16 500 m3液化氣船的總體設(shè)計(jì)

熊小虎,荀金標(biāo),徐富強(qiáng)

(江蘇大洋海洋裝備有限公司，江蘇 南京210032)

0 引言

受近年來全球造船行業(yè)整體低迷影響，常規(guī)的貨船市場(chǎng)持續(xù)低迷,面對(duì)接單難、交船難、盈利難的嚴(yán)峻形勢(shì),船廠要生存下去，必須轉(zhuǎn)變營(yíng)銷模式，承接建造高附加值、技術(shù)難度大的船舶訂單。液化氣船是一種技術(shù)含量高、附加值高的船舶，它的建造水平代表著當(dāng)今世界造船技術(shù)的水平。由于液化石油氣屬易燃易爆的危險(xiǎn)貨物，因而對(duì)液化氣船的開發(fā)、設(shè)計(jì)和建造工藝有著特殊要求。

隨著各國(guó)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高,帶動(dòng)了液化石油氣貿(mào)易量的增長(zhǎng)，使得市場(chǎng)對(duì)氣體運(yùn)輸船的需求不斷擴(kuò)大[1]。

本文研究的16 500 m3液化氣船是為歐洲某船東設(shè)計(jì)建造的氣體運(yùn)輸船。該船設(shè)計(jì)指標(biāo)高,技術(shù)含量大，建造難度大,附加值高。在分析該船的船型特點(diǎn)、主要量度的基礎(chǔ)上，通過不斷優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)、艙室布置、液罐形狀，使船舶的設(shè)計(jì)和建造滿足用戶要求。

1 船型特點(diǎn)及主要量度

1.1 船型特點(diǎn)

16 500 m3液化氣船船型為傾斜艏柱、球鼻艏、方型艉，采用貫穿的長(zhǎng)甲板，無艏樓、艉樓，結(jié)構(gòu)形式為單殼、雙底、單甲板結(jié)構(gòu)。全船設(shè)三個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙設(shè)有頂邊艙、底邊艙。每艙安裝一個(gè)液罐，可裝載-163 ℃低溫下的LNG、LEG、LPG類型液貨。

1.2 入級(jí)和船旗

入級(jí)：法國(guó)船級(jí)社。

船旗：方便旗。

1.3 船舶主要量度

總長(zhǎng)

138.00 m

垂線間長(zhǎng)

130.00 m

型寬

21.60 m

型深

11.90 m

設(shè)計(jì)吃水

7.50 m

結(jié)構(gòu)吃水

9.30 m

空船重量(預(yù)估)

約 8 600 t

額定船員

24人

2 主船體劃分

16 500 m3液化氣船總體布置如圖1所示。

本船由水密橫艙壁分隔為艏部、貨艙區(qū)域、機(jī)艙、艉部和上層建筑。上層建筑、甲板室、機(jī)艙位于船舶中后區(qū)域。

根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的結(jié)果,貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)布置為縱骨架式，每四檔肋距設(shè)置一檔強(qiáng)框結(jié)構(gòu)；三個(gè)貨艙，由雙底、單殼舷側(cè)、底邊艙、頂邊艙、甲板組成。每個(gè)貨艙分別安裝一個(gè)液罐，液罐可冷卻液體貨物至-163 ℃。第一貨艙與第二貨艙、第二貨艙與第三貨艙、貨艙與艏部、機(jī)艙與艉部等處的水密隔艙壁均為平面艙壁，艙壁上設(shè)置垂向扶強(qiáng)材及水平桁材。機(jī)艙與貨艙間的水密隔壁形式，水密隔艙壁上端為平直艙壁，下端為斜艙壁；艙壁上設(shè)置垂向扶強(qiáng)材及水平桁材。

3 船體線型改善和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 船體線型改善

根據(jù)船模試驗(yàn)對(duì)航速的要求，并綜合考慮船舶的主尺度和布置等因素，該船艏部設(shè)置了球鼻首，可以減小滿載航行時(shí)的阻力；艉部采用方艉，改善了艉部水流；主甲板結(jié)構(gòu)呈倒U形。

圖1 16 500 m3液化氣船總體布置圖

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用NASTRAN、ANSYS等軟件，通過數(shù)值仿真技術(shù)與手段，比較同類型船的總體結(jié)構(gòu)、布置、排水量及本船的實(shí)際載重量，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)碰撞與損傷的機(jī)理等相關(guān)力學(xué)問題進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)排水量略有富余。其船寬和型深受液罐形狀限制，經(jīng)過分析和計(jì)算，船寬加寬1.8 m，船長(zhǎng)縮短14.3 m，船體受總縱彎矩影響減少，對(duì)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求降低，即在保證原船質(zhì)量的前提下，減少了結(jié)構(gòu)厚度。通過對(duì)船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，本船比同類型船節(jié)省結(jié)構(gòu)鋼材100 t左右，節(jié)約了建造成本。

3.3 材料選擇

由于液罐裝載的貨物溫度為-163 ℃低溫，所以要求貨艙區(qū)鄰近液貨罐的船體結(jié)構(gòu)均為耐低溫材料。與液罐連接的鞍座、止浮裝置等結(jié)構(gòu)，所用材料為耐低溫的BV-D/BV-E 材料；主甲板邊板、舷頂列板材料為BV-E材料；底邊艙斜縱壁板、貨艙區(qū)底部強(qiáng)縱桁、貨艙區(qū)底部強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)材質(zhì)為BV-B； 其他區(qū)域?yàn)槠胀˙V-A級(jí)鋼。掛舵臂板材料為BV-EH32，厚度87 mm的高強(qiáng)度鋼板。

