裴軼群 陸 晟 劉文華

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

1 C型獨(dú)立液艙簡介

1.1 液艙特點(diǎn)

根據(jù)IMO的《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶和設(shè)備規(guī)則》（International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，以下簡稱“IGC規(guī)則”），液艙形式主要分為4大類：整體型液艙（Integral tanks）、薄膜型液艙（Membrane tanks）、半薄膜型液艙（Semi-membrane tanks）以及獨(dú)立型液艙（Independent tanks）。

薄膜型液艙和Moss式球形獨(dú)立液艙，已被廣泛地應(yīng)用于大型LNG船的建造。但是它們工藝復(fù)雜，造價昂貴。如果使用在小型LNG船上，會造成經(jīng)濟(jì)性降低，運(yùn)營成本過高的問題。

小型LNG船貨艙容積小，符合高設(shè)計(jì)壓力對船體尺寸的要求，選擇C型獨(dú)立液艙是該船型的最佳方案。在設(shè)計(jì)過程中，針對船型以及貨艙大小，選用單圓筒或雙圓筒形式，并在液艙外部設(shè)置絕緣結(jié)構(gòu)。這樣既保證了液貨容量達(dá)到要求值，又降低了液艙制造成本，從而使得其運(yùn)輸靈活方便，經(jīng)濟(jì)性能提高。

1.2 液艙材料

C型獨(dú)立液艙要求能夠滿足溫度極低的載運(yùn)環(huán)境，故而液艙材料必須具有抗低溫脆性破壞的能力。因此只能使用低溫鎮(zhèn)靜鋼作為液艙生產(chǎn)的材料。

另外，在載運(yùn)過程中，隨著液艙內(nèi)部溫度的升高，壓力不斷增加。如果壓力增加范圍在液艙允許的壓力范圍內(nèi)，那么液艙整體是安全的。若配合使用再液化裝置，則循環(huán)系統(tǒng)下的液艙更為安全可靠。德國某公司曾對一個30000 m3半冷半壓式液艙的內(nèi)部壓力隨時間的變化進(jìn)行過預(yù)測［1］。結(jié)果如下：采用奧氏體鋼304L材料，能夠使得液艙內(nèi)部壓力在40天內(nèi)才達(dá)到設(shè)計(jì)壓力；而9%鎳鋼材料則可以延長至50天。

目前各國研制最多的是鎳系低溫鋼，含鎳量0.5%～9.0%。其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。鎳在合金鋼中的作用主要是強(qiáng)化鐵素體基體，降低鋼的臨界點(diǎn)，抑制粗大的先析出相鐵素體，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，改善鋼的低溫韌性和焊接性能。其中9%鎳鋼應(yīng)用較為廣泛。

表1 鎳系低溫鋼化學(xué)成分［2］

表2 鎳系低溫鋼交貨狀態(tài)和力學(xué)性能［2］

1.3 液艙絕緣保溫層

設(shè)計(jì)絕緣保溫層的目的，是為了抑制由對流、傳導(dǎo)和輻射等各種傳熱方式引起的散熱效應(yīng)，以維持低溫系統(tǒng)的正常工作，減少運(yùn)輸過程中LNG的蒸發(fā)，控制其日蒸發(fā)率以及罐體的熱脹冷縮，保證船體結(jié)構(gòu)不受液艙低溫的損害［3］。此外，絕緣層還可以維持罐體外表面的溫度，避免在外表面上結(jié)露或者結(jié)霜，以及人的皮膚與之接觸時被“灼傷”，以改善工作條件和防止意外事故的發(fā)生。

小型LNG船的液艙外設(shè)絕緣保溫層，一般采用厚度為300～400 mm的聚苯乙烯保溫板，通過特種黏合劑覆在罐體外表面。然后再在聚苯乙烯保溫板的最外層設(shè)置0.25～0.5 mm的薄層鍍鋅鋼板，保護(hù)聚苯乙烯，如圖1所示。小型LNG船在運(yùn)輸過程中的蒸發(fā)率高于大型LNG船，且其絕緣層結(jié)構(gòu)的保溫效果也不如大型LNG船，然而綜合考慮其運(yùn)輸量小、運(yùn)轉(zhuǎn)周期短等因素，設(shè)置上述保溫層是可以保證其運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和安全性的。

