鄭 凡，李小靈，鄭 雷

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

針對目前嚴(yán)峻的市場形勢，散貨船、油船和集裝箱等三大主力船型接單形勢低迷，利潤空間狹小的現(xiàn)狀，“江南造船”充分發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢，提升市場競爭能力，大力開展高技術(shù)、高難度、高附加值的“三高”船型研發(fā)，液化氣船就是“江南造船”民品生產(chǎn)線的主打產(chǎn)品之一。

想要在當(dāng)前競爭激烈的市場中分一杯羹，與日韓的國際一流船廠在液化氣船領(lǐng)域展開面對面的直接競爭，開發(fā)創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計(jì)、達(dá)到安全及環(huán)保的需求，取得技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先，贏得船東的青睞，是一個(gè)必要途徑?；谶@一指導(dǎo)方針，“江南造船”研發(fā)并推出的21000m3LEG系列船型，以其先進(jìn)的指標(biāo)，領(lǐng)先的設(shè)計(jì)，成功獲得13艘建造訂單，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 船型簡介

21000m3LEG（乙烯）運(yùn)輸船是江南造船為Navigator所建造的第二批液化氣船。經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)，船長較上一代22000m3LPG（液化石油氣）系列船型縮短10m，艙容相當(dāng)。各項(xiàng)主要船型技術(shù)指標(biāo)上均處于領(lǐng)先地位。入GL船級，能同時(shí)裝運(yùn)兩種品位的貨物，貨品清單包括乙烯和一些石化產(chǎn)品，設(shè)計(jì)溫度為-104℃。

表1 21000m3 LEG船主要參數(shù)對比

從表1可知，21000m3LEG系列較22000m3LPG系列船長縮短10m，船寬增加≈0.6m，型深不變，而艙容大體相當(dāng)，緊湊的船型布置給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來難度，尤其是要保持船體結(jié)構(gòu)與液罐之間的間隙，滿足相關(guān)的法規(guī)要求。

2 結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

該船為單層連續(xù)甲板，艉機(jī)艙，設(shè)艏樓。

由于貨艙內(nèi)布置緊湊，空間緊張，特別是貨艙區(qū)的艏艉端，由于線型瘦削和液罐艙容需求，無法布置底邊艙，為單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，這給結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)帶來很多技術(shù)難點(diǎn)。

通過對貨艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式的對比、論證，從“質(zhì)量”控制和建造環(huán)境舒適的角度出發(fā)，貨艙舷側(cè)采用縱骨架式，由舷側(cè)強(qiáng)肋骨提供有效支撐。在貨艙艏艉端線型變化劇烈的區(qū)域，通過增密加強(qiáng)框，防止結(jié)構(gòu)突變帶來的問題。

對于艏艉燃油艙，由于采用確定性燃油艙保護(hù)設(shè)計(jì)方案，從艙容最優(yōu)化和建造便利兩方面進(jìn)行綜合平衡，采用了曲面內(nèi)殼和平面內(nèi)殼混用的方式。

每個(gè)液罐設(shè)一個(gè)固定支座和一個(gè)滑動支座，在支座區(qū)域，采用加密橫向肋板的方法來承受液罐及其裝載貨物引起的靜、動載荷。

3 規(guī)范設(shè)計(jì)及總縱強(qiáng)度分析

對于21000m3液化氣船，需要按照規(guī)范要求或說明書指定的裝載工況算出彎矩，提取最大中垂中拱設(shè)計(jì)彎矩和設(shè)計(jì)剪力，用來校核設(shè)計(jì)初期船體梁的抗彎力和抗剪力，確定船體梁的剖面模數(shù)。

根據(jù)GL規(guī)范[1]，使用船級社相關(guān)軟件，進(jìn)行了規(guī)范強(qiáng)度校核。該船為單層連續(xù)甲板，但在主甲板上，每個(gè)貨艙左右各設(shè)有一個(gè)液罐氣室（Dome）開孔，這對于船體梁總縱強(qiáng)度影響明顯，在船體梁強(qiáng)度校核中需要予以考慮，并在其前后投影面（見圖1）內(nèi)按照規(guī)范要求進(jìn)行相應(yīng)折減后再評估總縱強(qiáng)度。

圖1 氣室投影

該船在貨艙區(qū)內(nèi)仍然采用平面艙壁設(shè)計(jì)方案，橫艙壁上布置有進(jìn)出貨倉的通道。在壓縮機(jī)房區(qū)域，受壓縮機(jī)房的影響，該類通道圍井需要穿過頂邊壓載水倉，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮該類特殊布置的影響。

4 直接強(qiáng)度分析

由于C型獨(dú)立液艙液支座區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)受力情況較特殊，液罐支座及船體區(qū)域相關(guān)主要支撐構(gòu)件尺寸無法用規(guī)范計(jì)算方法校核，根據(jù)IGC[2]及船級社規(guī)范的要求需開展直接強(qiáng)度計(jì)算與分析[3]。

