船舶管系布局优化研究

船舶管系布局优化研究

王庆升

江南造船（集团）有限责任公司

摘要：对于船舶的生产制造来说，管系设计是重要内容之一。只有设计出具有科学合理的船舶管系布局，才能让船舶在后期的使用过程中表现出良好的使用性能。通常情况下船舶管系设计包括初级阶段、功能阶段、详细阶段、生产阶段，以及系统阶段。主要是依靠二维和三维布局对空间进行设计，对起点与终点建立起有效的连接。由于船舶管路布局的管理工作相对庞大且复杂，所以对于管路的管理由具有多年工作经验的行业专家来负责，所以想要对管路布局设计进行优化，有着较大的难度，需要投入大量的精力。本文主要分析船舶管系布局优化研究。

关键词：船舶；管系布局；优化

引言

相比于船舶事业的其它技术领域，船舶管路布局在管理方面较为落后，缺乏先进的管理技术，现阶段已然成为制约船舶事业发展的一个因素，所以需要针对船舶管路布局中存在的问题，提出解决策略，使管路布局设计朝着智能化与自动化的方向发展。对此，已经有众多国内外的专家与学者展开了一系列研究，从遗传算法方向入手，根据船舶管路布局的实际情况，采用了基于三维布局空间的设计算法，将过去遗传算法中表现出的缺陷，以自适应调整的形式进行优化，实现退火遗传算法的船舶管路布局设计，从而获得更合理的布局。

1、管系设计布局的要求

船舶管理制度是船舶建造的重要过程和过程，对船舶的制造产生重大影响。在生产过程中，船舶管理系统将受到诸多因素的限制和影响，主要必须满足以下四个方面的要求:(1)经济要求。管路长度尽可能短，弯头和卡的数量尽可能少。②安全要求。管道应避免布置在高振动设备上，如水泵、压缩机等。油管应避免布置在管道和高温设备(如高温蒸汽)之上；安装管路时，必须满足管道系统的机械要求，并在安装期间考虑管道系统布局的灵活性，因为管道系统的热膨胀会影响活动管道系统的力。③维修要求。确保管路与管路、管路与设备、管路中阀门零件和控制装置之间的间隙，应避免障碍物，并位于易于维护的区域内；为移动设备(如钥匙、绞盘等)预留足够的工作空间。在安装和维护阶段使用。④精细要求。布置管道系统时，应首先布置厚管道，然后布置管道，管道应尽可能与配线室壁、设备和管道支撑正交；管路应整齐排列，系统阀门应整齐排列；安装水平和垂直管路时，必须将支撑放置在管路的垂直偏移最小的位置，以避免管路过度变形。

2、船舶管系设计系统现状

造船工业中，计算机的应用比较普遍，其最开始应用在船体设计和建造系统领域中，当该系统应用取得进展后，在管系设计系统中得到普遍应用。国外从20世纪60年代开始研究单个计算程序后，形成了计算机系统，之后在20世纪70年代开始在管系程序中应用。例如HICAS系统，该系统从20个世纪60年代后期开始探索性研究形成，在70年代早期形成了管子零件计算程序、自动定法兰功能、管路布置程序、图形显示器管系系统，经过多年研究逐步形成了管系系统研究体系，但是不够完善，仍然需要深入研究，尤其是随着计算机技术和图形显示技术等不断发展，管系设计系统也需要随之不断发展。当前，管系设计工作主要划分3个阶段：第1阶段为原理设计，主要是指管系原理设计；第2阶段为布置设计，主要是指管路布置；第3阶段为出图，主要是指管系安装、零件图以及材料统计表格等内容。

3、管系优化布局的有效措施

对船舶管线布局存在问题进行分析，针对性地提出解决方案，想要解决平面设计的缺陷，就要结合现代化技术优化管系布局，让船舶建造朝着更加智能化的方向发展。在布局设计方面，引进三维数字技术，从而实现自动化的管线布局，对后期的检测手段进行优化，采用数字化的检测方法，让船舶制造业走向数字化。

