提高钢材利用率的途径

提高钢材利用率的途径中国船舶行业协会建模专家组办公室2009.11.29一、制约钢材利用率提高的主要因素（一）设计水平影响钢材利用率的提高（二）套料水平影响钢材利用率的提高（三）钢材品种规格影响钢材利用率的提高（四）订货方式影响钢材利用率的提高（五）原材料、余料管理水平影响钢材利用率的提高（一）设计水平影响钢材利用率的提高由于我国的船舶设计方式和设计标准化程度等因素影响，以及在引入价值工程和精细化设计方面考虑不够深入，致使在船体结构的优化、几何形态的简化与标准化，以及设计质量等方面都影响到钢材一次利用率的提高。（二）套料水平影响钢材利用率的提高套料是影响钢材利用率的一个重要因素。在套料过程中，提高钢材利用率与结构零件的配套、生产效率和施工管理是相互矛盾的两个方面。在现阶段，如何处理好这两个方面的矛盾对提高钢材利用率至关重要。尽管集团公司各造船骨干企业已基本采用数学放样，但受制于生产设计的深度、套料软件的二次开发程度和套料水平，使得套料后产生的余料仍然偏多。（三）钢材品种规格影响钢材利用率的提高从国内外船厂的有关资料分析，可供采购的钢材品种规格越多，越利于提高钢材一次利用率。但从目前我国钢材市场总体情况以及我们的管理水平来说，还难以满足需求。特别是在现阶段，钢材规格增多势必对生产管理要提出更高的要求。（四）订货方式影响钢材利用率的提高现在，国外订货方式大都是钢厂按船厂套料后的尺寸，进行不定尺按需供货，即“先套料后订货”；而我国仍沿用传统的定尺生产方式，即“先定尺后套料”，这严重影响了钢材利用率的提高。（五)原材料、余料管理水平影响钢材利用率的提高船厂对钢材的管理，包括品种规格、数量、材料堆场摆放的粗放式管理，特别是余料的粗放式管理，不利于原材料、余料的充分利用，影响到钢材利用率特别是综合利用率的提高。二、提高钢材利用率的主要途径（一）优化设计，降低空船重量（二）改进设计方法，开展并行设计（三）使用先进的预套料软件及套料原则（四）推进造船精度管理技术（五）推行“变余料调用为零件调用”管理（六）提倡“不定尺”订货方式（七）建立余料管理系统（八）推广肋板拉入法等新工法（九）优化后续船的钢材订货清单（一）优化设计，降低空船重量1、提高设计与优化水平加大研发力度，认真研究规范与规则，增加船型储备量。对于不同的船型，对于总体布置、装载工况、结构横剖面、基本结构要反复比较与优化；对于一些极端的装载工况要进行限制，要合理确定板材和型材的规格，并合理平衡钢材利用率、重量和材料规格三者之间的矛盾；要特别重视对规范要求以外的构件（特别是艏艉部）以及局部细节的优化处理。（一）优化设计，降低空船重量2、优化结构细节设计主要包括：选择有利于改善疲劳寿命的结构节点、用局部节点的优化设计代替增加构件厚度来提高强度、增加减轻孔数量、在板缝排列时尽量采用本企业加工能力允许的宽度尺寸较大的钢板、采用肋板拉入法的装配方式来减少补板等。（一）优化设计，降低空船重量3、提高高强度钢使用水平应根据船型特点大量而合理地采用高强度钢，解决在一些关键节点上采用高强度钢带来的疲劳问题，循序渐进，逐步接近国外先进造船企业的平均水平。（一）优化设计，降低空船重量4、消除冗余功能冗余功能包括两部分，一部分是设计中配置的不一定需要的设备、功能与系统；还有一部分是船东根据其使用习惯增加的。首先要坚决杜绝第一部分的冗余功能，必须大力提高技术规格书、设备配备、系统功能的标准化程度。其次对船东在标准化基础上增加的东西要谨慎对待并标注出来，下次对其他船东依然提供标准化版本。随着时间推移和科技进步，标准化版本也要不断更新。（一）优化设计，降低空船重量5、推行标准化设计标准化设计是指对船型或货舱区结构节点的标准化。当同一个区域或部位的零件尺寸与材质完全相同时，下料时就能做到批量套料或利用余料切割，在全船或同类型船能互相调用。另外，船厂还应该根据船型特点，建立不同船型舾装件结构的规范，在结构设计阶段中推行规范化的舾装件结构。