王佚

中國(guó)船級(jí)社上海分社,上海 200136)

近年來,隨著全球LNG氣站及管道的建設(shè)網(wǎng)絡(luò)鋪開,大型LNG接收站向小型LNG站轉(zhuǎn)運(yùn)的需求增加。液貨艙容3萬～9萬m3的中型LNG運(yùn)輸船因適合中短距離運(yùn)輸受到船東的重視,訂單開始增長(zhǎng)[1]。我國(guó)已有大型LNG船建造經(jīng)驗(yàn),需要在此基礎(chǔ)上對(duì)中型LNG船的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行優(yōu)化,降本增效,縮短建造周期。在LNG船的建造過程中,涉及結(jié)構(gòu)方面的問題一般有以下幾點(diǎn)。

1)高應(yīng)力區(qū)域的處理,結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)型式的設(shè)計(jì)是否能滿足計(jì)算需求,兼顧現(xiàn)場(chǎng)施工的便利。

2)鋼材等級(jí)、板厚、型材的選用,能否進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而降低成本。

3)疲勞節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)措施。

關(guān)于高應(yīng)力區(qū)的處理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,少有研究報(bào)道。在疲勞節(jié)點(diǎn)的處理方面,有學(xué)者關(guān)于薄膜型LNG船疲勞強(qiáng)度的研究中提出船廠傾向于采用計(jì)算疲勞壽命提高技術(shù),并建議通過優(yōu)化過渡型式等方式提高疲勞壽命[2-3]。中國(guó)船級(jí)社在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2分冊(cè)第20章對(duì)LNG船的構(gòu)件尺寸和直接計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定,《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(2022)引用了IGC的要求作為補(bǔ)充,從規(guī)范角度對(duì)上述問題進(jìn)行了要求。

在現(xiàn)場(chǎng)建造檢驗(yàn)過程中,分析大型LNG運(yùn)輸船和最新的中型LNG運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了一些新的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,并已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)以解決上述問題。為了探討這些方法的價(jià)值,從總體布置、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、疲勞節(jié)點(diǎn)形式等方面分析薄膜型LNG船最新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并給出現(xiàn)場(chǎng)建造工作中實(shí)際的質(zhì)量控制方法。同時(shí)介紹氣囊管這一最新設(shè)計(jì)概念給船舶布置和裝載率帶來的變化。

1 布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 總體布置

NO96薄膜型LNG因?yàn)榻^緣箱尺寸固定,貨艙往往成比例擴(kuò)大,規(guī)格呈階梯式,如174 000,138 000,79 960 m3等,船舶線型受到貨艙尺度的限定,會(huì)存在“控制點(diǎn)”對(duì)線型設(shè)計(jì)進(jìn)行約束。后體型線為雙內(nèi)旋鰭艉線型以適用淺吃水環(huán)境,同時(shí)方便采用大徑深比螺旋槳。該型螺旋槳能適應(yīng)吃水受限的情況,通過增大螺旋槳直徑保持推進(jìn)效率[4]。

中等尺度與大尺度薄膜型LNG船在艙室布置上沒有差異,均沿船長(zhǎng)方向布置有4個(gè)液貨艙,于船中甲板區(qū)域布置貨物機(jī)器室,但中型LNG船的貨物區(qū)域整體布置以及機(jī)艙的結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置更為緊湊。設(shè)備方面,為滿足淺水航道適航及高操縱性的性能要求,中型LNG運(yùn)輸船在艏部布置有艏側(cè)推設(shè)備。最新型號(hào)的中型LNG船還采取了新的設(shè)計(jì)概念,在貨艙區(qū)域設(shè)置了氣囊管以提高裝載率。見圖1、2。

