超大型液化氣船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

超大型液化氣船(VLGC)因用途特殊,在各方面都有特殊要求，設(shè)計(jì)和建造技術(shù)難度大，代表當(dāng)今世界造船技術(shù)水平，是以高難度、高技術(shù)、高附加值著稱的“三高”船舶[1]。按照國際《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》[2](簡稱《IGC規(guī)則》)和美國船級社(簡稱《ABS》)對液化石油氣船要求，對一艘84 000 m3全冷式、A型獨(dú)立艙液化石油氣運(yùn)輸船(總長237.6 m、垂線間長216 m、型寬37.2 m型深22 m)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使目標(biāo)船型在滿足規(guī)范、規(guī)則要求的前提下，確定材料形式與選取范圍，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置形式。

1 結(jié)構(gòu)材料

目標(biāo)船裝運(yùn)貨物設(shè)計(jì)溫度是-50 ℃，貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)材料與常規(guī)船結(jié)構(gòu)材料相差較大，以下討論主要針對貨艙區(qū)主船體、A型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)材料。

1.1 貨艙區(qū)主船體結(jié)構(gòu)材料

貨艙區(qū)主船體結(jié)構(gòu)材料等級選用及其應(yīng)用范圍應(yīng)從4個(gè)方面綜合考慮。

1)《 IGC規(guī)則》對液化石油氣船次屏壁設(shè)置要求見表1。

A型獨(dú)立液貨艙主要是平板結(jié)構(gòu)，用全冷凍方式裝低于-10°C的液化石油氣，主船體可以作為次屏蔽。次屏壁設(shè)置范圍不得小于液貨艙破裂時(shí)液面在船靜橫傾角為30°時(shí)所包圍的范圍。次屏壁設(shè)置范圍(粗線代表整個(gè)次屏壁)見圖1。

表1 IGC規(guī)則對液化石油氣船次屏壁設(shè)置要求

注：1經(jīng)主管機(jī)關(guān)特別考慮，允許大氣壓力下貨物的溫度低于·10 ℃，則通常應(yīng)要求設(shè)完整的次屏壁；2如半薄膜液貨艙在各方面均能適合于B型獨(dú)立液貨艙的要求(支持方式除外)，經(jīng)主管機(jī)關(guān)特別考慮可以同意設(shè)置部分的次屏壁。

圖1 次屏壁設(shè)置范圍示意

2) 環(huán)境溫度。結(jié)構(gòu)材料等級選用應(yīng)根據(jù)液化石油氣船航行路線中的海水溫度、外部空氣溫度及貨物溫度進(jìn)行溫度場計(jì)算確定溫度分布。在計(jì)算時(shí)需要提供下列數(shù)據(jù)，分別是：次屏壁處最冷貨物溫度；橫傾30°時(shí)艙內(nèi)液面高度；規(guī)則規(guī)定的空氣及海水溫度，見表2。

表2 規(guī)則規(guī)定的空氣及海水溫度 ℃

注：①.美國海岸警衛(wèi)隊(duì)[3]對航行于美國海域非美國旗船只額外的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求；②.計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)及5 kn風(fēng)的對流影響。

3)船級社要求。根據(jù)ABS要求，對于縱向構(gòu)件如甲板、內(nèi)底板、內(nèi)殼等處的低溫材料應(yīng)超出次屏壁400 mm，同時(shí)與低溫材料相鄰的板材其材質(zhì)必須為E級鋼或DH級鋼且寬度不小于400 mm[4]。

4)USCG要求。材料選用還需符合USCG要求，如USCG一般要求整個(gè)貨艙區(qū)的甲板邊板和舷頂列板至少為E級鋼，舭列板為至少D級鋼。

在計(jì)算出船體結(jié)構(gòu)的溫度場分布后，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)材料溫度分布、拼板工藝和安裝方便等因素，再結(jié)合IGC規(guī)則的要求形成結(jié)構(gòu)材料等級分布。IGC規(guī)則對結(jié)構(gòu)材料等級與船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度、建造厚度要求見表3。

表3 結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度、建造厚度 mm

備注：①適用于除了次屏壁、液貨艙以外的因貨物影響而需經(jīng)受降低溫度且不構(gòu)成次屏壁部分船體結(jié)構(gòu)材料，該船體結(jié)構(gòu)包括內(nèi)底板、縱艙壁、橫艙壁板、肋板、強(qiáng)肋骨、桁材以及所有相連的扶強(qiáng)材構(gòu)件；②適用于船體的外板和甲板以及所有相連的扶強(qiáng)材均應(yīng)符合公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，除非由于低溫貨物的影響使設(shè)計(jì)條件下的材料計(jì)算溫度是在-5℃ 以下

根據(jù)以上要求可最終確定貨艙區(qū)主船體低溫材料的運(yùn)用范圍，見圖2。

圖2 貨艙區(qū)主船體低溫材料運(yùn)用范圍

1.2 A型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)材料

目標(biāo)船裝運(yùn)的貨物設(shè)計(jì)溫度是-50℃，整個(gè)A型獨(dú)立艙選用材料為低溫材料，在考慮成本和設(shè)計(jì)貨物溫度兩因素后選用的低溫材料為碳錳鋼。

