薄膜型液化天然氣船結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算的比較和研究

吳嘉蒙 呂立偉

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

液化天然氣（LNG）船是高技術(shù)、高難度、高附加值船舶，也是我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要中明確重點(diǎn)發(fā)展的主力船型。

根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化天然氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備準(zhǔn)則》（International Code for the Construction an Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“IGC 規(guī)則”）的定義［1］，以裝載LNG的液貨艙類(lèi)型劃分，LNG船主要分為兩類(lèi)：

（1）薄膜型（Membrane Tank）LNG 船，其貨艙圍護(hù)系統(tǒng)主要有GTT的NO.96型、MarkIII型以及CS1型；

（2）獨(dú)立型（Independent Tank）LNG 船 B 型，主要有Moss球罐型和日本IHI公司的SPB型。

目前，大型LNG船較多采用薄膜型液艙。

不同于國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）統(tǒng)一要求的油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR），針對(duì)薄膜型LNG船，各主要船級(jí)社都有各自的結(jié)構(gòu)規(guī)范［2-5］，雖然存在一定的差異性，但同時(shí)也具有共同點(diǎn)，如都需要滿(mǎn)足IGC規(guī)則等。

本文將以某型22萬(wàn)m3薄膜型LNG船為研究對(duì)象（采用GTT的NO.96型貨艙圍護(hù)系統(tǒng)），比較研究ABS、DNV和LR船級(jí)社對(duì)薄膜型LNG船的結(jié)構(gòu)規(guī)范，研究重點(diǎn)集中在腐蝕厚度、規(guī)范計(jì)算等。

1 液貨艙周界腐蝕厚度的比較

各船級(jí)社規(guī)范對(duì)薄膜型LNG船的腐蝕厚度要求各不相同。

ABS 規(guī)范［2］基于所謂“凈厚度”概念，但此“凈厚度”不同于CSR要求的凈厚度理念：前者的“凈厚度”不考慮船舶的設(shè)計(jì)營(yíng)運(yùn)壽命，僅對(duì)應(yīng)滿(mǎn)足ABS針對(duì)壓載艙涂裝要求和規(guī)范強(qiáng)度要求的最小厚度/尺寸，且不作為換新厚度的依據(jù)；后者則基于北大西洋25年設(shè)計(jì)營(yíng)運(yùn)壽命和涂裝要求，與實(shí)際營(yíng)運(yùn)和換新厚度相關(guān)聯(lián)，針對(duì)不同強(qiáng)度要求對(duì)應(yīng)有不同的腐蝕厚度比例。

DNV規(guī)范［3］對(duì)于板的腐蝕厚度要求有明確的規(guī)定，對(duì)于型材的腐蝕則通過(guò)在剖面模數(shù)計(jì)算中乘以腐蝕因子wk加以考慮。通常，壓載艙內(nèi)，對(duì)于T型材或角鋼，有wk=1.15；對(duì)于球扁鋼，有wk=1.09；對(duì)于扁鋼，不考慮腐蝕因子，而是按板的腐蝕厚度要求考慮。對(duì)于空艙內(nèi)的骨材，不考慮腐蝕，即有wk=1.0。

LR 規(guī)范［4］則基于“總厚度”，不單獨(dú)考慮腐蝕厚度。但從其規(guī)范公式體系看，對(duì)于型材的計(jì)算基于總厚度，對(duì)板的計(jì)算采用“計(jì)算值+附加厚度”的形式。因此，也可將其中的附加厚度等效為腐蝕厚度。

經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)上述3家船級(jí)社對(duì)薄膜型LNG船液貨艙周界的腐蝕厚度要求幾乎相同，如表1所示。其中，雙層甲板以及雙層橫艙壁之間按空艙考慮。

表1 各主要船級(jí)社對(duì)薄膜型LNG船液貨艙周界的腐蝕厚度要求

從表1中可以看到，ABS要求的腐蝕厚度和LR的等效腐蝕厚度完全相同，而DNV要求的腐蝕厚度與另兩家的主要差異在于空艙和液貨艙的交接面，即DNV不考慮這些區(qū)域的腐蝕厚度，之間的差異為1.0 mm。

