浅析船舶钢材利用率的优化

浅析船舶钢材利用率的优化

吕舜

(江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913)

摘要：在当今竞争激烈的造船行业中，中国船企面临的主要成本压力之一来源于国内钢材价格的上涨。本文通过研究和分析影响钢材利用率的因素，并提出如何提高钢材利用率的具体方法和措施，旨在通过提高钢材利用率，从而能够有效的降低造船成本，同时增加产品利润和船企的市场竞争力，促进造船企业的可持续健康发展。

关键词：钢材利用率；设计；套料 ；工艺

0引言

随着全球船舶航运业的不断发展，我国造船行业也呈现出相对稳定的增长趋势，但当前船舶市场优质的订单较少，各大船企竞争优质订单也日趋激烈，众所周知，竞争的核心是成本，目前在中国船企的造船成本中，钢材成本占到了不小的比重，钢材利用率的提高对于减少造船成本有着举足轻重的作用。据不完全估算，一艘商船的建造成本中，钢材的成本可能占到单船成本的25%~30%左右，此外，不利的因素在于近年来我国的钢铁行业在经过整顿过后，钢材价格正在稳步增长，在某年一个时间段内，国内的厚板价格普遍上升了25%左右，这使得船企控制造船成本的压力陡然上升，面对外部不利的环境因素，船企需要通过降低自身钢材的消耗量来控制成本。本文将分析船舶钢材利用率的影响因素并提出改进的方法，最大化的降低建造成本，提升企业竞争优质订单的能力。

1.船舶钢材利用率的定义和计算方法

目前船企的钢材利用率一般是指钢材的一次性利用率及综合利用率，单位为吨(t)，具体的计算公式分以下两种：

1.1钢材一次利用率计算方法（单船）

钢材一次利用率=船体结构钢材套料理论重量/船体结构投钢量X100%

① 船体结构投钢量是使用切割图纸时所消耗的钢材重量，指单船船体钢材投钢量。四舍五入后保留小数点后三位有效数字。

1.2钢材综合利用率计算方法

钢材综合利用率=船舶理论重量之和/船舶产品实际钢材领用量X100%

①船舶理论重量之和=指船舶分段+自制铁舾件+工装件的理论重量之和

1.3 通过选择钢材一次利用率计算方法（单船），制定全船利用率的目标，从定义和计算方法中找出能够影响钢材利用率计算的关键因素，通过计算得出船舶套料过程中的实时利用率，按照分段和区域实时追踪和统计，图1中，全船制定目标不低于某一值，其中主船体货舱区域保持在较高值，机舱艏艉区域可以适当降低利用率，上建和其它构件等区域也要保证较高值，在套料的过程中每个分段进行利用率登记，将利用率低于平均线的分段进行分析，重新排版和布局，保证区域利用率不低于平均线，通过各阶段人员相互配合，及时调整和把控套料进程，保证最终全船利用率不低于制定的目标。

图1某船钢材利用率的统计

2.影响船舶钢材利用效率的因素

2.1套料人员经验对于钢材利用率的影响

  在船体零件进行套料的过程中，最重要的一环就是船体套料人员在零件套料过程中对利用率的把控，这里主要是指船体零件的套料。套料人员的经验和对套料软件的熟练性决定钢材利用率的数值，零件如何排版规律和紧凑，钢板尺寸的定制合理性，调整余料使用的顺序等均是由套料人员决策，因此如何增强套料人员的责任意识和套料软件技能，对于钢材利用率影响最大。

2.2设计阶段对于钢材利用率的影响

  船舶设计流程主要分为以下几个阶段：基本设计、详细设计、工艺设计、生产设计。设计过程中的结构板缝的布置，相同区域零件的厚度和材质统一，余量和收缩量的加放，零件形状的标准化等都影响着钢材利用率。另一方面，在传统的设计流程中，前期的设计一般很难考虑到钢材利用率，提高材料利用率通常在最后生产设计阶段才会重点关注，后续的生产设计再反馈到前面阶段，降低了工作效率，而此时前期详细和工艺设计的固化，会在很大程度上限制生产设计的需求，因此设计各阶段的相互融合尤其重要。

2.3余料的管理和使用对于钢材利用率的影响

余料是指钢材切割后带有剩余经济价值的可用余料，受限于余料管理的限制和人为因素，余料的传递和使用在实际生产过程中会发生偏差，如何完善和科学的进行余料管理，合理的处理余料再利用问题，余料产生形状的控制等对于钢材利用率影响较大。

