劉文華,戴志遠

(1.上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203;2.浙江省海洋開發(fā)研究院,浙江 舟山 316021)

0 引言

獨立液罐在中小型LNG運輸船、LNG加注船、LPG船等氣體運輸船中為主流配置。液罐與船體間的連接通過鞍座或墊塊等支撐構(gòu)件實現(xiàn)載荷的傳遞及保冷隔熱。相關(guān)文獻對該區(qū)域結(jié)構(gòu)強度也進行過分析[1]?！秶H散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(2016)(下文簡稱“新《IGC規(guī)則》”)重新改寫支撐構(gòu)件要求,調(diào)整了工況描述,刪除了許用應(yīng)力的描述[2]。各船級社由此也有了不同的補充規(guī)定。有的船級社對于A型和C型獨立艙的支撐構(gòu)件在靜橫傾工況下許用應(yīng)力描述不同,由此造成設(shè)計者的困擾。

本文根據(jù)20 000 m3LNG運輸加注船[3]的實船經(jīng)驗,總結(jié)了各主要船級社在艙段結(jié)構(gòu)強度分析中液罐支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力,并推薦了最合理的評估標準。

1 美國船級社指南要求

美國船級社(ABS)指南[4]第4節(jié)第3條指出,支撐構(gòu)件和墊塊的事故工況為碰撞、靜橫傾30°和破艙進水。其指南第6節(jié)第5.11條給出支撐構(gòu)件和墊塊的評價標準,艙段結(jié)構(gòu)強度三維有限元分析中,一般采用縱骨間距模型。本文為便于比較分析,給出普通鋼、H32高強度鋼(屈服強度為315 MPa)和H36高強度鋼(屈服強度為355 MPa)3種材料在事故工況和靜橫傾30°工況下的許用應(yīng)力,見表1。ABS船級社對液罐、船體和支撐構(gòu)件的強度要求一直以來都是很明確的,從未變動。

表1 ABS支撐構(gòu)件和墊塊許用應(yīng)力 單位:MPa

2 法國船級社規(guī)范要求

法國船級社(BV)規(guī)范[5]D部分第9章第4節(jié)第8小節(jié)給出了支撐構(gòu)件的規(guī)范要求,該小節(jié)包含了A型艙和C型艙墊塊。對于A型艙的防橫搖墊塊,第8.3.5條明確指出常規(guī)靜橫傾工況下許用應(yīng)力為235/kMPa,其中k為材料系數(shù);事故工況下許用應(yīng)力與靜橫傾工況相同,常規(guī)工況下許用應(yīng)力為230/kMPa。對于C型艙,靜橫傾工況下支撐構(gòu)件許用應(yīng)力未給出,事故工況參考了A型艙。表2給出了網(wǎng)格為普通肋骨間距時,不同材料下支撐構(gòu)件的許用應(yīng)力。

表2 BV支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

3 中國船級社規(guī)范要求

中國船級社(CCS)規(guī)范[6]在第2篇第A4章附錄1的第4.3.6條明確了有限元分析對A型艙的工況要求,靜橫傾獨立艙及支撐構(gòu)件的強度校核分為工況6和工況7。許用應(yīng)力值在第4.5.1條給出。需要指出的是,CCS在此處明確了支撐構(gòu)件與液艙的許用應(yīng)力是相同的,這點比較保守。破艙和碰撞工況許用應(yīng)力可以放大1.1倍。

在附錄2的第4.3.6條中明確了艙段有限元分析對C型艙的工況要求,靜橫傾船體強度校核分為工況6和工況7。船體許用應(yīng)力為235/kMPa。

C型獨立液貨艙鞍座結(jié)構(gòu)強度在附錄第4.6小節(jié)給出,明確可采用簡化的“鞍座/支撐構(gòu)件+相鄰船體結(jié)構(gòu)”的三維局部模型。第4.7.1條指出靜橫傾工況為承載極限狀態(tài)(ULS)。第4.8.1條明確給出了許用應(yīng)力為220/kMPa。不同材料許用應(yīng)力匯總見表3。從表中可以看出,A型艙墊塊在靜橫傾工況的許用應(yīng)力較C型艙低。

表3 CCS支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

4 挪威與德國船級社指南要求

在挪威船級社(DNV)和德國船級社(GL)合并前,DNV液化氣船獨立A型艙指南[7]第4節(jié)明確靜橫傾工況為靜態(tài)分析工況(S);指南表格4明確支撐構(gòu)件許用應(yīng)力為215/kMPa(不考慮船體梁載荷)或225/kMPa(考慮船體梁載荷),事故工況則為225/kMPa(不考慮船體梁載荷)或235/kMPa(考慮船體梁載荷)。

