馬星星 張 霖 李 敏

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦）

天然氣作為清潔能源，需求量與消費(fèi)量逐年增加。LNG運(yùn)輸船作為運(yùn)輸液化天然氣（LNG）的主要手段，近年來其投入運(yùn)營(yíng)數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)。其中，運(yùn)輸船儲(chǔ)罐對(duì)LNG運(yùn)輸船的運(yùn)輸量、空間利用率等關(guān)鍵性能具有重要影響，是LNG運(yùn)輸船的關(guān)鍵技術(shù)之一。

不同于常規(guī)儲(chǔ)罐，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的LNG在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為-162 ℃，具有低溫、易揮發(fā)等特性，且需要在罐內(nèi)外大溫差（最高可達(dá)200 ℃）的條件下保持罐內(nèi)低溫，所以LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐必須具有良好的耐低溫性能和保溫性能。一旦儲(chǔ)罐意外破損，罐內(nèi)儲(chǔ)存的低溫液體將大量泄漏、揮發(fā)，極易引發(fā)爆炸，所以LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐的安全性等級(jí)要求較高。另外，在船行駛過程中LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐內(nèi)液體不可避免地會(huì)發(fā)生晃蕩，液體晃蕩時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種類型的水動(dòng)壓力，這些載荷主要作用在容器的壁面和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)物上［1］。所以，為確保儲(chǔ)罐在液體晃蕩產(chǎn)生壓力時(shí)的安全性，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐不僅需要具有良好的抗振性能，還需要考慮液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力對(duì)儲(chǔ)罐壁面的沖擊。

考慮到上述問題，筆者介紹幾種常用的LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐選型和發(fā)展趨勢(shì)作出分析，為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

1 LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐概況

LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐獨(dú)立于運(yùn)輸船船體，依靠LNG自身蒸發(fā)帶走的熱量來維持儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫，少量蒸發(fā)的天然氣稱為閃蒸氣（BOG），一般被用作運(yùn)輸船行駛過程中鍋爐的補(bǔ)充燃料。絕熱層設(shè)在儲(chǔ)罐內(nèi)部的液貨艙與船體結(jié)構(gòu)之間，一方面可以防止船體結(jié)構(gòu)過冷造成低溫?fù)p壞，另一方面可以使LNG的蒸發(fā)量盡可能減少。儲(chǔ)罐和船體外殼需保持一段距離，這樣在LNG運(yùn)輸船處于碰撞、擱淺等危急情形時(shí)可以防止儲(chǔ)罐遭到破壞［2］。常用的LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐有自撐式儲(chǔ)罐和薄膜型儲(chǔ)罐兩種。由國(guó)際液化天然氣進(jìn)口國(guó)聯(lián)盟組織（GIIGNL）發(fā)布的2021年液化天然氣年度報(bào)告可知，2020年LNG運(yùn)輸船共交付35艘，其中采用薄膜式儲(chǔ)罐的有34艘，占據(jù)了現(xiàn)今大部分市場(chǎng)［3］。

2 自撐式儲(chǔ)罐

自撐式儲(chǔ)罐依靠自身支撐，與船體互相獨(dú)立，儲(chǔ)罐置于船內(nèi)，分為A、B、C3種不同類型。A型儲(chǔ)罐按傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；B型儲(chǔ)罐需要進(jìn)行精確的應(yīng)力分析（FEM）、疲勞分析和裂紋擴(kuò)展分析；C型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)遵從常規(guī)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［4］。

2.1 SPB型儲(chǔ)罐

SPB型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外形似棱柱，儲(chǔ)罐中間裝有縱向隔艙壁，最內(nèi)層是貨艙，貨艙外表面覆蓋有熱絕緣層，熱絕緣層外是儲(chǔ)罐外殼，基座和膠合板楔子組成儲(chǔ)罐支撐結(jié)構(gòu)。