對(duì)比研究上述關(guān)于薄膜型LNG船液貨艙邊界的腐蝕厚度要求后，可進(jìn)一步研究不同船級(jí)社關(guān)于薄膜型液貨艙周界構(gòu)件尺寸的差異。

2 液貨艙周界局部支撐構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算比較

LNG船液貨艙內(nèi)部壓力統(tǒng)一按IGC規(guī)則的要求進(jìn)行計(jì)算，文獻(xiàn)［6］編制了IGC載荷的電子計(jì)算表格?；贗GC載荷Peq，各主要船級(jí)社都給出了薄膜型LNG船液貨艙周界局部支撐構(gòu)件（板和骨材）的計(jì)算公式。以下作簡(jiǎn)單分析。其中，板厚的單位均為mm，骨材剖面模數(shù)的單位均為cm3。

2.1 板

對(duì)于板厚，在IGC載荷作用下，ABS、DNV和LR的規(guī)范公式如下：

式中：Pgc、Peq均為 IGC 載荷。 Peq在（1）式中單位為 N/cm2，在（2）式中單位為 kN/m2，在（3）式中單位為bar。在LR規(guī)范中，板的IGC載荷計(jì)算點(diǎn)取在該列板距下緣1/3處，而在ABS和DNV規(guī)范中，板的IGC載荷計(jì)算點(diǎn)均取在該列板的下緣處。

s為縱骨間距，在（1）式和（3）式中單位均為 mm，在（2）式中單位為 m；k、ka、cf為板的長(zhǎng)寬比系數(shù)，通常取1；tk為內(nèi)殼腐蝕厚度，按表1取；k2為0.5。

σ=0.8σf，普通鋼 σf=235 N/mm2；

f=0.75fy，普通鋼 fy=23 500 N/cm2；

kf為高強(qiáng)度鋼系數(shù)，普通鋼kf=1。

將式（1）、（2）、（3）統(tǒng)一取為凈厚度（扣除腐蝕厚度）并統(tǒng)一單位，得：

于是，當(dāng)Peq一致時(shí)，得：

考慮IGC載荷計(jì)算點(diǎn)的差異，對(duì)于同一列板，LR要求的Peq將小于ABS和DNV的要求值。以3 m板寬為例，LR要求的Peq將減小約3%，故得：

2.2 縱 骨

對(duì)于縱骨剖面模數(shù)，在IGC載荷作用下，ABS、DNV和LR的規(guī)范公式如下：

式中：cgc為腐蝕系數(shù)，液艙內(nèi)的縱骨取cgc=0.9，空艙內(nèi)的縱骨取cgc=0.94；

K1為 0.9；

l、le為縱骨的有效長(zhǎng)度，m；

fb為許用彎曲應(yīng)力，對(duì)于普通鋼，有：

k，m 為 12，對(duì)于縱骨；

wk為縱骨的腐蝕系數(shù)，對(duì)于液艙內(nèi)的T型材，通常wk=1.2；

F1為參與總強(qiáng)度的系數(shù)，對(duì)于中和軸附近F1=0.12；

σ=0.75σf，但不必大于 σf-σL-σD/H，對(duì)于中和軸附近采用普通鋼的縱骨：

σL為總縱彎曲應(yīng)力；

σD/H為雙殼內(nèi)的彎曲應(yīng)力；

Peq為除按IGC規(guī)則計(jì)算外，LR規(guī)定還應(yīng)不小于0.001L1+0.07或L1/571的大者。

因部分船級(jí)社的規(guī)范公式中需考慮總縱應(yīng)力的影響（如LR和DNV），以及雙殼內(nèi)彎曲應(yīng)力的影響（如DNV），因此選取中和軸附近的縱骨作為比較對(duì)象（壓載艙內(nèi)），將公式（6）、（7）、（8）統(tǒng)一單位后，得：

