周偉

中小型LNG船C型罐溫度場(chǎng)分析及鞍座設(shè)計(jì)選擇

周偉1,2

以啟元號(hào)28 000 m3LNG運(yùn)輸船為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元軟件，建立該船三維有限元模型，計(jì)算分析該船C型獨(dú)立液貨罐鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；結(jié)合實(shí)船運(yùn)營基準(zhǔn)以及船級(jí)社、IGC標(biāo)準(zhǔn)要求，確定鞍座的形式與船體結(jié)構(gòu)的鋼板等級(jí)和厚度。

LNG船；C型獨(dú)立液貨罐；鞍座設(shè)計(jì)；溫度場(chǎng)計(jì)算；材料選擇

經(jīng)過近年的迅速發(fā)展以及LNG(液化天然氣)作為基本能源的大量開發(fā)，中小型LNG運(yùn)輸船(日本、韓國將其定義為Mini LNG)已逐漸成為主流建造船型之一。C型罐屬于半冷半壓式獨(dú)立儲(chǔ)罐，既能夠達(dá)到-163 ℃的載運(yùn)環(huán)境，同時(shí)又能承受一定的壓力；采用9%鎳鋼焊接制造的C型罐，適用于載運(yùn)量小，營運(yùn)周期短的中小型運(yùn)輸船，不必采用再液化裝置，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全性高。儲(chǔ)存液體的貨罐處于低溫狀態(tài)，下方由鞍形基座支撐，并通過層壓木與結(jié)構(gòu)相連。這樣，罐體、鞍座、層壓木以及船體結(jié)構(gòu)上就會(huì)形成溫度梯度；進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)影響低溫部分的材料特性。為此，以實(shí)際船型應(yīng)用有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，得到相應(yīng)工況的溫度場(chǎng)，參照船級(jí)社的材料許用設(shè)計(jì)溫度，對(duì)鞍座和附近船體結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行合理選擇，避免低溫脆性破壞。

1 LNG船基本情況

28 000 m3LNG運(yùn)輸船是首艘由國內(nèi)設(shè)計(jì)并經(jīng)CCS(中國船級(jí)社)認(rèn)可的LNG運(yùn)輸船，單機(jī)單槳，由雙燃料主機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶PTO功能，2G型船，運(yùn)營于國際航線；運(yùn)載的液化天然氣主要成分為甲烷，本船設(shè)計(jì)貨物密度0.50 t/m3，最小設(shè)計(jì)溫度為-164 ℃，設(shè)計(jì)壓力為0.35 MPa。

2 鞍座形式

獨(dú)立的C型罐屬半冷半壓式壓力容器，采用的是圓筒形筒體，長(zhǎng)圓形的筒體承受壓力最好，且無需設(shè)“次屏蔽”。根據(jù)本船的裝載容量和航行海域，為更好地提高船型的艙容利用率，采用雙圓筒罐(又稱雙耳型筒罐)。罐體采用9%鎳鋼[1]，最小設(shè)計(jì)壓力為3.5 MPa，遠(yuǎn)大于儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力；且許用應(yīng)力為213 MPa[2]，也超過了低溫鋁鎮(zhèn)靜鋼和AISI 304L兩種耐低溫材料。因此設(shè)計(jì)壁厚得以降低，不僅減少了罐體重量，增大了儲(chǔ)存空間，也增加了儲(chǔ)備浮力。罐體外部采用0.095 W/(m2·K)的聚氨酯絕緣材料包裹，厚度經(jīng)過計(jì)算決定至少為340 mm(拱頂除外)，使用年限可以達(dá)到30年，滿足DIN4102標(biāo)準(zhǔn)；最外層采用最小0.5 mm厚度的鍍鋅鋼板包覆，避免水蒸氣結(jié)露或結(jié)霜，保護(hù)聚氨酯材料[3]。

液貨罐通過鞍形支座與船體結(jié)構(gòu)相連，簡(jiǎn)稱鞍座。貨罐及其所裝載LNG的重量集中在鞍座上，各種沖擊力也作用在鞍座上，因此鞍座的形式和強(qiáng)度需要特別考慮。而且，為了防止熱膨脹，以及由于罐體及其液貨重力使罐體彎曲等原因?qū)ω浌抟鸶郊討?yīng)力，貨罐一般只設(shè)計(jì)2只鞍座，分別布置在艏和艉，其中一個(gè)鞍座為固定式，另外一個(gè)為滑動(dòng)式。