圖1 SPB型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

SPB型儲(chǔ)罐的特點(diǎn)是儲(chǔ)罐內(nèi)部設(shè)有水密艙壁（規(guī)定壓力下能保持不透水的艙壁）、扶強(qiáng)材（確保結(jié)構(gòu)剛性的結(jié)構(gòu)）和橫向邊板，其作用是分隔儲(chǔ)罐內(nèi)部空間，減小自由液面，提高液體晃蕩頻率，使之遠(yuǎn)離船體晃動(dòng)頻率，避免共振的發(fā)生。

SPB型儲(chǔ)罐通常選擇5083鋁合金、304不銹鋼或9%鎳鋼作為貨艙材料，選擇聚氨基甲酸酯泡沫作為熱絕緣層材料［5］。

SPB型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析船舶整體運(yùn)動(dòng)，并對(duì)儲(chǔ)罐和船體進(jìn)行有限元分析（FEM）、疲勞分析和裂紋擴(kuò)展分析。同時(shí)還需要設(shè)計(jì)完整的防漏層，防止貨物泄漏。

SPB型儲(chǔ)罐主要適用于大中型LNG運(yùn)輸船，并且由于SPB型儲(chǔ)罐對(duì)液貨裝載高度沒有限制，其他船型也可以使用，如LNG加注船、LNG浮式裝置等［5］。但是目前SPB型儲(chǔ)罐的國(guó)際認(rèn)可度還有待提高，并且由于其材料價(jià)格昂貴、專利保護(hù)等原因，實(shí)際使用SPB型儲(chǔ)罐的LNG運(yùn)輸船只占少數(shù)。

目前，SPB型儲(chǔ)罐的LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)（貨艙的隔離屏障和熱絕緣層）專利屬于日本IHI株式會(huì)社，該項(xiàng)專利打破了歐洲技術(shù)壟斷。

2.2 Moss型儲(chǔ)罐

Moss型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖2所示，其外形似球形，內(nèi)部為貨艙，在貨艙外表面覆蓋熱絕緣層，最外層是保護(hù)型金屬外殼。儲(chǔ)罐內(nèi)部沒有強(qiáng)力構(gòu)件、扶強(qiáng)材等結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)罐由垂直方向的柱形裙圍支撐，裙圍底部焊接固定在船體表面，裙圍與球面需要利用具有特殊截面的連接件才能完成焊接。球體中心垂線上設(shè)有泵塔，固定在儲(chǔ)罐底部，并通過滑銷連接于儲(chǔ)罐頂部。

圖2 Moss型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

一般情況下罐體材料選擇高強(qiáng)度鋁合金，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同一儲(chǔ)罐不同部位板材厚度不同，大致范圍在30～170 mm。熱絕緣層材料選擇板塊式聚苯乙烯或發(fā)泡噴涂式聚苯乙烯，從而得到理想的保溫效果。柱形裙圍上、中、下3部分采用不同的材料，上部采用高強(qiáng)度鋁合金，與儲(chǔ)罐材料保持一致；中部通常選擇導(dǎo)熱性差的不銹鋼；下部通常選擇低溫鋼，從而降低船體與液貨的熱交換量。

Moss型儲(chǔ)罐需要設(shè)計(jì)防漏隔層，以防發(fā)生少量貨物泄漏。傳統(tǒng)Moss型儲(chǔ)罐主要適用于大中型LNG運(yùn)輸船，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，且液體晃蕩不會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐造成破壞，所以無需限制裝載液位。但缺點(diǎn)是：過大的體積影響駕駛室視野；暴露在甲板外的罐體加大了受風(fēng)面積，使得整體風(fēng)阻變大；運(yùn)輸船內(nèi)部容積利用率不高；船舶重心較其他船要高，穩(wěn)定性差。

