顧 俊，王凡超

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，簡(jiǎn)稱LPG）船主要運(yùn)輸以丙烷和丁烷為主要成分的石油碳?xì)浠衔锘騼烧呋旌蠚?，包括丙烯和丁烯，還有一些化工產(chǎn)品，近年來(lái)乙烯也列入其運(yùn)輸范圍。依據(jù)載運(yùn)各種氣體的不同液化條件而分為全壓式(裝載量較小)、半冷半壓式（裝載量較大）和全冷式（裝載量大）。液化氣船因其特殊用途而需具備各方面的特殊要求，其技術(shù)難度大，船價(jià)為同噸位常規(guī)運(yùn)輸船的 2～3倍，是一種代表當(dāng)今世界的造船技術(shù)水平的高技術(shù)、高附加值的船舶。

1 LPG船分類

LPG船按貨物運(yùn)輸方式分為全壓式、半冷半壓式（冷壓式）和全冷式3種船型。

1)全壓式運(yùn)輸又稱常溫壓力式，是把貨物置于常溫條件下加壓超過(guò)蒸發(fā)氣壓的壓力，使貨物變成液化狀態(tài)。少數(shù)氣體諸如乙烷、乙烯、甲烷在高于臨界溫度下再加壓也不液化。全壓運(yùn)輸船的船艙不需設(shè)置隔熱與低溫冷卻設(shè)備。通常最高設(shè)計(jì)溫度為45℃，最高設(shè)計(jì)壓力為1.75～2.0MPa之間。江南造船廠建造的我國(guó)第一艘3000m3LPG船，其設(shè)計(jì)工作壓力為1.75MPa，通常全壓式LPG船的艙容量都在5000m3以下。

2)半冷半壓式運(yùn)輸又稱低溫加壓式。該型第一艘船建于 1959年，容積為 2100m3。該類船早期冷卻工作溫度為-5℃左右，壓力0.8MPa左右，運(yùn)載液化氣接近于全壓式LPG船。該類船分為兩類，較多的冷卻溫度為-48℃，少數(shù)運(yùn)載乙烯的為-104℃，工作壓力為 0.5～0.8MPa，江南造船廠建造的 4200m3和16500m3LPG船分別屬于該兩種船型。通常該類船最大艙容量不超過(guò) 25000m3，新研制的 30000m3LPG船可謂是該型船之最。

3)全冷式運(yùn)輸又稱為低溫常壓型，液化氣貯存于不耐壓的液艙內(nèi)，處于常壓下的沸騰狀態(tài)。液艙設(shè)計(jì)壓力一般為0.025MPa，單個(gè)液艙容積很少受限制，適宜建造大型船舶，容量大都為50000m3～100000m3。

2 計(jì)算原理

2.1 熱傳遞的分類[1]

熱量的傳遞過(guò)程常以3種方式進(jìn)行：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、對(duì)流換熱以及輻射換熱。

1)熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是不同溫度的物體直接接觸或物體內(nèi)部不同溫度的各部分間能量交換的現(xiàn)象，即物體的高溫部分傳向低溫部分。在沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)中，由于溫度梯度引起介質(zhì)之間的能量傳遞，即熱傳導(dǎo)對(duì)某一截面的熱流密度以及熱量分別為[2]：

式中：Q˙——熱量；λ——導(dǎo)熱系數(shù)；TΔ——溫度梯度；t——板厚；A——熱量傳導(dǎo)的表面面積。

2)熱對(duì)流。對(duì)流換熱是流動(dòng)的流體與其相接觸的固體表面之間，在二者具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同，可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流；按流動(dòng)性質(zhì)分又有層流和湍流之別。對(duì)流換熱是一個(gè)復(fù)雜的換熱過(guò)程，流體的物性、換熱表面的幾何條件、流體物態(tài)的改變以及換熱面的邊界條件等對(duì)對(duì)流換熱過(guò)程都有影響。通常以牛頓冷卻公式作為對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式[3]：

