陳 雷，解宇鵬

（煙臺職業(yè)學(xué)院船舶工程系，山東煙臺264670）

2011年9月，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗局作為主管單位正式開啟了我國液化天然氣漁船綠色能源推廣應(yīng)用工作，同時全國首艘柴油-液化天然氣混燃漁船“津漢漁04203”號圓滿完成試航工作。經(jīng)實際驗證，在額定負荷下柴油替代率可達85%，在同等載重和動力的情況下，航行同樣距離平均燃料成本可下降30%以上，尾氣排放綜合下降50%以上，這為液化天然氣能源上漁船的大規(guī)模推廣提供了可靠的技術(shù)保障［1］。

雖然內(nèi)河漁船油改氣目前取得了較好效果，但是在遠洋漁船中的應(yīng)用仍處于起步階段，LNG儲罐的合理設(shè)計與布置仍是當(dāng)前亟需解決的難題，為此本文基于77 m秋刀魚/魷魚釣船針對LNG儲罐選型設(shè)計與布置進行了研究。

1 母型船概述與充裝方案選擇

本研究選取山東匯洋集團-京魯漁業(yè)的一艘典型遠洋漁船作為母型船進行研究。母型船主要作業(yè)海域為西南大西洋公海漁場、東南太平洋公海漁場和西北太平洋公海漁場，全年作業(yè)。船舶主要參數(shù)如表1所示。

表1 母型船主要參數(shù)

母型船分季節(jié)作業(yè)，上半年在西南大西洋漁場魷魚捕撈作業(yè)后返回蓬萊港，下半年轉(zhuǎn)場至西北太平洋漁場捕撈秋刀魚，作業(yè)至年底。具體航線與航行時間（時間以經(jīng)濟航速考慮）如圖1所示。

圖1 母型船航線

根據(jù)作業(yè)區(qū)域、航線與船舶航行時間，綜合考慮經(jīng)濟性、安全性以及儲罐容量等因素，本研究選用充注方案為：新加坡、阿根廷（西南大西洋）各充注1次，充注1次最大自持力24 d。此方案充注地LNG價格較為經(jīng)濟，同時能保證最大自持力使得罐容較小，達到最優(yōu)化。

2 儲罐選型與設(shè)計

2.1 罐型選擇

LNG燃料的儲存可采用薄膜型氣罐和獨立氣罐［2］，薄膜型氣罐不允許部分充裝，工期長，具有專利技術(shù)，適用于大容量。獨立氣罐分為A型、SPB型和C型3種形式。A型與SPB型不耐壓，經(jīng)驗少，C型具有充分制造安裝經(jīng)驗且沒有專利技術(shù)，適用于中小容量。通過對比，本研究選擇具有充分制造安裝經(jīng)驗且沒有專利技術(shù)的C型獨立儲罐。

2.2 罐容計算

選擇合適的LNG低溫儲罐是船舶進行油改氣改造時必需考慮的課題。儲罐容量選擇需要綜合考慮船舶主推進裝置的日耗氣量、船舶自持力以及船舶甲板空間限制等［3］。經(jīng)企業(yè)實際調(diào)研，母船主推進裝置燃油平均燃油消耗量為5 599.52 kg/d，24 d（儲罐最大自持力）燃油消耗量GT=134.39 t。

根據(jù)目前已經(jīng)改造完成的紅華輪實踐應(yīng)用可知，天然氣替代率δ可達60%~90%［1］。結(jié)合母型船實際航線安排，研究以替代率為70%進行計算，即

其中，ε為LNG氣化率，其值為1∶600；QN為天然氣熱值，單位為kJ/m3；QF為船用60 cst重油熱值，單位為kJ/kg。

由式（1）計算可得V=174.42 m3。根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮燃料的儲存駁運、甲板空間、額定充滿率（取90%）與船舶的穩(wěn)性以及安全等問題，設(shè)計成兩個同等體積同等重量的LNG儲罐，儲罐體積為96.90 m3，取整選V=100 m3。根據(jù)常見儲罐規(guī)格，選取內(nèi)容器公稱直徑為3 000 mm。

2.3 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟較為繁瑣，具體計算流程如圖2所示。

圖2 儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

2.3.1 內(nèi)壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)儲罐內(nèi)容器公稱直徑3 000 mm，查閱GB/T25198—20103［4］，獲得封頭參數(shù)：總深度H=790 mm，內(nèi)表面積 A=10.132 9 m2，容積 VEHA=3.817 0 m3。

（1）儲罐體積的確定。儲罐體積按下式確定，即

其中，V為內(nèi)容器體積，V=100 m3。

于是可得L=13 067.12 mm，取整選L=13 100 mm。

（2）確定圓筒與封頭壁厚。儲罐材料決定了壁厚，目前304不銹鋼（0Cr18Ni9）和9Ni鋼（06Ni9DR）是用于建造低溫儲罐內(nèi)罐的兩種代表性鋼材［5］。對比兩種材料低溫屬性，根據(jù)內(nèi)壓圓筒壁厚計算公式

