瞿榮澤 智廣信 薛國良 王海玉 萬冬冬

（1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 大連116052；2.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，以及國際公約法規(guī)的不斷嚴(yán)格。LNG 雙燃料船已成為造船市場的焦點(diǎn)，也受到船東的高度關(guān)注。相比常規(guī)燃料船，LNG 雙燃料船設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意燃料罐的鞍座及其周邊船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題。船舶在海上航行時(shí)受動(dòng)載荷、靜載荷以及突發(fā)載荷（如碰撞載荷）的綜合作用，LNG 燃料罐鞍座的受力分布比較復(fù)雜，鞍座及其周邊船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況直接關(guān)系到LNG 燃料罐的可靠性和安全性。同時(shí)因LNG 超低溫的特性，為避免材料發(fā)生低溫脆性破壞，必須根據(jù)溫度場分布為鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)選擇合適的鋼材等級(jí)［1］。本文將對(duì)雙燃料船C 型獨(dú)立燃料罐與鞍座之間的受力情況進(jìn)行研究，解決鞍座及周邊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，并給出球罐安裝的注意要點(diǎn)。

1 LNG 燃料罐及其鞍座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

LNG 燃料罐一般為單圓筒型的C 型獨(dú)立燃料罐，罐體由2 個(gè)鞍座支撐。C型獨(dú)立燃料罐屬于半冷半壓式容器，由于裝載的LNG 液體溫度達(dá)-163℃，燃料罐鋼殼一般采用耐超低溫且具有較低膨脹系數(shù)的材料制成［2］。本文研究的燃料罐鋼殼使用溫度最低可達(dá)-196℃的9%Ni 鋼板制成，罐體外部粘結(jié)保溫材料并使用鍍鋅鋼板覆蓋作為保護(hù)層。裝載低溫液化天然氣時(shí)燃料罐由于熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生變形，所以鞍座設(shè)置成1 個(gè)固定鞍座和1個(gè)滑動(dòng)鞍座，用以吸收沿罐體長度方向的變形，如圖1 所示。

圖1 雙燃料船LNG燃料罐

鞍座結(jié)構(gòu)由鞍座腹板、鞍座面板、肘板及鍵板等結(jié)構(gòu)組成，主要起到支撐罐體和防止罐體移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。為有效阻隔熱傳導(dǎo)，鞍座與罐體之間由層壓木連接，層壓木的上下表面分別使用填充料（mastic）固定在鞍座面板與筒體鋼板上，兩者的連接形式如圖2 所示。

圖2 雙燃料船LNG燃料罐鞍座示意圖

2 鞍座載荷分布及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 鞍座所承受載荷及其分布

鞍座結(jié)構(gòu)承受的載荷主要有：

（1）貨物載荷，即LNG 燃料罐（包括LNG燃料）的質(zhì)量，還應(yīng)考慮船舶運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷；

（2）結(jié)構(gòu)自重；

（3）海水壓力；

（4）LNG 燃料罐（包括LNG 燃料）在碰撞工況下的動(dòng)載荷；

（5）壓力試驗(yàn)時(shí)候所施加的試驗(yàn)載荷；

（6）破艙工況下LNG 燃料罐所受浮力［3］。

由于鞍座受力極為復(fù)雜，因此能夠合理地模擬LNG 燃料罐對(duì)鞍座的作用力成為設(shè)計(jì)校核的關(guān)鍵所在。

2.1.1 縱向載荷分布

船舶縱搖或者在碰撞工況下，由于層壓木和鞍座面板之間摩擦力的存在，縱向動(dòng)載荷由鞍座面板及面板鍵板（包括鍵板肘板）來承受。在鞍座設(shè)計(jì)時(shí)，可以偏保守假定縱向動(dòng)載荷全部由固定鞍座的鍵板及鍵板肘板承擔(dān)，并認(rèn)為縱向載荷在鞍座包角范圍內(nèi)均勻分布。

2.1.2 徑向載荷分布

本文根據(jù)CCS 規(guī)范描述，鞍座處所承受的LNG 燃料罐載荷可使用正弦（余弦）函數(shù)的分布形式來模擬，如圖3 所示。其中，Pz和Py分別為燃料罐的垂向力分量和橫向力分量，考慮動(dòng)載荷，加速度按照二維橢圓原則合成。

圖3 鞍座處受力模擬示意圖

由圖3 可知，垂向載荷分量Pz所引起的分布力可按照正弦函數(shù)模擬，橫向載荷分量Py引起的分布載荷可按照余弦函數(shù)模擬，對(duì)于鞍座圓弧上某處點(diǎn)A的壓力線密度函數(shù)可寫成：