目前，Moss型儲(chǔ)罐貨物圍護(hù)系統(tǒng)的專利屬于挪威Moss maritime公司。2011年三菱重工MHI開發(fā)了MHI SayaendoⅠ型Moss型儲(chǔ)罐貨物圍護(hù)系統(tǒng)，降低了船體整體風(fēng)阻，并且電纜等附件安裝在船艙內(nèi)部，使得設(shè)備的可維護(hù)性得到了極大的提升。2012 年，MHI 又在此基礎(chǔ)上開發(fā)了MHI SayaendoⅡ型Moss型儲(chǔ)罐貨物圍護(hù)系統(tǒng)，儲(chǔ)罐外形似蘋果，運(yùn)輸船重量減少約10%，內(nèi)部容積增加約8 000 m3，能耗降低約20%［6］。

2.3 C型儲(chǔ)罐

C型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖3所示。C型儲(chǔ)罐獨(dú)立于船體，由中間圓柱形的筒體和兩端半球形的封頭構(gòu)成。與SPB型儲(chǔ)罐和Moss型儲(chǔ)罐一樣，C型儲(chǔ)罐內(nèi)部為貨艙，貨艙表面覆蓋熱絕緣層，最外層是保護(hù)型金屬外殼。

圖3 C型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

通常C型儲(chǔ)罐選擇5083鋁合金、304不銹鋼或9%鎳鋼作為貨艙材料，液貨艙外層覆蓋的是聚苯乙烯板或噴涂發(fā)泡聚苯乙烯等絕緣材料。

C型儲(chǔ)罐按照常規(guī)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，無專利限制，屬于通用技術(shù)。C型儲(chǔ)罐承壓性能好，無需另外設(shè)置防漏層，可將干空氣或者惰性氣體填充到儲(chǔ)罐與船體之間的緩沖空間。同時(shí)C型儲(chǔ)罐對(duì)液貨裝載高度沒有限制。

C型儲(chǔ)罐具有不受專利限制、造價(jià)低、制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在中小型LNG運(yùn)輸船中應(yīng)用前景可觀。近年來，由于內(nèi)河LNG運(yùn)輸船發(fā)展迅猛，C型儲(chǔ)罐的市場(chǎng)發(fā)展空間進(jìn)一步擴(kuò)大。這是因?yàn)閮?nèi)河LNG運(yùn)輸船受航道水深、橋梁高度等多種因素制約，所以多數(shù)是容積為10 000～20 000 m3的小型運(yùn)輸船［7］，該種運(yùn)輸船儲(chǔ)罐的容積不大，且為短途運(yùn)輸，故多采用C型儲(chǔ)罐。

3 薄膜型儲(chǔ)罐

薄膜型儲(chǔ)罐采用雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼是液貨艙的承載殼體，外殼是船體。與自撐式儲(chǔ)罐相比，薄膜型儲(chǔ)罐具有容積利用率高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此新建的液化天然氣船，尤其是大型LNG運(yùn)輸船，多采用薄膜型儲(chǔ)罐。

3.1 MarkⅢ型儲(chǔ)罐

MarkⅢ型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖4所示，儲(chǔ)罐由船體結(jié)構(gòu)直接支撐，內(nèi)壁為波紋型。MarkⅢ型儲(chǔ)罐從內(nèi)到外分別是主屏壁、主層熱絕緣板、次屏壁、次層熱絕緣板。主屏壁是指用于裝貨的內(nèi)層構(gòu)件，次屏壁是指如果主屏壁泄漏，能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)容納泄漏液體的外層結(jié)構(gòu)。國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則（IGC code）中要求，由意外破損、失效等原因引起主屏壁發(fā)生泄漏時(shí)，在15天內(nèi)，次屏壁要保存泄漏的LNG并保護(hù)船體鋼板。

圖4 MarkⅢ型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

主屏壁采用波紋不銹鋼板，一般選用304不銹鋼；次屏壁由兩層玻璃纖維布中間夾一層鋁箔構(gòu)成［8］。熱絕緣板材料可選擇硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）。

