C型獨(dú)立液貨罐焊接接頭的疲勞載荷研究

沈秋彬吳劍國,3洪 英牛 松

（1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310014； 2. 中國船級社技術(shù)中心 上海200135；3.杭州弘能船舶設(shè)計有限公司 杭州310023）

C型獨(dú)立液貨罐焊接接頭的疲勞載荷研究

沈秋彬1吳劍國1,3洪 英2牛 松2

（1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310014； 2. 中國船級社技術(shù)中心 上海200135；3.杭州弘能船舶設(shè)計有限公司 杭州310023）

針對C型獨(dú)立液貨罐的特點(diǎn)，提煉出C型獨(dú)立液貨罐的疲勞計算工況；按照IGC規(guī)則推導(dǎo)了高周疲勞動壓力計算公式，并且與中國船級社《船舶結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》中的等效設(shè)計波法計算的疲勞載荷作了對比；此外，還討論了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷，解決了C型獨(dú)立液貨罐疲勞計算的關(guān)鍵問題。

氣體運(yùn)輸船；C型獨(dú)立液貨罐；焊接接頭；疲勞載荷

引 言

為充分利用氣體運(yùn)輸船的艙容，裝載LNG、LPG的C型獨(dú)立液貨罐常采用雙聯(lián)圓筒獨(dú)立液貨罐形式（即雙體罐），近年來又提出星形三體罐。由于受船舶搖晃、蒸汽內(nèi)壓、溫度變化等交變載荷的作用，雙體罐和三體罐罐體之間焊接接頭（見下頁圖1）的疲勞損傷越來越受到業(yè)界的重視，也成為C型艙氣體運(yùn)輸船大型化必須解決的有關(guān)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問題之一。IGC規(guī)則中對此提出要求，但未具體規(guī)定［1］，中國船級社《船體結(jié)構(gòu)疲勞指南》［2］（以下簡稱《疲勞指南》）主要是針對各類船體結(jié)構(gòu)，對C型獨(dú)立液貨罐不能完全適用，尤其是疲勞載荷方面。

C型液貨罐的疲勞載荷主要為液貨動壓力、液貨罐溫度作用和蒸氣壓力。按照載荷的循環(huán)次數(shù)，液貨動壓力為高周載荷，溫度作用、蒸氣壓力的變化為低周載荷，其中高周載荷因C型罐的液貨動壓力需滿足IGC規(guī)則（不同于普通液貨船），而低周疲勞載荷則是LNG船和LPG船特有的。

本文給出了C型獨(dú)立液貨罐的計算工況，推導(dǎo)出其高周動壓力計算公式，討論了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷，為C型獨(dú)立液貨罐的疲勞計算打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

1 工 況

1.1 裝載工況

參照CCS《疲勞指南》的LNG 船相關(guān)規(guī)定，擬設(shè)定C型獨(dú)立液貨罐疲勞評估裝載工況為滿罐工況和空罐工況，具體要求見表1。

表1 C型液貨罐疲勞評估的裝載工況

1.2 計算工況

計算工況按CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》［3］（以下簡稱《散液船規(guī)范》）取用，由于靜橫傾工況是用于靜強(qiáng)度校核的靜橫傾工況，與疲勞載荷無關(guān)；碰撞意外工況很少發(fā)生；試驗(yàn)工況也是偶然發(fā)生。而且C型獨(dú)立液貨罐一般晃蕩不嚴(yán)重（對于少數(shù)晃蕩嚴(yán)重的則可加裝制蕩艙壁［4］來減輕），因此，這些工況在疲勞計算時均可忽略不計。這樣，C型獨(dú)立液貨罐的計算工況僅剩下直接計算工況的垂蕩工況和橫搖工況。

2 高周載荷——船舶運(yùn)動載荷

2.1 船舶運(yùn)動加速度

參照新的散貨船、油船協(xié)調(diào)共同規(guī)范［5］，選取載荷長期值概率水平為10-2，此時形狀參數(shù)從0.8～1.2時，疲勞損傷的變化最小［6］。CCS《散液船規(guī)范》規(guī)定船長超過50 m，并以（或接近）營運(yùn)速度航行的船舶，對應(yīng)于北大西洋10-8概率水平船舶運(yùn)動而產(chǎn)生的加速度分量指導(dǎo)公式。本文通過航區(qū)系數(shù)fr和概率水平系數(shù)fp換算出相應(yīng)航區(qū)10-2概率水平的加速度分量計算公式。由于C型液貨罐直接計算僅慮考垂蕩和橫搖的作用，故縱向加速度不再列出。

