小型液化氣船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 摘 要 本文通過(guò)分析討論IGC及船級(jí)社對(duì)液氣船的設(shè)計(jì)要求，以22000M3 C型雙耳罐液化氣船為載體，從五個(gè)主要方面討論該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為同類船型提供參考。關(guān)鍵詞 液化氣船 C型罐 溫度場(chǎng) 簡(jiǎn)化 參考1 前言 小型液化氣船一般指載貨量在40000 M3以下的氣體船，根據(jù)運(yùn)輸貨物品種的不同分為L(zhǎng)NG船、LPG船、LEG/LPG多用途船等。其中LNG船以運(yùn)輸貨物沸點(diǎn)溫度為-163的液化天然氣（LNG）為主，LPG船以運(yùn)輸貨物沸點(diǎn)溫度為-54的液化石油氣（LPG）為主，LEG/LPG多用途船所運(yùn)輸貨物除了LPG外，還可以運(yùn)輸乙烯、氨水、氯乙烯單體、烷烯類氯化物或氧化物等化工用品，沸點(diǎn)溫度最低可達(dá)-104。對(duì)于這三類船型除了沸點(diǎn)溫度，及設(shè)計(jì)壓力等不同外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面十分相似，因此可以通過(guò)研究某一種船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)類推其他船型。 液氣船由于載運(yùn)貨物的特殊性，除滿足國(guó)際海事組織（簡(jiǎn)稱IMO）的“國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶建造與設(shè)備規(guī)則”（簡(jiǎn)稱IGC）的規(guī)定，還需滿足船級(jí)社對(duì)強(qiáng)度，安全，布置等方面的要求。 本文以公司研發(fā)的22000M3的LEG/LPG船為載體，通過(guò)分析C型雙耳罐液化氣船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可引申到所有小型液化氣船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為未來(lái)我公司在該類船型的設(shè)計(jì)上做好技術(shù)儲(chǔ)備。2 主船體及C型獨(dú)立液貨艙布置2.1 IGC的布置要求2.1.1 根據(jù)IGC規(guī)定本船屬于C型獨(dú)立液貨艙2G型船舶, IGC對(duì)于此類型液貨艙的破損殘余能力有以下要求：1），橫向保護(hù)要求：當(dāng)5,000 m3 Vc 30,000 m3， d = 0.8 + Vc/25,000 m；2），垂向保護(hù)要求：d=min(B/15,2)m;3），其他位置保護(hù)：d不小于0.76m；（其中Vc為單個(gè)液貨船艙容積，為左右艙之和，d為外板的理論線到罐體的理論線的距離）。2.1.2 IGC對(duì)此類型液貨艙的檢驗(yàn)通道也有明確的要求，有以下要求： 1），檢修通道處，液貨艙絕熱層的表面（平面或曲面）與結(jié)構(gòu)件自由邊之間的距離至 少為380mm如甲板橫梁、扶強(qiáng)材、肋骨、桁材； 2），當(dāng)驗(yàn)船師不要求在結(jié)構(gòu)件及絕緣表面通過(guò)，僅通過(guò)目視檢查時(shí)，結(jié)構(gòu)件的自由邊緣與所檢查的表面之間距離至少為50mm,或者為構(gòu)件面板的半寬，取大者2.2 貨艙布置如上述要求, 22000M3的LEG/LPG沿船長(zhǎng)布置了四個(gè)C型雙耳罐液貨艙，其中一號(hào)液貨艙由于受船體線型的限制，設(shè)置為錐形雙耳罐。二號(hào)液貨艙在考慮了橫艙壁扶強(qiáng)材的尺寸及建造誤差后，沿船長(zhǎng)方向，C型罐絕緣表面距離水密橫艙壁構(gòu)件面為1130mm，距離非構(gòu)件面為430mm（見圖1）。圖1沿橫向距離外板的距離，及垂向距離甲板及內(nèi)底板的距離跟縱向類似，都需滿足IGC的要求，一般情況下，絕緣表面距離外板的距離容易受到型寬的限制，此時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)C型罐兩圓心的間距解決。