及內(nèi)壓橢圓封頭壁厚計算公式

其中，P為內(nèi)容器設(shè)計壓力；φ為焊接接頭系數(shù)，選取0.9。

根據(jù)式（3）與（4）計算得到筒體壁厚與橢圓封頭壁厚，如表2所示。

表2 304不銹鋼與9Ni鋼參數(shù)比較

雖然9Ni鋼與304不銹鋼價格比為2.5∶1，但其低溫強度明顯高于后者。對于大型或特大型LNG儲罐來講，由于9Ni鋼壁厚小，因此會起到降低儲罐重量的作用，使得總體成本降低、布置空間節(jié)省。同時，由于其低溫強度高，會提高設(shè)備安全性［6］。綜合壁厚、材質(zhì)特性、安全性與船舶空間，本研究選用9Ni鋼作為儲罐內(nèi)壓圓筒材質(zhì)，封頭取與筒體相同材料。

2.3.2 外壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮內(nèi)壓容器尺寸、甲板空間等方面，選取儲罐外殼直徑D0=3 520 mm，總長L0=17 100 mm。儲罐外殼處于常溫常壓中，外殼材料選擇常用鋼材16 MnR。采用圖表法與插值法計算儲罐外殼壁厚δe=9 mm。同理可得外殼封頭壁厚9 mm。為抵抗罐外擠壓，減小圓筒計算長度，提高失穩(wěn)能力，當(dāng)罐內(nèi)為空時一般需要加裝加強圈等結(jié)構(gòu)。此外，減小計算長度的方法比增加壁厚更能節(jié)省材料，同時還可減輕儲罐整體重量［7］。研究選取兩個加強圈間的最大距離Ls=1 700 mm。

2.3.3 絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

LNG氣液之間常壓狀態(tài)下的臨界溫度為-162℃，內(nèi)壓容器與外界溫差可達200℃，因此需要在LNG儲罐內(nèi)設(shè)計良好的絕熱結(jié)構(gòu)。目前，國際上對于中小型LNG儲罐常采用真空粉末或高真空多層纏繞形式進行隔熱，高真空多層纏繞形式絕熱效果極佳，由于抽真空過程要求較高，因此不易實現(xiàn)。為此本研究選用真空珠光巖作為絕熱材料進行絕熱。

2.3.4 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了承受儲罐內(nèi)部溫度變化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力和外部沖擊作用，內(nèi)壓容器與外殼之間需配有支撐結(jié)構(gòu)。對于夾層空間相對較大的儲罐，一般使用較多的是拉桿、壓桿、吊桿等結(jié)構(gòu)形式［5］，它們具有相同的結(jié)構(gòu)性能：1）較高的絕熱性能；2）可靠的機械強度；3）可承受低溫。為實現(xiàn)上述要求，支撐結(jié)構(gòu)一般選用低溫下機械強度較高、導(dǎo)熱性較差的304奧氏體不銹鋼。

根據(jù)上述計算，LNG儲罐內(nèi)外圓筒夾層空間較大，本文選擇拉桿支撐結(jié)構(gòu)，每根拉桿長度為1 700 mm，拉桿直徑為60 mm。安裝時，拉桿一端與內(nèi)筒體相連，另一端與外筒體相連，支撐與筒體相連處可以滑動，對應(yīng)的圓周角為θ=30°，與水平方向夾角α=30°。

經(jīng)過上述設(shè)計計算，77 m秋刀魚/魷魚釣船油改氣的LNG儲罐具體參數(shù)如表3所示。

表3 液化天然氣儲罐技術(shù)參數(shù)

3 儲罐強度分析

儲罐承受內(nèi)壓載荷和外壓載荷，同時承受熱載荷、碰撞載荷及船舶運動過程中帶來的振動與晃動載荷。本文針對儲罐對內(nèi)壓圓筒、封頭、外壓圓筒及支撐系統(tǒng)強度做出分析，相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 強度計算相關(guān)參數(shù)

3.1 內(nèi)壓圓筒校核

3.1.1 壓力試驗時應(yīng)力校核

對內(nèi)壓圓筒［8］進行液壓試驗，根據(jù)GB150.3—2011中液壓試驗計算公式作出壓力校核。其試驗壓力值PT、壓力試驗允許通過的應(yīng)力［σ］T、試驗壓力下圓筒的應(yīng)力σT分別為

