C型獨立艙三體罐結(jié)構(gòu)強度有限元分析

郭園園，唐文勇，周 兵，張仁杰

（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海鎧韌氣體工程有限公司，上海 200441）

0 引 言

近年來，隨著海上運輸需求迅速攀升，設(shè)有C型獨立液貨艙的液化氣船逐漸朝大型化、多元化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的C型獨立液罐通常為單圓筒型或雙聯(lián)圓筒型，封頭一般為球形封頭或蝶型封頭。為充分利用船體空間，提高艙容利用率，采用C型獨立液貨艙三體罐，將3個圓筒形罐組合在一起，從而增大載貨量，降低運輸成本。作為壓力容器，新型三體罐結(jié)構(gòu)的艙容利用率高、總體性能好，但設(shè)計和建造難度較大。

根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（以下簡稱“IGC規(guī)則”）[1]，結(jié)合各船級社的規(guī)范和鋼制壓力容器國家標準[2]的要求，現(xiàn)有的針對 C型獨立液罐的研究[3-4]大多圍繞球罐、單圓筒罐和雙圓筒罐，很少提及三體罐。比較不同類型液罐的優(yōu)缺點[4]，當全船的貨艙容積較大時，采用三體罐的液貨艙更有優(yōu)勢。目前在對C型獨立液罐進行強度校核時都采用粗網(wǎng)格模型進行分析[5-7]，并未考慮結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。液罐上有大量的連接結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)連接處使用細化的網(wǎng)格模型，可使計算結(jié)果更加準確。在校核衡準方面，已有研究都是直接校核正應(yīng)力或等效應(yīng)力，并沒有區(qū)分薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力。與傳統(tǒng)的單罐和雙罐相比，三體罐增加了罐體和縱隔艙的Y接頭及非水密縱隔艙等結(jié)構(gòu)，載荷更大，應(yīng)力分布更復雜。因此，對三體罐局部連接結(jié)構(gòu)進行細化，分析三體罐的屈服強度，研究三體罐的受力特點，具有實際工程意義。

本文借助ABAQUS非線性有限元分析軟件，根據(jù)IGC規(guī)則的要求，結(jié)合鋼制壓力容器國家標準有關(guān)規(guī)定，對一艘45000m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船的獨立液貨艙三體罐進行強度分析，對高應(yīng)力水平的局部結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格進行細化，分析幾種常見工況下Y接頭、加強環(huán)、真空環(huán)、縱隔艙及其附近局部應(yīng)力的分布狀況，為三體罐的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 罐體結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

以半冷半壓式 LNG液化氣船為分析對象，貨物以低于常溫的狀態(tài)裝載于由絕熱物包裹的液罐中。三體罐總?cè)莘e為15000m3；總長為41.5m；總寬為26m；高度為20m；半徑為8.1m；封頭上部板厚最小，為13.7mm；加強環(huán)下端板厚最大，為56.1mm。三體罐外殼由前后球形封頭、中間筒體和氣室構(gòu)成，其中：中間筒體兩側(cè)有4個止浮耳，防止罐體在船艙破損狀況下浮起；氣室處有集液井。液罐由與船體連接的固定鞍座和滑動鞍座支承，鞍座上方布置有一定厚度的承壓木，液艙筒體板與承壓木相接處焊接有一圈重磅板。液艙內(nèi)部在雙鞍座上方設(shè)置有加強環(huán)，相距20m，兩道加強環(huán)中間布置有3道真空環(huán)，液罐內(nèi)部縱向有縱隔艙相連，其中2道非水密縱隔艙在上面，另外1道縱隔艙在下面。

