A型液艙超大型全冷式液化氣船結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李海洲，李小靈，陳建平

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

A型液艙超大型全冷式液化氣船結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李海洲，李小靈，陳建平

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

超大型全冷式液化氣船（VLGC）是液化氣船中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的船型，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是該高附加值船型的關(guān)鍵點和難點。從VLGC結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，闡述了中橫剖面設(shè)計、溫度場計算、菱形液艙設(shè)計、支承系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)布置、低溫鋼焊接、晃蕩分析及有限元強度和振動分析等，通過近600項工藝評定，攻克了關(guān)鍵技術(shù)。這些研究為該型船舶的成功研制和實船建造打下了堅實基礎(chǔ)。

超大型全冷式液化氣船；結(jié)構(gòu)設(shè)計；獨立菱形液艙；載荷；強度

1 船型概述

超大型全冷式液化氣船（Very Large Gas Carrier，VLGC）一般裝載包括液態(tài)丙烷、丙烯、丁烷、丁烯及其他石化制品等液貨，其艙容一般在78000～85000m3，該船型承擔(dān)了全球大部分LPG的運輸業(yè)務(wù)，見圖1。

圖1　中國第一艘超大型全冷式液化氣船

VLGC具有連續(xù)主甲板，機(jī)艙和上層建筑位于艉端，方艉，艉部采用下沉甲板，艏部無艏樓。再液化裝置和甲板罐布置在主甲板上，根據(jù)相關(guān)要求主甲板以上布置了前后通道。VLGC具有一般液貨船的特點，設(shè)連續(xù)主甲板，菱形液艙氣室位置設(shè)有甲板開孔，寬度約為船寬的1/5。

2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

VLGC設(shè)計采用TYPE A型獨立菱形液艙作為貨物維護(hù)系統(tǒng)主屏壁，獨立菱形液艙與主船體之間采用特殊設(shè)計的支承座系統(tǒng)連接，這也是VLGC船型設(shè)計的一大特點。

船體的中橫剖面與散貨船相似，單層甲板，雙層底，單舷側(cè)，帶有頂邊艙和底邊艙，單舷側(cè)為橫骨架式，其余采用縱骨架式。

VLGC的液艙形式按IGC劃分為TYPE A型液艙，其設(shè)計溫度一般為-50℃，根據(jù)IGC要求必須設(shè)置完整次屏壁，即獨立菱形液艙外側(cè)的船體結(jié)構(gòu)，包括主甲板、斜頂板、舷側(cè)外板、斜底板和內(nèi)底板。

VLGC中橫剖面的設(shè)計特點主要有：

1） 在船體與液艙之間布置有不同功能的支承座；

2） 船體鋼板和型材的鋼級種類多樣，由溫度場計算結(jié)果決定；

3） 縱桁的布置跟一般船型的傳統(tǒng)布置不同，根據(jù)支承座的布置而定，主要考慮有利于獨立菱形液艙載荷的有效傳遞；

4） 根據(jù)TYPE A型獨立菱形液艙船舶的受力特點，底邊艙的設(shè)計采用實肋板形式，以有效承擔(dān)外側(cè)垂向支承座帶來的較大載荷；

5） 頂邊艙在止浮裝置對應(yīng)位置也采用額外加強的強框形式，以有效抵抗船舶發(fā)生意外時大艙進(jìn)水情況下獨立菱形液艙上浮所產(chǎn)生的載荷，達(dá)到保護(hù)船體此處結(jié)構(gòu)安全的目的。

3 溫度場分布計算

根據(jù)設(shè)計要求，VLGC裝載低溫貨品處于營運狀態(tài)時，獨立菱形液艙（亦稱作主屏壁）需滿足設(shè)計溫度（≈-50℃）的要求。由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此溫度，根據(jù)熱力學(xué)的原理，熱量將從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，在平衡狀態(tài)時，將在外界環(huán)境和主屏壁之間的溫度呈現(xiàn)-50℃至常溫的梯度分布。同時，A型艙的設(shè)計需要考慮主屏壁破損后，次屏壁容納低溫液貨的情況，即次屏壁處于設(shè)計溫度的狀態(tài)。