案例：上海某船厂通过优化结构设计，精细订货，合理用料安排，经过统计，优化后的76000吨散货船与母型船74000吨系列散货船6条典型船平均数据比较：载重量比74000吨散货船多了2000吨，但船体结构投钢量和74000吨散货船平均值相比由11306吨降到了10821吨，减少了了485吨；钢材的订货规格由74000吨散货船的300多种减到了200种以内；钢材利用率跟74000吨散货船平均值相比提高了大约三个百分点；船舶空船重量与74000吨散货船平均值相比减低了180吨。（二）改进设计方法，开展并行设计1、工艺策划与详细设计并行当合同设计（初步设计）开展后，工艺策划（建造方针）提前启动，依据总布置图和典型横剖面图开展分段的初步划分。待详细设计的基本结构图、外板展开图和典型纵、横舱壁图完成后，再进行分段建造方法、船台（坞）搭载顺序和精度控制方案的策划。这样，就可以基本确定船体主要结构件的钢材订货规格。（二）改进设计方法，开展并行设计2、生产设计提前介入详细设计详细设计人员对一些不规则构件（如：舭部外板、槽形舱壁、带梁拱的甲板、内部肋板等）的加工与拼接工艺方法了解不深，在钢板规格估算时难以做到精细。因此，生产设计应提前介入到《钢材预估清单》编制过程中，依据典型横剖面图对船体结构进行展开计算和优化板缝排列，为详细设计确定相对准确的钢材订货规格提供依据。（二）改进设计方法，开展并行设计3、三维设计建模与详细设计并行船体曲面外板的钢板订货规格很定，在不了解其展开形状时估算的钢板尺寸，使生产设计在下料时经常遇到“非长即短”的尴尬。近年来，三维设计软件系统在船舶设计中得到广泛应用，其中在三维设计环境下对船体线型光顺后，可生成准确的船体外板展开，当输入板缝位置后，这个问题就能较好地解决。（三）使用先进的预套料软件及优化套料1、选择先进的预套料软件优化设计套料是提高钢材利用率的中心环节，船体基本结构在三维建模后，使用先进的预套料软件分解零件并按经过事先策划确定的批量生产计划进行套料，能使余料和残料的比例降低到最低程度。但必须充分把握和正确处理钢材利用率与板材规格、品种数量之间的平衡关系；正确处理钢材下料的单元批次与物流效率（生产效率）之间的平衡关系，使得钢材利用率与钢材的规格品种、单元批次与生产效率之间取得最佳平衡点。案例：国内外现拥有多种自动套料系统软件，611所目前开发的自动套料软件系统及一笔划切割系统，具有优秀的优化算法、丰富的软件接口、完整的数据库管理系统、方便的手工套料功能、友好的用户界面等优点，经过实船应用，具有较好的推广应用前景。一笔划切割应用实例某船厂在S1139货舱区域中205个分段，共5515张钢板（钢板重量15995吨）数切切割指令进行优化：1、点火次数由原来的95209次减少到了优化后的29914次，共减少点火次数65295次，同优化前比减少68.6%，大大提高了割嘴电极的使用寿命，可减少电极消耗30%，约500个，按电极价格US$25元/个计，可节省US$12500元。2、减少空走长度，其中，切割空走长度由原来的420034m减少到了优化后的86189m，而划线空走长度由原来的971702m减少到优化后的861091m，总计比优化前减少31.9%。按空走速度12米/分钟计算，可节省工作时间约617小时。优化套料的原则1、按生产秩序，同一单元（批次）内混合套料的原则按照建造方针的详细组立顺序（DAP）、综合工程图（WSD）所规定的批次划分，在同一批次内各分段的结构零件可相互交叉套料。交叉套料时，首先要尽可能减少余料的产生，这是首选套料原则，其次才是尽可能地使各分段的零件相对集中。优化套料的原则2、跨批次综合套料的原则根据确定的下料加工批次之顺序，后一批次内的结构零件可套入前一个或几个批次的板材内，随前面的批次下料切割后，另行配套。通过这种方式，再尽可能地减少余料的产生。