MarkⅢ型儲(chǔ)罐設(shè)置有完整的二級(jí)防漏隔層，該專利屬于GTT公司。MarkⅢ型儲(chǔ)罐的裝載液位為液貨艙高度的10%～70%，部分裝載時(shí)，由于薄膜型儲(chǔ)罐的強(qiáng)度較弱，為了防止液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力破壞儲(chǔ)罐內(nèi)壁，需要設(shè)計(jì)防晃結(jié)構(gòu)。

MarkⅢ型儲(chǔ)罐主要適用于大中型LNG運(yùn)輸船，其主要優(yōu)點(diǎn)在于大量部件可以提前加工，縮短了造船時(shí)間；較薄的保溫層增大了液貨裝載空間。

3.2 No.96型儲(chǔ)罐

No.96型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖5所示。儲(chǔ)罐由船體結(jié)構(gòu)直接支撐，內(nèi)壁為平板型，熱絕緣層分為主、次層熱絕緣板，儲(chǔ)罐從內(nèi)到外分別是主屏壁、主層熱絕緣板、次屏壁、次層熱絕緣板。熱絕緣板需要利用樹脂繩粘合到船板表面，樹脂繩可以錨固絕緣層并均勻分配液貨載荷。

圖5 No.96型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

主、次屏壁均采用殷瓦合金，也稱殷鋼［3］。熱絕緣層選擇珍珠巖作為保溫材料，在減少保溫材料費(fèi)用的同時(shí)，由于氣體可以滲透珍珠巖，因此能夠填充更多的惰性氣體，從而保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

與MarkⅢ型儲(chǔ)罐相同，No.96型儲(chǔ)罐也需要設(shè)置完整的二級(jí)防漏隔層，該專利屬于GTT公司。No.96 型儲(chǔ)罐裝載液位為液貨艙高度的10%～70%，部分裝載時(shí)，由于薄膜型儲(chǔ)罐的強(qiáng)度較弱，為了防止液體晃蕩所產(chǎn)生的壓力破壞儲(chǔ)罐內(nèi)壁，需要設(shè)計(jì)防晃結(jié)構(gòu)。

No.96型儲(chǔ)罐的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是：少量提前加工的部件使得造船時(shí)間較長(zhǎng)；較厚的保溫層減小了液貨裝載空間。

由于薄膜型儲(chǔ)罐的空間被利用得更充分，使得儲(chǔ)罐同時(shí)具備薄、輕、總?cè)萘看蟮忍攸c(diǎn)，因此多數(shù)LNG運(yùn)輸船都采用薄膜型儲(chǔ)罐。目前，滬東中華造船 （集團(tuán)）有限公司已經(jīng)成功制造出使用MarkⅢ型、No.96型儲(chǔ)罐的LNG運(yùn)輸船。

4 新型LNT-A型儲(chǔ)罐

挪威LNT Marine公司在A型儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)上，歷時(shí)兩年多的研發(fā)，解決了A型儲(chǔ)罐必須有獨(dú)立的次屏障和優(yōu)質(zhì)熱絕緣層的問題［9］，最終在2013年開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LNT-A型儲(chǔ)罐。

LNT-A型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)如圖6所示。該儲(chǔ)罐按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，最內(nèi)層為主屏壁，外形似棱柱形，作為貨艙壁，貨艙內(nèi)部與SPB型儲(chǔ)罐類似，均設(shè)有縱向制蕩艙壁。次屏壁為覆蓋在熱絕緣板內(nèi)表面的密封膜，具有液體密封功能。熱絕緣板附著在船體內(nèi)甲板上，熱絕緣板可以分為冷板和暖板兩部分，冷板與次屏壁接觸，暖板與船體內(nèi)部甲板接觸。主、次屏壁之間的空隙稱作屏壁間空隙（IBS），填充惰性氣體，可以使空間保持干燥，并且當(dāng)主屏壁LNG泄漏時(shí)，空間中填充的惰性氣體也可以降低發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，該間隙也可以用于檢修人員開展檢查維修工作。貨艙支撐系統(tǒng)由止浮裝置和基座組成，同時(shí)為了保證熱絕緣和支撐強(qiáng)度，需要在基座上設(shè)置層壓木。