甲板下構(gòu)件到絕緣的距離，通?？梢酝ㄟ^(guò)加大梁拱的高度解決通道問(wèn)題，此處不再詳述。總的來(lái)說(shuō)檢驗(yàn)通道的要求對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，應(yīng)該在方案設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮，避免設(shè)計(jì)后期的改動(dòng)。2.4 強(qiáng)框架確定當(dāng)每個(gè)艙的長(zhǎng)度確定后，再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度考慮要盡量等分強(qiáng)框架的間距；但從與C型罐的連接上講要布置在C型罐平行中體部分，每個(gè)C型罐對(duì)應(yīng)兩個(gè)基座，靠船尾側(cè)為固定基座，靠船首側(cè)為滑動(dòng)基座。當(dāng)液罐裝滿貨物后，它可看成受均布載荷的簡(jiǎn)支梁，根據(jù)材料力學(xué)的原理，若平行罐體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則當(dāng)外伸長(zhǎng)度A=0.207L時(shí)，兩個(gè)支座中間的最大彎矩和支座截面處彎矩絕對(duì)值相等，另外考慮到封頭其抗彎能力強(qiáng)于筒體的抗彎能力，故越靠近封頭，對(duì)基座處筒體截面的加強(qiáng)作用越有效，所以基座一般設(shè)置盡量靠近平行中體的端部。 此外當(dāng)船舶橫傾30時(shí)，對(duì)C型罐必須有合理的支撐，基座處的高應(yīng)力值，一般將基座的包角角度加大，鞍座靠船中心線部分留出施工空間，并盡量向中心延伸。同時(shí)，在基座檔的前后肋位處，同樣需要設(shè)置強(qiáng)檔，一方面保證此處的強(qiáng)度和剛度，另一方面增加此處溫度場(chǎng)的傳遞通道。3 主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 3.1設(shè)計(jì)彎矩剪力確定 針對(duì)該類液氣船，船級(jí)社沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定最小彎矩剪力值，只要求了最小的剖面模數(shù)和最小慣性矩，故包絡(luò)值一般取決于裝載手冊(cè)。該船在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)船裝載中拱彎矩值較大， 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在中垂彎矩選取時(shí)，有取中拱數(shù)值的1/2 ，1/3，或1/10等不同取法。法國(guó)船級(jí)社BV就該問(wèn)題認(rèn)為，雖然液氣船在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大的中垂彎矩，但隨著規(guī)則規(guī)范的修改，從安全的角度講，對(duì)此類船的要求會(huì)逐漸加強(qiáng)，未來(lái)規(guī)范在此處的定義會(huì)提高，推薦中垂取中拱的1/2；另外從船舶的實(shí)際抗彎能力上講，船舶可承受的中垂彎矩不會(huì)與中拱相差太大；同時(shí)從船體梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果上看，提高一定的中垂值并不會(huì)帶來(lái)構(gòu)件的增加；從使用的角度來(lái)說(shuō)，也增加了裝卸的便利性，因此該船最終選擇了加大中垂值到1/2中拱值。對(duì)于設(shè)計(jì)剪力，規(guī)范也沒(méi)有要求最小值，實(shí)際裝載中，隔艙裝載的也情況不多，即使隔艙裝載，由于貨物密度較小，船體梁承受的剪力也不大，所以根據(jù)實(shí)際裝載情況設(shè)計(jì)即可。3.2 規(guī)范計(jì)算 在確定結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)彎矩剪力等輸入條件后，展開規(guī)范強(qiáng)度校核。