根據(jù)規(guī)范的要求建立有限元模型，見圖2，包括粗網(wǎng)格，細(xì)網(wǎng)格模型用來對應(yīng)不同的計(jì)算階段。選取典型裝載工況進(jìn)行校核計(jì)算，將載荷加載到相應(yīng)模型中，通過計(jì)算，可分別對主要支撐構(gòu)件強(qiáng)度評估，局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及部分高應(yīng)力區(qū)域強(qiáng)度評估，開展了縱骨端部連接處的疲勞壽命評估。

在施加載荷時(shí)，需要考慮液罐和液貨重量（包括船舶運(yùn)動引起的慣性力）；船體橫傾角30°時(shí)各有效質(zhì)量沿斜面產(chǎn)生的重力分量等。對于支座結(jié)構(gòu)，還需考慮意外工況下的載荷，包括：

圖2 有限元分析模型

1) 碰撞載荷：液罐和貨物重量0.5g的向前沖力，0.25g的向后沖力；

2) 進(jìn)水載荷：貨艙進(jìn)水后，液罐在海水作用下上浮對止浮裝置產(chǎn)生的載荷（見圖3）；

由于液化氣船載荷的特殊性，計(jì)算結(jié)果表明高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在液罐支座附近的雙層底縱桁上（見圖4）。通過關(guān)閉縱桁開孔及增加板厚的措施來降低該區(qū)域應(yīng)力的分布水平。

圖3 液罐支撐及止浮裝置應(yīng)力分布結(jié)果

由于第一液罐外形較特殊，船體結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了顯著變化，加之貨艙首端區(qū)域船體運(yùn)動加速度較大，為更準(zhǔn)確地評估該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，建立了第一貨艙的直接強(qiáng)度分析模型（見圖5），以評估船體強(qiáng)度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

圖4 雙層底縱桁應(yīng)力分布

圖5 第一貨艙直接強(qiáng)度評估

5 結(jié)構(gòu)振動分析

對21000m3液化氣船進(jìn)行局部振動分析和全船振動分析（見圖6），在居住及工作區(qū)域的振動水平進(jìn)行預(yù)估，以確保船員的居住舒適性和船體構(gòu)件的穩(wěn)定、可靠。局部振動分析無需全船有限元模型而利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，局部振動分析主要針對上層建筑。將所選關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的固有頻率計(jì)算值與相關(guān)激振頻率（即主機(jī)，螺旋槳產(chǎn)生的激振力）進(jìn)行比較，以避免產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。

全船振動分析則需要有限元模型，用以加載單元的屬性和質(zhì)量分布。根據(jù)不同的工況（滿載或壓載）進(jìn)行響應(yīng)分析來得到模型對主機(jī)和螺旋槳激振力的響應(yīng)，船舶各階段的垂向和水平方向的振動頻率須避開主機(jī)的激振頻率，上層建筑的縱向振動頻率避開螺旋槳的葉頻和葉倍頻。船舶振動幅值都應(yīng)滿足ISO規(guī)定的取值。

由于選用了電噴主機(jī)，其二次不平衡力矩補(bǔ)償器無法布置在主機(jī)內(nèi)，如需設(shè)置主機(jī)二階不平衡力矩補(bǔ)償器，則只能選用外置式。

在項(xiàng)目早期進(jìn)行全船振動分析評估，經(jīng)過分析，在不設(shè)置主機(jī)二階不平衡力矩補(bǔ)償器的情況下，船體振動水平仍在可接受范圍內(nèi)。最終，本系列未選用安裝該補(bǔ)償器，實(shí)船試航振動測試結(jié)果表明：全船振動情況良好，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（見圖7）。

圖6 有全船振動分析模型

圖7 全船振動分析結(jié)果

6 船體結(jié)構(gòu)溫度場計(jì)算[4]

由于液化氣船在實(shí)際營運(yùn)時(shí)，液罐內(nèi)溫度低達(dá)-104℃，這會導(dǎo)致周圍船體區(qū)域處于低溫狀態(tài)。為避免鋼材在低溫狀態(tài)下發(fā)生脆性破壞，需要根據(jù)IGC和船級社的要求進(jìn)行溫度場計(jì)算分析，以準(zhǔn)確選用合適等級的鋼材。

對于液罐、貨艙區(qū)空間、海水、空氣等，主要考慮熱對流，建立熱傳遞分析模型，建立熱平衡方程，并進(jìn)行求解，可得出各區(qū)域的溫度分布。初始外部計(jì)算條件，需要滿足IGC、USCG等的要求。液罐支座溫度場計(jì)算：由于液罐支座直接與液罐接觸，熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式，液罐支座溫度往往較低。21000m3液化氣船液罐支座溫度場的計(jì)算考慮熱傳導(dǎo)（見圖8），根據(jù)熱平衡方程得到液罐支座處的溫度分布，即可確定鋼材的等級。該船支座面板溫度≈-30℃，處于 E級板和低溫鋼板的臨界區(qū)域，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算確認(rèn)，選用E級鋼板為佳。