3)熱輻射。物體內(nèi)部的微觀粒子由熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)出來(lái)的電磁波稱為熱輻射。在輻射過(guò)程中，物體不斷把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊彷椛淠?，這個(gè)熱輻射能的大小是隨物體溫度大小而變化的。物體以輻射或吸收的形式進(jìn)行換熱過(guò)程，稱為輻射換熱，簡(jiǎn)稱輻射。輻射換熱量通常按下式給出：

式中：C1,2——輻射交換系數(shù)，對(duì)于兩塊相同尺寸大小的平行板，可表示為：

σ——波爾茲曼輻射系數(shù)；,ε1ε2——表面發(fā)射率；T1,T2——兩塊板的表面溫度。

2.2 熱傳遞的方式

傳熱方式[4]有以下幾種：

1)船體水線以上外板與外界空氣之間的對(duì)流傳熱，伴有太陽(yáng)輻射；

2)船體水線以下外板與外界海水之間的對(duì)流傳熱；

3)船體外板與船體內(nèi)液體（燃油、壓載水）之間的對(duì)流傳熱；

4)船體各種板與艙室內(nèi)空氣之間的對(duì)流傳熱；

5)船體外板與內(nèi)板之間的輻射傳熱；

6)低溫液貨罐體板與鞍座之間通過(guò)層壓木發(fā)生熱傳導(dǎo)。

2.3 計(jì)算模型及主要參數(shù)選取

通過(guò)MSC.Patran/Nastran可進(jìn)行的熱分析有以下內(nèi)容：一維、二維和三維熱傳導(dǎo)；基本對(duì)流；一維平流；封閉空間輻射熱交換；給定溫度；面或體積熱載荷；熱控制系統(tǒng)單元。以6500m3LPG船為例，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 有關(guān)參數(shù)

熱傳導(dǎo)分析的建?？煞譃橐韵聨撞剑?/p>

1)定義有限元網(wǎng)格。把幾何模型劃分成節(jié)點(diǎn)和單元。分析時(shí)，溫度在節(jié)點(diǎn)上計(jì)算，熱傳導(dǎo)發(fā)生在單元內(nèi)。例如對(duì)一艘6500m3LPG船的一個(gè)鞍座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，在該模型中，絕熱層和層壓木用實(shí)體單元模擬，加筋板格或者非加筋板格均用殼單元模擬，板格上的加強(qiáng)筋用梁?jiǎn)卧M，并且考慮梁?jiǎn)卧钠摹榱烁鼫?zhǔn)確地模擬鞍座結(jié)構(gòu)的幾何形狀，所要分析的鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體區(qū)域網(wǎng)格尺寸取為 1/6縱骨間距，NO.1貨艙縱骨間距為700mm，故所要分析的鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體區(qū)域網(wǎng)格尺寸取為116mm左右，遠(yuǎn)離所關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格劃分按照骨材間距實(shí)際排列方式，為700mm左右。

2)定義材料屬性。在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析中，必須定義材料的熱傳導(dǎo)率。參考文獻(xiàn)[2]、[4]、[5]，各個(gè)構(gòu)件的熱傳導(dǎo)系數(shù)如表2。

