冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙志堅(jiān)，劉仁昌，李連亮，何佳琦，朱光偉，齊東周，黃金林

冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙志堅(jiān)，劉仁昌，李連亮，何佳琦，朱光偉，齊東周，黃金林

結(jié)合目標(biāo)冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船的技術(shù)特點(diǎn)，針對其冰區(qū)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及LNG燃料罐艙布置和設(shè)計(jì)方法問題，根據(jù)船級社規(guī)范要求，明確冰帶區(qū)域范圍，計(jì)算和確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，討論該船型設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)輕量化的問題；參考IGF規(guī)則，結(jié)合平臺供應(yīng)船的特點(diǎn)給出罐艙區(qū)域布置設(shè)計(jì)方案。

冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船；結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)；LNG燃料罐；冰帶區(qū)域

同時滿足冰區(qū)航行和雙燃料技術(shù)要求的平臺供應(yīng)船是適應(yīng)未來市場需求的海工發(fā)展方向之一。該型船舶符合波羅地海1A冰級[1]要求，此冰級符號要求船舶有能力在高冰情海況下行駛(必要時破冰船輔助)，其遭遇冰載荷冰層厚度不超過0.8 m，載荷作用高度設(shè)計(jì)值為0.3 m。其動力系統(tǒng)采用包括常規(guī)燃料和LNG清潔燃料的雙燃料技術(shù)，其中LNG燃料由安裝在船上的LNG燃料液罐提供，該液罐為 C型雙真空絕熱形式[2]的獨(dú)立液罐，具有不必設(shè)計(jì)復(fù)雜的再液化系統(tǒng)，不需要次級屏蔽、無半載裝運(yùn)限制等優(yōu)點(diǎn)。針對目標(biāo)平臺供應(yīng)船冰區(qū)航行和雙燃料2個技術(shù)特點(diǎn)，對該船型冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及LNG燃料罐艙的布置和設(shè)計(jì)等要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

1.1 冰帶區(qū)域劃分

目標(biāo)船主要參數(shù)見表1。

表1 目標(biāo)船主要參數(shù)

對于冰區(qū)船舶的設(shè)計(jì)，首先要確定其舷側(cè)結(jié)構(gòu)的冰帶區(qū)域。沿船長方向根據(jù)不同區(qū)域遭受冰載荷烈度的差異性來確定劃分范圍，通常劃分為首部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域。垂向范圍則為船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)可能遭遇冰載荷的區(qū)域，一般利用高位冰區(qū)水線(UIWL)與低位冰區(qū)水線(LIWL)來界定[3]，二者分別為船舶在冰區(qū)航行時預(yù)定水線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的包絡(luò)線。目標(biāo)船入級美國船級社，該船級社規(guī)范[4]中分別針對板和骨材給出了相應(yīng)區(qū)域延伸范圍要求，參照該規(guī)范要求可初步確定冰帶區(qū)域范圍，見表2。

表2 冰帶區(qū)域垂向范圍

考慮應(yīng)將作用在骨材的冰載荷傳遞到水平強(qiáng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，結(jié)合平臺供應(yīng)船的特點(diǎn)(型深不高，主甲板距基線7 900 mm,內(nèi)底板高度在1 000～1 450 mm范圍內(nèi))，最終骨材結(jié)構(gòu)冰帶區(qū)域向上延伸至主甲板，向下延伸至內(nèi)底板。見圖1。

1.2 冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與構(gòu)件尺寸規(guī)范計(jì)算

設(shè)計(jì)之初，需根據(jù)實(shí)際船型總體和結(jié)構(gòu)布置選取合適的結(jié)構(gòu)形式。通常將冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)拆分為多個加筋板板架，根據(jù)具體要求選取每種板架結(jié)構(gòu)形式。板架的結(jié)構(gòu)形式主要為橫骨架式與縱骨架式[5]，2種結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)勢。橫骨架式結(jié)構(gòu)對于橫向載荷承載能力較強(qiáng)，因?yàn)樵谕瑯拥谋d荷面積下可以將載荷分布到更多的肋骨上，可以較好地保證結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度。因此，在不考慮總縱強(qiáng)度的情況下采用橫骨架式更占優(yōu)勢?？v骨架式結(jié)構(gòu)則對船體總縱強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)?？紤]到船體中部區(qū)域結(jié)構(gòu)參與總縱彎曲程度較大，因此將該部分設(shè)置為縱骨架式，以保證整個船體結(jié)構(gòu)抵抗總縱彎曲的能力。

充分考慮本船型結(jié)構(gòu)布置特征，將冰帶加強(qiáng)區(qū)域劃分為9個典型板架區(qū)域，見表3。

表3 冰帶區(qū)域板格劃分結(jié)果

利用規(guī)范計(jì)算方法指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；诓煌?guī)范計(jì)算得到的規(guī)范要求尺寸值會略有差異[6], 本船入級ABS船級社，故參照該船級社相關(guān)規(guī)范[4]開展規(guī)范計(jì)算。