船舶上鋼板和型材的工作溫度＜-30℃時，必須使用符合相應(yīng)要求的低溫鋼（IGC和船級社對低溫鋼材料有具體的規(guī)定和要求）；在0～-30℃選用對應(yīng)級別的鋼材，材料的選擇同時還跟板厚有關(guān)。

要確定鋼材等級，則首先要確定各個位置鋼材的溫度分布情況，必須進(jìn)行溫度場計算。需要注意的是，基于A型獨立菱形液艙的設(shè)計理念，IGC對溫度場分析要求為，溫度場計算的假定前提為直接接觸泄漏液貨次屏壁處處于設(shè)計溫度，而不是主屏壁處。溫度場計算IGC或船級社規(guī)范并沒有規(guī)定或推薦的具體方法，一般需要考慮熱傳導(dǎo)和對流，隨著計算理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也可考慮熱輻射和翼翅效應(yīng)（fin effects），計算區(qū)域包括頂邊艙、底邊艙和雙層底，以及與貨艙相鄰的艏部區(qū)域和機(jī)艙區(qū)域。當(dāng)然，最終的計算結(jié)果需要得到船級社的認(rèn)可。

根據(jù)IGC的要求，環(huán)境溫度為空氣5℃，海水0℃，考慮平浮和橫傾兩種情況，圖2所示為船舶橫傾30°時的溫度場分布情況。

另外，根據(jù)VLGC的實際航線，一般還需要滿足USCG的相關(guān)要求，所以還需要考慮USCG規(guī)定的環(huán)境溫度下溫度場計算結(jié)果對其要求位置鋼級選擇的影響。

圖2　IMO的橫傾30°的溫度場分布

4 結(jié)構(gòu)布置

IGC對船體結(jié)構(gòu)與液艙之間的通道或檢查的距離有明確的要求（見圖3、4），圖中所標(biāo)的要求尺寸都為凈空。對于液化氣船，液貨艙的艙容是該船型重要的指標(biāo)，為了提高艙容，在船體尺度固定的前提下，就只能盡量放大液艙；這樣通道本身的要求和艙容指標(biāo)對船體與液艙之間距離的要求就成了一對矛盾體，必須進(jìn)行綜合權(quán)衡。

圖3　通道要求

圖4　通道和檢查距離要求

因此，在結(jié)構(gòu)布置時，必須著重考慮這兩方面對通道和檢查距離的要求，進(jìn)行綜合評估和設(shè)計。尤其是位于艏部貨艙區(qū)域船體舷側(cè)大肋骨與獨立菱形液艙的間距，鑒于其對后期設(shè)計的影響巨大，于是在前期的時候就必須布置到位，到詳細(xì)設(shè)計時再精細(xì)化考慮，可能會對實際的結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計造成非常大的影響。

5 獨立菱形液艙設(shè)計

IGC定義，A型獨立菱形液貨艙應(yīng)按照結(jié)構(gòu)分析程序的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

對液艙進(jìn)行設(shè)計和結(jié)構(gòu)校核時，必須考慮以下載荷的合理組合：

內(nèi)部壓力，外部壓力，船舶運動引起的動載荷，熱應(yīng)力，動載荷，支承系統(tǒng)處由液艙和貨物重量引起的反作用力等。

規(guī)范計算用的載荷主要為液貨的靜載荷及在船舶運動時所引起的液貨加速度所產(chǎn)生的壓力，而其中的加速度按照IGC推薦的經(jīng)典橢圓法或橢球法。各個船級社針對液貨艙結(jié)構(gòu)的板材和型材的尺寸都有對應(yīng)的船級社規(guī)范要求，這樣就可以計算液貨艙的結(jié)構(gòu)尺寸從而可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖5）。

圖5　獨立菱形液艙典型橫剖面

液貨艙是通過支承系統(tǒng)與船體連接，上述校核液貨艙結(jié)構(gòu)尺寸的方法針對支承系統(tǒng)附近的結(jié)構(gòu)是不適用的。支承系統(tǒng)及其附近的結(jié)構(gòu)不但承受液貨艙和船體之間載荷的傳遞，而且還必須考慮在船舶運動中這些接觸位置的變形所帶來的影響，一般采取直接計算方法。

