大型高冰級破冰LNG船結(jié)構(gòu)設計

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海200129)

全球未開發(fā)的油氣儲量約1/4分布在北極，隨著全球變暖，北極地區(qū)油氣開采步伐正在加快。亞馬爾項目是我國在俄羅斯實施的首個特大型能源合作項目，是目前全球在北極地區(qū)最大的LNG工程，針對該項目的船舶訂單需求，滬東中華開發(fā)出具備艏艉雙向自主破冰能力的大型極地破冰型LNG船目標是可全年通航北極航線。為此，基于國際船級社協(xié)會(IACS)規(guī)范的PC冰級和俄羅斯規(guī)范設計滿足PC3、PC4和Arc7高冰級要求的結(jié)構(gòu)方案，通過有限元直接計算模擬冰載荷對船體結(jié)構(gòu)的影響并與規(guī)范計算結(jié)果進行比較。

1 中剖面布置及計算

本船的中剖面布置是在常規(guī)的LNG船幾何形狀與結(jié)構(gòu)布置的基礎上，對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以滿足極地冰區(qū)加強的強度要求。由于冰帶上沿在15338平臺下方，從舭部往上到15338平臺處設置成橫骨架式，縱骨調(diào)整為2倍原始間距設置一檔較大的T型材，見圖1。將橫艙壁和強框架冰帶范圍內(nèi)的肋板上的扶強材加密，見圖2、3。

圖1 橫骨架式

圖2 橫艙壁扶強材加密

圖3 強框架扶強材加密

先用LR的RulesCalc軟件對中剖面進行常規(guī)的規(guī)范強度校核，然后進行冰區(qū)加強方面的計算校核，最后綜合考慮innerdeck和innerbottom處總彎曲應力不超過120 MPa和動應力幅值不超過80 MPa的要求，以及冰載荷造成的中垂彎矩影響，完成滿足總縱強度和局部構(gòu)件強度的中剖面結(jié)構(gòu)規(guī)范計算校核。

2 冰區(qū)加強區(qū)域劃分

冰區(qū)加強區(qū)域的劃分跟船體線型、主尺度等密切相關(guān)，采用不同的骨架型式對結(jié)構(gòu)尺寸有重要影響。PC和Arc冰級的冰區(qū)加強區(qū)域劃分方式截然不同，PC冰級冰帶劃分規(guī)則見圖4，Arc冰級冰帶劃分規(guī)則見圖5。該船PC冰級冰區(qū)加強區(qū)域劃分見圖6，Arc冰級冰區(qū)加強區(qū)域劃分見圖7?？紤]艏艉雙向破冰，將Arc7的冰區(qū)加強區(qū)域里艉部C區(qū)域調(diào)整為類似艏部的A和A1區(qū)域。艉部相應的區(qū)域界限再根據(jù)艉部的參數(shù)b劃分。艉部區(qū)域的A1區(qū)域由A1-I、A1-II、A1-III、A1-IV4個區(qū)域合為1個A1-I區(qū)域，要求更為嚴苛。

圖4 PC冰級的冰帶劃分規(guī)則示意

圖5 Arc系列冰級的冰帶劃分規(guī)則示意

圖6 PC冰級的冰區(qū)加強區(qū)域劃分，外板展開示意

圖7 Arc冰級的冰區(qū)加強區(qū)域劃分及外板展開示意

3 各區(qū)域骨架型式的選取布置

冰區(qū)加強區(qū)域的骨架型式和骨材間距的選取需根據(jù)經(jīng)驗和計算結(jié)果反復優(yōu)化。冰載荷較大區(qū)域采用橫骨架式優(yōu)勢明顯，艏艉冰區(qū)加強區(qū)域采用橫骨架式，船中區(qū)域冰帶范圍采用橫骨架式，底部部分冰載荷較大的區(qū)域也采用橫骨架式，其余區(qū)域采用縱骨架式，靠近貨艙艏艉端的底部區(qū)域采用加密的縱骨架式。該船骨架型式分布見圖8，云線內(nèi)區(qū)域采用橫骨架式，云線外區(qū)域采用縱骨架式。