其中，對(duì)于ABS規(guī)范要求的縱骨，考慮壓載艙腐蝕的影響，假定：

2.3 隔離艙扶強(qiáng)材

對(duì)于隔離艙內(nèi)的扶強(qiáng)材剖面模數(shù)，在IGC載荷作用下，ABS、DNV和LR的規(guī)范公式如下：

式中：γ為對(duì)于型材或組合型材或雙層艙壁，γ=1.4；對(duì)于扁鋼，γ=1.6；

ω1，ω2為端部系數(shù)，可都取為 1.0；

對(duì)于橫向扶強(qiáng)材，m取為10。ABS規(guī)范中此處k仍取為12；

wk為扶強(qiáng)材的腐蝕系數(shù)，空艙wk=1.0。

將公式（10）、（11）、（12）統(tǒng)一單位后，有：

其中，對(duì)于ABS規(guī)范要求的扶強(qiáng)材，在空艙內(nèi)仍需考慮腐蝕影響，假定：

對(duì)于隔離艙橫艙壁板和扶強(qiáng)材，除上述要求以外，LR船級(jí)社還要求按IGC規(guī)則的規(guī)定考核在LNG沖擊壓力Pcoll（向前的沖擊壓力為單個(gè)貨艙重量的1/2；向后的沖擊壓力為單個(gè)貨艙重量的1/4）下的構(gòu)件強(qiáng)度。對(duì)于板厚，LR要求：

對(duì)于扶強(qiáng)材剖面模數(shù)，LR要求：

其中參數(shù)說(shuō)明如前所述。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，公式（14）和（15）對(duì)隔離艙構(gòu)件的影響不大，僅對(duì)隔離艙頂部區(qū)域的部分構(gòu)件有決定作用。

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

除IGC載荷以外，對(duì)薄膜型LNG船液貨艙的周界結(jié)構(gòu)而言，規(guī)范計(jì)算時(shí)還要滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范的其他強(qiáng)度要求，如最小尺寸、壓載深艙/試驗(yàn)壓力、最小剖面模數(shù)等，不同船級(jí)社規(guī)范在這些方面的差異更大，很難進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。

現(xiàn)以某型22萬(wàn)m3薄膜型LNG船為目標(biāo)船，給出其液貨艙周界典型構(gòu)件尺寸，按3家船級(jí)社規(guī)范計(jì)算結(jié)果的大致差異以及相關(guān)主導(dǎo)作用的規(guī)范要求，見(jiàn)表2。其中，以DNV船級(jí)社規(guī)范的計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，取為1.0。

表2 各主要船級(jí)社針對(duì)目標(biāo)船液貨艙周界上局部支撐構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算比較

經(jīng)研究，對(duì)于板而言，約3%的差異將導(dǎo)致約0.5 mm的差異。對(duì)于扶強(qiáng)材或縱骨，實(shí)際選取的構(gòu)件尺寸與要求的構(gòu)件尺寸相比，剖面模數(shù)通常會(huì)有一定的余量，但3%的差異幾乎不影響骨材的構(gòu)件尺寸。另一方面，船級(jí)社規(guī)范對(duì)于骨材的要求還有所謂的“成組”概念，即同一組骨材（尺寸和連接型式相同）的構(gòu)件尺寸，滿(mǎn)足以下的大者（如油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求［7］）：

組內(nèi)骨材要求尺寸的平均值；

組內(nèi)骨材要求最大尺寸的90%；

綜上所述，對(duì)于薄膜型LNG船，不同船級(jí)社液貨艙邊界上局部支撐構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算比較結(jié)論如下：

（1）3家船級(jí)社得到的LNG船液貨艙周界結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸大體相當(dāng)。

（2）液貨艙頂部區(qū)域的內(nèi)甲板和Chamfer斜板板厚主要由總強(qiáng)度確定。

（3）由IGC載荷決定的船體內(nèi)殼板，3家船級(jí)社的差異如式（5）所示。其中，LR和ABS的結(jié)果較接近，而ABS和DNV的主要差異在于許用應(yīng)力。

（4）由IGC載荷決定的隔離艙壁板，由于腐蝕厚度的差異（DNV不考慮隔離艙壁板的腐蝕，而ABS和LR均取為1.0 mm），LR和ABS的規(guī)范計(jì)算結(jié)果基本一致，普遍比DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果大2.0 mm。

（5）由IGC載荷決定的船體內(nèi)殼上的縱骨。由于3家船級(jí)社考慮參與總縱強(qiáng)度的方法不同：ABS采用限制許用彎曲應(yīng)力，LR和DNV采用扣除總縱應(yīng)力的方法，DNV更考慮雙殼間附加彎曲應(yīng)力的影響，因此，除中和軸區(qū)域的差異如式（9）所示外，在遠(yuǎn)離中和軸區(qū)域差異較大，DNV要求最高、LR次之、ABS要求最低。