圖1 典型大尺度薄膜型LNG運(yùn)輸船側(cè)視圖

圖2 典型中等尺度薄膜型LNG運(yùn)輸船側(cè)視圖

1.2 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)型式

薄膜型LNG運(yùn)輸船液貨艙橫剖面為8邊形(見圖3),底邊艙及頂邊艙折角均布置為135°,橫截面上下收縮達(dá)一定高度,以減少LNG液貨對(duì)船體內(nèi)殼的晃蕩沖擊以及自由液面的影響。液貨艙8處折角因形狀突變,可能發(fā)生高應(yīng)力或疲勞破壞,需要作為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在船舶建造和營(yíng)運(yùn)中重點(diǎn)控制。

圖3 薄膜型LNG運(yùn)輸船液貨艙典型八邊形橫剖面

中尺度薄膜型LNG運(yùn)輸船在大型薄膜型LNG運(yùn)輸船的基礎(chǔ)上優(yōu)化了液貨艙折角結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(CM節(jié)點(diǎn))的結(jié)構(gòu)形式,將液貨艙內(nèi)殼斜底板與內(nèi)殼縱艙壁板連接、內(nèi)甲板斜板與內(nèi)甲板連接的幾何節(jié)點(diǎn)內(nèi)殼縱艙壁板由焊接型節(jié)點(diǎn)改為連續(xù)的轉(zhuǎn)圓板(壓彎板),即將原來的“三心對(duì)位”三塊板角接優(yōu)化為轉(zhuǎn)圓板與平臺(tái)板之間的兩塊板角接。

節(jié)點(diǎn)形式改動(dòng)帶來的好處有3點(diǎn),首先是降低了加工難度,變?yōu)檗D(zhuǎn)圓板形式后,實(shí)際上不需要再滿足3向?qū)χ辛?現(xiàn)在還保留轉(zhuǎn)圓板的CM節(jié)點(diǎn)是為了保證貨艙幾何點(diǎn),并不涉及到結(jié)構(gòu)性能。而且該節(jié)點(diǎn)在分段階段就能進(jìn)行檢驗(yàn)、調(diào)整和確認(rèn),避免了在搭載復(fù)雜的環(huán)境下檢驗(yàn),以及錯(cuò)位后難以調(diào)整的困境。其次,“三心對(duì)位”型節(jié)點(diǎn)設(shè)置了2道全焊透位于中間板的兩側(cè),焊縫過于集中,無論是現(xiàn)場(chǎng)的施工難度還是應(yīng)力情況都不理想。轉(zhuǎn)圓板型式改為2道深熔焊,為常規(guī)的焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),施工更方便,應(yīng)力水平更低。最后,原來3塊板交接位置存在應(yīng)力集中,節(jié)點(diǎn)位置的板材需要采用更厚的板厚和更高等級(jí)的鋼材,由于部分位置會(huì)板厚方向上受到較大的應(yīng)力,還需要采用Z向鋼。改成轉(zhuǎn)圓板后幾何形狀更平滑,受力更均勻,板厚方向上的受力較小,不需要使用Z向鋼,在結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性上都得到了提升。

這種節(jié)點(diǎn)形式的缺點(diǎn)在于對(duì)合攏對(duì)齊精度的要求很高,因?yàn)楸∧ば蚅NG船對(duì)貨艙平整度的要求遠(yuǎn)高于一般船型。如圖4所示,根據(jù)GTT的要求需要用1 m尺和3 m尺進(jìn)行檢驗(yàn),一個(gè)縱骨間距之間的高度差不得超過4 mm。此外,轉(zhuǎn)圓板由一塊厚板冷彎而成,也需要一定的加工技術(shù)。得益于船廠吊裝精度的提升和板材加工技術(shù)的提高,這兩個(gè)問題得到了妥善解決。

圖4 對(duì)貨艙內(nèi)殼的平整度要求

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于主尺度減小,總縱強(qiáng)度的要求降低,中型薄膜型LNG運(yùn)輸船相較傳統(tǒng)的大型薄膜型LNG運(yùn)輸船在部分型材的選擇上進(jìn)行了優(yōu)化,節(jié)約了物料成本。

