沈秋彬吳劍國(guó),3洪 英牛 松

（1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310014； 2. 中國(guó)船級(jí)社技術(shù)中心 上海200135；3.杭州弘能船舶設(shè)計(jì)有限公司 杭州310023）

C型獨(dú)立液貨罐焊接接頭的疲勞載荷研究

沈秋彬1吳劍國(guó)1,3洪 英2牛 松2

（1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310014； 2. 中國(guó)船級(jí)社技術(shù)中心 上海200135；3.杭州弘能船舶設(shè)計(jì)有限公司 杭州310023）

針對(duì)C型獨(dú)立液貨罐的特點(diǎn)，提煉出C型獨(dú)立液貨罐的疲勞計(jì)算工況；按照IGC規(guī)則推導(dǎo)了高周疲勞動(dòng)壓力計(jì)算公式，并且與中國(guó)船級(jí)社《船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》中的等效設(shè)計(jì)波法計(jì)算的疲勞載荷作了對(duì)比；此外，還討論了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷，解決了C型獨(dú)立液貨罐疲勞計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題。

氣體運(yùn)輸船；C型獨(dú)立液貨罐；焊接接頭；疲勞載荷

引 言

為充分利用氣體運(yùn)輸船的艙容，裝載LNG、LPG的C型獨(dú)立液貨罐常采用雙聯(lián)圓筒獨(dú)立液貨罐形式（即雙體罐），近年來(lái)又提出星形三體罐。由于受船舶搖晃、蒸汽內(nèi)壓、溫度變化等交變載荷的作用，雙體罐和三體罐罐體之間焊接接頭（見(jiàn)下頁(yè)圖1）的疲勞損傷越來(lái)越受到業(yè)界的重視，也成為C型艙氣體運(yùn)輸船大型化必須解決的有關(guān)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問(wèn)題之一。IGC規(guī)則中對(duì)此提出要求，但未具體規(guī)定［1］，中國(guó)船級(jí)社《船體結(jié)構(gòu)疲勞指南》［2］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《疲勞指南》）主要是針對(duì)各類(lèi)船體結(jié)構(gòu)，對(duì)C型獨(dú)立液貨罐不能完全適用，尤其是疲勞載荷方面。

C型液貨罐的疲勞載荷主要為液貨動(dòng)壓力、液貨罐溫度作用和蒸氣壓力。按照載荷的循環(huán)次數(shù)，液貨動(dòng)壓力為高周載荷，溫度作用、蒸氣壓力的變化為低周載荷，其中高周載荷因C型罐的液貨動(dòng)壓力需滿(mǎn)足IGC規(guī)則（不同于普通液貨船），而低周疲勞載荷則是LNG船和LPG船特有的。

本文給出了C型獨(dú)立液貨罐的計(jì)算工況，推導(dǎo)出其高周動(dòng)壓力計(jì)算公式，討論了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷，為C型獨(dú)立液貨罐的疲勞計(jì)算打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 工 況

1.1 裝載工況

參照CCS《疲勞指南》的LNG 船相關(guān)規(guī)定，擬設(shè)定C型獨(dú)立液貨罐疲勞評(píng)估裝載工況為滿(mǎn)罐工況和空罐工況，具體要求見(jiàn)表1。

表1 C型液貨罐疲勞評(píng)估的裝載工況

1.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況按CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》［3］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《散液船規(guī)范》）取用，由于靜橫傾工況是用于靜強(qiáng)度校核的靜橫傾工況，與疲勞載荷無(wú)關(guān)；碰撞意外工況很少發(fā)生；試驗(yàn)工況也是偶然發(fā)生。而且C型獨(dú)立液貨罐一般晃蕩不嚴(yán)重（對(duì)于少數(shù)晃蕩嚴(yán)重的則可加裝制蕩艙壁［4］來(lái)減輕），因此，這些工況在疲勞計(jì)算時(shí)均可忽略不計(jì)。這樣，C型獨(dú)立液貨罐的計(jì)算工況僅剩下直接計(jì)算工況的垂蕩工況和橫搖工況。