圖8 液罐支座處熱傳導(dǎo)計(jì)算模型

7 船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]

7.1 貨艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

與母型船相比，為保證關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在強(qiáng)框處大開孔設(shè)計(jì)已進(jìn)行優(yōu)化，折角型開孔改進(jìn)為轉(zhuǎn)圓型，有利于應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)力集中，方便結(jié)構(gòu)布置。

船東提出不需要管弄，因此在雙層底中部結(jié)構(gòu)采用無管弄設(shè)計(jì)，這樣底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，易于施工建造。但由于壓載總管布置在雙層底壓載艙內(nèi)，需要重點(diǎn)考慮壓載總管穿過雙層底實(shí)肋板時(shí)的結(jié)構(gòu)開孔和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

在外板縱骨穿過強(qiáng)檔的貫穿孔都增加了補(bǔ)板，以增加連接面積，減少貫穿孔周界和連接的船殼板的應(yīng)力集中。

7.2 貨艙區(qū)強(qiáng)框設(shè)計(jì)

預(yù)裝LNG罐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備按照船東對甲板LNG罐的需求，主甲板上按照總體布置LNG罐的特定區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，即在目前強(qiáng)檔布置規(guī)律下，增加FR67，F(xiàn)R69,FR81,FR83號肋位為強(qiáng)框，以作為將來安裝甲板LNG液罐支座的強(qiáng)度要求，并在主甲板上作出標(biāo)記（見圖9）。

液罐支座的布置為滿足液貨系統(tǒng)所要求液罐的 DOUM 和 SUMP的設(shè)計(jì)位置，避免結(jié)構(gòu)沖突，在FR159+390的位置設(shè)置強(qiáng)檔（見圖10），改變在整檔設(shè)置強(qiáng)檔的設(shè)計(jì)習(xí)慣，與液罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)檔匹配。

圖9 LNG罐加強(qiáng)檔

圖10 貨艙區(qū)FR51結(jié)構(gòu)

8 建造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了滿足快速性，艉部線型瘦削，施工空間狹小，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，為便于施工和安裝，艉軸處設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮施工空間以減少單面焊（見圖11）。

圖11 22000m3艉部單面焊

9 根據(jù)第一代22000m3 LPG在運(yùn)營中船東反應(yīng)的問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

增加電纜通道，機(jī)艙內(nèi)總電纜穿過FR45號艙壁和主甲板，因沒有專門通道，腐蝕較明顯，存在安全隱患，為此專門在貨艙區(qū)增設(shè)了一個(gè)箱狀通道以專供電纜通過，不影響貨艙容積，還可防水防潮，增加安全可靠性。

貨艙區(qū)4號貨艙內(nèi)液罐罐頂點(diǎn)與機(jī)艙前壁FR45號艙壁比較靠近，液罐低溫和機(jī)艙內(nèi)油柜的高溫，產(chǎn)生交變應(yīng)力，易使艙壁中部區(qū)域產(chǎn)生裂紋。此前通過敷設(shè)隔熱絕緣解決該問題，本船通過將橫艙壁結(jié)構(gòu)材質(zhì)級別調(diào)整為B級，增加其耐低溫的能力，避免了低溫脆性裂紋的產(chǎn)生。

圖12 艏部平臺結(jié)構(gòu)

艏部區(qū)域有多層平臺，在考慮到船體結(jié)構(gòu)與液罐間隙要求的前提下，在各層平臺結(jié)構(gòu)末端的位置都增加全倒角的柔性大肘板，以防止因結(jié)構(gòu)突變而造成撕裂，保證有足夠的過渡區(qū)域（見圖12）。

10 結(jié) 語

21000m3LEG船是在22000m3LPG船的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足最新規(guī)范規(guī)則的要求的新一代液化氣船。以21000m3LEG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要研究對象，從結(jié)構(gòu)布置、規(guī)范校核、有限元強(qiáng)度分析、振動分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、建造工藝等多方面進(jìn)行了研究，對全船結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量優(yōu)化改進(jìn)工作，解決了設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，得到了一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)方案，保證了整個(gè)船型設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性，提升了船型市場競爭力。

[1] Rules for Classification of Construction (GL 2012) -PART 1 CHARPTER 1 Hull Structure CHARPTER 6 Liquefied Gas Carriers[S].

[2] IMO IGC Code CHARPTER 4 Cargo Containment[S].

[3] 王 峰. 全船有限元簡化方法在總縱強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 船舶與海洋工程，2014 (1): 24-27.

[4] 楊 振. 溫度場變化對船塢搭載精度控制的影響研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (3): 16-20.

[5] 王國水. 21000dwt多用途貨船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 船舶與海洋工程，2012 (2): 12-15.