在對(duì)船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)充分評(píng)估之后,中型薄膜型LNG運(yùn)輸船主甲板區(qū)域縱向骨材在外甲板斜板(穹頂斜板)外使用普通球扁鋼,外甲板斜板以內(nèi)使用E級(jí)扁鋼;而大型薄膜型LNG運(yùn)輸船的主甲板區(qū)域縱向骨材全部使用的E級(jí)扁鋼。

相比之下,中型薄膜型LNG運(yùn)輸船主甲板區(qū)域縱向骨材依據(jù)溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果選取鋼材等級(jí),節(jié)省了成本。

中型薄膜型LNG運(yùn)輸船機(jī)艙比大型薄膜型LNG運(yùn)輸船的機(jī)艙少一層甲板,機(jī)艙的空間減小,布置更為局促。中等尺度LNG船的機(jī)艙結(jié)構(gòu)通常都伴隨著大量開孔供電纜和各類管路穿行。例如機(jī)艙行車的吊梁,以及發(fā)電機(jī)的反頂加強(qiáng)。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2021)第2篇第20章第9節(jié)20.9.2的要求:對(duì)于不需加強(qiáng)單殼剖面中的人孔和減輕孔,應(yīng)滿足腹板開孔高度不超過腹板高度的25%且其邊緣與面板的距離不小于腹板高度的40%。對(duì)于滿足上述要求者,一般不需加強(qiáng)。開口長(zhǎng)度不得大于腹板高度或局部支撐構(gòu)件間距的60%,取大者。開口邊緣應(yīng)與局部支撐構(gòu)件切口各角有相等距離。

機(jī)艙開孔均不在退審圖上,而是在詳設(shè)階段添加在分段制造圖上,沒有經(jīng)過審圖批準(zhǔn),因此需要通過有限元計(jì)算校核開孔后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

1.4 疲勞節(jié)點(diǎn)形式

疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)破壞的主要模式之一,多年來一直是造船界關(guān)注的重點(diǎn)問題。薄膜型LNG船的貨艙里安裝了2層屏蔽結(jié)構(gòu),維修涉及到殷瓦鋼的焊接和絕緣箱的拆卸安裝,非常復(fù)雜。貨艙若發(fā)生了結(jié)構(gòu)損壞,損失將遠(yuǎn)超其他區(qū)域且不可估量。LNG的設(shè)計(jì)疲勞壽命要求一般為40年,在設(shè)計(jì)時(shí)期就必須對(duì)LNG船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,并在建造時(shí)加以控制,使LNG船在服務(wù)期內(nèi)的疲勞性能達(dá)到要求。在設(shè)計(jì)中通常采用熱點(diǎn)應(yīng)力法和疲勞譜分析法對(duì)LNG船的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。由于疲勞譜分析進(jìn)行疲勞計(jì)算適用性和計(jì)算精度較高,一般采用疲勞譜分析法對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估[5]。

然而,無論是大型還是小型的薄膜型LNG船,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在橫艙壁與內(nèi)底交接處的疲勞狀況都不甚理想,該疲勞危險(xiǎn)區(qū)域還涉及到貨艙里的錨固扁鋼。錨固扁鋼與殷瓦管直接連接,是將貨艙應(yīng)力傳遞到船體的重要結(jié)構(gòu)。GTT公司對(duì)貨艙錨固扁鋼的疲勞強(qiáng)度非常重視,甚至?xí)为?dú)對(duì)該位置進(jìn)行應(yīng)力分析。因此無論是大型LNG船還是中型LNG船,都在此處設(shè)計(jì)了加厚板以改善疲勞狀況。

大型LNG船采用在實(shí)肋板增加35 mm的E32加厚貼板配合加強(qiáng)筋改善疲勞條件,該位置要求全焊透以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)將中縱桁隔倉位置的板由20 mm A32鋼更換為30 mm E32鋼。中型LNG運(yùn)輸船則是在中縱桁嵌補(bǔ)1塊30 mm的D32鋼,同樣是需要全焊透。