垂向加速度：

橫向加速度：

式中：αz和αy為相應(yīng)方向上的最大無因次加速度（即相對于重力加速度），計算時，可以認(rèn)為它們是分別作用的，αz不包括靜重力分量，αy包括橫搖在橫方向上引起靜重力分量；L0為計算船長，m；Cb為方形系數(shù)；B為船舶最大型寬，m；x為船舯到裝貨的液貨罐重心之間的縱向距離（船舯前，x為正值；船舯后，x為負(fù)值），m；y為中縱線到裝貨的液貨罐重心之間的橫向距離，m；z為船舶的實(shí)際水線到裝貨的液貨罐重心之間的垂向距離（水線以上，z為正值；水線以下，z為負(fù)值），m；K通常為1。對于特殊的裝載工況和船型，K值可按下式確定：K=12GM/B（其中：K≥1，GM為靜穩(wěn)心高度，m）；V為營運(yùn)速度，kn；fr為航區(qū)系數(shù)，按照CCS《疲勞指南》的航區(qū)系數(shù)fr定義，見表2；fp為概率水平系數(shù)，按照CCS《疲勞指南》對應(yīng)10-2概率的航區(qū)系數(shù)fp定義如下：

表2 航區(qū)系數(shù)取值

表3 載荷組合因子LCF

2.2 液貨罐疲勞動壓力計算

CCS《散液船規(guī)范》給出了內(nèi)部液體壓力Pgd的計算公式：

式中：αβ為在任意的β方向上，由重力和動載荷引起的無因次加速度（即相對于重力加速度），見下頁圖2 。對于大型液貨船，建議使用計及橫向、垂直和縱向加速度的加速度橢球；Zβ為從所決定的壓力點(diǎn)沿β方向向上量至液貨艙殼板的最大液柱高度（見下頁圖3），m；ρ為設(shè)計溫度時的最大貨物密度，kg/m3。

2.2.1 αβ的計算

加速度橢圓如圖2所示，液罐重心到左半橢圓上一點(diǎn)的的距離表示橫搖角為負(fù)值時的無因次加速度，液罐重心到右半橢圓上一點(diǎn)的的距離表示橫搖角為正值時的無因次加速度。

對于y-z平面，平面橢圓方程與液罐重心到左半橢圓上一點(diǎn)的直線方程見式（6）：

平面橢圓方程與液罐重心到右半橢圓上一點(diǎn)的直線方程見式（7）：

通過求解以上兩個方程組和幾何關(guān)系，可得如圖2所示無因次加速度

2.2.2 Zβ的計算

由圖3（a）可得雙體罐的Zβ：

2.2.3 雙體罐動壓力計算公式

對于指定的β1，將式（8）和式（11）帶入式（5），得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力為：

對于指定的β2，將式（9）和式（10）式帶入式（5），得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力為：

2.2.4 三體罐動壓力計算公式

對于指定的β1和β2，由動壓力計算公式可得罐體上坐標(biāo)為（y，z）的壓力點(diǎn)的壓力：

2.3 疲勞動壓力對比

以70 000 m3雙體罐為例，罐體編號如圖4所示，按照IGC規(guī)則計算的疲勞動壓力與按照《疲勞指南》計算的疲勞動壓力對比如下頁圖5所示。結(jié)果表明，按IGC規(guī)則計算的疲勞動壓力明顯大于按照《疲勞指南》計算的疲勞動壓力。

3 低周載荷

蒸汽壓力為液貨罐的內(nèi)外氣壓差，溫度作用為液貨罐的溫差。根據(jù)調(diào)研和《散液船規(guī)范》的規(guī)定，低周疲勞載荷以液貨船一個往返航次為一個循環(huán)，期間罐體所經(jīng)歷的最大作用為：

滿罐 罐體最大操作壓力為設(shè)計蒸氣壓力P0，罐體最低操作溫度為-163℃。

空罐 罐體最小操作壓力為0 MPa，罐體最高操作溫度為20℃。

由此便可確定蒸汽循環(huán)壓力和循環(huán)溫差作用，見表4和下頁圖6。

表4 蒸汽循環(huán)壓力和循環(huán)溫差作用

低周疲勞載荷循環(huán)次數(shù)取20年設(shè)計壽命期間實(shí)際發(fā)生的裝卸貨次數(shù)，但不小于《IGC》關(guān)于20年使用期的裝卸貨次數(shù)不少于103的要求。因此，交變載荷循環(huán)時序示意圖見下頁圖6，每7.3天一次循環(huán)，每次循環(huán)中壓力與溫度的變化關(guān)系是同時變化的。

4 結(jié) 論

本文針對C型獨(dú)立液貨罐的特點(diǎn)，推導(dǎo)其高周動壓力計算公式。由計算可知，本文給出的疲勞載荷比《疲勞指南》中的等效設(shè)計波法計算的疲勞載荷更加合理，符合IGC規(guī)則的要求，且計算過程比等效設(shè)計波法更簡便，還論述了蒸汽壓力、溫度變化等低周疲勞載荷。本文工作及成果對C型獨(dú)立液貨罐疲勞載荷要求的制定具有重要意義。

［1］IMO. MSC-93/3. Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk （IGC Code）［S］. 2013.

