許佳慧，陳來生，樊 杰，周小翔，楊 陽

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶污染物排放的要求越來越嚴(yán)格，自2020年1月1日起，規(guī)定全球所有船舶使用硫含量不超過0.5%的燃料。由此，船舶業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商必須采取有效措施，應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的污染物排放要求，使用具有較好經(jīng)濟(jì)效益的清潔能源LNG代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料油是行之有效的方法之一，因此LNG燃料動(dòng)力船近年來的發(fā)展十分迅速。

為契合世界船舶低能耗、高環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，某船舶公司為瑞典船東建造的15 000 t雙燃料化學(xué)品船配套兩臺(tái)315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的儲(chǔ)存裝備，排放滿足國(guó)際海事組織Tier Ⅲ的排放要求。我司負(fù)責(zé)研制配套的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐，本文介紹了315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算，其設(shè)計(jì)制造滿足IGF規(guī)則[1]和BV船級(jí)社入級(jí)規(guī)范[2]。

1 燃料罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研制的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐為C型獨(dú)立燃料艙，由內(nèi)容器、外容器、保溫材料、支撐構(gòu)件、防波板、工藝管道、氣包、鞍座和氣罐連接處所等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LNG燃料罐的主要結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)容器用于儲(chǔ)存低溫LNG，主要承受儲(chǔ)存介質(zhì)所產(chǎn)生的壓力、重力載荷和動(dòng)力加速度載荷等。內(nèi)、外容器的夾層空間填充保溫材料，且為真空狀態(tài)，降低內(nèi)容器與外容器之間的熱量傳輸，內(nèi)、外容器之間的支撐構(gòu)件(一端固定，一端滑動(dòng))強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容器的保冷及保護(hù)。為了減小燃料罐內(nèi)裝載介質(zhì)晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生的沖擊載荷，在內(nèi)容器內(nèi)部設(shè)置了防波板結(jié)構(gòu)，這也是燃料罐與固定式真空絕熱儲(chǔ)罐相比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的特殊之處。防波板的數(shù)量及位置設(shè)定應(yīng)能夠避免燃料罐與船舶發(fā)生諧蕩，強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)能夠承受晃蕩動(dòng)壓力載荷[3]。本文通過共振風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算，得出應(yīng)設(shè)置兩塊防波板的結(jié)論。有限元分析計(jì)算表明，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)能夠承受晃蕩動(dòng)壓力載荷。防波板設(shè)計(jì)滿足IGF規(guī)則和BV船級(jí)社入級(jí)規(guī)范的要求。

工藝管道根據(jù)實(shí)際使用要求，設(shè)置頂部充裝、底部充裝、底部出液、安全放散、溢流、BOG出口、泵回流、溫度傳感器套管、液位計(jì)氣相和液位計(jì)液相等功能管道。頂部充裝和底部充裝管用于對(duì)燃料罐加液。頂部充裝管設(shè)計(jì)為多孔噴淋結(jié)構(gòu)，保證燃料罐預(yù)冷時(shí)LNG均勻進(jìn)入，讓內(nèi)容器充分預(yù)冷。底部出液管向泵池供液，LNG經(jīng)過機(jī)械增壓進(jìn)入氣化器，加熱氣化后為船舶提供動(dòng)力。安全放散管保證當(dāng)罐內(nèi)氣相空間壓力超過安全設(shè)定壓力時(shí)，對(duì)燃料罐進(jìn)行放空保護(hù)。溢流管用于防止燃料罐過量充裝。BOG出口和泵回流管保證燃料罐和泵池內(nèi)壓力平衡。溫度傳感器套管內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，探測(cè)燃料罐內(nèi)部溫度。液位計(jì)氣、液相管用于監(jiān)測(cè)燃料罐內(nèi)的壓力和液位。

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，將對(duì)船員、船舶和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。氣罐連接處所與外容器連接，其內(nèi)部布置供氣系統(tǒng)的設(shè)備、閥件、管件和管路附件等。頂部設(shè)置有負(fù)壓機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，用于將泄漏的氣體引至安全區(qū)域進(jìn)行集中排放，保證船員、船舶和環(huán)境的安全。

2 燃料罐的技術(shù)參數(shù)

315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的設(shè)計(jì)制造基于IGF規(guī)則 、BV船級(jí)社入級(jí)規(guī)范和ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范。燃料罐幾何容器315 m3，設(shè)計(jì)蒸汽壓力0.7 MPa，內(nèi)容器直徑4.1 m，外容器直徑4.7 m，總長(zhǎng)度約28 m，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 LNG燃料罐的主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

船舶在運(yùn)行過程中長(zhǎng)期處于晃蕩狀態(tài)，內(nèi)容器承受的內(nèi)壓需要特別考慮內(nèi)部液體壓力。內(nèi)部液體壓力是指由于船舶運(yùn)動(dòng)所引起的液化氣燃料重心加速度產(chǎn)生的壓力。該燃料罐位于船舶甲板上，外容器承受的外壓需要特別考慮上浪載荷。這是燃料罐與固定式真空絕熱儲(chǔ)罐相比需要特別考慮的載荷。

3 燃料罐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 底部出液管

船舶的燃料供給過程為通過燃料罐的底部出液管向泵池供液，進(jìn)入泵池的LNG經(jīng)過機(jī)械增壓進(jìn)入汽化器，LNG經(jīng)汽化器加熱氣化進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。所以底部出液管的結(jié)構(gòu)是燃料罐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，也是船東的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。底部出液管的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，泵的入口高度高于燃料罐的最低液位，泵的運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，影響船舶的動(dòng)力供給。本文設(shè)計(jì)的底部出液管的結(jié)構(gòu)如圖3所示，泵的入口高度低于燃料罐的最低液位，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料自流、持續(xù)供液，有效解決了泵的氣蝕問題，保證船舶運(yùn)行的穩(wěn)定性。底部出液管的外部為氣包結(jié)構(gòu)，氣包與外容器焊接，氣包里面抽真空，填充保溫材料，與外容器一起對(duì)內(nèi)容器及內(nèi)部工藝管道形成次屏蔽保護(hù)。