由式（7）計算可得σT=292.25 MPa，滿足校核條件σT≤［σ］T。表明校核結(jié)果合格。

3.1.2 壓力及應(yīng)力計算

根據(jù)壓力及應(yīng)力計算公式，有

其中，σt為設(shè)計溫度下計算應(yīng)力，σt=210.42 MPa。

［σ］tφ=226.8 MPa，滿足校核條件［σ］tφ≥σt。表明校核結(jié)果合格。

3.2 封頭強度分析

3.2.1 壓力試驗時應(yīng)力校核

對封頭進行液壓試驗，計算方法與內(nèi)壓圓筒相似，即

其中，K為封頭形狀系數(shù)，計算得到K=1。

計算可得σT=233.57 MPa，滿足校核條件σT≤［σ］T。表明校核結(jié)果合格。

3.2.2 壓力計算

最大允許工作壓力為

其中，［Pw］為最大允許工作壓力。

計算得［Pw］=0.91 MPa。表明校核結(jié)果合格。

3.3 外壓圓筒的穩(wěn)定性校核

根據(jù)GB150—2011壓力容器第3部分設(shè)計的相關(guān)公式，采用圖表法與內(nèi)插法獲得外壓圓筒參數(shù)為：外壓應(yīng)變系數(shù)A=3.8×10-3，外壓應(yīng)力系數(shù)B=50。許用外壓力為

計算得到［p］=0.12 MPa，滿足校核條件［p］>p。表明校核結(jié)果合格，穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 支撐系統(tǒng)強度分析

為計算方便，本文LNG密度用純甲烷替代。當(dāng)LNG儲罐內(nèi)滿液時，罐體總質(zhì)量（除去外殼體質(zhì)量）m=m1+m2+m3，其中

可計算出總質(zhì)量m=m1+m2+m3=43 087.53 kg，空載質(zhì)量mk=m2+m3=6 511.09 kg。

由于拉桿設(shè)計為兩端可以滑動，因此拉桿不承受力矩作用，假設(shè)各拉桿受力F均相等。

（1）空載時，水平方向受力較大，根據(jù)中國TSG R005《移動容規(guī)》要求能承受2 g沖擊，計算水平方向受力，即 16F1cosα=2 mkg。

（2）滿液時，豎直方向受力較大，根據(jù)中國TSG R005《移動容規(guī)》要求能承受2 g沖擊，計算豎直方向受力，即 16F2sinα=2 mg。

于是有 F1=9 209.9 N，F(xiàn)2=10.56×104N。F=max（F1，F(xiàn)2）=10.56×104N，于是可得安全系數(shù)取3.5。計算可得σ=130.7 MPa，［σ］=137 MPa。滿足校核條件σ≤［σ］。表明校核結(jié)果合格。

4 儲罐布置

LNG動力船舶氣罐及其附件的布置主要有甲板布置和艙內(nèi)布置兩種形式。本研究基于運營船舶改造，故選擇甲板布置形式。對于海船，當(dāng)氣罐及其附件布置于開敞甲板時應(yīng)布置在距離舷側(cè)不少于B/5（B為船寬，單位為m）的位置。對于除多體船以外的船舶，氣罐及其附件距離舷側(cè)可少于B/5。任何情況下，氣罐及其附件與舷側(cè)距離不應(yīng)少于0.8 m［4］。

針對77 m秋刀魚/魷魚釣船，為保證船舶平衡，將兩個儲罐對稱布置在船舶兩舷?？紤]船舶空間，母型船艉部主甲板上有充足空間可以放置儲罐，并可以滿足IGF規(guī)則中的布置要求，如圖3所示。

5 結(jié)論

船舶推進過程中要使得LNG作為船舶主要替代燃料，儲存技術(shù)是首先要解決的課題。本文以國內(nèi)至西大西洋漁場進行魷魚捕撈作業(yè)的典型航線的77 m秋刀魚/魷魚釣船作為母型船進行了LNG儲罐的選型、設(shè)計計算、強度分析與實船模擬布置。

圖3 儲罐布置

儲罐選型過程中考慮了國際LNG價格、船舶甲板空間、船舶穩(wěn)性，據(jù)此進行了詳盡的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括內(nèi)壓容器、外壓容器、絕熱結(jié)構(gòu)以及支撐結(jié)構(gòu)等，并根據(jù)壓力容器規(guī)范以及船舶專業(yè)規(guī)范對設(shè)計的儲罐進行了強度分析。通過計算分析可知，儲罐強度符合規(guī)范要求，最后根據(jù)母型船實際圖紙尺寸進行了儲罐模擬布置。

目前，漁船油改氣技術(shù)僅應(yīng)用于內(nèi)河小型漁船改造，且尚不夠成熟。本文不僅為遠洋漁船油改氣的儲罐設(shè)計與布置提出了方法，而且為國內(nèi)進一步新建LNG動力漁船提供參考。

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