21000m3乙烯運輸船的優(yōu)化設計

朱 彥，洪 濤，李小靈

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

21000m3乙烯運輸船的優(yōu)化設計

朱 彥，洪 濤，李小靈

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

液化氣船是一種高技術、高附加值的船舶。隨著國際市場對LNG能源需求的強勁增長，加速其副產品LPG的供應上升，液化氣船的市場也隨之活躍起來。針對江南造船新承建的Petredec Limited的21000m3乙烯運輸船，介紹其基本設計，包括船型參數(shù)設計、基本布置設計和基本結構設計；比較以往的20000m3液化氣船的優(yōu)化設計，包括船東的使用和現(xiàn)場建造的反饋而進行的優(yōu)化，以及為提高結構強度的可靠性和合理性開展的大量有限元計算而進行的優(yōu)化。通過對項目船的優(yōu)化設計研究，江南造船對該型液化氣船的設計和建造技術更成熟、經驗更豐富，為占領該型液化氣船的市場打下了更堅實的基礎。

乙烯運輸船；C型獨立液艙；優(yōu)化設計

0　引言

自2011年以來，液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）船運費持續(xù)攀升。同時，由于比例過高的大批建于20世紀的LPG船已難以滿足租家的檢驗要求而無法獲得租約，其拆解量也在繼續(xù)攀升。目前國際社會對液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）需求的強勁增長也推動其副產品LPG供應上升，國際市場上LPG運量增長超過運力供應的趨勢還將延續(xù)。船東收益的持續(xù)上升和運力規(guī)模緩慢增長的前景，使得LPG船相對于其他船型的投資價值愈加凸顯。

江南造船（集團）有限責任公司自20世紀80年代開始涉足液化氣船的建造，其中主要有臺塑的16500m3的半冷半壓式的液化氣船、英國Navigator Gas L.L.C.的21000m3半冷半壓式的乙烯液化氣船、Petredec Limited的22000m3的半冷半壓式液化氣船等。

以江南造船新承建的Petredec Limited的21000m3半冷半壓式的乙烯運輸船為背景，對該項目所開展的優(yōu)化設計工作進行了探討。

1　船舶概述

液化氣船屬于容積型船舶，在同等主尺度下，追求艙容最大化與船舶性能的平衡是該項目船的主要設計目標之一。

項目船入DNV-GL船級，掛新加坡旗，2G型，包含4個獨立C型液貨艙，液貨艙最低設計工作溫度為-104℃，最大設計工作壓力為530kPa，可以裝載乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、VCM（氯乙烯單體）、NH3（無水氨）等液化氣貨品［1］。

1.1 布置設計

考慮此型液化氣船在歐洲?？看a頭有160m船長的限制，所以該項目船總長定在159.99m，同時型寬為24.8m，型深為16.7m，結構吃水為9.4m。

1） 基于浮態(tài)、布置等方面因素的考慮，壓縮機房布置在第一貨艙和第二貨艙間的主甲板上，這一布置有利于管系放樣，考慮到現(xiàn)代造船模式的預裝成組技術應用和提高建造效率，壓縮機房和惰性氣體房一體式設計，將壓縮機系統(tǒng)預裝成1個獨立單元后直接安裝上船；

2） 基于維持船舶左右平衡的考慮，將艙容為200m3的圓柱形甲板罐布置在第一貨艙主甲板中心線處；

3） 艏部設置燃油儲存艙和燃油溢流艙，同時艏部設立應急消防泵艙和應急海底門；燃油艙保護設計采用確定性方式，即設置燃油艙雙殼以降低燃油泄漏風險；燃油艙在機艙區(qū)域內加設隔離空艙，保證其與機艙A類機器處所的公共接觸面≤2；

4） 應急發(fā)電機室與A類機器處所區(qū)域共邊界處在甲板上設置隔離空艙以滿足船級社規(guī)范要求；

5） 從充分利用容積的角度考慮，雙層底不設管弄，采用環(huán)形總管的形式設計壓載管系；壓載閥布置于雙層底與液貨艙的空艙內部；

6） 液貨設備主要布置有：① 裝卸貨系統(tǒng)深井泵、增壓泵、貨物加熱/蒸發(fā)器、乙烯蒸發(fā)器；② 布置在開敞甲板處的貨物壓縮機房內的再液化系統(tǒng)；③ 安全輔助系統(tǒng)惰氣/通風系統(tǒng)、氮氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、應急切斷系統(tǒng)（Emergency Shutdown，ESD）、可燃氣體探測系統(tǒng)、高位和高高位報警系統(tǒng)等［2］。該液化氣船總布置見圖1。