然而這兩種方法改善效果有限,不能完全改善疲勞情況。通過精細(xì)網(wǎng)格的有限元疲勞分析可以發(fā)現(xiàn)橫艙壁與內(nèi)底交接處的疲勞年限依然顯著低于其他區(qū)域。因此在建造過程中需要特別注意結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)處理,避免應(yīng)力集中。

1.5 氣囊結(jié)構(gòu)

充裝極限(FL)系指當(dāng)液體貨物達(dá)到基準(zhǔn)溫度時(shí),液貨艙內(nèi)的最大液體體積與整個(gè)液貨艙容積之比。根據(jù)最新《國(guó)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)規(guī)定:液貨艙充裝極限的默認(rèn)值為在基準(zhǔn)溫度下98%,但在滿足下列條件的情況下,允許增加至不超過99.5%。

1)在液貨艙內(nèi)無隔開的蒸氣存留死角。

2)壓力釋放閥進(jìn)口應(yīng)保持處于蒸氣空間。

3)下列各項(xiàng)需有裕量。

(1)液體貨物由于壓力從MARVS增加至8.4.1所述的最大流量釋放壓力而形成的體積膨脹;

(2)最小0.1%液貨艙體積的操作裕度;

(3)儀器(例如,液位和溫度測(cè)量?jī)x)的公差。

此前NO96型LNG船因?yàn)樯鲜鰲l款約束,裝載率均低于98%(部分因船旗國(guó)批準(zhǔn)放寬到了98.5%)。最新型號(hào)的中型薄膜型LNG運(yùn)輸船在液貨艙頂增加液貨艙氣囊管,該設(shè)計(jì)概念為國(guó)內(nèi)首次采用。在船舶航行及發(fā)生晃蕩時(shí),該氣囊管將液貨艙頂部角隅處蒸氣空間的多余貨物蒸氣快速導(dǎo)入氣穹中,從而消除液貨艙頂部角隅處的蒸氣存留獨(dú)立氣穴,滿足IGC的要求。該技術(shù)能令裝載率突破98%的限制。經(jīng)過GTT的計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)際裝載率能達(dá)到99.36%,較之前的船型,提高了1.36%。氣囊的設(shè)計(jì)概念簡(jiǎn)單用圖5表述。

圖5 在15°橫傾和0.015L縱傾狀態(tài)下貨艙的裝載情況

2 建造質(zhì)量控制

2.1 CM節(jié)點(diǎn)控制

對(duì)于中型薄膜型LNG運(yùn)輸船采用的內(nèi)殼縱艙壁轉(zhuǎn)圓板(壓彎板)與平臺(tái)板(甲板)之間的兩板焊接型CM節(jié)點(diǎn),考慮到兩板并無厚度中心線對(duì)齊的裝配要求,在分段裝配時(shí)可以對(duì)制造精度進(jìn)行控制,以確保在船塢搭載中前后合攏口的準(zhǔn)確對(duì)位,保證貨艙幾何點(diǎn)位置的精確。一般是采用樣板檢查配合度的方法,從車間加工成形、小組立、分段、合攏段的全程精度控制(見圖6)。由于轉(zhuǎn)圓板兩板焊接型CM節(jié)點(diǎn)采用深熔焊而非全焊透的焊接方式,免去了反面碳刨清根的步驟,效率獲得了提高。但需要注意的是施工細(xì)節(jié),如定位焊的質(zhì)量。“三心對(duì)位”3板焊接型CM節(jié)點(diǎn)的反面碳刨清根一并消除了反面被納入焊道的缺陷定位焊的不利因素;但采用轉(zhuǎn)圓板后的CM節(jié)點(diǎn)型式后,在沒有反面碳刨清根的情況下,如有缺陷定位焊被納入焊道,勢(shì)必將對(duì)焊接質(zhì)量造成不利影響。

