绿色船舶设计与制造的应用方法与实践

周能,李铁桥,陈鹏

摘要：随着时代的进步，国家的发展越来越好，海上运输行业也得到前所未有的发展。国际各方面越来越注重环境保护，在船舶行业中，船舶的设计、制造、能耗与其相关的环境污染问题引起人们的关注。随着社会的发展，人们对污染愈加重视，对保护环境的倡导，促进绿色、低碳、环保的发展概念逐渐深入人心。为了保护生态环境良性发展，遵循人与自然和谐发展的理念，绿色船舶概念也由此诞生，使我国船舶工业有了新的发展的契机。

关键词：绿色船舶设计；制造；应用方法；实践

引言

船舶制造行业在经济发展过程中发挥着巨大的作用，然而因为其耗费大量的资源，对人类赖以生存的自然环境产生较大的威胁。如果将节能减排的绿色制造理念运用于船舶制造行业中，不仅能够减少对能源资源的消耗，同时还可大幅度减少船舶建造的成本。新时代环境下，船舶制造业人士逐渐将目光转向绿色制造方面，让更多的绿色理念及绿色技术运用于船舶制造中，促进绿色船舶制造业的高质量发展。

1绿色船舶的主要概念及具体特征

1.1绿色船舶制造概述

在理解绿色船舶制造前，应对绿色船舶含义进行明确。就绿色船舶而言，指的是船舶在寿命周期中，包含设计、制造以及运营等相关环节，运用现代技术，可以对用户功能以及需求进行满足，并促进能源消耗量的降低，保护生态环境。船舶绿色制造涉及到的具体含义，主要是立足于绿色船舶条件而形成的。对于船舶绿色制造而言，体现为确保绿色船舶目标能够顺利的实现，对船舶进行绿色制造的过程中，降低对环境产生的破坏，促进有限资源使用率的提高，进而让船舶制造事业整体效益得到全面的提高。作为特护产品，船舶运营周期结束后一般不必回原厂予以拆解，所以为了能够达到绿色船舶制造的目的，需要将重点放在绿色船舶制造方面。绿色船舶制造时，需要将设计、制造、服务等作为核心标准，结合经济、社会效益，重视对环境的保护，降低能源消耗，进而顺利实现绿色船舶制造的目的。

1.2绿色船舶的具体特征

与传统船舶形式相比，绿色船舶在设计生产制造过程中对工艺技术提出更高的要求，在船体结构设计制造环节、焊接作业环节、涂装施工环节等多个项目中，通常会使用国内外较为先进的工艺技术，更贴近船舶制造业的前沿科技水准，以对传统船舶形式中的船体结构、发动机结构、燃油利用模式、涂装材料等进行优化改进，使之具备更高的质量性能，提高能源利用率，降低污染物排放，更高效、更安全地应用到水上交通运输过程中，各种优势使绿色船舶相关技术在船舶制造市场中得以推广应用。除去工艺技术方面的先进性特点，绿色船舶还需具备合理的成本价值，在设计生产制造过程中需要综合考虑多个维度，在充分满足实用性能需求、绿色环保标准的同时，能够将生产成本降低至合理水平，避免因先进技术与生产材料设备的引入而增加绿色船舶的生产制造成本，使船舶生产厂家难以获得较高的经济收益。此外，在绿色船舶的设计生产制造过程中，技术人员还需要结合船舶的使用地点与使用目的对船舶进行合理改造，在船舶使用寿命最终期限前的各个阶段对船舶进行优化调整，使之能够与运行期间的周边环境保持协调融合，提升环境协调性。