鞍座與船體的連接形式有2種。第1種，鞍座直接與船體連接，與液貨罐采用層壓木相連，見圖1；第2種鞍座與液貨罐直接相連，與船體通過層壓木連接[4]，見圖2。參考以往LPG、LEG船成熟設(shè)計(jì)，采用第1種方式設(shè)計(jì)，因此本船考慮采用層壓木作為第1道絕緣絕熱層，并根據(jù)某5 000 m3LPG船鞍座處層壓木的厚度計(jì)算簡(jiǎn)化方法[5]對(duì)層壓木厚度進(jìn)行選擇。設(shè)定層壓木下鞍座溫度-30 ℃，鞍座周向長(zhǎng)度12.15 m，貨物溫度-164 ℃，初步計(jì)算得出所需層壓木厚度518 mm，遠(yuǎn)超一般LPG、LEG船舶層壓木250～400 mm的厚度；由于本船船型已經(jīng)確定，如果LNG層壓木設(shè)計(jì)此高度，而鋼質(zhì)鞍座的設(shè)計(jì)高度是無法改變的，那么包括整個(gè)外板、船型等均需重新設(shè)計(jì)，以滿足罐體的整體抬高量；而且層壓木厚度過大，其寬度也需要相應(yīng)增加，以保證相對(duì)滑動(dòng)摩擦受力面積，加大了設(shè)計(jì)難度和建造成本。

因此考慮是否能采用第2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；經(jīng)查詢，暫未找到鞍座通過層壓木與船體相連的形式所做的溫度場(chǎng)分析，因此通過有限元方法對(duì)第2種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。

2 溫度場(chǎng)分析

有限元溫度場(chǎng)分析的基本原理是所處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元(每個(gè)單元包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn))，然后根據(jù)能量守恒定律求解一定邊界條件和初始條件下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)處溫度，繼而進(jìn)一步求解其他相關(guān)量[6]。

船舶的熱量傳遞主要包括船體水線上結(jié)構(gòu)與外界空氣間的對(duì)流傳熱，水線下結(jié)構(gòu)與外界海水間的對(duì)流傳熱，船內(nèi)結(jié)構(gòu)與壓載水、燃油等之間的對(duì)流傳熱，船內(nèi)結(jié)構(gòu)與艙內(nèi)空氣間的對(duì)流傳熱，船體外板與內(nèi)板之間的輻射傳熱。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最低的溫度將會(huì)產(chǎn)生在絕緣最薄且冷熱區(qū)域間隔最大的地方；因此對(duì)于LNG運(yùn)輸船來講，最重要的熱傳遞還是貨艙區(qū)域，液貨罐(液貨)與鞍座，鞍座與層壓木，層壓木與內(nèi)底板，以及他們與貨艙區(qū)域空氣之間的熱傳導(dǎo)。這種熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的溫度傳遞最終決定了鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)的鋼板等級(jí)和厚度。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選擇實(shí)際溫度最低的區(qū)域進(jìn)行有限元分析。根據(jù)28 000 m3LNG運(yùn)輸船的總體布置，鞍座與船體外板即冷熱區(qū)域間隔最大的部分是處于船中平行中體區(qū)域；另外，考慮到固定式鞍座層壓木附近的絕緣不可能全部包在層壓木上，此部分的絕緣厚度最薄，因此選擇FR.98～FR.105這部分液貨艙區(qū)域作為有限元分析模型。層壓木的厚度選擇船型所允許的極值400 mm。

參考《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》和USCG(美國海岸警衛(wèi)隊(duì))對(duì)LNG船溫度計(jì)算的環(huán)境條件規(guī)定，可運(yùn)載的貨物最低溫度為-164 ℃，取海水溫度為0 ℃，取空氣溫度為5 ℃。貨艙區(qū)域溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的邊界條件見圖3。其中，不帶框的數(shù)據(jù)代表貨艙區(qū)域內(nèi)部空氣的預(yù)期最低平均溫度，帶框的數(shù)據(jù)代表貨艙區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)期最低溫度。