液罐承裝LNG液貨的主要成分為甲烷，沸點為-161.25℃，密度為500kg/m3。

1.2 材料屬性與模型網(wǎng)格劃分

有限元模型縱向范圍取液罐長度，橫向范圍取液罐止浮耳與承壓木的間距，垂向范圍從承壓木底部到氣室最上端。模型具體包括液罐外殼、加強環(huán)、真空環(huán)、縱隔艙、止移扁鋼和承壓木，忽略集液井、接管、人孔、氣孔和結(jié)構(gòu)上的小圓角等工藝，兼顧準確性和適當簡化的原則。液罐鋼材和鞍座承壓木的材料屬性見表1。

表1 液罐鋼材和鞍座承壓木的材料屬性

采用 S4R板單元模擬液罐結(jié)構(gòu)，采用 C3D8R實體單元模擬承壓木。根據(jù)中國船級社（China Classification Society，CCS）《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[8]的要求，殼體粗網(wǎng)格模型的單元尺寸一般取為R/30，其中R為液貨艙半徑。本模型中液罐粗網(wǎng)格取250mm×250mm；承壓木網(wǎng)格尺寸取50mm×50mm×50mm；在Y接頭、加強環(huán)和真空環(huán)與殼體縱隔艙的連接處及止移扁鋼處等結(jié)構(gòu)較為復雜的高應(yīng)力區(qū)域采用細化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為50mm×50mm；在粗細網(wǎng)格區(qū)域之間有適當?shù)倪^渡。三體罐結(jié)構(gòu)有限元模型示意見圖1。

1.3 邊界及約束條件

模型中的固定端承壓木和滑動端承壓木下表面節(jié)點限制3個方向上的平動自由度。固定端的止移扁鋼插在承壓木卡槽內(nèi)，能限制罐體與固定端承壓木之間的縱向移動；止移扁鋼與液罐筒體相連的一列節(jié)點能限制長度方向的自由度。

在有限元模型中，將固定端的液罐殼體下表面與承壓木上表面之間的接觸設(shè)置為面與面接觸?；瑒佣松蠈映袎耗九c液罐筒體之間將采用自由度Tie耦合在一起。滑動端上下兩層承壓木之間設(shè)置為面與面接觸。固定端鞍座邊界條件見圖2。

圖1 C型獨立液貨艙三體罐結(jié)構(gòu)有限元模型示意

圖2 固定端鞍座邊界條件示意

1.4 溫度場

空艙時，液罐和承壓木處于室溫狀態(tài)（20℃）。充滿液貨之后，罐體溫度與液貨溫度一致，為-161℃；鞍座處的承壓木根據(jù)設(shè)計不需要采用專用低溫鋼，其溫度設(shè)置為-30℃。溫度場直接在軟件中設(shè)置，可計算溫度應(yīng)力。

1.5 計算工況

按照CCS規(guī)范的要求，主要選取靜橫傾、橫搖和碰撞等3個計算工況（見表2）[8]。

表2 C型獨立液貨艙結(jié)構(gòu)強度有限元直接計算工況

表2中根據(jù)IGC規(guī)則計算的設(shè)計蒸汽壓力為0.43MPa，液貨動壓力為液貨隨船舶運動產(chǎn)生的載荷。采用IGC規(guī)則中的加速度橢圓法計算，可得到橫搖0°/10°/20°/30°時的合成相對加速度分別為1.49g，1.46g，1.37g和1.16g（g為重力加速度）；在軟件中采用場函數(shù)的方法，可將加速度引起的液貨壓力隨高度變化施加在罐體內(nèi)表面。

2 應(yīng)力分類及強度評定

IGC規(guī)則將液艙結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分為總體主膜應(yīng)力、局部主膜應(yīng)力、主彎曲應(yīng)力和二階應(yīng)力，衡準條件為

式(1)～式(4)中：σm為等效總體主膜應(yīng)力，N/mm2；σL為等效主彎曲應(yīng)力，N/mm2；σb為等效局部主膜應(yīng)力，N/mm2；σg為等效二階應(yīng)力，N/mm2；f=min(Re/A， Rb/B)，對于鎳鋼，A=1.5，B=3.0，得f=226.7 MPa 。