圖1　液化氣船總布置

1.2 裝載計算

根據(jù)船東與租家的協(xié)議及要求，該船主要考慮的裝載工況為部分裝載密度為0.972t/m3的VCM，滿載密度為0.57t/m3的乙烯、0.54t/m3的乙烷、0.613t/m3的丙烯、0.583t/m3的丙烷、0.624t/m3的丁烯、0.6t/m3的丁烷和0.683t/m3的NH3。同時甲板罐作裝載計算時主要考慮滿載密度最大的VCM。所有的液貨裝載也可以部分裝載，裝載工況分進、出港工況。經過計算，該船的完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性均滿足國際海事組織（IMO）、國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)則（IGC Code）、DNV-GL規(guī)范的要求。

另外考慮強度問題，在進行裝載計算時加入進、出港的正常壓載工況以及過巴拿馬運河的裝載工況。

2　液貨艙及支承結構設計

液貨艙、液貨系統(tǒng)的設計和布置是液化氣船的建造關鍵，該船為C型獨立液艙，按相關壓力容器設計標準設計，無須設置次屏蔽［3］。液罐因需要裝載乙烯，所以其最低設計溫度為-104℃，用5Ni鋼建造，沖擊試驗溫度-110℃。液罐設計的最大液貨壓力為530kPa，最大液貨密度滿載時0.7t/m3、部分裝載時為0.972t/m3，最大外部超壓為30kPa。根據(jù)液貨維護系統(tǒng)要求，液罐外設230mm的預制式絕緣，液罐封頭形式為球形封頭。

每個液貨艙由一個固定鞍座和一個滑動鞍座支持，由船體變形和溫度變化引起的縱向變形可以通過滑動鞍座吸收。鞍座由環(huán)氧樹脂、層壓木、止移扁鋼和墊板構成，對于滑動鞍座還有一塊不銹鋼薄板。每個鞍座由船體5個強框支撐，也就是說液罐本身的重量和液貨的重量均由這些船體結構強框吸收再傳遞給整個船體梁。

液罐與鞍座所在同一平面內還設置加強環(huán)。加強環(huán)左右兩側設止浮裝置，能有效承受當某一貨艙處進水時對相應液罐引起的向上浮力，而不會危及液罐和船體結構。

固定鞍座結構見圖2，滑動鞍座結構見圖3。

圖2　固定鞍座結構

圖3　滑動鞍座結構

每個液罐上設立氣室和深井泵基座，在深井泵正下方液罐底部設立集液槽。該船由于受到貨物的低溫要求影響，對于液貨艙周圍的船體結構及支承鞍座的材料選取需要借助溫度場計算來確定鋼材的材料等級。利用軟件熱傳學原理設定外部海水溫度為0℃、大氣溫度為5℃［3］進行計算，可以得出各部分船體結構和液罐鞍座的溫度分布，并根據(jù)IGC Code關于船體結構的最低計算溫度對應要求的船體結構板材和型材的鋼級和允許的最大厚度來選取結構鋼級。

3　結構設計優(yōu)化

該船結構設計方案經過規(guī)范計算和有限元計算分析，滿足IGC Code、DNV-GL規(guī)范的要求。

3.1 總縱強度計算

通常的總縱強度計算如根據(jù)GL規(guī)范，就是對船體的總縱彎曲應力和船體剖面的剪應力的計算。

根據(jù)規(guī)范，船體梁的波浪彎矩和剪力是根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算得出。所以在船體梁的最大設計靜水彎矩和剪力已經確定的情況下，降低總縱彎曲應力主要依靠提高船體梁的剖面模數(shù)，而降低船體梁的剪切應力主要是提高外板板厚和增大船體梁剖面對水平中和軸計算的慣性矩。在結構設計前期，根據(jù)裝載手冊數(shù)據(jù)，提取靜水彎矩、剪力最大值，酌情加放余量得到靜水彎矩、剪力包絡線。并利用船級社專業(yè)軟件以此包絡線為數(shù)據(jù)進行總縱強度校核，其次再校核規(guī)范下的船體結構局部強度。

3.2 直接計算

對該船進行了大量的有限元直接計算，主要包括貨艙段有限元計算、甲板罐基座加強計算、系泊加強計算、甲板機械加強計算、浮冰沖擊作用下的艏部舷側結構計算等，用以考察結構的強度和剛度。