2绿色船舶发展现状

目前，绿色船舶的发展主要反应出以下特征：（1）电气设施绿色化。在科学技术日益创新的背景下，船舶内所使用的电气技术、通信技术等也在发生日新月异的变化。现阶段，绝大部分船舶已完成自动化的改造，能够利用各类自动化体系，进而实现对于船舶各类电气设施的精准调控。将船舶内各式各样的电气设施与集控平台相连，操作者能够经由此集控平台对船舶内的任何电子设施进行控制，出现突发状况或者做出不当操作时，可通过此平台及时、妥善化解。（2）燃料绿色化。伴随绿色发展理念日益深入人心，船舶用燃料也日趋绿色化。近几年，船舶使用最多的燃料当属LNG燃料。相较于天然气来说，LNG燃料的体积仅仅只有其1/600，该燃料还具备无腐蚀性、无毒、无味等诸多特征。将此类燃料用于船舶中能够减小燃料的整体重量，可大幅提高燃料的存储数量，大大减少船舶运行中向外排出的气体，在一定程度上也降低了船舶运行的成本费用。除重量比较轻的优势以外，其产物危害性也远小于传统燃料。

3船舶设计环节应用绿色理念的可行路径

3.1船舶优化设计

（1）对船型设计进行优化。船型是实现绿色船舶的关键，所以必须要在设计阶段进行更为细致的考量。当下大多数船舶的燃油舱都位于船舶底部，尽管其能够获得更好的动能传导，但燃油泄露的风险也会随之升高。所以在进行船型设计时，需要从2个方面进行优化：1）针对小排量船舶，因将燃油舱由底部转移至顶边舱，并为其设置专门的隔离空仓；2）针对大排量船舶，也要为其设置专属隔离舱。因为小排量船舶对动力的需求低，将燃油舱向上转移的做法并不会对动力造成过多的影响，而空仓设计也降低了燃油泄露流入海洋的可能性。而针对大排量船舶，因要保证其动力不受影响，故此设计出发点要更多地放在控制泄露方面。除此之外，要对船舶的整体造型进行优化，通过控制风阻等方式，优化燃油使用率，达到能源控制的目标，从而实现节能减排。（2）对船舶能源设计进行优化。船舶能源设计，即指对船舶主要动力源的选用，当下船舶的动力来源普遍为内燃机，但内燃机在提供稳定动力的同时，对环境的破坏也是巨大的，且对石油资源的损耗也非常大，不利于可持续发展。所以在设计过程中，要对能源设计进行更多的考究，要积极寻找内燃机的替代品，如波浪能、风能等。若技术不足以支撑新能源的使用，则应该在现有基础上寻求能够不影响船舶动力，还能降低环境损耗的供能方式。

3.2材料优化设计

（1）优化材料选择。首先，在选择船舶材料时，应优先选择利于回收、生产便捷、方便加工的材料，并确保制造产生的废料不会对环境造成过多的影响。其次，在选择涂装材料时，应优先选择无害材料，避免其对环境以及工作人员造成不必要的损害。最后，船舶的各个部位都应优先选择可再生材料，并降低复合材料的使用。但值得注意的是，材料的选择不能对制造本身造成影响，譬如材料本身有着非常高的环保性，但其加工难度以及利用难度也非常高，这并不会对船舶制造起到帮助，所以要寻求材料与制造的平衡，才能降低制造过程的资源损耗，真正提升资源利用率。（2）明确各类材料选择要点。首先，焊接作为船舶制造的重要环节，工作全程都会伴随电弧高温燃烧，焊丝燃烧过程中产生有毒气体并在空气中进行传播，对环境和工作人员造成损害，所以除了要优化焊接工艺，还应该优先选择低毒少烟的焊丝。其次，在为各舱室选择绝缘材料时，当下首选的普遍为矿棉与玻璃棉，尽管这些材料能够提供不俗的隔音性、防火性、保温性，但本身并不具备再生性，当船舶寿命结束后，该类材料无法完成降解，随意处理甚至还会对水源以及土壤造成损坏。故此在选择绝缘材料时，应首选聚酰亚胺泡沫材料等既具备矿棉功能性又满足环保性的材料。最后，依照我国现阶段船舶涂装的实际情况来看，涂装运用的材料普遍是一些溶剂型涂料，对人体以及空气有着极大的损害，所以应该选用水性涂料、辐射固化材料一类的环保材料。