2.4采购订货规格标准化对于钢材利用率的影响。

在日韩船企里，先进的不定尺寸采购订货方法使得其钢材利用率可以到达95%以上，而在我国，由于船企钢材配套供应链体系的约束，造船企业不同的钢板采购订货批次，钢板的规格和数量采购都受到限制，船企的钢材规格设计没有标准，这使得钢材的尺寸并不能完全和零件的形状匹配，会产生较多余料进而影响钢材利用率。

2.5船企内部协同的水平对钢材利用率的影响。

由于船东要求合同的交船期的限定，船舶企业建造流程的优化，船企生产计划节点和切割产能的供应周期影响着分段的图纸下发批次，船体不同的区域分段，零件形状和材质也不同，组立建造的阶段不同，在套料阶段对于钢材利用率影响不言而喻。

2.6船企建造工艺的技术因素对于钢材利用率的影响

分段的建造的余量和零件的加工余量，下料的切割余量实际是在弥补船企建造技术的短缺，日韩先进船企的利用率普遍高主要是因为无余量下料率较高，额外的余量加放从单个分段累计到全船，将多消耗较多的钢材吨重，如何提升无余量的建造水平，对于钢材利用率产生影响。

3.提高钢材利用率的方法和措施

3.1提高套料人员责任意识和套料软件的操作技能

套料工作即在有限的材料面积上尽可能多的将材料用于生产，减少废料。套料工作在软件自动排版后，主要的后续工作是由套料人员进行完成。

3.1.1 套料人员首先应强烈的意识到套料在整个生产过程中所起到的作用，时刻保持着节约的责任意识。在遇到零件形状影响利用率时，及时向建模人员进行反馈，经过项目负责人进行确认后，通过加断缝等方式进行重新排版，提升钢板套料的利用率。

3.1.2 套料软件进行自动套料后，套料人员一定要将零件在原有的基础上进行调整，因为自动套料的零件在人工干预的基础上利用率提高极大。图2中，软件自动套料前版图的利用率较低，此外还有部分零件无法套入，而人工进行干预调整后，剩余零件全部套入，且利用率提升较高。与此同时，套料人员在限定规格的情况下尽可能的按照相同规格和材质进行套料，这样既方便统计也节约采购成本。

图2 自动套料和人工套料的对比

①软件自动套料排版

②人工调整后排版

3.1.3 对套料人员进行套料的标准化培训，通过培训，让套料人员规范零件排版，统一套料图的标准格式，减少套料人员混乱排版的出错率，掌握套料的业务流程以及注意事项，提高业务能力的同时也提升了钢材的利用率。

3.2设计各阶段进行提前关联把控

钢材利用率的体现主要在生产设计的套料阶段，前期设计将利用率的问题提前考虑，生产设计的套料阶段将大大提高材料利用率

3.2.1 工艺设计提前和详细设计融合。船舶的基本设计开展后，关于工艺方面的设计提前考虑到总布置图和典型横剖面图的分段划分，在详细设计的外板展开图，基本结构图，典型纵横舱壁图在绘制的过程中，充分考虑船企的分段建造方式，精度方面提前进行优化余量和收缩量，工艺与详设进行融合，提前布局和策划，提高钢材利用率。

3.2.2详细设计提前考虑生产设计问题，主要在排板策划，零件标准化，板规优化等方面。

① 艏艉外板线型较大，钢材的利用率较低，在布置板缝时应在常规板规允许的条件下进行排板，图3是某船艏部外板缝的布置，首先分段大接缝的位置根据工艺设计的分段划分来确定，其次根据肋骨线型图，分析其线型走势，尽可能做到外板线条光顺，精准的添加曲外板的加工余量，然后建立曲面外板三维的模型，使用软件展开外板，通过不断的调整来合理的布置外板板缝，确保展开的曲面外板形状方正，进而优化板规和提高利用率。

图3 某船艏部外板板缝布局

③ 在机舱艏艉区域外板线型变化比较大，图4中机舱典型的T型主肋骨，需要上下口圆弧端偏移50mm处增加断缝，定制这样的标准断缝布局，做到全船统一，才能提高材料的利用率。

图4 机舱T型结构板缝布置图

③ 船艏，船艉及机舱甲板的焊缝的布置时，图5在满足强度的情况下，相同板厚和材质的零件，应尽可能的在长度或者宽度方向保持一个尺寸，以此来提高利用率。

图5 机舱甲板板缝布置图

④ 图6中某区域板厚原为12.5,和12.0两种板材厚度，在提前考虑钢材利用率的情况下，详细设计阶段经过有限元计算分析，将12.5的板厚降为12.0依然满足强度要求，取消板缝，形成两张完整的整板，这种提前的设计既减轻了空船重量，也提高了钢材材料利用率。

