2管系设计布局的要求
管系是船舶及海工平台建造过程中的重要过程和工序，对于船舶及海工平台的制造有重大的影响。在生产过程中，管系会受到多重因素的约束和影响，主要应满足以下4个方面的要求：①经济性要求。管路长度应尽量短，弯头、管卡数量尽量少。②安全性要求。管路应避免在振动较大的设备上面布置，比如泵浦、压缩机等；油管应避免在高温蒸汽等高温管路及设备上方布置；管路安装时应满足管系的力学要求，同时，考虑到管系受热膨胀会影响使用中管系的受力情况，在安装时，应考虑管系布置的灵活性。③维修性要求。保证管路与管路、管路与设备之间有一定的间距，管路中的阀件及控制装置应避开障碍物，并处于易维护的空间内；为后续的安装与维修预留足够的操作空间。④精细化要求。管系布置时应先布置粗管，后布置细管，管路应尽量与舱壁、设备、管路支架正交成束敷设；管路必须排列整齐，系统阀门应整齐布置；水平与垂直管路安装时应在管路垂直位移最小的位置支撑，防止管路过度变形扭曲。
3管系设计布局存在的缺陷
目前，管系在设计布局时主要采用平面方法进行管系布局放样，在平面上（通过AutoCAD软件）按照一定比例绘制船体型线和有关结构图。绘制出舱内主要机械设备的安装位置后，应绘制管系的放样总图，而后依据放样总图生成各系统管系的放样图，开展管件加工和生产。目前，设计方法存在多方面的缺陷：①平面设计方法无法表示管路错综复杂的三维立体关系，不易在设计阶段规避管路之间、管路与设备之间的声短路情况，且要求在现场放样完成后再开展设备布置，这种串行设计的方法不利于生产周期的缩短。②该方法依赖对设备安装位置的数据测量，且因管系密集，在设计不同系统管系时，易出现管路相互影响的情况，导致返工。③人工放样、设计管系布局的最大缺陷是设计布局的结果极度依赖设计者的经验、专业知识。
4船舶管系焊接、内场制作及内部涂层的检验要点
第一，钢管要进行冷弯和热弯成型处理，管子的弯曲半径通常不小于管子外徑的3倍，对于弯曲半径比较小的管子，采用定型弯头。管子弯曲处不能有擦伤、裂纹等缺陷，如有缺陷马上处理干净。为保证管子的安装质量，安装人员用测量工具对管子弯曲部位的圆度、壁厚进行测量检验，确认是否符合标准。
第二，管子的材料必须是由船级社认可的厂家生产的，要有船级社签字的产品证书，证明该材料符合规范要求。
第三，船舶管系焊工必须持有船级社颁发的焊工等级证书。
第四，在管子制作之前，船级社要审核相关的体系文件、施工工艺、规范要求等，掌握制作流程、焊接设备、工人的焊接水平。在管子制作过程中，现场检验人员要全程监控，落实焊工实名制，确保焊接质量，按照施工工艺、检验标准等，严格把关。一旦发现焊缝表面有气孔、裂纹、咬边及凹陷等质量问题，及时与现场责任人沟通，马上整改缺陷，直到合格为止。焊缝应向母材圆滑过渡，不能有尖角。
第五，管子焊缝要按照规范要求进行无损探伤检查，探伤结果要船检认可。所有Ⅰ、Ⅱ级管除内场不好连接泵压的管子外，其他Ⅰ、Ⅱ级管都要做液压试验。部分系统的管子焊缝还需要按照规范要求进行焊后热处理。
第六，管子的内部涂层和管子的处理对管子的使用寿命很重要。因此，管子制作完成后，进行酸洗和镀锌处理。管子内部涂层，不能有损坏，确保其完整性，管子的涂层、厚度、处理方式等都要满足施工工艺的规范要求。有些管子酸洗处理后还要做防锈保护，如滑油管路、燃油管路和液压油管路内壁必须涂油。
5管系优化布局的发展趋势
随着自动化与信息化技术的快速发展，现代造船模式向着数字化发展，设计模式也向着自动化发展，传统的管系优化布局模式也应紧随科技革新。笔者认为，船舶管系优化布局应向以下几方面发展。
5.1进行三维数字化放样
以三维化为基础的数字化造船模式已经成为现代造船业的发展趋势，开展三维数字化管路布局设计迫在眉睫。三维数字化管路布局的优点在于使管路布局与设备安装同时进行，设备安装完成即可进入管系安装阶段，从而缩短生产周期。此外，三维数字化管系布局设计可以模拟出管系之间、管系与设备之间的三维空间关系，避免在生产阶段出现返工、材料浪费的情况。
5.2实现自动化管系布局
提高管系设计效率和布局精度的根本方法是进行自动化管系布局。三维数字化管系布局将管系设计工作从二维平面发展到了三维空间，但本质上还是依赖经验丰富的设计者，且设计不一定是最优的。一套成熟的自动化管系优化布局系统是利用预设的专家知识、算法自动输出最优的管系布局。国内外学者对自动化管系优化布局展开了大量的研究，研究过的管系优化布局方法有试凑法、动态规划法、迷宫法、逃逸法、网络优化法、遗传算法、专家系统和模糊集理论及单元生成法等。经过对管路布局优化设计的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行业形成了小范围的自动化管系布局系统，但目前研究的算法中依然存在问题，未形成一套完整的自动化管路优化布局系统。
5.3检测反馈手段的数字化虚拟化
在现代造船模式下起着十分重要的作用。当前的虚拟化仅限于设计效果的演示及生产结果的演示中，对于指导生产的作用比较薄弱。要想加强虚拟化在生产过程中的作用，则要强化监测反馈手段，发展三维在线监测手段，实时监测、采集管路安装的三维数据，并与三维的设计效果图进行对比；对安装误差过大的部位进行报警提醒，施工人员应及时纠正，在提高生产水平的同时缩短生产周期，降低生产成本。
6结束语
管系加工设计是船舶及海工平台设计生产的一个重要环节，实践中主要是依靠设计者的经验完成，因设计者的水平参差不齐，所以必然导致生产过程中会出现了大量的返工现象。笔者认为，管系加工设计优化的发展方向主要是实现三维数字化放样、实现自动化布局优化及三维在线监测与反馈。此外，实现管系布局三维化、自动化和虚拟化也是数字化造船模式的客观要求。
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