2 高周載荷——船舶運(yùn)動(dòng)載荷

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)加速度

參照新的散貨船、油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范［5］，選取載荷長(zhǎng)期值概率水平為10-2，此時(shí)形狀參數(shù)從0.8～1.2時(shí)，疲勞損傷的變化最小［6］。CCS《散液船規(guī)范》規(guī)定船長(zhǎng)超過(guò)50 m，并以（或接近）營(yíng)運(yùn)速度航行的船舶，對(duì)應(yīng)于北大西洋10-8概率水平船舶運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的加速度分量指導(dǎo)公式。本文通過(guò)航區(qū)系數(shù)fr和概率水平系數(shù)fp換算出相應(yīng)航區(qū)10-2概率水平的加速度分量計(jì)算公式。由于C型液貨罐直接計(jì)算僅慮考垂蕩和橫搖的作用，故縱向加速度不再列出。

垂向加速度：

橫向加速度：

式中：αz和αy為相應(yīng)方向上的最大無(wú)因次加速度（即相對(duì)于重力加速度），計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為它們是分別作用的，αz不包括靜重力分量，αy包括橫搖在橫方向上引起靜重力分量；L0為計(jì)算船長(zhǎng)，m；Cb為方形系數(shù)；B為船舶最大型寬，m；x為船舯到裝貨的液貨罐重心之間的縱向距離（船舯前，x為正值；船舯后，x為負(fù)值），m；y為中縱線到裝貨的液貨罐重心之間的橫向距離，m；z為船舶的實(shí)際水線到裝貨的液貨罐重心之間的垂向距離（水線以上，z為正值；水線以下，z為負(fù)值），m；K通常為1。對(duì)于特殊的裝載工況和船型，K值可按下式確定：K=12GM/B（其中：K≥1，GM為靜穩(wěn)心高度，m）；V為營(yíng)運(yùn)速度，kn；fr為航區(qū)系數(shù)，按照CCS《疲勞指南》的航區(qū)系數(shù)fr定義，見(jiàn)表2；fp為概率水平系數(shù)，按照CCS《疲勞指南》對(duì)應(yīng)10-2概率的航區(qū)系數(shù)fp定義如下：

表2 航區(qū)系數(shù)取值

表3 載荷組合因子LCF

2.2 液貨罐疲勞動(dòng)壓力計(jì)算

CCS《散液船規(guī)范》給出了內(nèi)部液體壓力Pgd的計(jì)算公式：

式中：αβ為在任意的β方向上，由重力和動(dòng)載荷引起的無(wú)因次加速度（即相對(duì)于重力加速度），見(jiàn)下頁(yè)圖2 。對(duì)于大型液貨船，建議使用計(jì)及橫向、垂直和縱向加速度的加速度橢球；Zβ為從所決定的壓力點(diǎn)沿β方向向上量至液貨艙殼板的最大液柱高度（見(jiàn)下頁(yè)圖3），m；ρ為設(shè)計(jì)溫度時(shí)的最大貨物密度，kg/m3。

2.2.1 αβ的計(jì)算

加速度橢圓如圖2所示，液罐重心到左半橢圓上一點(diǎn)的的距離表示橫搖角為負(fù)值時(shí)的無(wú)因次加速度，液罐重心到右半橢圓上一點(diǎn)的的距離表示橫搖角為正值時(shí)的無(wú)因次加速度。

對(duì)于y-z平面，平面橢圓方程與液罐重心到左半橢圓上一點(diǎn)的直線方程見(jiàn)式（6）：

平面橢圓方程與液罐重心到右半橢圓上一點(diǎn)的直線方程見(jiàn)式（7）：

通過(guò)求解以上兩個(gè)方程組和幾何關(guān)系，可得如圖2所示無(wú)因次加速度

2.2.2 Zβ的計(jì)算

由圖3（a）可得雙體罐的Zβ：

2.2.3 雙體罐動(dòng)壓力計(jì)算公式

對(duì)于指定的β1，將式（8）和式（11）帶入式（5），得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力為：