（6）由IGC載荷決定的隔離艙上的骨材，3家船級(jí)社的差異如式（13）所示，DNV要求最高、LR次之、ABS要求最低。

（7）針對(duì)內(nèi)底縱骨以及Hopper斜板上的構(gòu)件（板和縱骨），3家船級(jí)社的決定性要求有所不同。

3 薄膜型LNG船局部支撐構(gòu)件統(tǒng)一要求的可行性

3.1 可行性及具體建議

薄膜型LNG船貨艙區(qū)局部支撐構(gòu)件包括兩部分內(nèi)容：液貨艙周界和非液貨艙周界。前者包括內(nèi)底板、Hopper斜板、內(nèi)殼、Chamfer斜板、內(nèi)甲板和雙層橫艙壁，后者則指除此之外的其他貨艙結(jié)構(gòu)。

從上述分析可以看到：除內(nèi)底和局部的Hopper斜板區(qū)域由深艙要求主導(dǎo)以外，其余液貨艙周界上的局部支撐構(gòu)件都由IGC載荷或總強(qiáng)度確定。而針對(duì)非液貨艙周界，雖然各船級(jí)社計(jì)算結(jié)果有所差異，但計(jì)算局部支撐構(gòu)件尺寸的方法是一致的，都可基于力學(xué)理論推導(dǎo)得出半解析計(jì)算公式，可參照目前IACS正在制訂的油船和散貨船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（Harmonized CSR，以下簡(jiǎn)稱(chēng) HCSR）。

因此，統(tǒng)一薄膜型LNG船局部支撐構(gòu)件要求是可行的，建議如下：

（1）非液貨艙周界腐蝕厚度tk可統(tǒng)一參照HCSR；液貨艙周界在液貨（內(nèi)裝LNG）一側(cè)的腐蝕厚度可統(tǒng)一取為0，另一側(cè)的腐蝕厚度統(tǒng)一參照HCSR。

表3給出了建議統(tǒng)一的薄膜型LNG船液貨艙周界的腐蝕厚度tcorr。與表1相比可以看到，空艙與液貨艙邊界（包括Chamfer斜板、內(nèi)甲板和橫艙壁）的腐蝕厚度要求比原船級(jí)社要求增加0.5 mm，壓載艙與液貨艙邊界則普遍將比原船級(jí)社要求增加1.0 mm，位于壓載艙頂以下3 m范圍之內(nèi)的要求增加1.5 mm。

表3 建議統(tǒng)一的薄膜型LNG船液貨艙周界的腐蝕厚度

（2）總強(qiáng)度按不同貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的型式，根據(jù)設(shè)備商（如GTT）的要求確定，但計(jì)算基于總厚度。

對(duì)于 NO96 型，有：σst+σdy≤120 MPa

其中：σst對(duì)應(yīng)為經(jīng)常使用的裝載工況（如滿(mǎn)載或壓載工況）下出現(xiàn)的靜水彎矩最大值引起的彎曲應(yīng)力，但通常不包括隔艙裝載、URS11以及壓載水置換；

σdy對(duì)應(yīng)北大西洋海況10-8概率水平下的波浪彎矩引起的彎曲應(yīng)力，可按IACS統(tǒng)一公式計(jì)算。

（3）非液貨艙周界的局部支撐構(gòu)件要求統(tǒng)一參照HCSR，但計(jì)算基于凈尺寸。

（4）液貨艙周界除按深艙邊界滿(mǎn)足HCSR要求以外，還要滿(mǎn)足IGC載荷要求。計(jì)算基于凈尺寸。

（a）對(duì)于板，建議滿(mǎn)足IGC載荷局部強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：Peq為IGC載荷，kN/m2。IGC載荷統(tǒng)一按照三維加速度橢球合成法求解［6］，載荷計(jì)算點(diǎn)取板的下緣或骨材的跨距中點(diǎn)。