3.2.1 艙段有限元計算

按照IGC Code要求，艙段有限元計算時，結構模型包括一個完整的液貨艙及相鄰的鞍座與船體結構，邊界模型可選半艙模型。艙段模型的前后端面可用一般對稱條件約束［4］。鞍座結構上的層壓木、環(huán)氧樹脂等用串聯(lián)方式模擬成彈簧單元，其他結構用板單元、桿單元建立模型。按照IGC Code，C型獨立液艙直接計算的載荷主要計及靜水壓力載荷、貨物裝載、海水的作用力、結構自重以及調平附加載荷、液貨艙和貨物重量的0.5倍向前沖力和0.25倍向后沖力、船體橫傾到30°時產生的重力分值，并將其進行載荷組合［4］。艙段模型的左半部分模型范圍見圖4。

經過艙段有限元計算，對于不滿足結構屈服強度要求的結構通過增加板厚、提高鋼材等級等方式使之滿足屈服強度要求；而不滿足屈曲強度要求的結構主要通過增加屈曲筋、增加板厚的方式改善板格參數(shù)使之滿足屈曲強度要求；另對于部分不滿足剛度要求的結構，主要通過改善此處結構的剛性連接條件增加剛度。艙段模型的左半部分屈服應力結果見圖5。

圖4　左半部艙段模型

圖5　左半部艙段屈服應力結果

3.2.2 甲板罐基座加強計算

甲板罐放置在1號液貨艙甲板中心處，裝載計算工況為滿載0.972 t/m3的VCM，其支座結構主要承受液罐自重和液貨載荷，同時考慮船舶運動的慣性力以及船舶橫傾30°時各有效質量沿斜面產生的重力分量。經過有限元計算分析，發(fā)現(xiàn)在垂蕩工況下，考慮100%的垂向加速度，后鞍座處甲板向下變形很大（見圖6），即甲板罐鞍座的剛度不夠，這和甲板罐處于艏貨艙中心位置處而無相對比較強的剛性支承有關，需要提高其剛性支承條件。經過分析及反復計算給出在后鞍座正下方提高甲板橫梁的剖面模數(shù)并將甲板橫梁盡可能向兩舷延伸，改善甲板罐鞍座的剛性支承以滿足甲板的變形要求，同時也滿足DNV-GL規(guī)范關于液化氣船的檢驗要求（見圖7）。

3.2.3 系泊和甲板機械加強計算

船的艏艉和主甲板系泊較以往布置都有變化。主甲板新加了系泊絞車、帶纜樁以及相應的舷側導纜孔，同時系泊絞車有3個出繩方向，考慮載荷為120t（見圖8）。有限元計算模型載荷考慮1.25倍系數(shù)即為1470kN［4］。通過計算在主甲板下對應絞車基座帶纜方向的腹板下設置短甲板強橫梁以滿足結構強度要求。按照船東要求，系泊繩索由鋼質繩索改成合成纖維索，根據(jù)石油公司國際海事論壇（OCIMF）的換算，繩索的破斷力增大，造成系泊的加強需要根據(jù)新的載荷設計。另外艏艉應急拖帶按照船東要求布置成強點式，所有的導纜孔均改為閉式導纜孔等，所以該船進行了大量的系泊有限元計算，并根據(jù)計算結果給出了合理的船體結構加強方案。圖9為主甲板系泊絞車基座加強；圖10為主甲板系泊絞車其中H10出繩方向的屈服應力結果。