图6 某甲板板厚优化图

④ 图7中肘板的标准化，统一全船尺寸和板厚，材质，集中套料，会大幅的提高利用率。

图7 肘板前后肋位标准化设计

⑥ 对于货舱区典型的双层区域，内底板和平直区域的外板，相同材质和厚度的整板长宽的划分，应考虑余量和收缩量的问题，图8在宽度统一的情况下，不超过标准规格。

图8双层底区域板缝布置图

⑦ 纵横舱壁板等主要构件的板缝策划，见图9，尽量做到整板的规格一致，同时详细设计在满足结构强度的前提下要尽可能做到相同区域内的大板的板厚和材质一致。

图9横舱壁板板缝布置图

3.3提升余料的管理的水平。

由于船体结构的特殊性，无法做到不定尺寸钢板采购，所以余料的产生不可避免。余料管理的根本宗旨是减少余料的产生，并将产生的余料充分利用。

3.3.1使用余料管理软件进行管理，建立余料信息共享平台，套料的过程中将产生的余料和使用情况及时登记，编制余料编号，图10中，套料人员在套料时，余料的使用和生成，要随时在余料管理软件中进行登记和删除，在板材切割图的图面也要进行标记余料的各种信息，同时要和现场余料管理进行协同机制，建立统一的信息平台，有利于现场余料堆放和管理，保证余料信息数据库的正确，这样可以避免余料使用混乱的现象，提升钢材利用率。

图10某分段钢板余料使用标记

3.3.2部分舾装件，引弧板，吊马，垫板等使用余料进行混套切割，充分提高材料利用率，以上将余料管理水平的提升，会使钢材的使用率大大提高，从而降低工厂的成本，取得经济效益。图11中，在将标准舾装件和工艺件混套入船体余料中后，钢材的利用率得到提升

图11某船建造分段钢板利用率提升效果

3.4钢材订货规格制定标准化。

船企在设计阶段采用预套料的方法可以在一定的程度上减少余料的产生，从基本/详细设计阶段推进标准化设计，建立板规标准库，设计种类与订货种类成正相关比例，详细设计人员从板规标准库优先选材和规格，定期维护，通过原始设计种类合并，有效降低订货板规种类，促使钢板订货规格统型和标准化。生产设计人员通过前期的快速建模，船体零件的预排版结束后，同时再对全船的板规进行统计和优化，将钢材利用率较低的钢板进行规格重新定制，将订货板规种类的减少，并尽可能的让同一板规的数量增加，提高利用率的同时也降低船企的采购成本。

3.5加强船企内部协同管理机制。

当前相当多的企业也开展建造流程优化，船企的生产建造计划节点影响着切割计划，而切割产能的供应周期决定分段套料顺序，因此，主管部门应该根据生产实际情况结合船体结构的特殊形式，梳理订货批次的顺序，根据生产现场的分段的总段和总组方案，应该将相同总组区域的分段切割日期尽可能排到一起，因为相同区域的零件形状重叠率高，结构相似，板厚和材质相同较多，从套料的排列布局来看，采用相类似分段混和套料的方式，对于提高材料的利用率最有帮助，同时加强协同管理的水平，减少套料批次，同一批次的分段数量越多，对于余料的使用更加利好，相应的钢材利用率也会能显著提高。

3.6提升船企建造精度水平。

日韩先进船企的无余量下料能够达到95%，而国内船企却很难达到这个程度，船企工艺水平主要体现在建造精度的控制，分段建造过程中控制变形的能力，提高船企建造精度的管理水平，通过技术创新，购买先进加工设备等，减少钢板余量和收缩量的加放，减少三角量的使用，同时尽量减少余量修割工作量，推行无余量造船，在大量实践测量数据基础上，运用数理统计方法，合理取消余量，将钢板本该去除的长度缩减，无余量的合拢和制造分段也减少了切割和二次找正的工作量，节省材料的同时也提高了建造质量和缩短建造周期，由于建造精度水平的提升，例如图12中，双层底分段5mm补偿量的取消，左右舷更涉及约20个分段，据估算可以节约大约50t的钢材消耗量，对于提高钢材利用率具有很大帮助。

图12双层底5mm补偿量的取消

4 结束语

钢材的材料利用率直接关系到单船的成本高低，也影响到船舶企业的经济效益。因此，本文通过探讨利用率的影响因素和对应解决的办法，旨在提高套料人员的套料水平，设计人员的责任心，加强船舶企业各部门的协调监管，总结经验，通过提高钢材利用率，降低船企的生产成本，使船企在船市中保持领先的竞争力。

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