［2］中國船級社. 船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南（2014）［S］. 北京：人民交通出版社， 2014.

［3］中國船級社. 散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］. 北京： 人民交通出版社， 2016.

［4］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［J］. 船舶工程，2011（1）：1-4.

［5］IACS. Common structural rules for bulk carriers and oil tankers［S］. 2012.

［6］IACS. Technology background［S］. 2012．

MARIC加入無人貨物運(yùn)輸船開發(fā)聯(lián)盟

3月31日，由海航集團(tuán)旗下的海航智造投資發(fā)展有限公司發(fā)起的無人貨物運(yùn)輸船開發(fā)聯(lián)盟（以下簡稱聯(lián)盟）籌備會在上海召開，中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（MARIC）的副院長沈偉平先生作為代表參會并簽署了入盟意向書。參會的其他單位包括DNV、ABS、CCS、七一一研究所以及海航科技物流集團(tuán)有限公司等。

無人貨物運(yùn)輸船目前在全球還屬于概念設(shè)計及實(shí)驗(yàn)階段。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能及機(jī)器人等新興技術(shù)突飛猛進(jìn)，船舶自動化水平逐步提高，這些都為無人運(yùn)輸船舶的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，無人貨物運(yùn)輸船將會成為未來海運(yùn)發(fā)展的新趨勢。

此次聯(lián)盟囊括了船東、船廠、設(shè)計院、船級社、設(shè)備集成商，覆蓋了從設(shè)計、建造、營運(yùn)、監(jiān)管的全部環(huán)節(jié)。各成員單位將在歐美航線規(guī)劃、港口協(xié)調(diào)、國內(nèi)政策更新及法規(guī)制定、無人船舶總體開發(fā)設(shè)計、無人船舶動力及控制系統(tǒng)研究、無人船舶操縱軟件設(shè)計等方面進(jìn)行共同探索和開發(fā)，各方將充分展現(xiàn)自己擅長領(lǐng)域的長板，最大程度發(fā)揮集成創(chuàng)新的優(yōu)勢，圍繞共同的目標(biāo)一起努力。

近年來， MARIC逐步進(jìn)入智能船舶領(lǐng)域的研究，參與了國家工信部課題“智能船舶頂層設(shè)計及部分智能系統(tǒng)應(yīng)用”，并完成了大型集裝箱船智能船落地方案的總體設(shè)計。通過課題研究，對該領(lǐng)域國內(nèi)外廠商的技術(shù)現(xiàn)狀以及國內(nèi)系統(tǒng)集成的要點(diǎn)等問題有了一定程度的認(rèn)知。作為聯(lián)盟發(fā)起人中唯一的船舶總體研發(fā)單位，MARIC將借助自身雄厚的技術(shù)力量和對無人智能船舶的長期跟蹤研究經(jīng)驗(yàn)，在無人貨物運(yùn)輸船相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計、試驗(yàn)等工作方面同各協(xié)作單位通力合作，確保在項(xiàng)目實(shí)施周期內(nèi)完成令聯(lián)盟滿意的答卷。

此次聯(lián)盟的籌建旨在開展無人貨物運(yùn)輸船研發(fā)和制造并投入營運(yùn)，計劃3個月完成聯(lián)盟籌建工作，確定目標(biāo)船型、編制聯(lián)盟計劃，力爭在2022年交付并運(yùn)營全球首艘無人貨物運(yùn)輸船，成為未來航運(yùn)模式的開拓者。

Study of fatigue loads on welded joints of type C independent liquid cargo tank

SHEN Qiu-Bin1WU Jian-guo1,3Hong Ying2Niu Song2
(1.College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Rules and Technical Center, CCS, Shanghai 200135, China; 3. Hangzhou Hongneng Ship Design Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

The work conditions in the fatigue calculation of type C independent cargo tanks are proposed according to the characteristics of type C independent cargo tanks. The calculation formula of the high-cycle fatigue dynamic pressure are deduced according to the IGC rules. The results are compared with the fatigue loads calculated by the equivalent design wave approach in "Guidelines for Fatigue Strength of Ship Structure" of CCS. It also discusses the low-cycle fatigue loads as the steam pressure and the change of temperature, and solves the key problem for the fatigue calculation of type C independent cargo tank.

gas carrier; type C independent liquid cargo tank; welded joint; fatigue load

TG405；U661.4

A

1001-9855（2017）03-0041-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.041

本文的研究內(nèi)容由中國船級社資助，研究成果將運(yùn)用于2017版《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》。

2017-02-09；

2017-03-29

沈秋彬（1989-），男，碩士。研究方向：結(jié)構(gòu)工程分析與設(shè)計。

吳劍國（1963-），男，博士，教授。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。

洪 英（1963-），男，高級工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范。

牛 松（1982-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范。