圖6 轉(zhuǎn)圓板CM樣板精度控制

2.2 機(jī)艙開孔控制

鑒于發(fā)電機(jī)基座下方加強(qiáng)結(jié)構(gòu)存在大量開口,且開口高端超過腹板高度的60%,需要其進(jìn)行有限元分析。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》要求,模型范圍為以基座有效作用平面矩形(a×b)形心為中心,向四周分別擴(kuò)展至少1倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、寬距離(3a×3b)。垂向從基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4處(D為型深)。如按上述方法框取的模型邊界上未設(shè)置結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件,則模型應(yīng)再延伸直至邊界落在結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件上,邊界條件可考慮自由支持或固支。載荷方面,需要考慮3臺(tái)發(fā)電機(jī)的自重、發(fā)電機(jī)因船舶運(yùn)動(dòng)中加速度導(dǎo)致的慣性力,以及結(jié)構(gòu)的自重。

2.3 疲勞區(qū)域控制

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)建造,提高疲勞性能的方法為提升裝配精度、改善焊縫幾何形狀和焊后重熔。提升構(gòu)件的裝配精度可以降低應(yīng)力集中水平,提升疲勞性能。根據(jù)CSQS和中國(guó)船級(jí)社的檢驗(yàn)要求,結(jié)構(gòu)的裝配誤差應(yīng)控制在1/4最小板厚且不大于5.0 mm。典型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的裝配精度控制見表2。

表2 典型節(jié)點(diǎn)裝配精度控制要求

對(duì)焊縫進(jìn)行打磨也是一種現(xiàn)場(chǎng)常用,通過改善焊縫幾何形狀降低局部應(yīng)力集中水平的方式,該方法成本低,施工靈活方便,但應(yīng)注意打磨后焊縫成型的圓弧度,應(yīng)保證焊縫光順無尖點(diǎn)[6]。

對(duì)焊趾區(qū)域進(jìn)行重熔處理可以改善焊縫的幾何形狀,優(yōu)化焊趾結(jié)構(gòu)。同時(shí),重熔還能使焊縫區(qū)域的晶粒細(xì)化[7],并消除微小夾渣、裂紋等缺陷,從多方面提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

2.4 氣囊安裝及檢驗(yàn)要點(diǎn)

該液貨艙氣囊管在甲板貫穿處須按GTT要求使用不銹鋼嵌入板,以控制LNG氣體對(duì)船體結(jié)構(gòu)鋼的低溫影響,同時(shí),氣囊管須設(shè)置在貨艙區(qū)域雙層甲板中的獨(dú)立隔離空艙內(nèi)(見圖7),該隔離空艙需要進(jìn)行氣密試驗(yàn)。此外,氣囊管處的絕緣箱為中間開孔的特制箱,需要專門檢查箱子的平整度。裝配好后,還應(yīng)檢查氣囊管與絕緣箱之間空隙里塞的玻璃棉是否飽滿。在殷瓦膜焊接結(jié)束后,該位置的氣密還需要在氦氣試驗(yàn)中著重觀察。

圖7 氣囊管隔離空艙及不銹鋼嵌入板

3 結(jié)論

1)對(duì)于NO.96型薄膜型LNG船,最新的轉(zhuǎn)圓板形式CM節(jié)點(diǎn)在應(yīng)力分布、建造難度和經(jīng)濟(jì)性上均優(yōu)于原來“三心對(duì)位”型CM節(jié)點(diǎn)。

2)中型LNG船機(jī)艙布置導(dǎo)致的板材大量開孔問題需要依靠有限元計(jì)算來確定強(qiáng)度是否滿足要求。

3)在LNG船建造過程中應(yīng)該著重關(guān)注橫艙壁與內(nèi)底交接處疲勞節(jié)點(diǎn),建議現(xiàn)場(chǎng)采用鎢極氬弧重熔工藝進(jìn)行焊縫控制。

4)LNG船的氣囊管裝置采用了消除氣穴的方式使船舶滿足IGC要求從而提高裝載率,安裝時(shí)需要著重關(guān)注其氣密性。