式中：a，b為修正系數(shù)，可根據(jù)層壓木支撐范圍按式（3）和式（4）確定

式中：α為A點(diǎn)與水平面之間的夾角，°；x為層壓木支撐的起始角，°；R為鞍座圓弧半徑，mm；如圖4 所示。

圖4 計(jì)算參數(shù)示意圖

垂向載荷和橫向載荷分量可以按照式（5）和式（6）計(jì)算：

式中：β為合成角度，需要考慮0°、10°、20°、30°、40°（如存在）；aβ為在β方向上由重力和動(dòng)載荷的無因次合成加速度；W為LNG 燃料罐質(zhì)量（包括燃料罐為滿時(shí)的LNG 燃料質(zhì)量），t 。

將垂向載荷（Z向）線密度壓力和橫向（Y向）載荷線密度壓力，分別沿鞍座圓環(huán)徑向和切向進(jìn)行分解后疊加。對(duì)于鞍座設(shè)計(jì)及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)候，僅需要考慮徑向載荷。因LNG 燃料罐和層壓木之間通過填充料粘合，且設(shè)有燃料罐止搖裝置，可以不考慮切向載荷作用。

對(duì)圓環(huán)上點(diǎn)A處的徑向載荷可由下式求得：

2.1.3 鞍座徑向載荷分布圖

根據(jù)上述推導(dǎo)所得徑向載荷壓力線密度函數(shù)，結(jié)合本船橫搖角度，分別計(jì)算在β= 0°、10°、20°、30°，鞍座的徑向載荷分布，如圖5 -圖8 所示。

圖5 β=0°時(shí)鞍座載荷分布

圖6 β=10°時(shí)鞍座載荷分布

圖7 β=20°時(shí)鞍座載荷分布

圖8 β=30°時(shí)鞍座載荷分布

圖9 LNG燃料罐鞍座結(jié)構(gòu)圖

2.2 鞍座設(shè)計(jì)

本文研究的LNG 燃料罐為單圓筒型，鞍座面板的形狀相應(yīng)設(shè)計(jì)為圓弧型。為保證船舶在橫搖角達(dá)到30°時(shí)仍能夠?qū)θ剂瞎抻行е?，鞍座?duì)燃料罐的支撐范圍取為圓周角150°。［4］考慮到燃料罐徑向力的分布特點(diǎn)，鞍座肘板以燃料罐中心為圓心呈發(fā)散形布置，如圖9 所示。

在船體橫搖情況下，橫搖產(chǎn)生的周向載荷將由設(shè)置在位于鞍座面板中心的止搖結(jié)構(gòu)承受，止搖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如下頁圖10 所示。

此外，燃料罐前后鞍座處左右兩側(cè)會(huì)設(shè)置止浮裝置，止浮裝置細(xì)節(jié)如圖11 所示。止浮裝置必須能承受燃料艙破艙進(jìn)水時(shí)，空燃料罐浮力引起的向上載荷。鞍座兩側(cè)上方需布置相應(yīng)的止浮支撐結(jié)構(gòu)。止浮裝置中的層壓木與支撐結(jié)構(gòu)之間應(yīng)留有一定的空隙，正常情況下燃料罐止浮裝置與支撐結(jié)構(gòu)是不接觸。當(dāng)燃料艙破損進(jìn)水后，空燃料罐上浮時(shí)，止浮裝置才與支撐結(jié)構(gòu)嚙合，發(fā)揮止浮作用。

圖10 LNG燃料罐止搖裝置

2.3 鞍座周邊船體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)

鞍座周邊的船體結(jié)構(gòu)，除了需要按照規(guī)范單獨(dú)進(jìn)行強(qiáng)度校核外，還應(yīng)該考慮鞍座在燃料罐作用下對(duì)附近船體結(jié)構(gòu)的影響［5］。本文設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮鞍座的周圍補(bǔ)強(qiáng)，將鞍座布置在船體結(jié)構(gòu)大骨上，對(duì)雙層底肋板及燃料間垂向大骨上的龍筋貫穿孔增加了補(bǔ)板，并根據(jù)本文提出的方法對(duì)載荷進(jìn)行了疊加計(jì)算，最終通過有限元模型計(jì)算驗(yàn)證了其強(qiáng)度。

圖11 LNG燃料罐止浮裝置

通過FEMAP 有限元軟件將鞍座進(jìn)行建模，并放入全船有限元模型中檢討鞍座及周邊的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 參照LR 滾裝船強(qiáng)度校核規(guī)范，各工況下計(jì)算結(jié)果匯總結(jié)果，如圖12 所示。計(jì)算云圖和計(jì)算結(jié)果表明，鞍座及其周邊結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖12 鞍座合成應(yīng)力各計(jì)算工況匯總云圖