彎曲應(yīng)力分量由連接邊界（結(jié)構(gòu)局部變形協(xié)調(diào)）引起的彎曲應(yīng)力分量與彎曲外載荷引起的不隨邊界距離增大而衰減的彎曲應(yīng)力分量2部分組成，而bσ實際上是彎曲應(yīng)力分量中由外載荷引起的彎曲分量部分。由于bσ數(shù)值一般較小，可略去bσ項[9]，即可略去式（3）對應(yīng)的衡準要求。

總體薄膜應(yīng)力是由圓筒或球殼中的內(nèi)壓引起的，膜應(yīng)力沿殼體均勻分布，因此可利用遠離結(jié)構(gòu)約束區(qū)的中面應(yīng)力作為等效總體膜應(yīng)力，許用值為226.7MPa。

局部一次膜應(yīng)力是由壓力或其他機械載荷引起的，與結(jié)構(gòu)不連續(xù)相聯(lián)系。利用中面數(shù)據(jù)作為σL，利用最大表面總應(yīng)力數(shù)據(jù)作為σL+σb+σg應(yīng)力強度是可行的，且有足夠的計算精度[9]。因此，加強環(huán)附近殼體、支撐構(gòu)件及Y接頭結(jié)構(gòu)連接區(qū)域的中面力為局部主膜應(yīng)力，許用值為340MPa。上下表面力為主膜應(yīng)力、主彎曲應(yīng)力及二階應(yīng)力之和，許用值為680MPa。

參照CCS規(guī)范[8]，鞍座承壓木的許用應(yīng)力為70MPa。

3 計算結(jié)果與分析

利用上述有限元模型，計算并輸出液罐外表面、中面和內(nèi)表面的等效應(yīng)力，對液貨艙殼體、Y接頭及液貨艙的附屬構(gòu)件進行強度分析。縱隔艙下部分有一側(cè)加強材，其余結(jié)構(gòu)都為對稱布置，當左傾和右傾相同角度時，液罐受力結(jié)果差異不大。選取靜橫傾工況和橫搖工況中的傾斜 0°及左傾 10°，20°，30°進行分析。在碰撞工況中，向前沖的慣性載荷比向后沖的更大，故選取向前沖工況為典型工況進行分析。

3.1 總體主膜應(yīng)力

在筒體和封頭上，由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力為總體主膜應(yīng)力，根據(jù)有限元計算結(jié)果，對板中面的等效應(yīng)力進行校核，并將各工況下的計算結(jié)果與僅加載蒸汽壓力時的計算結(jié)果相對比，結(jié)果見表 3。液罐殼體的等效總體主膜應(yīng)力都小于許用值226.7MPa。

表3 不同工況下筒體和封頭的等效總體主膜應(yīng)力 MPa

3.2 局部應(yīng)力

局部結(jié)構(gòu)包括液貨艙與其鞍座連接處的殼體、固定支撐環(huán)、滑動支撐環(huán)、真空環(huán)、縱隔艙、筒體Y接頭、封頭Y接頭及鞍座承壓木。液貨艙連接處細網(wǎng)格的中面Mises應(yīng)力見表4。液貨艙結(jié)構(gòu)連接處上下表面Mise應(yīng)力的最大值見表5。鞍座承壓木的Mises應(yīng)力結(jié)果見表6。

