LNG船貨物機械室穿艙件溫度場研究

王 磊，山 巍，王國平，劉 濤，徐達圣

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

LNG船貨物機械室穿艙件溫度場研究

王 磊，山 巍，王國平，劉 濤，徐達圣

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

貨物機械室是大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船液貨系統(tǒng)的重要組成部分，是維持貨艙及管路穩(wěn)定壓力、液貨輸送及駁運的核心區(qū)域。對某大型LNG船貨物機械室的穿艙件及其周圍的溫度場進行研究，使用有限元法計算不同材料以及環(huán)境因素下的溫度場，分析各影響因素的重要性及溫度場狀態(tài)形成原因。通過分析計算不同材料在低溫下的性能及溫度場分布，確定溫度場中材料較脆弱、需要加強的區(qū)域，根據(jù)計算結(jié)果綜合評估需要加強的材料面積。通過研究發(fā)現(xiàn)，越靠近低溫管，溫度梯度越大，溫度下降得也越快，如果采用普通碳鋼，低溫面積約為管子截面積的4倍，而不銹鋼材料可有效地減小低溫面積。研究結(jié)果可為施工和甲板的穩(wěn)定性設計提供理論依據(jù)，是設計優(yōu)化的有效支撐。

液化天然氣；液貨系統(tǒng)；穿艙件；溫度場；有限元法

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船被譽為船舶行業(yè)中皇冠上的明珠。在大型LNG船的液貨系統(tǒng)中，貨物機械室負責對LNG液貨裝載管系的控制，包含干燥、惰化、驅(qū)氣及預冷等過程，保持LNG液貨管系的壓力是其十分重要的功能。貨物機械室與泵房中，有不少穿艙件穿過艙壁橫跨甲板，在這些穿艙件中裝載的是低溫液貨或氣貨，由于熱傳導的作用，將會使穿艙件周圍的甲板溫度急劇下降，由于材料在低溫環(huán)境下各種性能都不同，將會使艙壁周圍甲板結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。船級社在規(guī)范中對甲板結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下使用的材料有明確的要求，秉承規(guī)范，需對穿艙件周圍的溫度場在設計階段進行預測，并對一定溫度范圍內(nèi)的區(qū)域材料進行加強。

采用有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）法對該艙在實際情況下穿艙件周圍甲板的溫度場進行研究。通過對模型試驗進行分析，給予穿艙件溫度場的評估；對不同鋼材進行分析比較，結(jié)合傳熱學基本原理說明設計的合理性，為船舶低溫穿艙件周圍結(jié)構(gòu)設計提供參考。

1 穿艙件設計和規(guī)范校核

低溫液貨的存放與運輸是LNG船的一大技術難關，其中包含許多交叉學科專業(yè)的研究和經(jīng)驗積累。貨物機械室中遍布著低溫管系，且某些低溫管只有穿艙才能完成其管道系統(tǒng)所需的功能。圖1為穿艙件的局部結(jié)構(gòu)示意，穿艙件以套管和低溫管段焊接的形式焊在船體結(jié)構(gòu)上，即穿艙件處管子無絕緣，將導致此處的溫度極低，引起局部強度在低溫環(huán)境下下降。因此，對穿艙件周圍溫度場的研究是保證其周圍甲板在低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強度的重要環(huán)節(jié)。為盡可能地保證低溫管周圍材料的特性，需要用導熱系數(shù)更低、低溫下強度更好的鋼材，但費用昂貴，于是評估這個低溫區(qū)域并合理進行設計是非常必要的。

圖1 穿艙件局部結(jié)構(gòu)示意

原甲板采用的碳鋼導熱系數(shù)較大，對于甲板低碳鋼，根據(jù)船級社規(guī)范［1］及鋼級化學成分組成［2］，該船在穿艙件處甲板鋼的傳熱系數(shù)為45～60W/（m·K）。該數(shù)值的導熱系數(shù)較大，故熱傳導更容易發(fā)生，將導致低溫區(qū)域擴散得更快。根據(jù)船級社的規(guī)定，低溫情況下使用鋼級的材料導熱系數(shù)應該較低，因此周圍的低溫不會擴散得較快，需對局部低溫區(qū)域進行耐冷材料的加強。