2.4 鞍座及其周邊船體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)選擇

LNG 燃料罐通常處于超低溫狀態(tài)（-163℃）因其與船體相連的鞍座支撐，雖然燃料罐采取了很好的保溫措施，但是并不能完全隔絕熱量傳遞，傳遞的方式包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。［6］熱傳遞在鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)中形成低溫，低溫條件下鋼材的力學(xué)性能會(huì)變差。為避免材料發(fā)生低溫脆性破壞，IGF 規(guī)范和LR 規(guī)范都對(duì)低溫下鋼材等級(jí)的選擇有詳細(xì)規(guī)定。

本文通過ANSYS 有限元軟件對(duì)LNG 燃料罐鞍座及周圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到相應(yīng)的溫度場分布；參照材料許用設(shè)計(jì)溫度，對(duì)鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行合理布置，以適應(yīng)低溫環(huán)境，避免材料發(fā)生低溫脆性破壞。本文設(shè)計(jì)過程中根據(jù)《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IGC 規(guī)則）完成對(duì)鞍座及其附近結(jié)構(gòu)的溫度場計(jì)算，溫度場分布如圖13 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)給出了鞍座及其附近結(jié)構(gòu)的鋼材等級(jí)建議，其中鞍座腹板在靠近鞍座面板側(cè)使用D 級(jí)鋼材、鞍座腹板其余鋼材使用E 級(jí)鋼材。

圖13 LNG燃料罐鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)的溫度場分布

3 LNG 燃料罐的安裝注意點(diǎn)

LNG 球罐一般由輔機(jī)臺(tái)支座支撐并安裝在球罐室雙層底上，本文按照燃料罐廠家提供的安裝要領(lǐng)圖進(jìn)行安裝施工。燃料罐安裝時(shí)要嚴(yán)格滿足精度要求，以便鞍座的精度控制到位，避免出現(xiàn)燃料罐集中受力情況。因此準(zhǔn)確的燃料罐安裝以及控制安裝精度非常重要，本文根據(jù)廠家安裝要領(lǐng)圖和廠家精度要求進(jìn)行了總結(jié)。

安裝時(shí)應(yīng)關(guān)注燃料罐集液井處的保溫材與雙層底和鞍座的肘板是否干涉；檢查燃料罐固定支撐處的防搖裝置是否與鞍座干涉；檢查燃料罐固定支撐處，鞍座頂面處的肘板與球罐的保溫材料是否干涉。燃料罐搬運(yùn)和搭載時(shí)，不拆除捆綁固定層壓木的鐵皮條。搭載后鐵皮條可以保留，僅割斷上端鐵皮條的捆扎點(diǎn)，但要注意鐵皮條與鞍座的匹配，鐵皮條可以保存在填充料中。填充料加熱和干燥設(shè)備要在安裝前提前準(zhǔn)備，以確保填充料施工所需的工作環(huán)境。施工前，準(zhǔn)備足夠量填充料放置于船上。

4 結(jié) 語

本文在LNG 球罐鞍座設(shè)計(jì)及其安裝研究過程中，通過對(duì)規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)資料的研究，應(yīng)用規(guī)范及商業(yè)軟件、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，解決了鞍座及周邊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，并給出安裝的注意要點(diǎn)，為此類球罐鞍座設(shè)計(jì)及安裝提供一定的技術(shù)參考。

規(guī)范對(duì)于鞍座所受的燃料罐作用力僅簡單指出可使用正弦（余弦）函數(shù)模擬，并未給出相應(yīng)的分布函數(shù)公式。本文設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)規(guī)范及相關(guān)資料的研究，提出一種新的載荷疊加方法并解決了鞍座下結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)載荷問題。設(shè)計(jì)燃料罐鞍座時(shí)，根據(jù)鞍座的受力特點(diǎn)，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式；鞍座補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同的計(jì)算對(duì)象，選擇相應(yīng)的簡化模型，并在整體有限元模型中檢驗(yàn)鞍座及周邊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。由于LNG 燃料罐超低溫的影響，故進(jìn)行溫度場穩(wěn)態(tài)分析；取得溫度場分布后，根據(jù)規(guī)范要求為鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)選擇合適的鋼材等級(jí)，避免材料發(fā)生低溫脆性破壞。本文還總結(jié)描述了燃料罐安裝期間的注意點(diǎn)，包括燃料罐的要領(lǐng)注意點(diǎn)，燃料罐的安裝精度要求，以及填充料的安裝要領(lǐng)等。