在实际工作中，有时也可将跨批次套料的范围扩大到同一个区域内，但只能由后续下料加工的零件向前面批次内套料，不能改变顺序。这个范围扩大到何种程度取决于企业的生产管理水平。优化套料的原则3、模糊套料的原则对一些零散非主要结构的零件，在套料时对钢材的等级、板厚（厚度差在1mm～2mm）等可采取变更替代的方式进行套料。当然，在用厚板套薄板零件时，要注意处理好空船重量的控制问题。优化套料的原则4、重新优化套料的原则在实际生产过程中，由于受各种原因的影响，常常出现各分段的生产设计进度不能完全满足按批次组织生产的要求，而往往在首制船不得不以牺牲钢材的利用率来满足生产进度的要求，无法完全按照既定的套料原则进行套料。在批量建造时，应力求尽快在后续船开工前进行再次优化套料的工作。按照最理想的状况进行优化，往往会取得较大的收获，有可能提高2-4个百分点。（四）推进造船精度管理技术1、开展船体零部件无余量下料。在合理确定补偿量的基础上，最大限度地实施无余量下料，既可以减少钢材消耗，又可以提高预套料的准确率。2、提高分段无余量制造率。进一步提高分段在零部件、部件、组件直到形成分段的过程中实施无余量（含补偿量）制造，减少总组、搭载阶段的修割率，既可以节省工时，又降低钢材消耗，达到节省成本、提高效率的目的。（五）推行“变余料调用为零件调用”管理船厂在船体零件下料时一般都采取批量加工方式，零件套料后产生的余料调用是必然的。余料调用有利于提高钢材利用率，但由于余料堆放场地所限，挑选余料的工作难度很大。因此，提倡采用“变余料调用为零件调用”管理。即：首制船在有3～5个批量储备的情况下，将后续批量的零件套在前批套料图中，使原来调用余料的做法改为保存零件，这样做既能充分利用余料，也改变了生产现场反复挑选余料的做法，减少管理难度。（六）提倡“不定尺”订货方式这种订货方式的核心是确定钢板规格时要了解各种切割与加工设备的特点，加强船厂与钢厂的联合，优化订货渠道，改变订货方式（由钢材预估订货改为套料结束后货）在生产效率、管理成本与钢材利用率综合平衡的基础上，有条件的企业可采用“不定尺”订货方式。（七）建立余料管理系统船舶结构的特点决定了钢板经过套料后产生大小不一和形状各异的余料，如何管理和利用这些余料各造船企业的做法不一。因此，各造船企业有必要建立钢材余料管理系统。通过船体钢材余料数据库的建立，搭建起设计部门和加工车间的网络平台，开发基于网络平台的余料数据管理软件系统，共享船体钢材的余料数据库，达到提高余料的使用率的目的。该系统应包含以下几大部分：余料数据库的查询、余料的录入、余料数据的修改、余料的调用、权限管理、余料的处理、系统的维护等。（八）推广肋板拉入法等新工法这项新工艺在韩国的造船企业应用得非常广泛。目前，国内部分船厂在分段装配过程中采用了肋板“单面拉入法”、“双面拉入法”等新工法。从实施效果看，这种装配方法不仅节约了加工与装焊工时，改善了施工条件，由于取消了穿越孔搭板，因此还节省了大量钢材。在国内船厂能否全面推行，不但取决于设计，更重要的是船厂的积极性和决心。（九）优化后续船的钢材订货清单首制船的《钢材订货清单》受各种条件制约（包括退审修改、预估规格、建造技术的变化等）不可能做到理想效果。因此，在套料过程中必须对每张钢板的利用程度做好记录，并有专人进行分析，然后对原订货规格和数量进行修正。另外对后续船的建造方法进行改进也是非常必要的。如果方案确定，就要对首制船的建造批量划分进行修改，这时，套料对象会发生变化，也影响到钢材订货规格。因此，对后续船分批提供优化后的《钢材订货清单》对提高钢材利用率也有举足轻重的作用。结束语：本报告针对我国造船企业在钢材利用率方面存在的主要问题，分析了制约提高的主要因素，提出了提高钢材利用率的主要途径和措施，以减低对钢材资源的消耗，促进精细化造船，提高企业经济效益。本报告的主要内容吸收了“船舶行业提高钢材利用率”课题组的研究成果，以及骨干造船企业、科研院所的实践成果，借此机会一并表示感谢！谢谢！