圖6 LNT-A型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)

考慮到成本因素，通常選擇304不銹鋼、鎳鋼或鋁合金作為主屏壁材料。次屏壁由兩層玻璃纖維布間夾一層鋁箔構(gòu)成，需要采用液體密封的方法完整覆蓋在冷板外表面。熱絕緣層材料選擇聚氨酯（PUF）板。

LNT-A型儲(chǔ)罐能很好地適應(yīng)船體結(jié)構(gòu)，使得船體內(nèi)部空間可以得到充分利用，因此其裝載量較大。同時(shí)，由于其內(nèi)部設(shè)有縱向制蕩艙壁，因此該型儲(chǔ)罐對(duì)液貨裝載高度沒有要求。

與薄膜型儲(chǔ)罐的熱絕緣層相比，LNT-A型儲(chǔ)罐的熱絕緣層不用承受罐內(nèi)液體負(fù)荷，密度最低可達(dá)40 kg/cm3。而薄膜型儲(chǔ)罐的熱絕緣層需要考慮艙內(nèi)液體應(yīng)力，其中MarkⅢ型儲(chǔ)罐密度需要達(dá)到140 kg/cm3方可保證其可靠性。可見，LNT-A型儲(chǔ)罐熱絕緣層對(duì)于材料性能的要求以及材料價(jià)格均更低，閃蒸氣也更易控制。

與SPB型儲(chǔ)罐相比，LNT-A型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)只需按常規(guī)設(shè)計(jì)即可，因而設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、建造更容易、成本更低。與C型儲(chǔ)罐相比，相同安裝空間情況下，LNT-A型儲(chǔ)罐儲(chǔ)存容積有25%～50%的提升［4］。

5 結(jié)論

5.1 自撐式儲(chǔ)罐中常用的SPB型儲(chǔ)罐、Moss型儲(chǔ)罐和C型儲(chǔ)罐，裝載液位沒有限制。其中C型儲(chǔ)罐因?yàn)椴恍枰O(shè)置防漏層，并且設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐時(shí)按常規(guī)壓力容器進(jìn)行，不受專利限制，使得C型儲(chǔ)罐具備造價(jià)低、制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在中小型LNG運(yùn)輸船中應(yīng)用前景可觀。近年來由于內(nèi)河LNG運(yùn)輸船發(fā)展迅猛，C型儲(chǔ)罐的市場(chǎng)發(fā)展空間進(jìn)一步擴(kuò)大。

5.2 多數(shù)LNG運(yùn)輸船尤其是大型LNG運(yùn)輸船，多采用薄膜式儲(chǔ)罐，薄膜式儲(chǔ)罐在未來幾年仍然會(huì)占據(jù)主流地位。分析其原因在于薄膜式儲(chǔ)罐具有容積利用率高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但是薄膜式儲(chǔ)罐不耐受液體晃蕩產(chǎn)生的壓力，且貨艙裝載液位受到限制，需要設(shè)置次屏壁作為防漏隔層。

5.3 與薄膜式儲(chǔ)罐相比，LNT-A型儲(chǔ)罐材料性能要求低、價(jià)格低，閃蒸氣也更易控制。與SPB型儲(chǔ)罐相比，LNT-A型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、建造更容易、成本更低。與C型儲(chǔ)罐相比，在相同安裝空間的情況下，LNT-A型儲(chǔ)罐儲(chǔ)存容積有25%～50%的提升。由于船舶廢氣排放控制越發(fā)嚴(yán)格，選擇LNG作為船用燃料是大勢(shì)所趨，這就要求儲(chǔ)罐在有限的安裝空間下，存儲(chǔ)量最大化，并且高可靠性與低成本并存。LNT-A型儲(chǔ)罐與其他儲(chǔ)罐相比具有容積大、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得LNT-A型儲(chǔ)罐成為有效解決方案之一，LNT-A型儲(chǔ)罐將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。