圖8 全船骨架型式分布示意

4 PC冰級與Arc冰級的校核方法

PC冰級的冰載荷基準值為Bow區(qū)域，其他冰區(qū)加強區(qū)域的計算所用冰載荷用Bow區(qū)域的基準值乘以各自的AF系數(shù)進行折減，AF系數(shù)通過查規(guī)范表得到。Bow區(qū)域冰載荷基準值計算公式如下。

P=F0,22C2DAR0,3

(1)

F=faCCΔ0.64

(2)

AR=7.46 sinβ′AR≥1.3

(3)

式中：fa為形狀系數(shù)，根據(jù)其他公式計算；Δ為排水量，t；β′為考慮位置處的橫截面輪廓線在水線高度處沿垂直方向的切角，(°)；CC和CD查規(guī)范表。

PC冰級共分10個冰區(qū)加強區(qū)域，采用不同的冰載荷進行計算，LR的Rulescalc軟件里集成了PC冰級計算的規(guī)范公式，各個區(qū)域不同的骨架型式采用單獨的表格分別進行校核。

Arc冰級的冰區(qū)加強區(qū)域見表1。Arc冰載荷基準值分為AI區(qū)域、A1I區(qū)域、BI區(qū)域，其他垂向的冰區(qū)劃分區(qū)域計算所用冰載荷值為各自I區(qū)域的基準值乘以akl系數(shù)進行折減得到。該船線型決定A區(qū)域也只考慮AI，沒有II，III，IV區(qū)域。

表1 雙向破冰的Arc7冰級所需計算區(qū)域

AI、A1I、BI區(qū)域冰載荷基準值相關(guān)的計算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：a1、a2、a3為系數(shù)，取值2.95、3.06、1.84；vm為各個區(qū)域里形狀系數(shù)v的最大值。

垂向II、III、IV區(qū)域載荷值為I區(qū)域載荷值做相應折減，折減值查規(guī)范表。

冰區(qū)加強區(qū)域板和骨材的強度校核根據(jù)規(guī)范里板的最小厚度和骨材的最小剖面模數(shù)計算公式編制電子表格進行計算。

5 PC3、PC4與Arc7冰級分析對比

從冰區(qū)加強區(qū)域劃分來看，PC與Arc冰級在垂向分布的高度值比較接近，尤其船舯區(qū)域的垂向分布非常相似，只是PC的Ml區(qū)域近似于Arc冰級的BII和BIII區(qū)域的并集。顯著不同的是中部區(qū)域Arc比PC范圍明顯縮小，而Arc艏艉區(qū)域和艏艉及舯部過渡區(qū)域的范圍明顯較大。Arc艏部的各區(qū)域界限位置跟線型因素相關(guān)性更大，對線型角度值更為敏感。

PC3、PC4與Arc7各區(qū)域計算所得冰載荷壓頭值見表2。

表2 PC3、PC4與Arc7各區(qū)域計算所得冰載荷壓頭值 MPa

由表2可見，在艏艉區(qū)域Arc7比PC4和PC3的冰載荷要大得多，而船中底部和舭部區(qū)域則PC4比Arc7都略微大些，PC3比Arc7大得更多。綜合比較，Arc7和PC3要求相對接近，PC4要求則低一些。Arc7冰級在艏艉區(qū)域大面積使用E500鋼級，部分厚度超過40 mm且設計環(huán)境溫度達-50℃的區(qū)域板材甚至需用到FH500鋼級，Arc7整體厚度要比PC4厚約30%，比PC3厚約15%，而PC冰級底部區(qū)域板厚卻又大于Arc7，Arc7采用橫骨架型式的區(qū)域更大一些。