表2 材料熱物理特性

3)定義單元屬性。單元熱傳導(dǎo)方向，按照幾何特性可分為一維、二維、三維和軸對(duì)稱4種。本文應(yīng)用的單元主要特點(diǎn)見表3。

表3 單元類型

4)定義載荷和邊界條件。在熱分析的建模中，定義載荷和邊界條件是最困難的。為了盡量減少邊界條件對(duì)鞍座結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響，應(yīng)采用足夠大的計(jì)算模型，局部模型范圍以考察鞍座為中心，在船長(zhǎng)方向向前（+X）向后（-X）取5個(gè)強(qiáng)框距離，沿船寬方向取全寬范圍，型深方向（+Z）高度從基線到最上層箱蓋甲板。模型邊界條件的選取為，模型沿X方向的兩個(gè)端面的邊界條件取為鉸支，即限制X、Y、Z 3個(gè)方向的線位移，中縱剖面上的邊界條件取為：Y向位移為0，X向和Z向轉(zhuǎn)角為0。在穩(wěn)態(tài)分析中，固定溫度可以加在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)或環(huán)境節(jié)點(diǎn)上。此外，還可以施加幾種對(duì)流和熱輻射邊界條件。參考文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]，對(duì)流和熱輻射相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 材料熱物理特性

2.4 環(huán)境溫度及絕熱條件

參考國(guó)際上權(quán)威機(jī)構(gòu)IGC（國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備）和USCG（美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)）對(duì)LNG（液化天然氣）船溫度計(jì)算的環(huán)境條件規(guī)定，對(duì) LPG船計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)選取的環(huán)境溫度，可運(yùn)載的貨物（乙烯）最低溫度為-104℃，海水溫度取0℃，空氣溫度取5℃[5]。

熱分析的運(yùn)行方法：選擇求解類型，有靜態(tài)和瞬態(tài)2種；定義與求解相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)；定義子工況數(shù)據(jù)；選擇當(dāng)前計(jì)算子工況；提交作業(yè)。穩(wěn)態(tài)分析解題參數(shù)窗口：對(duì)模型的歧義性自動(dòng)進(jìn)行約束，是否將輸入文件寫在NASTRAN輸出（f06）文件上，NASTRAN輸出（f06）文件最大行數(shù)，最大運(yùn)行時(shí)間，定義所有在邊界條件中未曾定義的初始溫度（默認(rèn)為0）。

模型共有13987個(gè)單元，26098個(gè)節(jié)點(diǎn)。溫度場(chǎng)分析的模型如圖1、2所示。溫度計(jì)算結(jié)果見表5，溫度場(chǎng)分布云圖見圖3～5。

表5 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖1 整體有限元模型

圖2 半寬有限元模型

圖3 鞍座層壓木溫度場(chǎng)分布

圖4 鞍座面板溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)構(gòu)材料等級(jí)確定

按照CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[6]關(guān)于低溫用鋼等級(jí)規(guī)定并結(jié)合表5的溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果可確定鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體結(jié)構(gòu)的鋼級(jí)，見表6，表中的設(shè)計(jì)厚度推薦值是結(jié)合鞍座局部強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果得到的。

表6 鋼材等級(jí)選取表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一艘6500m3LPG船進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析,并結(jié)合中國(guó)船級(jí)社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》確定了低溫區(qū)域船體用鋼等級(jí)，通過(guò)分析計(jì)算得出以下結(jié)論：

1)罐體絕熱層對(duì)低溫的阻隔作用是很有效的，設(shè)置絕熱層后絕熱層表面的溫度可以控制在-20℃左右。

2)水線以下縱向構(gòu)件的溫度普遍比水線以上縱向構(gòu)件溫度要低一些，原因是水線以下的環(huán)境溫度要比水線以上的環(huán)境溫度低。

[1] 章偉星，莫鑒輝，金立明.13800m3LNG 運(yùn)輸船溫度場(chǎng)及其熱應(yīng)力分析[J].船舶力學(xué)，2008.

[2] 周 昊.LNG 船中封閉腔室對(duì)流系數(shù)的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

[3] 丁仕風(fēng)，唐文勇，張圣坤.大型液化天然氣船溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力研究[J].船舶工程，2008.(5).

[4] 滕曉青，顧永寧.雙殼型船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力[J].中國(guó)造船, 2000.(2).

[5] 楊青松，陸叢紅，紀(jì)卓尚.中小型LNG 船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究[J].中國(guó)造船, 2010.(4).

[6] 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].人民交通出版社, 2006.