淺析獨(dú)立C型貨艙設(shè)置制蕩艙壁的必要性

時(shí)光志 盛蘇建

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.0 制蕩艙壁的研究現(xiàn)狀

制蕩艙壁，是指為降低液貨艙內(nèi)液體劇烈晃動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力而設(shè)置的帶孔艙壁。對(duì)于沿縱向布置的液艙，部分裝載就會(huì)產(chǎn)生晃蕩載荷。當(dāng)液體晃蕩的自然頻率接近船舶的縱搖頻率時(shí)，液體的晃動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)發(fā)生諧振，對(duì)液貨罐的封頭產(chǎn)生很大的沖擊力。在設(shè)計(jì)中，通常設(shè)置制蕩艙壁來改變艙內(nèi)液體的晃動(dòng)頻率，以減小對(duì)液貨罐結(jié)構(gòu)的破壞。

由于制蕩艙壁其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)作用，往往將其處于晃蕩分析之中，而單獨(dú)對(duì)制蕩艙壁的研究，不管在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都是不多見的。國(guó)外的規(guī)范中，也是主要考慮晃蕩載荷對(duì)貨艙的影響。國(guó)內(nèi)，中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2009）中對(duì)貨船的制蕩艙壁上的開口面積、開口邊緣加強(qiáng)、艙壁板及其扶強(qiáng)材、垂直桁材及水平桁材都作了相應(yīng)的規(guī)定。根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》結(jié)構(gòu)分冊(cè)中第三篇第三章液化氣體船的相關(guān)規(guī)定，制蕩板的板厚與扶強(qiáng)材的計(jì)算可參照船級(jí)社規(guī)范中對(duì)貨船的制蕩艙壁要求。國(guó)內(nèi)的主要科研院所近年來對(duì)制蕩的方面探索也取得了一定的成果。比如：華南理工大學(xué)的黎志昌、方江敏、付小方對(duì)某6000m3的C型獨(dú)立液貨艙進(jìn)行三維載荷計(jì)算，并根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果，對(duì)C型獨(dú)立液貨艙防流體沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定[1]，該結(jié)果可為類似的計(jì)算分析提供一定的技術(shù)支持與參考；格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學(xué)的劉楨兵運(yùn)用 CFD計(jì)算軟件Fluent 6.3模擬了單激勵(lì)和耦合激勵(lì)下不同艙室結(jié)構(gòu)以及不同幅度的液艙晃蕩，并計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力，得到了晃蕩在激勵(lì)下的變化規(guī)律[2]。

鑒于國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)于LNG船液貨罐中制蕩艙壁的結(jié)構(gòu)型式，特定類型的開孔的數(shù)目、扶強(qiáng)材的選擇并無十分明確而詳細(xì)的規(guī)定。研究LNG船液貨罐制蕩艙壁設(shè)置的必要性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)型式等進(jìn)行研究仍然是十分必要和具有實(shí)際意義的。

2.0 獨(dú)立C型貨艙制蕩艙壁設(shè)置必要性分析

2.1 初步估算艙內(nèi)液體自然晃蕩和船舶縱搖周期的經(jīng)驗(yàn)公式

通過以下公式分別確定液貨的自然晃蕩周期和船舶的縱搖周期通過比較兩者周期，來初步確定設(shè)置制蕩艙壁的必要性。

圓筒形液艙內(nèi)液體的縱向自然振蕩周期可按下式計(jì)算[3]：

l—— 艙長(zhǎng)，m；

h—— 充裝高度，m；

D—— 液艙直徑，m。

式中：Tp—— 船舶縱搖周期，s；

L—— 船長(zhǎng)，m；

Cp—— 縱搖周期系數(shù)，貨船取0.54～0.72，油船（艉機(jī)型）取 0.80～0.91。

2.2 某小型LNG船主尺度及C型獨(dú)立液貨罐主要信息

本節(jié)介紹了某小型LNG主尺度與其3200m3液貨罐的主要信息。

表1 某小型LNG船主尺度表

2.3 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初步估算的周期比較結(jié)果

根據(jù)2.1所示的公式，計(jì)算典型的裝載水平，即5%l，10%l，70%h，80%h，95%h 下液貨的自然振蕩周期，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 典型裝載水平下的液貨的自然振蕩周期計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.1所示的公式，計(jì)算部分裝載水平，即25%h，30%h，40%h，50%h，60%h 下液貨的自然振蕩周期，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 部分裝載水平下的液貨的自然振蕩周期計(jì)算結(jié)果