6 液艙晃蕩載荷分析

IGC規(guī)定，當(dāng)液貨艙準(zhǔn)備部分裝載時，應(yīng)考慮船舶運動引起的晃蕩會產(chǎn)生較大載荷的風(fēng)險。針對A型獨立液艙的設(shè)計，由于其一般無裝載限制，所以需要進(jìn)行晃蕩計算。

在船舶營運中，未裝滿的液艙液體會發(fā)生晃蕩，它是非常復(fù)雜的流體運動現(xiàn)象，必須要用高級別的非線性方法進(jìn)行計算分析，評估由于晃蕩引起的沖擊載荷。由于其即使在很小的外部激勵下，亦可能產(chǎn)生激烈的晃蕩現(xiàn)象和破壞作用，所以晃蕩載荷評估和結(jié)構(gòu)強度分析就顯得尤為必要（見圖6）。

圖6　晃蕩壓力計算結(jié)果

7 支承系統(tǒng)設(shè)計

獨立菱形液艙與船體間通過支承系統(tǒng)有效連接。獨立菱形液艙的支承系統(tǒng)一般由以下支座組成：1） 垂向支座（Vertical Support）；2） 防橫搖支座（Anti Rolling）；3） 縱向限位支座（Longitudinal Fixation）；4） 止浮裝置（Anti-Floating Device）。

獨立菱形液艙整體放置于船體大艙中，其垂直方向向下的重力及加速度引起的載荷由垂向支承座承擔(dān)；在液艙的頂部和底部中間設(shè)置有防橫搖支座，用來限制液艙相對船舶左右方向的運動和位移；液艙相對船舶縱向方向的運動和位移則由縱向限位裝置來限制；當(dāng)發(fā)生意外船舶大艙破艙進(jìn)水時，獨立菱形液艙由于浮力上浮，止浮裝置的作用就是防止該浮力對船體結(jié)構(gòu)造成損傷。

獨立菱形液艙及其所裝載貨物的重量均通過支承結(jié)構(gòu)傳遞到主船體結(jié)構(gòu)，同時還需要考慮主船體在波浪中的運動、液艙內(nèi)部貨物運動引起的動載荷。

支承系統(tǒng)是連接船體與菱形液艙的樞紐，三者之間的載荷傳遞關(guān)系非常復(fù)雜，利用普通的規(guī)范計算難以評估其構(gòu)件尺寸，必須借助于直接計算法，即建立一個包括主船體、獨立菱形液艙和支承系統(tǒng)在內(nèi)的三維有限元模型，根據(jù)相關(guān)規(guī)范施加一定的邊界條件和載荷，考核其在各個裝載工況下的變形和受力情況，并依據(jù)船級社提供的應(yīng)力衡準(zhǔn)校核支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計者需根據(jù)其作用和特點選取不同的支座類型，采取相應(yīng)的設(shè)計方案。

一般的支承座分為與液艙連接的部分和與船體連接的部分，它們之間設(shè)置了層壓木和環(huán)氧，以保證剛性支座之間具有一定的彈性連接。同時，由于每個獨立菱形液艙底部布置約 40多個支座，在設(shè)計支座時就考慮預(yù)留用于建造階段液艙安裝調(diào)節(jié)時工裝的位置，以滿足整個獨立菱形液艙的高精度的吊裝要求。

在設(shè)計止浮裝置時，亦提前考慮到后期的工法策劃，比如液艙整吊的吊碼做成與止浮裝置一體的永久吊碼，并同時進(jìn)行有限元校核。

在設(shè)計支承系統(tǒng)時，必須重點考慮工廠實際施工時的精度要求和液艙吊運及安裝要求去匹配。比如＞1000t的液艙整吊，其底部40多個支座需要定位安裝，如何在保證精度的要求下調(diào)整到位，需要在前期研發(fā)時就加以考慮；在獨立菱形液艙整體定位成功后，并不能即時落位，因為支座之間還需澆注環(huán)氧，同時環(huán)氧固化時間較長，所以在垂向支承座設(shè)計時就要考慮設(shè)置吊車落鉤后承受液艙重力的頂撐工裝的布置和結(jié)構(gòu)形式。