對(duì)于指定的β2，將式（9）和式（10）式帶入式（5），得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力為：

2.2.4 三體罐動(dòng)壓力計(jì)算公式

對(duì)于指定的β1和β2，由動(dòng)壓力計(jì)算公式可得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力：

2.3 疲勞動(dòng)壓力對(duì)比

以70 000 m3雙體罐為例，罐體編號(hào)如圖4所示，按照IGC規(guī)則計(jì)算的疲勞動(dòng)壓力與按照《疲勞指南》計(jì)算的疲勞動(dòng)壓力對(duì)比如下頁(yè)圖5所示。結(jié)果表明，按IGC規(guī)則計(jì)算的疲勞動(dòng)壓力明顯大于按照《疲勞指南》計(jì)算的疲勞動(dòng)壓力。

3 低周載荷

蒸汽壓力為液貨罐的內(nèi)外氣壓差，溫度作用為液貨罐的溫差。根據(jù)調(diào)研和《散液船規(guī)范》的規(guī)定，低周疲勞載荷以液貨船一個(gè)往返航次為一個(gè)循環(huán)，期間罐體所經(jīng)歷的最大作用為：

滿(mǎn)罐 罐體最大操作壓力為設(shè)計(jì)蒸氣壓力P0，罐體最低操作溫度為-163℃。

空罐 罐體最小操作壓力為0 MPa，罐體最高操作溫度為20℃。

由此便可確定蒸汽循環(huán)壓力和循環(huán)溫差作用，見(jiàn)表4和下頁(yè)圖6。

表4 蒸汽循環(huán)壓力和循環(huán)溫差作用

低周疲勞載荷循環(huán)次數(shù)取20年設(shè)計(jì)壽命期間實(shí)際發(fā)生的裝卸貨次數(shù)，但不小于《IGC》關(guān)于20年使用期的裝卸貨次數(shù)不少于103的要求。因此，交變載荷循環(huán)時(shí)序示意圖見(jiàn)下頁(yè)圖6，每7.3天一次循環(huán)，每次循環(huán)中壓力與溫度的變化關(guān)系是同時(shí)變化的。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)C型獨(dú)立液貨罐的特點(diǎn)，推導(dǎo)其高周動(dòng)壓力計(jì)算公式。由計(jì)算可知，本文給出的疲勞載荷比《疲勞指南》中的等效設(shè)計(jì)波法計(jì)算的疲勞載荷更加合理，符合IGC規(guī)則的要求，且計(jì)算過(guò)程比等效設(shè)計(jì)波法更簡(jiǎn)便，還論述了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷。本文工作及成果對(duì)C型獨(dú)立液貨罐疲勞載荷要求的制定具有重要意義。

［1］IMO. MSC-93/3. Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk （IGC Code）［S］. 2013.

［2］中國(guó)船級(jí)社. 船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南（2014）［S］. 北京：人民交通出版社， 2014.

［3］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］. 北京： 人民交通出版社， 2016.

［4］黎志昌，方江敏，付小方. LNG運(yùn)輸船C型獨(dú)立液貨艙載荷及應(yīng)力分析［J］. 船舶工程，2011（1）：1-4.

［5］IACS. Common structural rules for bulk carriers and oil tankers［S］. 2012.

［6］IACS. Technology background［S］. 2012．

MARIC加入無(wú)人貨物運(yùn)輸船開(kāi)發(fā)聯(lián)盟

3月31日，由海航集團(tuán)旗下的海航智造投資發(fā)展有限公司發(fā)起的無(wú)人貨物運(yùn)輸船開(kāi)發(fā)聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)盟）籌備會(huì)在上海召開(kāi)，中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）的副院長(zhǎng)沈偉平先生作為代表參會(huì)并簽署了入盟意向書(shū)。參會(huì)的其他單位包括DNV、ABS、CCS、七一一研究所以及海航科技物流集團(tuán)有限公司等。