首先對冰帶區(qū)域每一個板格的設(shè)計(jì)冰壓力值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可見，對于相同區(qū)域不同骨架形式板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)冰壓只是骨材間距的函數(shù)，即當(dāng)骨材間距一樣時，相同區(qū)域不同骨架形式板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)冰壓是相同的；相同區(qū)域、相同骨材間距，橫骨架式體系骨材的設(shè)計(jì)冰壓大于縱骨架式體系骨材的設(shè)計(jì)冰壓；相同板格橫骨架式體系板與骨材的設(shè)計(jì)冰壓相同，縱骨架式板的設(shè)計(jì)冰壓要大于骨材的設(shè)計(jì)冰壓。沿船長范圍；艏部區(qū)域設(shè)計(jì)冰壓最大，舯部區(qū)域次之，艉部區(qū)域最小。

表4 冰載荷設(shè)計(jì)值

根據(jù)設(shè)計(jì)冰壓及結(jié)構(gòu)形式選取艏部典型橫骨架式板格3與船中縱骨架式板格5為算例闡述構(gòu)件尺寸規(guī)范計(jì)算及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具體位置見圖2。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸規(guī)范計(jì)算結(jié)果見表5。

本船中平行中體部分舷側(cè)為雙層殼結(jié)構(gòu)，雙層殼中間設(shè)有強(qiáng)肋骨。由于船型功能性原因，其強(qiáng)肋骨上開有很多孔，其典型剖面形式見圖3。

表5 冰帶區(qū)域外板和骨材尺度規(guī)范要求值

鑒于冰帶區(qū)域內(nèi)舷側(cè)強(qiáng)肋骨結(jié)構(gòu)形式的特殊性，已不能采用規(guī)范計(jì)算方法對其進(jìn)行校核，故參照規(guī)范[7]結(jié)合直接計(jì)算的方法校核該構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。計(jì)算模型見圖4，對于從雙層底延伸到甲板的強(qiáng)肋骨。與內(nèi)底相連端部做剛性固定，與甲板相連的端部做簡支處理。

根據(jù)規(guī)范載荷F為

F=1 800phs

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算出設(shè)計(jì)冰壓為495.9 kN。壓力作用點(diǎn)應(yīng)選取為使結(jié)構(gòu)獲得最大的剪力值的載荷施加位置。規(guī)范給出最大剪力值的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

由式(2)，(3)可以看出，載荷施加位置越靠近2端，則剪力規(guī)范計(jì)算值Q越大。故選取2種載荷施加工況見圖5。

計(jì)算結(jié)果見表6，強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)參照ABS規(guī)范。由強(qiáng)度評估結(jié)果可知，原強(qiáng)肋骨設(shè)計(jì)已滿足冰區(qū)要求，不需要對其進(jìn)行加強(qiáng)處理。

表6 有限元計(jì)算結(jié)果

1.3 冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

定義材料利用率因子為

(4)

盡可能提高材料利用率，冰帶區(qū)域結(jié)構(gòu)(以板格3與板格5為例)具體設(shè)計(jì)尺寸見表7。

表7 冰帶區(qū)域外板和骨材尺度設(shè)計(jì)值

由表7可見，對于橫骨架式板格，其有效剪切面積的材料利用率很低，在設(shè)計(jì)過程中，剖面模數(shù)的要求占主導(dǎo)地位。而縱骨架式板格對抗剪切面積的要求則很高。這是因?yàn)榭v骨架式結(jié)構(gòu)，冰載荷均布作用在縱骨上，致使縱骨架式縱骨在冰壓作用下應(yīng)具備一定的抗剪切能力。

平臺供應(yīng)船這類船型對于重量的控制要求相對較高，在保證結(jié)構(gòu)滿足冰區(qū)航行強(qiáng)度要求的前提下,對典型板架進(jìn)行設(shè)計(jì)輕量化分析。針對相同基礎(chǔ)舷側(cè)冰帶外板形式，對其板厚和骨材(基于歐洲型材庫)選擇不同設(shè)計(jì)方案，在滿足規(guī)范的前提下，計(jì)算每種方案的設(shè)計(jì)重量。該重量為板格單位長度重量，包括板及焊接在板上的所有骨材。具體情況如表8、9與圖6、7。

序號設(shè)計(jì)方案板厚/mm間距/m骨材數(shù)量型材類型利用率/%板厚腹板厚有效剪切面積剖面模數(shù)板格重量/kg180．1276HP180×10．098．7590．0011．4295．98522．242100．1525HP200×9．091．00100．0013．0588．46518．503110．1904HP200×11．595．4578．2613．4694．65529．044130．2533HP220×11．598．0090．0015．8894．59522．245180．3802HP260×10．091．7890．0021．3393．12557．606240．7601HP300×12．099．29100．0027．5799．93619．48

表9 縱骨架式板格5輕量化研究

型材庫對型材尺寸類型的限制及腹板厚度的要求制約了骨材尺寸的選取。對比以上設(shè)計(jì)方案可以看出，對于本船型，若不考慮建造工藝，適當(dāng)減小骨材間距，有利于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