8 液艙強度試驗

IGC規(guī)定每個獨立菱形液艙必須進(jìn)行強度試驗（水壓試驗或水壓氣動試驗），其試驗條件應(yīng)盡可能模擬液艙及支承座的實際載荷情況。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和船級社要求，液艙強度試驗需要盡量模擬在實際營運工況下的載荷，包括靜載荷、動載荷，并能驗證液艙結(jié)構(gòu)和支承結(jié)構(gòu)的強度。由于項目液艙的設(shè)計密度＜1.0，故通過壓水壓氣的方法進(jìn)行，分左右半艙分別檢驗中縱艙壁和液艙外壁的強度。

在實際編寫強度試驗程序時，不但要考慮液艙的結(jié)構(gòu)強度校核，還必須考慮船舶的浮態(tài)調(diào)整和船體梁的強度校核。

由于TYPE A型獨立液艙的單個容積≈20000m3，所以在實際試驗時對水的數(shù)量和質(zhì)量都有較高的要求，為保證緊湊的碼頭周期，必須提前進(jìn)行策劃準(zhǔn)備，梳理整個流程。由于一般強度試驗在碼頭階段進(jìn)行，所以若水泵、水源等前期沒有進(jìn)行很好的策劃準(zhǔn)備，那么船舶碼頭周期必然會受到嚴(yán)重影響。

9 全船結(jié)構(gòu)綜合有限元計算分析

對于超大型全冷式液化氣船而言，船體的有限元強度分析的方法和目標(biāo)與一般散貨船相似，但是由于菱形液艙通過支承結(jié)構(gòu)與船體相連接，對支承結(jié)構(gòu)及位于支承結(jié)構(gòu)附近的船體和液艙結(jié)構(gòu)而言，分析的方法和衡準(zhǔn)是完全不同的。

在該型船舶上，4個獨立菱形液艙通過支承結(jié)構(gòu)與船體相連，它們之間的載荷傳遞是非常復(fù)雜的，為了更好地模擬各個液艙的加速度不同及船體變形對支承結(jié)構(gòu)和液艙本身變形分析的影響，一般需要進(jìn)行全船的有限元分析（見圖7）。

圖7　全船有限元模型

在有限元建模中，支承結(jié)構(gòu)被模擬成彈簧單元，但在實際情況中，支承結(jié)構(gòu)之間是接觸關(guān)系，不能承受拉力，所以在有限元分析計算中需通過迭代計算時去除承受拉力的彈簧單元，直到全部彈簧單元都實際承受壓力時，才可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形和受力分析。

通過全船的粗網(wǎng)格計算，篩選出需細(xì)網(wǎng)格處理的位置，一般包括各個類型的支承座結(jié)構(gòu)、內(nèi)底板折角處、大艙舷側(cè)的大肋骨上下端肘板、主甲板氣室處的開孔角隅等。

由于國際市場運輸大宗LPG貨品的航線一般相對固定，而且專業(yè)船東對該種船型的疲勞壽命比較關(guān)注。在船東提供船舶固定航線的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)船級社的軟件利用波浪載荷譜分析的方法進(jìn)行疲勞壽命計算。

10 振動分析

VLGC作為高附加值船型，船東對船舶的振動非常關(guān)注，所以考慮主機(jī)和螺旋槳為激振源的全船的振動分析必不可少。

根據(jù)LR的振動分析要求，建立了全船有限元振動分析的模型（見圖8）。在具體的振動分析中，發(fā)現(xiàn)主機(jī)作為激振源時，在6階H型外力矩作用下，上層建筑駕駛室兩翼處的振動超標(biāo)，經(jīng)過評估，將該處結(jié)構(gòu)改進(jìn)為封閉式箱梁，從而有效地避免了振動問題。