4 本船設(shè)計(jì)中的優(yōu)化點(diǎn)

4.1 艙室布置的優(yōu)化

針對(duì)母型船艙室布置不盡合理的情況，本船艏艉及機(jī)艙布置、艙室布置重新進(jìn)行劃分。另外，機(jī)艙雙層底、循環(huán)滑油艙等根據(jù)安全要求及設(shè)備布置的合理性進(jìn)行了優(yōu)化。機(jī)艙中間平臺(tái)根據(jù)實(shí)際設(shè)備布置情況比同類型船降低了700 mm，艉樓甲板根據(jù)主甲板上的設(shè)備布置層高升高300 mm，房間布置進(jìn)行了重新調(diào)整。根據(jù)安全規(guī)章要求，對(duì)油漆間進(jìn)行了重新布置，由母型船艉部調(diào)整至艏部。

由于受應(yīng)急消防泵艙的位置高度以及應(yīng)急消防泵自身吸高的制約，應(yīng)急消防泵海底門的位置不能布置得太低。但如果其位置不能低到一定程度，當(dāng)船舶出現(xiàn)前后縱搖情況時(shí)，可能使應(yīng)急消防泵管路吸口露出水面，導(dǎo)致無法吸水。經(jīng)過多次計(jì)算輕載工況下橫搖縱傾吃水截圖及參數(shù)，最終將應(yīng)急消防泵海底門布置在貨艙靠近艏部處。

4.2 液罐形狀優(yōu)化

考慮到船體線型的變化，以及船型結(jié)構(gòu)和綜合布置的合理優(yōu)化，確定對(duì)液罐形狀進(jìn)行優(yōu)化。通過采用數(shù)字化分析研究，液罐采用半球形封頭，加長(zhǎng)單只液罐長(zhǎng)度。

由于半球形封頭是帶折邊的球面封頭，由球面體、過渡環(huán)殼和短圓筒三部分組成。從幾何形狀看，半球形封頭是一不連續(xù)曲面，在曲率半徑突變的兩個(gè)曲面毗連處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應(yīng)力，該邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，因而使該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位。但過渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且半球形封頭的剛模加工簡(jiǎn)單，降低了液罐制造成本。

4.3 上層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于該船裝運(yùn)多種液化石油氣，屬易燃、易爆危險(xiǎn)物品，因此，船東對(duì)船體振動(dòng)提出了很高的要求，即達(dá)到客船振動(dòng)ISO 6954—2000標(biāo)準(zhǔn)。本船采用有限元方法，詳細(xì)分析了船舶主機(jī)運(yùn)行、螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)間的激勵(lì)與響應(yīng)關(guān)系、阻尼、頻率響應(yīng)計(jì)算、有效頻率數(shù)選取等問題。 通過目標(biāo)船的全船三維有限元模型，進(jìn)行了船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特性預(yù)報(bào)。根據(jù)三維模擬預(yù)報(bào)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上層建筑、機(jī)艙棚區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整，針對(duì)可能減小船體振動(dòng)的部位提出改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，具體措施如下：

(1)適當(dāng)增大強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)模數(shù)，上層建筑區(qū)強(qiáng)橫梁剖面模數(shù)增加66%；通過增大模數(shù)，使結(jié)構(gòu)剛度增大，提高了結(jié)構(gòu)抗振、抗扭性能。

(2)控制單體梁的跨度和增加內(nèi)圍壁。通過減少單體梁的跨度，可以增大單位剛度，提高結(jié)構(gòu)抗扭性能。采用增加內(nèi)圍壁辦法，可以減少板格格數(shù)，提高結(jié)構(gòu)剛度。

(3)根據(jù)三維模型模擬預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)D甲板振動(dòng)響應(yīng)較大。通過對(duì)其增加內(nèi)圍壁、減少縱桁梁的跨度以提高結(jié)構(gòu)整體抗振性能。

(4)根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)有限元三維仿真模型也進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。再次通過有限元模型對(duì)船舶的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)上層建筑船員居住處所振動(dòng)完全滿足了ISO 6954—2000規(guī)范振幅6 mm/s要求，同時(shí)也滿足了船東關(guān)于船員居住處所不能超過2.9 mm/s振幅的嚴(yán)格要求。計(jì)算分析時(shí)，考慮了10%的振動(dòng)頻率響應(yīng)裕度。最終試航時(shí)測(cè)量的振動(dòng)結(jié)果滿足規(guī)范和船東要求。

5 結(jié)語

該船總體布置合理，線型美觀，適航性能好，安全可靠。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建造，不僅能使船舶企業(yè)在船型開發(fā)能力方面達(dá)到了新的高度，也將有效推動(dòng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，使得企業(yè)在氣體運(yùn)輸船的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭雙燕,范鵬,柳衛(wèi)東.大型全冷式液化氣船(VLGC)總體設(shè)計(jì)研究[J].船舶工程，2014,36 (5):18-21