4船舶制造应用绿色理念的可行路径

4.1绿色管理

绿色管理是船舶绿色制造的关键，其具有成本费用低、效果好以及作用大等诸多优势。船舶制造企业要想促进环保和经济的同步发展，则必须对绿色管理引起高度重视。（1）减少无效作业时间，提高船舶制造效率。根据阶段、区域以及类别等针对船舶制造的所有工序流程加以持续性地追踪、分析，经过重复岗位兼并、复合型人才培养等以加强工时运用效率。着重减少整理、吊运等辅助性作业所耗费的时间。从材料管理角度来看，根据材料利用的先后次序确定储存位置，尽量做到整个物流环节的“不停滞、不转向、不倒道”，尽可能减少物流运输路线，缩减吊运耗费的时间。（2）不断加大管理力度，节省船舶制造成本。进一步加强钢材的使用效率，通过计算机辅助管理方式，对船舶制造使用的钢板实行代码管理。对每张钢板从进厂、入库、预处理、领用、装配以及退料等全周期进行调控，有利于及时掌握钢板使用、库存以及流向等状况；对预处理钢材及分段储存进行严格的控制，大大提高船舶制造场地的使用效率。完全根据要求对钢材进行预处理及分段加工，加大计划管理力度，优化船舶制造环境，不但能够确保制造的持续性，同时还可实现场地资源高效运用的目标。（3）节省能源消耗，走社会化供能发展道路。目前，我国的部分船舶制造企业已引入全球先进的“健康、安全、环保”制造思想，取消传统的乙炔站与制氧车间，以安全无毒、性能更强的燃气逐渐取代乙炔。采购周围发电企业的余热，走社会化供能的道路，不但可以节省能源消耗、减少污染物的排放量，同时还可减少船舶制造的成本费用。（4）采用绿色采购模式，为船舶制造供应绿色材料。物资采购是船舶绿色制造的重要组成部分，绿色采购对船用材料、电器、设备等进行购置时，不但应对其价格及质量进行评价，同时还应考虑其是否会对周围环境造成影响，优先采购环保型的船舶用品。

4.2绿色加工工艺

（1）合理运用净成形加工技术。伴随净成形加工技术日趋成熟，可以制造出和部件性能、外形等完全相同的产品，此技术的运用可以高效避免浪费资源状况的发生，在很大程度上降低对能源的耗费，在绿色船舶结构当中，应当合理运用此种技术手段，从根本上达到船舶结构的环保性以及节能性。（2）科学利用干式加工技术。所谓“干式加工”，就是在不使用冷却剂的前提下开展生产、加工等操作所采取的各种技术。此类技术可以有效处理使用冷却剂时的各类突发状况，大大缩减了工艺步骤、大幅减少了成本费用，干式加工备受各领域的追崇。将此技术运用于船舶结构，在很大程度上减少船舶生产步骤、降低资源耗费，将对环境的消极影响控制在最低水平。

4.3绿色焊接工艺

现阶段的船体结构多使用高性能的轻质钢材料，在对各类钢制构件进行安装连接时通常会使用焊接工艺，而传统的焊接工艺消耗较多能源物质，助焊剂还会在高温状态下挥发，使大量有害物质扩散到空气中，对大气环境造成污染。为解决这一问题，同时贯彻绿色环保理念，可使用绿色焊接工艺取代传统的焊接技术。在优化改进焊接工艺时：（1）要注意对焊接电源的选择，确保新型焊接电源比传统电源拥有更为稳定的输出，且具有较高的能源转化效率，能够在较少的能源物质消耗状态下为焊接过程提供更多的电力能源，避免造成过多的能源浪费，技术人员还需要将数字化信息技术与焊接电源相融合，使焊接施工人员能够借助仪表盘读取电源电压数值，并通过调整电源电压控制焊接温度，提升焊接工艺的精准度，减少资源浪费。（2）注意焊接设备的选择，技术人员需要根据船舶构件材料的不同性能特征以及具体焊接要求更换不同的焊接设备，在选择电焊机时不仅要对其焊接质量进行评估，还要综合考虑焊机运行期间的能量消耗特点以及污染物排放情况，保障焊接设备的绿色环保性能。（3）在对焊接工艺进行选择时，技术人员需要结合构件材料特点与具体加工目标制定合理的焊接方案，尽可能简化工艺流程，避免因环节过多、工序复杂而造成大量资源浪费情况，给船舶焊接工艺流程带来严重的能耗问题与污染问题，影响绿色环保理念在船舶制造产业中的贯彻落实。