材料導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·k)

[7]，對(duì)流和熱輻射相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 材料熱物理特性

通過以上條件定義有限元模型邊界條件和對(duì)流系數(shù)，溫度場(chǎng)分布見圖4～6。

鞍座及其附近結(jié)構(gòu)、層壓木的最低溫度結(jié)果見表3。

表3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由表3可見，采用第2種鞍座與液貨罐直接相連，與船體通過層壓木連接的設(shè)計(jì)形式，在船型不變、環(huán)境溫度和層壓木均為極值的情況下，船體結(jié)構(gòu)內(nèi)底板溫度可提高到-25.4 ℃，采用E級(jí)船用板可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 船體結(jié)構(gòu)鋼板等級(jí)和厚度確定

根據(jù)CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》關(guān)于低溫用鋼等級(jí)規(guī)定，對(duì)照以上的ANSYS模型分析計(jì)算結(jié)果，確認(rèn)鞍座結(jié)構(gòu)仍需使用9%鎳鋼。

計(jì)算得到鞍座附近實(shí)際船體結(jié)構(gòu)用鋼等級(jí)及厚度見表4。其中板材的厚度考慮了鞍座局部強(qiáng)度。

表4 船體結(jié)構(gòu)用鋼的等級(jí)與厚度

4 結(jié)論

通過對(duì)鞍座附近溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，決定采用第2種C型罐與甲板的連接方式，即罐體-鞍座-層壓木-內(nèi)底板型，將鞍座直接焊接在LNG液貨罐上，鞍座仍舊是半圓弧形[8]，以保證支撐穩(wěn)定性，下端則是一個(gè)平面，層壓木直接粘結(jié)在平面上，方便施工和安裝，也降低了鞍座和船體內(nèi)底結(jié)構(gòu)的精度要求。鞍座使用9%鎳鋼，下方粘結(jié)層壓木，粘結(jié)劑采用常規(guī)LPG船所使用的產(chǎn)品，止擋板、內(nèi)底板等采用E級(jí)船用鋼板即可，無需使用9%鎳鋼，合理降低成本并滿足實(shí)際使用需求。

通過強(qiáng)度計(jì)算，鞍座附近止擋板厚度需達(dá)到35 mm，內(nèi)底板厚度需要達(dá)到22 mm，內(nèi)底肋板需達(dá)到25 mm才能滿足要求，而即便是采用以上結(jié)論進(jìn)行設(shè)計(jì)，鞍座附近船體結(jié)構(gòu)的鋼板等級(jí)也需要達(dá)到E級(jí)；越厚的鋼板等級(jí)越高，價(jià)格也越高；進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低鋼板選用等級(jí)和厚度是后續(xù)的主要研究?jī)?nèi)容之一。

通過實(shí)船有限元溫度場(chǎng)分析，結(jié)合CCS、IGC和USCG的有關(guān)規(guī)定，給出了實(shí)船的材料分布，并選定了LNG船C型液貨罐鞍座設(shè)計(jì)形式，避免了

材料發(fā)生低溫脆性破壞，為后續(xù)的LNG設(shè)計(jì)提供了工程實(shí)例和解決方案。

參考文獻(xiàn)

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(1.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113;2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

Temperature Distribution and Cradle Design of Mini LNG Carrier with Type C Independent Liquid Cargo Tank

ZHOU Wei1，2

(1.COSCO Dalian Shipyard, Dalian Liaoning 116113, China；2.Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024, China)

Taking QIYUAN LNG 28 000 m3LNG carrier as the research object, a 3D FE model was established in ANSYS to study the steady state temperature field of the cradle and surrounding hull structures of the type C independent liquid cargo tank. According to the operating norm for LNG ship, regulation requirements of the classification society and the IGC standard, the structural configuration of cradle, the steel grade and thickness of the hull structure were determined.

LNG carrier; type C independent liquid cargo tank; cradle design; temperature field calculation; choose material

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.006

2016-05-03

周偉(1985—)，男，學(xué)士，工程師研究方向:船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)

U674.13

A

1671-7953(2017)01-0023-04

修回日期：2016-07-09