圖8　全船振動分析模型

11 焊接設(shè)計研究

根據(jù)IGC的相關(guān)要求，VLGC的主屏壁和次屏壁一般采用細(xì)晶粒、鋁處理、全鎮(zhèn)靜低溫碳錳鋼。由于需要保證其在低溫環(huán)境下的韌性，所以焊接的要求高，難度很大，江南造船投入了大量人力物力攻關(guān)。在一年多的時間里，共計通過了近600項工藝評定項目，為實船建造做好了充分的準(zhǔn)備。

對低溫鋼焊接的特殊要求還有：a） 主屏壁與次屏壁的焊縫100%無損射線探傷；b） 主屏壁每50m相同焊接位置的焊縫必須設(shè)有焊接試板（見圖10），以代替結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行破壞性的焊縫試驗，包括彎曲試驗和夏比V型坡口沖擊試驗；次屏壁的要求與主屏壁一致，但經(jīng)船級社同意可減少試驗的數(shù)量。

在實際建造過程中，對于低溫鋼焊接的工作必須制定翔實有效的具體計劃，嚴(yán)格控制焊接過程的質(zhì)量，否則一旦焊接試板的沖擊試驗未通過，將導(dǎo)致對應(yīng)的50m焊縫的返工，這對整個生產(chǎn)計劃影響巨大。

圖9　焊接見證試板

12 結(jié) 語

超大型全冷式液化氣船的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，難度大，技術(shù)含量高，需要開展眾多高級計算分析，包括溫度場計算分析、全船有限元強度分析包括細(xì)網(wǎng)格分析，精細(xì)網(wǎng)格分析、譜分析疲勞壽命評估、全船振動分析、直接波浪載荷評估、液艙晃蕩載荷分析、非線性接觸分析等。工作量相當(dāng)大，項目高級計算分析人員投入大，計算分析周期長，是對船廠研發(fā)部門的一個重要挑戰(zhàn)。江南造船突破了日韓大船廠的技術(shù)壟斷，自主攻克了以獨立菱形液艙及支撐系統(tǒng)為核心的超大型全冷式液化氣船（VLGC）建造關(guān)鍵技術(shù)，以此為重要基礎(chǔ)，成功研制中國首艘VLGC。

［1］ International Marinetime Organization. International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk［Z］.

［2］ Lloyds Register. Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships for the Carriage of Liquefied Gases in Bulk， October 2012［Z］.

［3］ 李小靈，谷運飛. 計及熱輻射及翼翅效應(yīng)的VLGC溫度場計算［J］. 船舶與海洋工程，2013 （2）： 15-22.

［4］ Hu Keyi， Li Xiaoling. The First VLGC Designed and Constructed in China［A］. Proceedings of the 6thPAAMES and AMEC［C］. 2014.

［5］ Hu Keyi， Li Xiaoling， Big Challenge- Designing and Constructing a VLGC， Ocean Engineering Equipment& Ship Type Development and Design［A］. The International Maritime Conference& Exhibition， Marintec China［C］. 2013.

［6］ 陳熙，陳康，李小靈. 液化氣船支撐區(qū)域溫度場分析計算及對比［J］. 船舶與海洋工程，2014 （4）： 8-11.

Study on the Structure Design of Very Large Fully Cooled Liquefied Gas Carrier with Type A Liquid Cargo Tank

LI Hai-zhou， LI Xiao-ling， CHEN Jian-ping
（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913）

Very large fully cooled gas carrier （VLGC） has the most complicated structure among liquefied gas carriers. Among the others， the structural design is the key point and the difficult point of this high added value ship type. From the perspective of VLGC structure design， this paper elaborates the midship section design， temperature field calculation，prismatic liquid cargo tank design， supporting system design， structure layout， cryogenic steel welding， sloshing analysis，finite element strength and vibration analysis， etc. The different important technical difficulties have been surmounted and nearly 600 process evaluations have been made. These researches have laid a solid foundation for the successful development and actual construction of this ship type.

very large fully-cooled gas carrier； structural design； independent prismatic liquid cargo tank； load； strength

U663.85

A

2095-4069 （2016） 01-0023-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.005

2015-01-13

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶項目（工信部聯(lián)裝［2012］534號）

李海洲，男，高級工程師，1981年生。2003年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，長期從事船體設(shè)計、研發(fā)工作。