結(jié)合LNG船貨物機械室的設計，根據(jù)船級社規(guī)范及GTT設計公司的報告，可確定貨物機械室的溫度邊界條件、材料導熱系數(shù)、對流傳熱系數(shù)及穿艙件的大小等，據(jù)此進行有限元建模及邊界條件的加載。

2 穿艙件溫度場有限元計算

2.1 有限元計算溫度場［3］

計算物體的溫度場相當于求解初始條件和邊界條件下的熱傳導微分方程，其數(shù)學表達式為

當 0τ= 時：

邊界條件是物體表面與周圍介質(zhì)之間的溫度相互作用的規(guī)律。在溫度場計算中，常用以下3種邊界類型。

1） 在邊界條件1C上：

2） 在邊界條件2C上：

3） 在邊界條件3C上：

根據(jù)變積分原理，上述求解偏微分方程的問題可轉(zhuǎn)化為下列反函數(shù)的極值問題。

式（8）中：Ie為單元e內(nèi)的積分值。對式（7）求偏微分，得

由泛函數(shù)實現(xiàn)極值條件，應有

將式（9）代入（10）即可求出各節(jié)點的溫度Ti。

2.2 有限元模型

穿艙件周圍的溫度場決定了材料加強區(qū)域的范圍大小，根據(jù)規(guī)范要求，在穿艙件周圍甲板的設計中必須進行溫度場的有限元計算。通過穿艙件溫度場的有限元計算，可根據(jù)穿艙件周圍的低溫對材料加強區(qū)域進行合理的評估。既要保持甲板結(jié)構(gòu)的安全性，又要保證建造成本最小化。

圖2為貨物機械室的三維設計圖，在圖中標出了不同管徑大小的管子通過穿艙件橫跨兩艙的情況，基于此尺寸，建立圖3所示的有限元模型。

圖2 穿艙件管系布置

圖3 穿艙件管系有限元網(wǎng)格

圖4為該艙四周的溫度邊界條件定義，是基于GTT公司依據(jù)IGC（International Gas Carrier Code）給出的貨物機械室甲板周圍的溫度分布情況確定的。

基于傳熱學的材料物性手冊［4］，依據(jù)一般介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)，對材料進行導熱系數(shù)定義，該船在穿艙件處甲板鋼的導熱系數(shù)為 45～60W/（m·K）。出于保守的原則，由于傳熱系數(shù)大則擴散面積大，因此選取60W/（m·K）作為材料的導熱系數(shù)。根據(jù)傳熱學理論，對流傳熱的散熱作用對此結(jié)構(gòu)的效果次于熱傳導，在此有限元分析過程中，取為5W/（m2·K）。穿艙件處所加的溫度載荷與管內(nèi)流體一致，根據(jù)實際情況有-150℃，-163℃及-196℃ 3種溫度的載荷。

2.3 有限元分析結(jié)果

穿艙件處的溫度有-150℃，-163℃，-196℃ 3種工況，因此若通過熱傳導到甲板的溫度在某個區(qū)域內(nèi)也必然低于船級社所給出的最低溫度為-30℃的條件，則使用超低溫工況下的船級社規(guī)范。英國勞氏船級社（Lloyd's Register of Shipping，LR）第六章的表6.2［5］給出了低溫條件。在溫度場區(qū)域內(nèi)評估出的危險區(qū)域內(nèi)使用316L（00Cr17Ni12Mo2Ti）不銹鋼材料，該材料為一種奧氏體不銹鋼，在低溫工況下體現(xiàn)出的物理特性十分優(yōu)秀。

圖4 邊界條件

在進行溫度場有限元分析結(jié)果前，定義0℃及以下為低溫條件，將對0℃及以下的區(qū)域用316L耐低溫鋼進行加強。計算的重點關注對象即0℃以下的區(qū)域范圍為多大。根據(jù)有限元計算結(jié)果得出溫度場，并根據(jù)各個結(jié)點的溫度劃分出低于0℃的區(qū)域進行面積的預估。