1.4 液艙鞍座

C型獨(dú)立液艙主要通過鞍座與船體相連。貨物與液艙的重量集中作用于鞍座上，因此要求鞍座部分具有足夠的強(qiáng)度，以承擔(dān)較大的載荷。

從液艙角度出發(fā)，可以將臥式筒型液艙視作一根梁。為了使該梁上受到的最大彎矩的值較小，根據(jù)單跨梁彎矩分布可以得出：應(yīng)分別在距離梁的兩端1/4梁長位置處設(shè)立支點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，配合船體橫向構(gòu)件的設(shè)置，最終才能確定鞍座的位置。

鞍座包角一般采用150°以保證在靜橫傾角30°時仍能對液艙有合理支撐。液艙與鞍座之間墊硬木或者層壓木［4］。此外，為了防止由于貨物重力使得筒體彎曲等原因引起的附加應(yīng)力以及熱膨脹效應(yīng)，雙鞍座中常常將一個設(shè)置成固定支座，另一個設(shè)置成沿船長方向可移動支座。

2 C型獨(dú)立液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

IGC規(guī)則中對C型獨(dú)立液艙的壓力計(jì)算、構(gòu)件尺寸以及校核標(biāo)準(zhǔn)都提出了指導(dǎo)性意見和相關(guān)方法。具體的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.1 設(shè)計(jì)壓力計(jì)算

C型獨(dú)立液艙是符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的罐狀液貨艙，適用于半冷凍加壓方式或者常溫壓力方式裝運(yùn)液化天然氣。因此，C型獨(dú)立液艙的最大特點(diǎn)是耐壓性能必須滿足壓力容器標(biāo)準(zhǔn)要求。其在運(yùn)輸過程中，將受到外部壓力和內(nèi)部壓力的作用。

外部設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)最小內(nèi)部壓力和液艙任何部分可能同時承受的最大外部壓力之間的差值予以確定。對常溫壓力式C型獨(dú)立液艙，外部壓力通常不予考慮；而對半冷凍加壓式，則需計(jì)及。外部壓力通常可取 0.025～0.070 MPa［5］。

內(nèi)部壓力的計(jì)算較為復(fù)雜，可分為兩部分：設(shè)計(jì)蒸汽壓力以及液貨壓力。

1）IGC規(guī)則規(guī)定，設(shè)計(jì)蒸汽壓力P0是液艙頂部的最大表壓。在任何情況下，P0不能低于液艙內(nèi)安全閥的最大壓力釋放值（MARVS），并給出了P0的計(jì)算公式：

式中：C——液艙特征尺度，取下列值中的最大值：h（沿船高量取的液艙高度），0.75b（沿船寬量取的液艙寬度的 0.75 倍），0.45L′（沿船長量取的液艙長度的 0.45倍）；

ρ——設(shè)計(jì)溫度下液貨密度，kg/m3；

σm——使用材料的許用應(yīng)力，MPa；

σA——使用材料的許用動應(yīng)力，MPa

2）液體貨物具有自由液面，隨著船體的運(yùn)動，自由液面對液艙的影響很大：當(dāng)液艙裝載量接近滿艙時，自由液面相對較小，此時液貨由于船體運(yùn)動產(chǎn)生的附加慣性力的大小決定著液艙板厚及加強(qiáng)環(huán)的設(shè)計(jì)；當(dāng)液艙裝載量在40%～70%時，液貨晃蕩對液艙影響較大，將決定是否需要使用防蕩艙壁。本文主要研究液貨接近滿艙時，因船體運(yùn)動產(chǎn)生的附加慣性力。

因此在計(jì)算裝載液貨壓強(qiáng)時，應(yīng)考慮由于船舶橫向運(yùn)動以及縱向運(yùn)動引起的液貨質(zhì)心加速度變化所產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)。現(xiàn)采用北大西洋海況10－8概率水平下船舶運(yùn)動在三個方向上的無因次加速度分量：