合并后的DNV·GL開始了規(guī)范的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作,然后分別出版了液化氣船獨立A型艙和C型艙的指南。

對于獨立A型艙,指南[8]第4節(jié)第3.4條明確指出靜橫傾工況LC8和LC9為事故工況,支撐構(gòu)件許用應(yīng)力與碰撞和止浮工況相同,均為235/kMPa。

對于獨立C型艙,指南[9]第3節(jié)第3.3條明確指出靜橫傾工況LC4和LC5為靜態(tài)工況,許用應(yīng)力為0.72×235/kMPa。

不同材料許用應(yīng)力匯總,見表4。

表4 DNV·GL支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

A型艙和C型艙都為獨立艙。同一個船級社,對靜橫傾工況分類差異明顯,許用應(yīng)力有較大差距,這給設(shè)計者帶來困惑。通過比較A型艙的許用應(yīng)力,可以看出DNV·GL新規(guī)范在靜橫傾工況中明確考慮了船體梁載荷,許用應(yīng)力也是一脈相承。C型艙的描述與船級社溝通后,獨立C型艙指南[10]在2020年迎來修改,將靜橫傾工況歸類為事故工況,許用應(yīng)力直接提高到材料的屈服強度,有利于輕量化設(shè)計。

5 日本船級社指南要求

日本船級社(NK)指南[11]在第3節(jié)指出了靜橫傾工況下校核液艙和支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度,指南表3.2給出了工況中載荷的成分,表3.5給出了工況的標識為LT9。但是在第7節(jié)屈服評價標準中,僅給出了船體和液艙的評價標準,明確指出支撐構(gòu)件不適用該評價體系。

在指南第10節(jié)指出:支撐構(gòu)件單獨用細化網(wǎng)格模型進行分析評價。

總體看,NK船級社的指南僅給出工況卻沒有明確許用應(yīng)力標準值。

6 實船分析

以目前全球最大的20 000 m3LNG運輸加注船為例,根據(jù)DNV·GL對C型獨立艙指南的要求,進行了艙段模型分析。艙段模型見圖1,液貨艙模型見圖2,鞍座模型見圖3。有限元分析重點在于鞍座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。鞍座中心開孔處在靜橫傾工況下應(yīng)力為285 MPa,見圖4。

圖1 艙段模型

圖2 液罐模型

圖3 鞍座模型

圖4 鞍座靜橫傾工況下相當應(yīng)力云圖(粗網(wǎng)格)

根據(jù)表4可知,鞍座材料為H36時,許用應(yīng)力為235 MPa,鞍座開孔處強度不滿足要求。為此,需要進行細化分析,進一步研究應(yīng)力分布情況。圖5給出了細化后的相當應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力為223 MPa,結(jié)果滿足規(guī)范要求。分析原因,一方面是構(gòu)件在粗網(wǎng)格下存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,另一方面則是由于靜橫傾工況,此處位置承受載荷較大。

圖5 鞍座靜橫傾工況下相當應(yīng)力云圖(細化網(wǎng)格)

從計算結(jié)果看,如果指南將靜橫傾工況歸類于事故工況的評價標準,根據(jù)表4,則許用應(yīng)力為326 MPa,鞍座在粗網(wǎng)格模型下就能滿足要求,無需進行細化分析,減少了設(shè)計人員工作量。

7 結(jié)論

實船計算表明,20 000 m3LNG運輸加注船鞍座區(qū)域受力較大,在靜態(tài)衡準下不能滿足規(guī)范要求,DNV·GL船級社建議增加板厚,或建立細化模型,通過細化分析考慮加強方案。本船實際計算結(jié)果表明,靜態(tài)衡準不適合,需要調(diào)整為動態(tài)衡準,歸類為事故工況。通過比較其他船級社相關(guān)要求,以及本船計算結(jié)果,DNV·GL船級社對其指南進行了修訂,橫傾30°工況歸類為事故工況。這樣通過提高鞍座許用應(yīng)力,簡化設(shè)計過程,充分發(fā)揮了材料的性能,有利于船舶輕量化設(shè)計。

目前,針對此類工況,各船級社還沒有統(tǒng)一指南建議,為此希望各船級社對規(guī)范或指南進行完善統(tǒng)一,從而避免設(shè)計人員、船東與審圖人員對規(guī)范理解的差異,導致設(shè)計延誤。