以三號(hào)艙中間位置處橫剖面為例，利用BV規(guī)范軟件MARS計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在滿足結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的前提下，船體梁極限強(qiáng)度、縱骨疲勞強(qiáng)度、規(guī)范要求的屈曲強(qiáng)度都容易滿足。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，大多數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸由局部強(qiáng)度決定，只有甲板板及縱骨由船體梁中拱強(qiáng)度決定，特別是底部壓載艙周界結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于船體梁富裕較大。在設(shè)計(jì)初始階段，總體將上下壓載艙聯(lián)通為一體，這就造成內(nèi)底板，外底板等底部壓載艙周界的水壓頭很大，液艙的動(dòng)壓力也比較大，驗(yàn)算表明，如果改為上下壓載艙不連通，則液艙的動(dòng)壓力可減少30%；經(jīng)過(guò)對(duì)比不同裝載工況，壓載艙修改對(duì)船舶穩(wěn)性也無(wú)影響，綜合考慮，最后將上下壓載艙設(shè)置為不連通，從而明顯的節(jié)省了結(jié)構(gòu)重量。對(duì)于橫向構(gòu)件尺寸，除橫艙壁由破損工況的壓頭決定外，其他部位一般由最小厚度決定。3.3 有限元計(jì)算對(duì)于C型艙的液氣船，不同船級(jí)社的規(guī)定略有差異，本船以BV的規(guī)定為例計(jì)算。根據(jù) BV Guidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks（2012 V3）的要求利用Veristar計(jì)算軟件分析。根據(jù)要求，該類船型一般至少對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式不同的艙段進(jìn)行分析，作為研究，本船選取三號(hào)艙作為目標(biāo)進(jìn)行粗網(wǎng)格分析。在建立模型時(shí)需要注意，對(duì)于固定基座需采用SOLID（體）單元模擬，對(duì)于滑動(dòng)基座需采用GAP（彈簧）單元模擬，其他結(jié)構(gòu)用板或梁?jiǎn)卧M。粗網(wǎng)格大小采用骨材間距。針對(duì)主船體結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)手冊(cè)要求的典型裝載工況如表1及圖2，計(jì)算結(jié)果見圖3。N描述吃水SWBM正浮狀態(tài)傾斜狀態(tài)港口A1A2BCDLC1均勻裝載TMSW,SXXXXXLC2壓載TBMSW,HXXLC3隔艙裝載0.9 T0.7 MSW,HXXLC4隔艙裝載0.8 T0.7 MSW,SXXXLC5港口裝載0.5 MSW,HXX*LC6破艙進(jìn)水 (0.8D)T0.5 MSW,HX表1圖2圖3有限元計(jì)算結(jié)果表明，在屈服強(qiáng)度方面：只有在甲板氣室開孔處以及止浮處應(yīng)力超出要求，其他位置基本滿足屈服強(qiáng)度。這兩處需要增加板厚或通過(guò)細(xì)網(wǎng)格進(jìn)一步分析。在屈曲強(qiáng)度方面：外底板的屈曲問(wèn)題特別嚴(yán)重；底邊斜板、水線下外板及橫艙壁也有屈曲問(wèn)題。4 C型罐設(shè)計(jì)C 型罐作為壓力容器，IGC對(duì)它的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)有明確的要求，主要有以下七個(gè)方面。4.1設(shè)計(jì)蒸氣壓力P0對(duì)于設(shè)計(jì)蒸氣壓力值應(yīng)從三個(gè)方面考慮： 1) ，罐體形狀尺寸、貨物密度、罐體材料、及IGC強(qiáng)制的最小要求；2) ，滿足船東使用的最小要求，并不得小于釋放閥的最大調(diào)定值（MARVS）；3) ，P0是組成C型罐內(nèi)部總壓力的重要部分，其大小直接影響到筒體的厚度，P0的取值應(yīng)與筒體強(qiáng)度余量做好平衡；4.2 內(nèi)部總壓力內(nèi)部總壓力，Peq= P0+ Pgd ，Pgd為內(nèi)部液體壓力；P0已在上面闡述，這里只討論 Pgd的計(jì)算。