縱向分量：

橫向分量：

垂向分量：

式中：A=（0.7－L0/1200+5z/L0）（0.6/Cb）

L0——船體垂線間長，m；

K=1；

B——船寬，m；

x——艙體重心至船體中心的縱向距離，m；

Cb——方形系數(shù)；

V——服務(wù)航速，kn；

z——艙體重心至基線的垂向距離，m

在計(jì)算附加壓強(qiáng)時，可以運(yùn)用二維加速度橢圓合成的方法，從而可得到垂向橫向以及垂向縱向兩種加速度的無因次合成。現(xiàn)以垂向橫向合成為例，如圖 3 所示：在 Y-Z（橫向-垂向）平面，ay、az與 1.0（相對于g）的聯(lián)合作用下，液艙在橫向任意β角度上的合成加速度 aβ（g）。

橢圓方程為：

直線方程為：

在垂向運(yùn)動與橫向運(yùn)動的聯(lián)合作用下，合成加速度最大角度為βmax

從而可以得到，合成加速度角度變化范圍是（0，βmax）。現(xiàn)在該變化區(qū)間內(nèi)，以1°為步長，在每個角度情況下，分析其液貨壓強(qiáng)。

式中：d——雙圓筒中心間距，若為單圓筒，d取0 m；

D——液艙筒體內(nèi)徑，m

利用式（10）的結(jié)果，可以找出橫向情況下最大的液貨壓強(qiáng)值 Pβmax；

同理可得在垂向縱向聯(lián)合作用下，在θ角度下合成加速度的壓強(qiáng)：

式中：αθ——垂向縱向合成無因次加速度；

Zθ——縱向高度差，m

利用式（13）的結(jié)果，可以得出縱向情況下最大的液貨壓強(qiáng)值（Pθ）max。

綜上所述，液艙設(shè)計(jì)內(nèi)部壓力為：

2.2 設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸

1）確定筒體板厚。根據(jù)鋼制壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)或各船級社規(guī)范，液艙筒體部分板厚δ1的計(jì)算公式可表示為：

式中：P——設(shè)計(jì)內(nèi)部壓力，MPa；

D——筒體內(nèi)徑，m；

e——焊接效率系數(shù)，取1；

σ——材料許用應(yīng)力，MPa；

t——腐蝕余量，取0.5～1

2）確定封頭板厚。根據(jù)鋼制壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)或者各船級社規(guī)范，球形封頭板厚δ2的計(jì)算公式可表示為：

式中：y——形狀系數(shù)，球形封頭取0.55

3）確定筒體加強(qiáng)環(huán)形式。由于液艙通過鞍座與船體連接，并通過鞍座傳遞載荷，因而液艙在鞍座附近的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大應(yīng)力，故而需要額外的加強(qiáng)。此時可以在鞍座位置繞筒體設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，以緩解應(yīng)力集中。若液艙主尺度較大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)液艙強(qiáng)度不夠的時候，還會在艙內(nèi)布置多道加強(qiáng)環(huán)。

加強(qiáng)環(huán)的形式主要有扁鋼、T材或者工字鋼等。一般布置在艙內(nèi)，但也可以繞筒體布置在艙外以避免晃蕩沖擊。

對于加強(qiáng)環(huán)的尺寸，DNV給出其剖面慣性矩的指導(dǎo)計(jì)算公式為：

式中：L——加強(qiáng)環(huán)間有效長度，m；

Ds——加強(qiáng)環(huán)中和軸直徑，m；

E——彈性模量

4）確定中縱艙壁板厚。設(shè)立中縱艙壁的目的是為了防止液貨的橫向晃蕩沖擊。對于單圓筒形液艙，由于液貨橫向晃蕩對艙體的影響相對較小，故一般不設(shè)立縱向艙壁。而對于雙圓筒形液艙，由于其橫向尺度較大，且要考慮雙圓筒連接處的強(qiáng)度，所以一般會在雙圓筒連接處設(shè)置中縱艙壁。