3.1进行三维数字化放样

相比于二维平面设计，引进三维化数字设计已经成为现代船舶布局的必然趋势，将三维数字化应用在管线布局的方案设计上，更能满足船舶事业的发展需要。三维数字化在管线布局设计中展现出了明显的技术优势，能够有效提升安装效率，让管线设计与设备安装处于同一阶段，减少过去先设计、再生产的环节。而且选择三维数字化的设计方式，可以通过三维建模，提前模拟出管线与管线之间，管线与设备之间的具体位置关系，并以三维立体模型呈现出来，更容易让安装人员理解，也能让管线与设备的安装一目了然，既可以提高工作效率，也不需要丰富的安装经验，只需要专门的技术人员能够看懂三维图纸就可以操作，这就有效地解决了安装领域人才匮乏的问题，也让返工问题大幅度降低。随着我国船舶制造业的发展，已经有部分造船企业开始尝试采用三维数字化的设计方式进行管系布局，并且已经获得了显著的成绩，所以这也是未来船舶制造业的主要发展方向。只有不断地引进国内外先进的技术方法，才能提升我国的船舶制造水平，促进行业的进一步发展。

3.2检测反馈手段的数字化

对于船舶管系布局来说，不仅要在设计方案上投入大量精力，还需要重视管系布局方案的检测反馈。虚拟技术的应用能够在三维数字化布局设计中发挥重要作用，但是在后期的生产与安装工作方面，还有着较大的应用空间。想要提升应用能力，就需要在监测反馈技术方面投入较大的精力，利用三维虚拟技术来进行监测，将监测后的数据与三维设计图中的数据进行比对，出现较大的误差情况要提出警示，让安装人员能够及时发现安装不合理的问题，提升工作效率，减少生产与安装过程中的返工问题，节约材料，提高工作效率。

3.3管系安装和制作

1）管系安装时，先要在分段间构建合拢管道，避免使用勉强连接技术，确保连接面规整。同时，根据船体制作安装标准构建开孔船舱套管，管路简捷，若是现场出现改动或维修现象需要开展3次以上检验。之后在安装管系时，需要根据设计要求安装设备，不可随意变更，定时安装船体不同阶段，定阶段检验。而在安装管系前需要准确标记安装孔、基准线等，并在试阶段安装检验合格后正式进行实体安装。最后在分段安装管子时检验管子材料是否合格，合格后才能够使用，并及时密封管子敞口，选择好安装点，若是管路较多则需要考虑管系层次、流程，遵循从内向外原则安装。2）安装支架时，需要根据管制安装位置设计选择相应的支撑形式、材料等，而支架焊接则需要尽可能靠近横梁、肘板等部位以便强化构建。另外，需要注意加强焊接甲板缝隙、机电设备等。螺栓安装则需要确保法兰连接材料规格符合图纸设计要求，并保证法兰连接螺栓螺母露出一段距离，并选择专业设备拧接。安装垫片时，在法兰中只需要放置1只垫片，需要选择合适的垫片，避免遮挡内径管制或附件流通方向，按照图纸规定保证法兰通径选择相应的垫片厚度，避免随意改动，要采用材质合适且工作性能好的管子法兰面。

3.4实现自动化管系布局

要提高管道系统设计效率和放置精度，必须自动放置管道系统。三维数字风管系统布局将风管系统设计从二维平面转换为三维空间，但它主要基于经验丰富的设计人员，因此设计可能不理想。成熟的自动化管理系统布局系统使用预定义的专业知识和算法自动生成最佳管理系统布局。国内外学者对自动管理系统布局优化进行了大量研究，研究的方法有:探测法、动态规划法、迷宫法、逃逸法、网络优化法、朱法、遗传算法、专家系统和理论经过多年的管道布局优化设计研究，取得了一些研究成果:一些部门形成了一个小型的管道布局自动系统，但目前研究的算法仍存在问题，没有一个完整的管道布局自动优化系统。

结束语

现代社会的飞速发展，使船舶生产建造的水平得到了很大的提升，也对船舶管系布局提出了更高的要求。作为船舶设计布局的重要工作程序，提升船舶管系布局的整体水平，便于后期的生产与安装，成为现阶段重要的研究任务。对现阶段的船舶管系布局进行分析，大多的管线布局都是采用二维平面布局的形式，后期的生产与安装还需要等前期的平面设计完成后才能进行，直接影响了工作效率的提升；同时，对施工人员提出了较高要求，只有具有丰富作业经验的技术人员才能够开展安装工作，会造成后期的大量返工，不利于船舶企业经济效益的提高。

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