內(nèi)部液體壓力是由船舶運(yùn)動(dòng)引起的貨物重心加速度和動(dòng)力加速度的聯(lián)合作用，公式由IGC給出： Mpa在任意橫傾和縱傾方向上由重力和動(dòng)載荷引起的無(wú)因次加速度（相對(duì)于重力加速度）；Z從所確定的壓力點(diǎn)沿橫傾和縱傾方向向上量至液貨艙殼板的最大液柱高度；對(duì)于的計(jì)算，以前一般僅同時(shí)考慮兩個(gè)方向的加速度分量即（X-Z）或（Y-Z）方向的二維橢圓合成法，但用這種方法的計(jì)算結(jié)果在橫艙壁及橫艙壁與縱向構(gòu)件交接區(qū)域存在明顯誤差。NEW-IGC對(duì)于的計(jì)算要求必須采用三維加速度橢球合成法，同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)船計(jì)算表明，三維橢球合成法比二維橢圓合成法精度高，計(jì)算結(jié)果更可靠。4.3 材料許用應(yīng)力常見的低溫材料有鋁合金、奧氏體鋼、鎳鋼和碳錳鋼四種，根據(jù)不同的材料，IGC規(guī)定，跟C型艙相關(guān)的所有低溫構(gòu)件包括法蘭的最大許用膜應(yīng)力K不得超過(guò)Rm/A與Re/B中的較小者（Rm與Re分別為室溫下的抗拉強(qiáng)度下限值和屈服應(yīng)力下限值），A與B的取值至少應(yīng)為附表二中所列的最小值。其中對(duì)于A和B的規(guī)定，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（USCG）與IGC略有差異，具體見表2。IGC鎳鋼和碳錳鋼奧氏體鋼鋁合金A33.54B21.61.5USCG鎳鋼和碳錳鋼奧氏體鋼鋁合金A444B21.61.5表24.4 筒體設(shè)計(jì)筒體即C型罐的平行中間部分，不包括兩端的封頭。關(guān)于筒體厚度計(jì)算，各家船級(jí)社的公式之間在焊接系數(shù)和腐蝕方面略有差異，但計(jì)算結(jié)果大致相當(dāng)。本文以BV船級(jí)社的要求為例。筒體板厚的計(jì)算公式為：P內(nèi)部總壓力；D-罐體直徑；K-許用膜應(yīng)力；e-焊接系數(shù)；本文中目標(biāo)船計(jì)算結(jié)果表明，在C型罐底部及靠底部45范圍內(nèi)厚度最大，沿垂向向上依次減小。一般筒體的厚度由該計(jì)算公式?jīng)Q定，有限元計(jì)算不會(huì)增加尺寸。4.5 封頭、氣室、集液槽設(shè)計(jì)封頭的設(shè)計(jì)種類較多，各家船級(jí)社都有相應(yīng)的計(jì)算公式。常見的有橢球形、扁球形和球形三種。雖然球形相對(duì)于橢球或扁球形的空間利用率略低，但它具有抗壓能力強(qiáng)，厚度要求較低，施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在船舶上應(yīng)用球形設(shè)計(jì)較多，本文目標(biāo)船也采用球形設(shè)計(jì)。這里需要提醒的是，根據(jù)有限元強(qiáng)度分析結(jié)果，在封頭與筒體的過(guò)渡區(qū)域需要加強(qiáng)。 氣室的設(shè)計(jì)與筒體類似，注意開孔的補(bǔ)強(qiáng)，集液槽的設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。4.6 加強(qiáng)環(huán)、制蕩艙壁設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)按功能劃分為鞍座加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)兩種。在C型罐固定及滑動(dòng)鞍座平面內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，以抵御鞍座處的彎矩和剪力。當(dāng)罐體處卸貨狀態(tài)時(shí)，隨著罐內(nèi)貨物的減少，罐內(nèi)壓力明顯降低，內(nèi)外壓力差會(huì)使筒體受壓，為保證筒體的穩(wěn)定性，應(yīng)在筒體中間的合適位置設(shè)置真空加強(qiáng)環(huán)。 