2 罐艙設(shè)計(jì)

2.1 LNG儲罐形式的選擇及適用性

C型獨(dú)立氣罐的主流形式分別為雙層真空絕熱儲罐和單層外包絕緣儲罐[8]。雙層真空罐在以下3方面具有優(yōu)勢：首先在發(fā)生火災(zāi)時，雙層真空罐的外殼奧氏體不銹鋼[9]耐火能力比絕緣材料強(qiáng)很多，雙層不銹鋼的防撞性能也好于單層罐。其次單殼外包絕緣罐的接口全部在上面，需在主甲板上開孔為罐上的穹頂留出空間，將會影響載貨甲板空間，而雙層真空絕熱罐的接口布置在下面，相關(guān)的閥門封閉在冷箱中，不影響載貨甲板的布置燃料。最后雙層真空罐燃料系統(tǒng)采用儲罐蓄壓的形式供給燃料，而單層罐燃料系統(tǒng)則需要增加LNG泵設(shè)備來供給燃料，在可靠性和成本方面雙層真空罐更有優(yōu)勢。因此冰區(qū)雙燃料平臺供應(yīng)船選用雙層真空絕熱儲罐。

2.2 罐艙布置要素

罐艙的布置要從避免船舶碰撞或其他意外損壞、防火防爆安全要求、上部載貨甲板加強(qiáng)[10]和日常維護(hù)維修等方面考慮。

1)氣罐位置應(yīng)盡可能避免在船舶遭到碰撞或者其他意外等外部傷害時，不隨之受到損壞。因此氣罐位置應(yīng)盡可能靠近中線，同時還要保證氣罐及其附件距離舷側(cè)不少于B/5(B為船寬)或11.5 m,距離船底不少于B/15或2 m，都分別取較小值，并且在任何位置，距離船體外板不少于0.8 m。

2)氣罐以及罐艙處所不應(yīng)與機(jī)器處所和其他具有較大失火危險(xiǎn)的處所相鄰。對于雙真空絕熱C型氣罐，若氣罐外殼距艙壁小于900 mm,則氣罐處所可以作為隔離艙，單氣罐布置在機(jī)器處所和其他可能產(chǎn)生火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域的上方的情況除外。本船的氣罐艙的布置(見圖8)，盡可能布置了失火風(fēng)險(xiǎn)較小的泥漿艙和其他機(jī)械處所類的泵艙，雙層底布置了壓載水和鉆井水艙。

3)罐艙的上邊界為載貨甲板，裝載向平臺供應(yīng)的鉆井、鉆管等物資，承受較大的載荷，由于LNG燃料氣罐尺寸較大，難以在罐艙中設(shè)置立柱加強(qiáng)，這就要求在橫向加裝較大的主梁，同時考慮到燃料氣罐高度，要在LNG燃料氣罐和甲板主梁留有一定的間隙，方便日后的檢修。

3 結(jié)論

1)對于承受冰載荷作用的板架結(jié)構(gòu)，不同板架結(jié)構(gòu)形式中骨材尺寸選取的主導(dǎo)因素不同。對于橫骨架式板架的骨材尺寸選取，其主導(dǎo)因素是截面剖面模數(shù)，對于縱骨架式板架則取決于截面有效剪切面積。在選擇冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板架形式時，通常來說，相同重量的橫骨架式結(jié)構(gòu)，其抵抗冰載荷的能力優(yōu)于縱骨架式結(jié)構(gòu)。

2)對于平臺供應(yīng)船類型的船舶，不考慮建造工藝的影響，減小骨材間距，有利于結(jié)構(gòu)輕量化。

3)罐艙的布置方案基本避開具有較大失火危險(xiǎn)的處所，但是未能避開失火風(fēng)險(xiǎn)較小的基油艙和泵艙，雖已滿足要求，但尚存進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

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(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

On the Key Points of Structural Design for the Ice Class Dual Fuel PSV

ZHAO Zhi-jian, LIU Ren-chang, LI Lian-liang, HE Jia-qi, ZHU Guang-wei, QI Dong-zhou, HUANG Jin-lin

(COSCO-Shipyard Group Co. Ltd., Dalian Liaoning 116600 China)

Focus on the technical features of an ice class dual fuel platform supply vessel (PSV), the research of ice belt structure light-weight design and LNG fuel tank compartment arrangement was carried out. The ice belt area and structure scantlings were determined based on classification code, and the relationship between design plan and structural lightweight for this type of ship was discussed. The LNG fuel tank compartment area’s layout and key points of structure design was given refers to IGF code based on the characteristics of PSV.

ice class dual fuel PSV; structure light-weight design; LNG fuel tank; ice belt

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.001

2016-05-18

中遠(yuǎn)集團(tuán)科研項(xiàng)目(2015-1-H-005)

趙志堅(jiān)(1974—)，男，碩士，高級工程師

U663

A

1671-7953(2017)01-0001-05

修回日期：2016-06-08

研究方向:船舶與海洋工程