表4 不同工況下液貨艙結(jié)構(gòu)連接處的等效局部主膜應(yīng)力 MPa

表5 不同工況下液艙結(jié)構(gòu)連接處的上下表面等效應(yīng)力 MPa

表6 鞍座承壓木的等效壓應(yīng)力 MPa

圖3～圖7為計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，其中：圖3為向左橫傾30°中真空環(huán)的中面等效應(yīng)力云圖，在中真空環(huán)與縱隔艙連接的Y接頭處應(yīng)力最高；圖4為向左橫搖20°加強環(huán)表面應(yīng)力云圖，在加強環(huán)下端與筒體連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖5為向左橫搖30°縱隔艙應(yīng)力云圖，在縱隔艙與中真空環(huán)連接處的Y接頭應(yīng)力最高；圖6為向左橫搖30°封頭的中面等效應(yīng)力云圖，受力最大點在3個球形封頭的連接中心；圖7為向左橫搖30°鞍座承壓木的等效壓應(yīng)力云圖，承壓木下端受力最大；圖8為液罐整體位移云圖，位移最大的位置在液罐中真空環(huán)頂部，約為46.5mm，變形方向朝左舷向下。

圖3 向左橫傾30°中真空環(huán)中面等效應(yīng)力云圖

圖4 向左橫搖20°加強環(huán)表面應(yīng)力云圖

圖5 向左橫搖30°縱隔艙應(yīng)力云圖

圖6 向左橫搖30°封頭中面等效應(yīng)力云圖

圖7 向左橫搖30°鞍座承壓木應(yīng)力云圖

圖8 向左橫搖30°液罐整體位移變形云圖

3.3 結(jié)果分析

罐體的等效總體主膜應(yīng)力和上下表面等效應(yīng)力均小于許用值，液罐結(jié)構(gòu)總體上是安全的。在靜橫傾工況和橫搖工況下，隨著傾斜角度的增大，加強環(huán)附近殼體、加強環(huán)端部、真空環(huán)及筒體Y接頭處的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體上呈增大趨勢。

靜橫傾角度的變化對罐體結(jié)構(gòu)的影響很小，對鞍座承壓木的受力影響很大。在相同傾斜角度下，橫搖產(chǎn)生的動載荷使結(jié)構(gòu)受力增大。在向前碰撞工況下結(jié)構(gòu)的受力要小于其他工況，說明碰撞慣性載荷對液罐結(jié)構(gòu)的影響不大。蒸汽壓力對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平影響較大。

在不同工況下液罐危險點出現(xiàn)的位置基本上相同，例如加強環(huán)下端與筒體連接處、中真空環(huán)與縱隔艙連接的Y接頭處、縱隔艙端部與加強環(huán)和筒體連接處、筒體Y接頭與加強環(huán)連接處及3個球形封頭的連接中心和封頭與筒體連接處。本液罐是單層結(jié)構(gòu)，損傷后有泄漏風險，可對加強環(huán)端部、縱隔艙與筒體連接處及筒體Y接頭處的局部結(jié)構(gòu)進行加強，增大其強度，以保證結(jié)構(gòu)更安全。

與單罐和雙罐相比，三體罐的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布更加復雜。在以上研究的基礎(chǔ)上，可進一步對液貨艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出建議。例如：重磅板向中間延伸至與縱隔艙相連；在封頭與筒體之間設(shè)置板厚的過渡區(qū)域；在縱隔艙與筒體連接處的Y接頭處增加板厚。

4 結(jié) 語

本文通過對 LNG船三體罐的靜橫傾工況、橫搖工況及碰撞工況等進行有限元模擬計算分析，梳理了三體罐結(jié)構(gòu)強度方面的特點，得到以下結(jié)論：

1) 液罐在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。液罐殼體及附屬構(gòu)件上的最大應(yīng)力危險點都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)連接處。在對加強環(huán)端部、縱隔艙與筒體連接處及筒體Y接頭處進行設(shè)計時，需特殊考慮。

2) 靜橫傾角度和橫搖角度對加強環(huán)及筒體 Y接頭部位的應(yīng)力影響較大，尤其是在有動壓的情況下。同時，鞍座承壓木受傾斜角度的影響較大。

3) 延長重磅板的寬度和長度，在縱隔艙與筒體連接處的Y接頭處增加板厚，可使結(jié)構(gòu)得到進一步優(yōu)化，同時建議對Y接頭采用更安全的焊接形式。

【 參 考 文 獻 】

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