C型艙存在部分裝載工況，應(yīng)驗(yàn)證不同充裝高度時(shí)的晃蕩載荷，特別是當(dāng)液體晃蕩的自然頻率接近船舶的縱搖周期時(shí)，液體的晃動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)發(fā)生共振，對(duì)液罐的封頭產(chǎn)生很大的沖擊力，若設(shè)置了制蕩艙壁就可以改變晃動(dòng)頻率，避免產(chǎn)生共振,從而減小晃蕩載荷。一般利用下面公式考察制蕩艙壁的必要性。4.7 C型罐有限元計(jì)算對(duì)于C型罐來(lái)說(shuō)，有限元分析除考慮主船體的裝載工況外，還要考慮0.5F大小的前沖力和0.25F大小的后沖力（F為液罐及貨物總重量）、船舶橫傾30、以及碼頭實(shí)驗(yàn)工況等。分析結(jié)果（見圖4）發(fā)現(xiàn)有四處不滿足強(qiáng)度要求：罐內(nèi)加強(qiáng)環(huán)左右相交處、加強(qiáng)環(huán)30轉(zhuǎn)角處、氣室與罐體開孔處、封頭與筒體過(guò)渡處。圖45 溫度場(chǎng)計(jì)算根據(jù)船級(jí)社規(guī)定，當(dāng)船舶運(yùn)輸貨物溫度在-20.C以下時(shí)，需要提交船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算書，以掌握船體及液貨艙的溫度分布狀態(tài)，并通過(guò)溫度場(chǎng)分布狀態(tài)為低溫鋼材料等級(jí)的選取提供理論支持。對(duì)于C型獨(dú)立液艙來(lái)說(shuō)，溫度場(chǎng)計(jì)算主要針對(duì)液貨艙鞍座和液貨船相鄰的船體結(jié)構(gòu)，計(jì)算出溫度分布，依此確定鋼材等級(jí)，同時(shí)按照溫度梯度分布進(jìn)行熱應(yīng)力分析，把熱應(yīng)力作為附加值加入在液艙強(qiáng)度計(jì)算中去。計(jì)算方法主要有兩種：a),數(shù)值計(jì)算法；b),有限元分析法。其中數(shù)值計(jì)算法，利用EXCEL表格先假定各層初始溫度，然后通過(guò)迭代達(dá)到設(shè)定的精度，從而計(jì)算出各層的實(shí)際溫度，進(jìn)而確定鋼材等級(jí)。有限元計(jì)算法，即通過(guò)建立有限元模型，設(shè)置熱系數(shù)，利用有限元軟件計(jì)算溫度分布。數(shù)值計(jì)算法其優(yōu)點(diǎn)是工作量小、計(jì)算速度快、圖紙完整度要求低；其缺點(diǎn)是計(jì)算精度稍差，計(jì)算范圍有限制。有限元計(jì)算法其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算精度高、計(jì)算范圍廣（可計(jì)算任何區(qū)域）；其缺點(diǎn)是，工作量大、硬件配置要求高、圖紙完整度要求高。本船先采用數(shù)值法估算，在初步設(shè)計(jì)完成以后又采用有限元計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如圖5。圖56 結(jié)語(yǔ)總之，小型液化氣船由于其裝載貨物的特殊性，其設(shè)計(jì)與散貨船、油船有很大的不同，特別是在安全的角度，它的要求更高，IGC也從不同的角度做了規(guī)定。本文以開發(fā)的22000M3LEG船為載體，從船型分類、貨艙布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、C型罐設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)計(jì)算等方面做了分析和探討，為以后在該船型上的設(shè)計(jì)做了指引和參考，同時(shí)為A型、B型、液化氣船的設(shè)計(jì)做了借鑒?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 楊世銘、陶文銓，傳熱學(xué).北京：高等教育出版社，1998. 2 中國(guó)船舶工業(yè)、船舶重工、中國(guó)造船工程協(xié)會(huì) 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013. 3 李小靈、谷云飛，計(jì)及熱輻射及翼展效應(yīng)的VLGC溫度場(chǎng)計(jì)算，船舶與海洋工程2013，（