αp為板格修正系數(shù)，有

其中，l為板格長(zhǎng)度，m；s為骨材間距，mm，但取值不大于1.0。

ReH為材料的最小屈服限，N/mm2。

Ca為板格許用彎曲應(yīng)力系數(shù)，取但取值不大于Ca-max。α，β和Ca-max的取值如表4所示。

表4 參數(shù)α，β和Ca-max的定義

σhg為船體梁總縱彎曲應(yīng)力，N/mm2，取：

Mv-total-p為縱向計(jì)算位置處的船體梁垂向總彎矩，kN·m；

IY為縱向計(jì)算位置處的船體梁垂向慣性矩，m4；

z為計(jì)算點(diǎn)的垂向坐標(biāo)，m；

zn為縱向計(jì)算剖面處的中和軸高度，m。

（b）對(duì)于骨材，建議滿(mǎn)足IGC載荷局部強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：Peq和 s的定義與式（16）一致。

lbdg為骨材有效跨距，m；

fbdg為邊界系數(shù)，通常：

對(duì)于連續(xù)縱骨，有fbdg=12；

對(duì)于有強(qiáng)支撐的垂直扶強(qiáng)材下端，有fbdg=10；

對(duì)于一端簡(jiǎn)支或兩端簡(jiǎn)支的垂直扶強(qiáng)材，有fbdg=7.5；

Cs為骨材的許用彎曲應(yīng)力系數(shù)，因IGC載荷作用在骨材的帶板上，因此Cs定義為：船體梁應(yīng)力σhg為負(fù)時(shí)，，但取值不大于Cs-max；

船體梁應(yīng)力σhg為正時(shí)：Cs=Cs-max。

αs，βs和 Cs-max的取值如表 5 所示。

表5 參數(shù) αs，βs和 Cs-max的定義

3.2 數(shù)值驗(yàn)證計(jì)算

以某型22萬(wàn)m3薄膜型LNG船為目標(biāo)船，按公式（16）和（17）對(duì)其液貨艙周界典型構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果如表6所示。其中，以表2中各船級(jí)社的計(jì)算結(jié)果大者為標(biāo)準(zhǔn)值，取為1.0。

表6 針對(duì)目標(biāo)船液貨艙周界上局部支撐構(gòu)件的統(tǒng)一要求計(jì)算結(jié)果比較

從表6的計(jì)算結(jié)果可以看到，按建議的統(tǒng)一要求得到的構(gòu)件尺寸均不小于按各船級(jí)社要求的計(jì)算結(jié)果，表明了統(tǒng)一要求的安全衡準(zhǔn)不低于各船級(jí)社的要求。其中部分構(gòu)件的尺寸增大是由于腐蝕厚度tcorr的影響。

因此可以認(rèn)為，建議的統(tǒng)一要求可行且合理，將有待相關(guān)船級(jí)社作進(jìn)一步的驗(yàn)證分析。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合某型22萬(wàn)m3薄膜型液化天然氣船，細(xì)致討論了不同船級(jí)社規(guī)范對(duì)液貨艙周界結(jié)構(gòu)的腐蝕厚度、局部強(qiáng)度計(jì)算公式等的異同點(diǎn)，并給出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，歸納了不同船級(jí)社規(guī)范對(duì)薄膜型LNG船的要求，探討了未來(lái)薄膜型LNG船在局部支撐構(gòu)件尺寸統(tǒng)一要求方面的可行性，并通過(guò)數(shù)值驗(yàn)證計(jì)算評(píng)估了建議方法的合理性。

［1］IMO.InternationalCode for the Construction and Equipment of ships Carrying Liquefied Gases in Bulk（IGC Code）［S］.London：IMO，1993.

［2］ABS.Guide for Building and Classing Membrane Tank LNG Vessels［R］.Houston：ABS，2008.

［3］DNV NO.31.9，Strength Analysis of Hull Structure in Liquefied Gas Carriers with Membrane Tanks［S］.Norway：DNV，2008.

［4］LR.Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships for the Carriage of Liquefied Gases in Bulk［S］.London：LR，2008.

［5］中國(guó)船級(jí)社.薄膜型液化天然氣運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］吳嘉蒙，呂立偉，蔡詩(shī)劍.液化天然氣船貨艙內(nèi)部壓力研究［J］.上海造船，2011，85（1）：37-42.

［7］IACS.CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers［S］.London：［s.n.］，2010.