無(wú)人貨物運(yùn)輸船目前在全球還屬于概念設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)階段。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能及機(jī)器人等新興技術(shù)突飛猛進(jìn)，船舶自動(dòng)化水平逐步提高，這些都為無(wú)人運(yùn)輸船舶的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，無(wú)人貨物運(yùn)輸船將會(huì)成為未來(lái)海運(yùn)發(fā)展的新趨勢(shì)。

此次聯(lián)盟囊括了船東、船廠、設(shè)計(jì)院、船級(jí)社、設(shè)備集成商，覆蓋了從設(shè)計(jì)、建造、營(yíng)運(yùn)、監(jiān)管的全部環(huán)節(jié)。各成員單位將在歐美航線規(guī)劃、港口協(xié)調(diào)、國(guó)內(nèi)政策更新及法規(guī)制定、無(wú)人船舶總體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、無(wú)人船舶動(dòng)力及控制系統(tǒng)研究、無(wú)人船舶操縱軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行共同探索和開(kāi)發(fā)，各方將充分展現(xiàn)自己擅長(zhǎng)領(lǐng)域的長(zhǎng)板，最大程度發(fā)揮集成創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)，圍繞共同的目標(biāo)一起努力。

近年來(lái)， MARIC逐步進(jìn)入智能船舶領(lǐng)域的研究，參與了國(guó)家工信部課題“智能船舶頂層設(shè)計(jì)及部分智能系統(tǒng)應(yīng)用”，并完成了大型集裝箱船智能船落地方案的總體設(shè)計(jì)。通過(guò)課題研究，對(duì)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外廠商的技術(shù)現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)系統(tǒng)集成的要點(diǎn)等問(wèn)題有了一定程度的認(rèn)知。作為聯(lián)盟發(fā)起人中唯一的船舶總體研發(fā)單位，MARIC將借助自身雄厚的技術(shù)力量和對(duì)無(wú)人智能船舶的長(zhǎng)期跟蹤研究經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)人貨物運(yùn)輸船相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等工作方面同各協(xié)作單位通力合作，確保在項(xiàng)目實(shí)施周期內(nèi)完成令聯(lián)盟滿(mǎn)意的答卷。

此次聯(lián)盟的籌建旨在開(kāi)展無(wú)人貨物運(yùn)輸船研發(fā)和制造并投入營(yíng)運(yùn)，計(jì)劃3個(gè)月完成聯(lián)盟籌建工作，確定目標(biāo)船型、編制聯(lián)盟計(jì)劃，力爭(zhēng)在2022年交付并運(yùn)營(yíng)全球首艘無(wú)人貨物運(yùn)輸船，成為未來(lái)航運(yùn)模式的開(kāi)拓者。

Study of fatigue loads on welded joints of type C independent liquid cargo tank

SHEN Qiu-Bin1WU Jian-guo1,3Hong Ying2Niu Song2
(1.College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Rules and Technical Center, CCS, Shanghai 200135, China; 3. Hangzhou Hongneng Ship Design Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

The work conditions in the fatigue calculation of type C independent cargo tanks are proposed according to the characteristics of type C independent cargo tanks. The calculation formula of the high-cycle fatigue dynamic pressure are deduced according to the IGC rules. The results are compared with the fatigue loads calculated by the equivalent design wave approach in "Guidelines for Fatigue Strength of Ship Structure" of CCS. It also discusses the low-cycle fatigue loads as the steam pressure and the change of temperature, and solves the key problem for the fatigue calculation of type C independent cargo tank.

gas carrier; type C independent liquid cargo tank; welded joint; fatigue load

TG405；U661.4

A

1001-9855（2017）03-0041-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.041

本文的研究?jī)?nèi)容由中國(guó)船級(jí)社資助，研究成果將運(yùn)用于2017版《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》。

2017-02-09；

2017-03-29

沈秋彬（1989-），男，碩士。研究方向：結(jié)構(gòu)工程分析與設(shè)計(jì)。

吳劍國(guó)（1963-），男，博士，教授。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。

洪 英（1963-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范。

牛 松（1982-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范。