圖2 底部出液管的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 底部出液管的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 氣罐連接處所

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，使船員、船舶和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。LNG供氣系統(tǒng)布置于氣罐連接處所內(nèi)部。本文設(shè)計(jì)的燃料罐氣罐連接處所的結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩臺(tái)燃料罐的氣罐連接處所對(duì)稱布置。氣罐連接處所與外容器之間通過一段圓筒過渡連接，主體部分由1/4圓形壁和3/4方形壁組成。

圖4 氣罐連接處所的結(jié)構(gòu)示意圖

不同構(gòu)件相連接處由于位移的不連續(xù)，產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，外容器與氣罐連接處所相連接處即存在此邊緣應(yīng)力，利用圓柱形容器受力均勻，應(yīng)力小的優(yōu)勢(shì)，通過在氣罐連接處所與外容器連接處設(shè)置一段圓柱形過渡筒節(jié)，降低應(yīng)力，提高設(shè)備承壓能力。

設(shè)計(jì)1/4圓形壁和3/4方形壁的組合形狀，是基于提高氣罐連接處所的承壓能力和增大氣罐連接處所的空間的綜合考慮。為提高傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，可采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)閳A形結(jié)構(gòu)受力均勻，而且相同壁厚時(shí)，應(yīng)力比方形結(jié)構(gòu)較小，但是圓形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)相比空間較小。當(dāng)船上空間有限時(shí)，特別是小型船舶，氣罐連接處所長(zhǎng)度常常受到限制，而燃料罐的供氣系統(tǒng)復(fù)雜，需要的空間較大，所以需要在同等長(zhǎng)度的情況下增大氣罐連接處所空間。本文采用1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能改善傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。

4 燃料罐的有限元計(jì)算

基于ANSYS軟件對(duì)燃料罐的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的有限元分析計(jì)算和評(píng)定，為燃料罐的長(zhǎng)期安全使用提供重要依據(jù)。

4.1 罐體的有限元計(jì)算

罐體的有限元計(jì)算模型包括內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)、外容器主體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和鞍座主體結(jié)構(gòu)等。有限元計(jì)算采用360°幾何模型，罐體的主體結(jié)構(gòu)采用三維實(shí)體單元模擬，共有981 492個(gè)三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID185)。內(nèi)、外容器之間的支撐結(jié)構(gòu)采用面與面接觸單元模擬，共有47 564個(gè)面與面接觸單元(TARGE170，CONTA174)。

靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)最大的峰值應(yīng)力為201.4 MPa，評(píng)定合格，應(yīng)力云圖如圖5所示。外容器與鞍座連接位置最大的峰值應(yīng)力為292.6 MPa，滿足IGF規(guī)則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規(guī)定，評(píng)定合格，應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 外容器與鞍座連接位置應(yīng)力云圖

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)使用壽命為25 a，其中使用時(shí)間85%，按此計(jì)算疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及評(píng)定如表2所示，符合IGF規(guī)則對(duì)疲勞載荷累積效應(yīng)的規(guī)定。

表2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

4.2 氣罐連接處所的有限元計(jì)算

氣罐連接處所的有限元計(jì)算模型包括外容器主體結(jié)構(gòu)、鞍座、氣包和氣罐連接處所等。有限元計(jì)算采用360°幾何模型，主要采用板殼單元和三維實(shí)體單元模擬，共有212 951個(gè)板殼單元(SHELL181)和699 542個(gè)三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID185)。

靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，氣罐連接處所最大的峰值應(yīng)力為290.3 MPa，滿足IGF規(guī)則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規(guī)定，評(píng)定合格，應(yīng)力云圖如圖7所示。疲勞累積損傷率Cw=0.1247≤0.5，符合IGF規(guī)則對(duì)疲勞載荷累積效應(yīng)的規(guī)定。

圖7 氣罐連接處所應(yīng)力云圖

4.3 氣包結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算

為了驗(yàn)證氣包結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足IGF規(guī)則和BV船級(jí)社入級(jí)規(guī)范的要求，對(duì)氣包結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部有限元分析計(jì)算。氣包的有限元計(jì)算模型包括外容器主體結(jié)構(gòu)、鞍座、氣包和底部出液管管口結(jié)構(gòu)。主要采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID185)模擬。最大峰值應(yīng)力為173.98 MPa，評(píng)定合格，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 氣包結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

本文研制的燃料罐，其底部出液管采用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)LNG燃料自流、持續(xù)供液，從而有效解決泵的氣蝕問題，保證船舶運(yùn)行的穩(wěn)定性。氣罐連接處所采用了1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能提高傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。對(duì)燃料罐進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的有限元分析計(jì)算，為其長(zhǎng)期安全使用提供重要依據(jù)。

當(dāng)前，隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶污染物排放要求越來越嚴(yán)格，以清潔能源LNG作為船舶動(dòng)力燃料已是船舶業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商的主要選擇。本文研制的船用LNG燃料罐滿足IGF規(guī)則和BV船級(jí)社入級(jí)規(guī)范，為船舶儲(chǔ)存清潔動(dòng)力燃料，助力全球綠色航運(yùn)發(fā)展。