4.4绿色涂装技术

（1）积极使用移动式涂装系统移动式涂装系统，是一种衍生于模块化造船的涂装技术，即指根据船舶实际的涂装需求，在既定涂装地点按照要求迅速搭建而成的涂装场地。当完成涂装后，可以迅速完成拆卸并在下一个涂装地点进行搭建，继续进行涂装作业。这种移动式涂装系统最大的优势，就是能够在为涂装作业提供契合温湿度的同时，进行全天候作业。同时移动式涂装系统的功能非常齐全，其具备除尘设备、除漆雾设备、喷砂设备等涂装必需设备。在移动式涂装系统中开展涂装作业，各类因涂装而产生的有机溶剂将会得到更好的处理，从源头实现对涂装污染的控制。因为涂装过程所产生的污染，普遍是因为涂料沿空气进行传播以及有机溶剂外泄所导致的，移动式涂装系统的出现，从根本上提升了涂装作业的环保性。（2）生产中心造船模式生产中心造船，是我国船舶制造业现阶段最主要的发展方向，因为模块化制造等具有高环保性的制造工艺，均适合在生产中心进行制造。纵观目前船舶制造情况来看，制造仍停留在分段建造阶段，尤其是曲面环节，甚至部分造船公司仍以手工电弧焊为主。在这样的施工过程中，会产生大量的弧光与烟尘，对环境的破坏极大。而完成生产中心造船模式转型后，船舶的制造会转为流水线模式，多个分段均会按计划高效完成制造。生产中心技能为船舶制造通用模块，又能在如涂装等特殊需求环节，按照既定需求完成室内作业，实现一条龙造船计划。船舶制造由室外转移至室内，最直观的改变是焊接、涂装等各制造环节产生的废气、废水等对环境有害的污染物，均会在生产中心完成过滤，所有有可能对环境造成不良因素的问题，均会在生产中心解决，从而真正实现绿色造船。

5绿色船舶的发展趋势

（1）零排放、零污染的趋势。绿色船舶提倡的是“环保、安全、绿色”，将可再生能源运用于绿色船舶当中可以有效达到此目标。能力的互相作用以及其转化产生的热量与水蒸气，并不会对周围的环境造成任何方面的影响。将燃料电池、LNG液化天然气等当作船舶运行中使用的燃料，高效防止了噪声污染的出现，船舶结构的变化使得船舶压载船水不会再对附近的环境造成污染。整体而言，绿色船舶在很大程度上增强了自身行驶的灵活性，还有效确保了节能性和环保性，为未来发展奠定了扎实的基础。（2）各式各样清洁能源的有效利用。各式各样的可再生能源和清洁能源，比如波浪能、太阳能以及风能等均能够有效运用于船舶结构当中。具体而言，可考虑在船帆上安装太阳板，在没有风力作用的环境下，对船帆的角度及方向进行调节以得到更多的太阳能，将太阳能转化为电能，确保其能够被完全运用。对于由轻质合成材料制成的船帆，对其进行旋转桅顶、向外和向上折叠等操作，使得其可以处于最好的位置，保证船帆可以搜集升力、拖曳力等产生的风能。波浪能主要是经过合理的加装减摇鳍，确保其可以与船舶的相对运动保持一致，将波浪能转化为机械能、电能等各式各样的能源。

结语

在提倡全面贯彻新发展理念的大环境下，绿色制造是时代发展的主流趋势，对船舶结构来说也应积极采用及创新绿色制造工艺。伴随着船舶行业的迅猛发展，绿色船舶发展也取得了较好的成果，比如燃料的绿色化、电气设施的绿色化等。现阶段，已经运用于船舶结构中的绿色制造工艺主要包含绿色设计、绿色加工、绿色焊接以及绿色涂装等。船舶企业应当进一步创新绿色制造工艺，进而确保船舶结构的绿色化。

参考文献

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