然而IGC規(guī)則未對雙圓筒形液艙的中縱艙壁做出明確規(guī)定。但是經(jīng)過初步受力分析，不難發(fā)現(xiàn)，中縱艙壁主要是一個受拉構(gòu)件：它在與液艙筒壁的上、下連接處，承受著由液艙殼板受壓擴(kuò)張所引起的薄膜拉應(yīng)力。因此，中縱艙壁與液艙殼板的交接處，是一個很重要的節(jié)點(diǎn)。

遵循“縱向艙壁薄膜應(yīng)力不得大于液艙殼板的薄膜應(yīng)力”這一條件，BV提出了計(jì)算中縱艙壁板厚δ3的指導(dǎo)性公式：

另外，中縱艙壁上需要布置扶強(qiáng)材，其剖面模數(shù)應(yīng)滿足CCS對船體艙壁部分的要求。

5）筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)。由于氣室、儲液槽以及管路的布置要求，液艙殼體需要開孔。對于開孔部分筒體板厚的加強(qiáng)，壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與各船級社規(guī)范都有詳細(xì)說明。在制造加工工藝上，主要采取的加強(qiáng)方式有：接管加強(qiáng)、墊板加強(qiáng)、接管與墊板聯(lián)合加強(qiáng)等方式。雖然氣室開孔較大，然而氣室位于液艙筒體頂部，故其受到的壓力較小。

3 C型獨(dú)立液艙屈服強(qiáng)度校核

3.1 LNG船液艙主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本文根據(jù)某30000 m3LNG船設(shè)計(jì)C型雙圓筒液艙和某16000 m3LNG船設(shè)計(jì)C型單圓筒液艙，液艙內(nèi)部壓力值如表3和表4所示。

表3 雙圓筒型液艙壓力值

表4 單圓筒型液艙壓力值

3.2 液艙強(qiáng)度校核

根據(jù)表3及表4內(nèi)各參數(shù)，建立液艙有限元模型如圖4和圖5所示。

本文對液艙計(jì)算分為最大縱向角和最大橫向角兩種工況，載荷分布如圖6～圖9所示。

根據(jù)IGC規(guī)則，對于C型液貨艙構(gòu)件尺寸的最大許用應(yīng)力取下式結(jié)果：

式中：Rm——材料極限強(qiáng)度，MPa；

Re——材料屈服強(qiáng)度，MPa；

表5 雙圓筒型液艙結(jié)構(gòu)板單元應(yīng)力情況

對于鎳鋼，A=3，B=2，σ=213 MPa。

經(jīng)過有限元計(jì)算，可以得出液艙的載荷分布情況，結(jié)果如表5和表6所示。

圖10～圖15給出計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖。

表6 單圓筒型液艙結(jié)構(gòu)板單元應(yīng)力情況

4 結(jié)語

從有限元計(jì)算結(jié)果來看，兩種C型獨(dú)立液艙板單元結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力以及相當(dāng)應(yīng)力都未超過最大許用應(yīng)力值，因此液艙總體強(qiáng)度是滿足要求的。

在此基礎(chǔ)上，也可以進(jìn)一步的對液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出幾點(diǎn)可行的方案。例如：在封頭和筒體之間設(shè)置板厚過渡區(qū)域；在加強(qiáng)環(huán)區(qū)域加大筒體板厚；在中縱艙壁與筒體交接處加大艙壁板厚等?？梢娫谏a(chǎn)制造過程中，基于設(shè)計(jì)結(jié)果而給出的優(yōu)化建議將是合理有效的。

本文不但對于C型獨(dú)立液艙的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)，并且也是后期晃蕩研究和屈曲分析的基礎(chǔ)及參照。

［1］Dr.Klaus Dieter Gerdsmeyer，Economic design concept for small LNG carrier［M/OL］.

［2］中國船級社.材料與焊接規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］ANON.LPG carrier with internal tank insulation ［J］.Motor Ship，2000（5）：115-116.

［4］李偉，王錦國.液化氣船液罐支承技術(shù)［J］.船舶工程，2002（4）：70-73.

［5］中國船舶工業(yè)總公司.船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊結(jié)構(gòu)分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.