1)低溫材料。低溫材料一般分為碳錳鋼、鎳鋼、奧氏體鋼、鋁合金和奧氏體鐵-鎳合金。IGC規(guī)則有關(guān)低溫材料見表4。

2)低溫材料碳錳鋼。常用常溫船體結(jié)構(gòu)用鋼對于不同的船級社，其化學(xué)成分、機(jī)械性能是相同的，而低溫材料碳錳鋼(設(shè)計(jì)溫度在0～-55 ℃)對于不同的船級社，其化學(xué)成分、機(jī)械性能是有差異的，因此在設(shè)計(jì)初期需要明確船舶的入級符號。中國船級社(CCS)、美國船級社、日本船級社(NK)、挪威船級社(DNV)、英國船級社(LR)、法國船級社(簡稱BV)六個(gè)船級社低溫材料碳錳鋼(設(shè)計(jì)溫度在45～-55 ℃)化學(xué)成分匯總于表5；表6是上述6個(gè)船級社低溫材料碳錳鋼(設(shè)計(jì)溫度在45～-55 ℃)力學(xué)性能匯總。

表4 低溫材料 ℃

注：①為經(jīng)同意可以省去沖擊試驗(yàn)。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 檢修通道

根據(jù)IMCO CODE[10]對散裝運(yùn)輸液化氣體船的要求，貨艙區(qū)主船體與A型獨(dú)立艙間檢修通道必須滿足以下要求。

1)兩平面表面之間的最小距離為600 mm(如A型艙)，平面與曲面表面之間的最小距離為450 mm(如C型艙)。

2)構(gòu)件自由邊與平面表面的最小距離為380 mm。

3)當(dāng)不需要穿過構(gòu)件檢查時(shí)，構(gòu)件自由邊與液艙絕緣層表面的最小距離為半個(gè)翼板寬度或50 mm中的大值，如圖3所示。根據(jù)以上要求，結(jié)合液艙絕緣層的厚度和A型獨(dú)立艙艙壁板厚、主船體艙壁板厚，主船體與A型獨(dú)立艙之間的布置見圖4。

圖3 檢修通道要求

表5 低溫材料碳錳鋼主要化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5-9] %

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX，XX為沖擊試驗(yàn)溫度。

2.2 A型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)布置

目標(biāo)船貨艙區(qū)主船體結(jié)構(gòu)布置與散貨船結(jié)構(gòu)形式比較相似，在此不做詳細(xì)描述，主要分析下A型獨(dú)立艙的結(jié)構(gòu)布置。

1)A型獨(dú)立艙結(jié)構(gòu)布置。A型獨(dú)立艙是完全獨(dú)立支持的，對船體總縱強(qiáng)度不起作用，它主要由獨(dú)立艙邊界、制蕩艙壁、中縱艙壁組成。獨(dú)立艙邊界為縱骨架式結(jié)構(gòu)，由橫向強(qiáng)框架和縱骨構(gòu)成。

表6 低溫材料碳錳鋼機(jī)械性能匯總

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX ，XX為沖擊試驗(yàn)溫度；A-比設(shè)計(jì)溫度低5 ℃或-20 ℃，取其低；B-比設(shè)計(jì)溫度低10 ℃或-20 ℃，取其低；C-比設(shè)計(jì)溫度低15 ℃或-20 ℃，取其低；D-比設(shè)計(jì)溫度低20 ℃；1-最低設(shè)計(jì)溫度為-45 ℃；2-最低設(shè)計(jì)溫度為-50 ℃。

為了防止A型獨(dú)立艙受到靜、動載荷作用產(chǎn)生液貨艙本體移動而設(shè)置支承裝置、防縱搖裝置、防橫搖裝置和止浮裝置。由于支承件的存在使A型獨(dú)立艙與主船體間產(chǎn)生相互作用。為使應(yīng)力有效傳遞，與支承件相連艙壁處的縱骨應(yīng)與主船體縱骨布置一致，其他縱艙壁如中縱艙壁、側(cè)壁以及底邊艙相鄰艙壁的縱骨間距是可調(diào)整變化的。在排列這3個(gè)艙壁縱骨時(shí)需充分考慮中縱艙壁與側(cè)壁間水平桁的布置、施工方便、板格間距統(tǒng)一等因素確定縱骨布置，其結(jié)構(gòu)形式見圖5。

圖5 A型獨(dú)立艙縱艙壁縱骨布置

2)A型獨(dú)立艙液艙內(nèi)結(jié)構(gòu)檢修通道。由于A型獨(dú)立艙裝載貨物是石油碳?xì)浠衔?，下艙檢驗(yàn)是較危險(xiǎn)的工作，一般在年檢時(shí)要下艙檢查。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置考慮設(shè)置縱向結(jié)構(gòu)檢修通道，將與橫艙壁水平桁相連的縱骨尺寸加大以兼作結(jié)構(gòu)檢修通道，一方面保證了結(jié)構(gòu)連續(xù)性，使橫艙壁水平桁應(yīng)力有效傳遞，另一方面可與橫艙壁水平桁形成完整檢修通道。

3 結(jié)論

闡述了VLGC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需考慮的幾個(gè)主要問題，即結(jié)構(gòu)材料的選用、結(jié)構(gòu)布置、規(guī)范規(guī)則使用等，通過對上述問題的研究，不僅使目標(biāo)船型滿足規(guī)范、規(guī)則要求，得到合理的設(shè)計(jì)方案，也為后期船舶建造提供了良好的技術(shù)支撐。