根據(jù) 2.1所示的公式， 取 Cp=0.54，0.58，0.62，0.66，0.72下的船舶縱搖周期系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同縱搖周期系數(shù)下的船舶縱搖周期

計(jì)算典型裝載水平下自然振蕩周期與船舶縱搖周期的比值，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 典型裝載水平下自然振蕩周期與船舶縱搖周期的比值

將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線圖，如圖1所示。

圖1 典型裝載水平下自然振蕩周期與船舶縱搖周期的比較圖

分析表5的計(jì)算結(jié)果與圖1的變化規(guī)律，可得出如下推斷：在液艙內(nèi)液體裝載高度在10%（3.52m）左右時(shí)，液貨的自然振蕩周期與船舶縱搖周期比較接近，可能對(duì)罐體有較大的沖擊影響。

表6 部分裝載水平下自然振蕩周期與船舶縱搖周期的比值

將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線圖，如圖2所示。

圖2 部分裝載水平下自然振蕩周期與船舶縱搖周期的比較圖

分析表6的計(jì)算結(jié)果與圖2的變化規(guī)律，可得出如下推斷：根據(jù)不同的縱搖周期系數(shù)，在液艙內(nèi)液體裝載高度在25%～50%左右時(shí)，液貨的自然振蕩周期與船舶縱搖周期比較接近，可能對(duì)罐體有較大的沖擊影響。

2.4 結(jié)論

綜合以上典型裝載狀態(tài)與部分裝載狀態(tài)的分析結(jié)果，可以認(rèn)為所研究的C型獨(dú)立液貨罐，在液貨部分裝載狀態(tài)下，其自然振蕩周期有可能與船舶的縱搖周期相接近，有可能對(duì)罐體產(chǎn)生較大的沖擊影響，故有設(shè)置制蕩艙壁的必要。在下一步的獨(dú)立C型液貨艙研究和設(shè)計(jì)中務(wù)必對(duì)各種裝載水平下的晃蕩載荷進(jìn)行計(jì)算分析，以便設(shè)計(jì)出型式及結(jié)構(gòu)合理的制蕩艙壁，滿足小型LNG船要適應(yīng)各種裝載水平的作業(yè)要求。

3.0 獨(dú)立C型貨艙制蕩艙壁的型式介紹

制蕩艙壁的型式可分為平板型和半球面型。一般情況下，制蕩艙壁設(shè)置成平直的穿孔壁，工藝簡(jiǎn)單且性能良好；貨罐長(zhǎng)度過大時(shí)，制蕩艙壁也設(shè)置成半球形穿孔壁，制作工藝較平壁復(fù)雜，成本較高，但可以有效地改善液艙內(nèi)貨物的晃蕩周期，從而減小對(duì)罐壁的沖擊力。制蕩艙壁一般設(shè)置在與液貨艙內(nèi)加強(qiáng)環(huán)同一平面內(nèi)，通過彈性構(gòu)件與內(nèi)部的加強(qiáng)環(huán)連接，以吸收彈性變形。

圖3表示了制蕩板與加強(qiáng)環(huán)之間的連接情況，圖4為一半球面型制蕩艙壁的實(shí)圖照片。

圖3 制蕩板與加強(qiáng)環(huán)連接

圖4 半球面型制蕩艙壁

4.0 結(jié)束語

通過對(duì)獨(dú)立C型貨艙制蕩艙壁的研究現(xiàn)狀及規(guī)范要求進(jìn)行了調(diào)研，得出對(duì)LNG船液貨艙制蕩艙壁設(shè)置的必要性及結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行研究還是十分必要的。本文通過經(jīng)驗(yàn)公式估算液貨自然晃蕩的周期和不同縱搖系數(shù)下船舶縱搖周期，并比較分析，得出在液貨部分裝載狀態(tài)下，其自然振蕩周期有可能與船舶的縱搖周期相接近，有可能對(duì)罐體產(chǎn)生較大的沖擊影響，故設(shè)置制蕩艙壁是十分必要的。最后介紹了現(xiàn)有的兩種制蕩艙壁的型式，供小型LNG船制蕩艙壁的設(shè)計(jì)參考。

【1】黎志昌,方江敏,付小方.LNG運(yùn)輸船C型獨(dú)立液貨艙載荷及應(yīng)力分析.船舶工程,2011(1):1-4

【2】劉楨兵.基于VOF法的液艙晃蕩數(shù)值模擬及載荷計(jì)算.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(3):28-33

【3】丁玲,馬坤.中小型LNG運(yùn)輸船液貨罐設(shè)計(jì)技術(shù).船舶,2010(1):26-29