圖5為貨物機械室穿艙件的溫度場總體，圖6為整個貨物機械室＜0℃的低溫區(qū)域，圖7和圖8分別為部分穿艙件周圍詳細的溫度場及低溫區(qū)域的面積范圍示意。

圖5 貨物機械室穿艙件的溫度場總體

圖6 整個貨物機械室＜0℃的低溫區(qū)域

圖7 低溫區(qū)域1的溫度場

圖8 低溫區(qū)域4的溫度場

表1為各個穿艙件區(qū)域的低溫區(qū)域的統(tǒng)計表，預估了材料的加強范圍。

表1 各個穿艙件低溫區(qū)域的統(tǒng)計

圖9為某穿艙件附近的溫度場。由該圖可知，溫度衰減從最初開始的一段距離時最明顯，隨后逐次遞減。

2.4 材料加強后的模擬結(jié)果

經(jīng)過以上計算，對這些低溫區(qū)域進行材料更替，用有限元軟件進行模擬材料加強后的溫度場情況。

圖10給出圖7低溫區(qū)域更換材料之后的溫度場［6］，其中線框區(qū)域為原低溫區(qū)域的大小，將其改為導熱系數(shù)較小的材料（即316L）。由溫度場可知，低溫面積得以減小，甲板結(jié)構(gòu)得以加強。

圖9 圖7穿艙件附近溫度場

圖10 圖7低溫區(qū)域加強后的溫度場模擬

通過上述計算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1） 在與低溫管接觸的區(qū)域，溫度快速下降，溫度梯度較大，當溫度接近0℃以后溫度變化趨于緩慢，這是由于溫差逐步減少造成的；

2） 采用低溫不銹鋼材料以后，溫度＜0℃的面積比采用碳鋼設計時明顯減小，低溫不銹鋼較小的熱阻對低溫管區(qū)域的溫度影響較大；

3） 采用普通碳鋼時，溫度＜0℃的面積大致為低溫管面積的4倍，在后續(xù)船舶的設計中可以采用該面積進行材料預估。

3 結(jié) 語

以某大型LNG船為例，對貨物機械室穿艙件設計的一些關鍵技術進行了探討。闡述了該船型穿艙件周圍甲板低溫區(qū)域材料加強的設計、面積預估、貨物機械室溫度場有限元計算和最終方案的模擬等開發(fā)設計過程中的一些關鍵技術，對貨物機械室溫度場有限元分析進行了概述，可為貨物機械室穿艙件周圍甲板材料加強的區(qū)域面積提供設計參考。

［1］ Rules & Regulations for the Construction & Classification of Liquefied Gases in Bulk［S］. 2012.

［2］ American Bureau of Shipping. Rules for Conditions of Classification 2009［S］.

［3］ 于亞婷，杜平安，王振偉. 有限元法的應用現(xiàn)狀研究［J］. 機械科學與技術，2005， 22 （3）： 6-9.

［4］ W. M. 羅森諾. 傳熱學基礎手冊［M］. 北京：科學出版社，1992.

［5］ 江克進，戴立，王輝輝，等. 大型薄膜型 LNG 船結(jié)構(gòu)開發(fā)設計［J］. 船舶與海洋工程，2014 （3）： 1-5.

［6］ 陳熙，陳康，李小靈. 液化氣船支承區(qū)域溫度場分析計算及對比［J］. 船舶與海洋工程，2014 （4）： 8-12.

Research on the Temperature Field of Penetration Pieces in Cargo Machinery Room of LNG Carrier

WANG Lei， SHAN Wei， WANG Guo-ping， LIU Tao， XU Da-sheng

（Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

Cargo machinery room is an important part of the liquid cargo system on the large liquefied Natural Gas （LNG） carrier. It is the core sector to maintain stable pressure in the pipelines and to carry out liquid cargo delivery and transfer. This paper studies the penetration pieces and its surrounding temperature field of the cargo machinery room on the large LNG carrier， where the finite element method is used to calculate the temperature field corresponding to different material and environmental factors， and to analyze the significance of each influencing factor and the formation of the temperature field. The weak regions that need to be reinforced are identified through analyzing both the performance and the temperature field distribution of different materials， and the size to be reinforced is comprehensively evaluated based on the calculation results. Through the study， it is found that the temperature gradient is larger in the region closer to the low temperature tube where the temperature drop is also faster. If ordinary steel is used， the low temperature area is about 4 times the section of the tube. However， stainless steel material can effectively reduce the low temperature area. This study provides some theoretical basis for construction and deck stability design， and is helpful for design optimization.

LNG； liquid cargo system； penetration piece； temperature field； finite element method

U664.4+3

A

2095-4069 （2016） 04-0013-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.004

2015-07-28

王磊，男，高級工程師，1984年生。2006年畢業(yè)于華中科技大學熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶輪機設計工作。