6 有限元直接計算分析冰載荷對主要支撐構(gòu)件的影響

外板及普通骨材通常用規(guī)范校核即可，而局部開孔和切口在冰載荷的規(guī)范計算里沒有考慮。所以，與外板相接的非水密肋板、艙壁和強桁材等主要支撐構(gòu)件的校核，船級社通常推薦使用有限元直接計算校核。為了評估冰載荷對強桁材、平臺和肋板的擠壓影響，創(chuàng)建局部有限元模型見圖9(假設船舶左右冰載荷環(huán)境一致)。

圖9 船舯局部有限元模型

模型兩端邊界條件采用剛固約束，根據(jù)BV船級社規(guī)范Note NR527里直接計算的設計冰載荷相關(guān)要求，該模型只施加結(jié)構(gòu)吃水深度的靜水載荷以及設計冰載荷，載荷大小選用PC4冰級規(guī)范計算值，模型涉及Mi、Ml、Mb3個冰區(qū)加強區(qū)域，各區(qū)域分別采用折減后的設計冰載荷值。PC4冰級對應的載荷施加范圍為垂向厚度為1.252 m，水平方向連續(xù)的帶狀均布冰載荷，將該冰載荷分別施加在Mi、Ml、Mb3個區(qū)域的強桁材處兩排外板單元上(高度約等于1.252 m)，見圖10。

圖10 邊界條件及冰載荷施加示意

外板區(qū)域的應力分布見圖11。

高應力區(qū)域集中在冰壓加載的3個區(qū)域，其中Mi區(qū)域冰壓加載處的應力最高，約400 MPa，此處構(gòu)件的材料為E500超高強鋼。

平臺和肋板區(qū)域的應力分布見圖12。

圖12 平臺和肋板區(qū)域的應力分布云圖

為對比開孔影響，將模型中一檔肋板的開孔封閉。從計算結(jié)果可見，在冰載荷附近且靠近外板處肋板的應力值明顯大于其他區(qū)域，尤其帶開孔的肋板應力值已超過構(gòu)件的屈服值315 MPa，開孔封閉處肋板的應力值略微超標。有限元計算結(jié)果與規(guī)范經(jīng)驗公式結(jié)果比較可見，外板比較接近，但肋板處有限元結(jié)果應力偏大，這與有限元模型考慮了開孔和切口因素有關(guān)。

7 結(jié)論

1)冰層冰載荷分布方向主要是水平的，縱骨架式肋骨也是水平方向，而橫骨架式肋骨方向為垂直的且通常更為密集，在同樣冰載荷面積下，橫骨架肋骨與外板組成的板架結(jié)構(gòu)能更為有效地抵御冰層的擠壓和碰撞，因此在冰載荷較大區(qū)域采用橫骨架式結(jié)構(gòu)性價比更好。

2)Arc冰級各冰區(qū)加強區(qū)域界限位置(尤其艏艉區(qū)域)對線型角度變化值非常敏感。從冰區(qū)加強區(qū)域看，舯部區(qū)域范圍比PC小很多，而艏艉及艏艉和舯部過渡區(qū)域的范圍Arc則要大得多，可見高冰載荷加強區(qū)域范圍Arc更大、相對更保守。在艏艉區(qū)域的冰載荷值(尤其是艏艉雙向破冰時)Arc7>PC3>PC4，而船舯底部和舭部區(qū)域的冰載荷值Arc7

3)有限元模擬高冰級的冰載荷直接計算結(jié)果顯示船舯區(qū)域外板及普通骨材與規(guī)范經(jīng)驗公式的計算結(jié)果比較接近，其他主要支撐構(gòu)件如平臺、肋板、桁材等構(gòu)件的有限元計算結(jié)果大于規(guī)范經(jīng)驗公式計算結(jié)果，符合預期，驗證了模擬冰載荷直接計算的可靠性，可為后續(xù)模擬冰載荷校核其他冰區(qū)加強區(qū)域的主要支撐構(gòu)件提供參考。

高冰級的LNG船舶結(jié)構(gòu)設計在國內(nèi)尚處于探索階段，本文工作可為后續(xù)其他冰區(qū)航行的LNG船結(jié)構(gòu)設計提供參考。