圖6　甲板變形

圖7　甲板結構

圖8　主甲板系泊絞車布置

圖9　主甲板系泊絞車基座加強

圖10　H10出繩方向的屈服應力結果

主甲板油管吊的加強也進行了有限元計算，并考慮了加速度下的吊臂載荷。根據(jù)計算結果提高了甲板強橫梁和短縱桁的剖面模數(shù)以及鋼材等級。

3.2.4 艏部貨艙舷側結構直接計算

隨著氣候變暖，北極航線的開通和北極地區(qū)油氣資源的開發(fā)會給人類帶來巨大的利益，冰區(qū)船舶的前景相當廣闊，許多造船強國紛紛開始了破冰船和航行于冰區(qū)船舶的研究。該船為保證良好的快速性和艙容最大化，第一貨艙布置緊湊，不設底邊艙，且為單舷側結構，尤其是舷側強肋骨與液罐間隙很小，而艏貨艙位于艏部冰帶區(qū)域，其冰載荷明顯高于其他區(qū)域，在冰載荷及外部水壓聯(lián)合作用下，剛度相對較小的艏貨艙舷側結構產生明顯的位移變形，尤其是舷側強肋骨的橫向變形，很有可能直接影響到液罐的安全。此外冰區(qū)船舶在實際運營中有可能遇到更大的冰載荷，舷側構件應力超過材料屈服強度，從而產生塑性變形的凹坑。所以針對自有的結構特點，結合芬蘭-瑞典冰區(qū)規(guī)范（FSICR）中ICE-1B冰級規(guī)范的要求，開展了艏部貨艙冰帶結構的強度分析和外板塑性變形分析，同時對計算結果進行對比，通過優(yōu)化結構和設計新結構形式和尺寸，保證船在ICE-1B冰區(qū)航行的結構可靠性，提高該船型的適用范圍和市場競爭力。圖11為艏艙段船體結構左半部模型，圖12為艏艙段外板變形。

圖11　艏艙段船體結構左半部模型

圖12　艏艙段外板變形

4　其他優(yōu)化設計

在設計期間針對船東和租家的要求以及其他以往船東的使用反饋進行了很多結構優(yōu)化。

1） 考慮腐蝕的因素，艏部燃油艙與錨鏈艙之間設置隔離空艙；

2） 貨艙區(qū)壓載艙的吸口布置優(yōu)化，同時對雙層底每個壓載艙的實肋板、縱骨、縱桁的流水孔也作了布置優(yōu)化；

3） 重燃油沉淀艙添加斜底，有利于雜質顆粒的沉淀收集，便于重燃油的凈化；

4） 油渣艙分設成燃油油渣艙和滑油油渣艙，方便經分油機分離后的各品油的收集，利于環(huán)保；

5） 主甲板在4貨艙上設置系泊絞車，左右舷方向帶纜，便于船舶的停靠；

6） 上層建筑平臺加寬，保證船員行走的上層建筑圍壁到邊緣的欄桿的梯道凈寬＞700mm；

7） 艏艉舷墻上的流水孔按照國際船舶載重線公約（ILLC）有關最小排水舷口面積進行新的布置；

8） 機艙及上層建筑吊口擴大，方便船東和租家后期的檢修。

5　結語

該船經過不斷的優(yōu)化后，布置更合理、結構更可靠、更具市場競爭力。而目前國際航運市場對液化氣船的需求還在持續(xù)增長，同時已有一大批新的規(guī)范、規(guī)則從2016年1月1日起生效，諸如氮氧化物排放TIERIII、新的IGC Code、機艙兩條逃生通道等，可能需要從更新布置上考慮進一步的優(yōu)化，以保持江南液化氣船的品牌效應。

［1］ 葉彼得. 22000m3半冷半壓式液化氣船建造技術［J］. 船舶工程，2005 （27）: 95-98.

［2］ 馬杰. 22000m3液化氣船液貨系統(tǒng)建造技術分析［J］. 江南造船，2011 （6）: 12-16.

［3］ IMO. International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk （IGC CODE）［S］. 2006.

［4］ 鄭凡. 21000m3LEG運輸船結構設計［J］. 江南造船，2014 （2）: 1-4.

Design Optimization of 21000m3Ethylene Carrier

ZHU Yan，HONG Tao，LI Xiao-ling
（Jiangnan Shipyard （Group） Co.，Ltd.，Shanghai 201913）

Liquefied gas carrier is a kind of ship with high-tech and high value. As the demand for LNG energy in the international market grows rapidly，the supply of its byproduct - liquefied petroleum gas （LPG） increases and the market of liquefied gas carrier becomes flourishing. Taking the new 21000m3Ethylene Carrier built by Jiangnan Shipyard for Petredec Limited as example，this paper introduces the basic design including main particulars，general arrangement and basic structures. Its optimization is compared with that of the former 20000m3liquefied gas carrier，where the feedbacks both from ship owners and from on-site construction are considered and the substantial finite element calculations are carried out in order to improve the reliability and rationality of the structure. Through the design optimization investigation on this ship，Jiangnan shipyard has accumulated more experience on the design and construction of this type of the liquefied gas carrier，which paves the way for it to enter the liquefied gas carrier market.

ethylene carrier； type C independent tank； design optimization

U674.13+3.3.02

A

2095-4069 （2016） 03-0016-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.003

2015-07-28

朱彥，女，工程師，1983年生。2006年畢業(yè)于江蘇科技大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結構開發(fā)、設計工作。