20000m3 LNG運(yùn)輸加注船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

溫保華，劉文華，陳彥希

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

上海船舶研究設(shè)計(jì)院為挪威船東設(shè)計(jì)的20000m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）運(yùn)輸加注船是目前世界上最大的TYPE C型LNG燃料加注船。該船設(shè)有3個(gè)獨(dú)立C型雙體罐，具有安全、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)，既能運(yùn)輸LNG，又能為其他船舶和終端加注LNG。

該船在結(jié)構(gòu)上很像帶有封閉甲板的散貨船，設(shè)置有雙層底、底邊艙、頂邊艙、單殼舷側(cè)、單甲板和水密底凳結(jié)構(gòu)，橫艙壁為平面結(jié)構(gòu)，底墩與兩側(cè)壓載艙相連。船首區(qū)域和機(jī)艙區(qū)域各安裝1臺(tái)側(cè)推器，其中：船首區(qū)域的側(cè)推器為伸縮推；機(jī)艙區(qū)域的側(cè)推器為常規(guī)側(cè)推。船中區(qū)域設(shè)有高位和低位集管區(qū)，貨艙前端設(shè)有低位集管區(qū)，便于操作，加氣系統(tǒng)的接口為預(yù)留設(shè)置。

1 船型概述

該20000m3LNG運(yùn)輸加注船是一艘國(guó)際海事組織（International Maritime Organization, IMO）2G船型（見(jiàn)圖1），其獨(dú)立液貨罐封頭為球型，貨物圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為-163℃，設(shè)計(jì)蒸氣壓力為0.45MPa，最大貨物密度為0.5t/m3。該船的主要參數(shù)為：總長(zhǎng)約159.90m；型寬24.00m；型深16.75m；設(shè)計(jì)吃水8.00m；結(jié)構(gòu)吃水8.20m；液貨艙容積約20000m3；航速約15.5kn。

圖1 20 000 m3 LNG運(yùn)輸加注船總布置視圖

2 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 靜水彎矩設(shè)計(jì)

液化氣體船一般呈中拱狀態(tài)，控制船體結(jié)構(gòu)重量主要是通過(guò)降低中拱靜水彎矩實(shí)現(xiàn)的，尤其是要控制中和軸以上結(jié)構(gòu)的重量，盡量降低結(jié)構(gòu)的重心，有利于保證整船的穩(wěn)性。本文所述LNG運(yùn)輸加注船的中拱彎矩值主要取決于隔艙裝載工況，因而在配載時(shí)考慮將壓載水放置在船體中部壓載艙，從而有效減小中拱彎矩。此外，船東對(duì)該船的最大靜水彎矩有特殊要求，要求其在典型工況下航行時(shí)的設(shè)計(jì)彎矩和剪力包絡(luò)值有20%的余量，因此有效減小船中的最大中拱彎矩值是非常必要的。

在計(jì)算結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)航行工況和港口工況的彎矩和剪力值分別進(jìn)行包絡(luò)，其中航行工況應(yīng)區(qū)分典型工況（主要指正常航行和操作工況，如滿載、隔艙和正常壓載等）和非典型工況（指進(jìn)塢、檢查螺旋槳等）。典型工況的包絡(luò)值根據(jù)船東的要求考慮20%余量，非典型工況的包絡(luò)值考慮10%余量，由此確定該船的設(shè)計(jì)彎矩和剪力值。在確定船中的設(shè)計(jì)彎矩的取值范圍時(shí)，不必在整個(gè)船中0.4L（L為船長(zhǎng)）范圍內(nèi)都保持不變，而是根據(jù)實(shí)際包絡(luò)值范圍進(jìn)行必要的調(diào)整，這樣貨艙結(jié)構(gòu)的尺寸不需要保持不變，而是逐步向兩端過(guò)渡，在滿足規(guī)范和船東要求的情況下，盡可能地減小構(gòu)件的尺寸，控制結(jié)構(gòu)重量。

一般液化氣體船在實(shí)際運(yùn)行工況下的中垂靜水彎矩值都比較小，本文所述LNG運(yùn)輸加注船也不例外。

2.2 結(jié)構(gòu)布置與規(guī)范設(shè)計(jì)

與典型散貨船的結(jié)構(gòu)型式類似，LNG運(yùn)輸船的雙層底結(jié)構(gòu)、底邊艙、頂邊艙和主甲板通常采用縱骨架形式布置，頂邊艙與底邊艙之間的單舷側(cè)結(jié)構(gòu)通常采用橫骨架式布置，這樣既能較好地滿足總強(qiáng)度要求，又方便船廠建造。對(duì)于貨艙前后端結(jié)構(gòu)，尤其是貨艙前端，由于其線型的變化，在空間變得較為狹窄之后，可將骨架形式改為橫骨架式，但應(yīng)注意縱骨架式結(jié)構(gòu)向橫骨架式結(jié)構(gòu)的過(guò)渡。通常情況下強(qiáng)框間距可采用3檔或4檔肋骨間距。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，需滿足《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（簡(jiǎn)稱《IGC規(guī)則》）中有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件與液罐絕緣之間絕緣檢查的間隙要求[1]。對(duì)于液化氣體船而言，液貨艙的艙容是船型的重要指標(biāo)，為提高艙容，在船體尺度確定的情況下，需綜合平衡結(jié)構(gòu)與液艙絕緣之間的通道要求，尤其是在貨艙前后兩端液罐體還未發(fā)生收縮的區(qū)域，需兼顧船體線型與結(jié)構(gòu)布置之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提前考慮到位。

通過(guò)第2.1節(jié)初步確定設(shè)計(jì)彎矩和剪力之后，采用挪威船級(jí)社新一代NAUTICUS HULL軟件建立規(guī)范模型并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，使其滿足規(guī)范要求，如總強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、連接面積和縱骨疲勞等。典型中橫剖面結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 典型中橫剖面結(jié)構(gòu)示意

2.3 船體溫度場(chǎng)計(jì)算與材料鋼級(jí)選擇

根據(jù)《IGC規(guī)則》的要求，采用獨(dú)立C型艙的液化氣體船需計(jì)算其貨艙區(qū)的溫度場(chǎng)分布，目的是根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果選取貨艙區(qū)船體鋼板的鋼級(jí)，以防止船體結(jié)構(gòu)在低溫情況下發(fā)生脆性破壞[1,3]。對(duì)于本文所述LNG運(yùn)輸加注船而言，由于船東無(wú)特殊外部環(huán)境溫度要求，在計(jì)算時(shí)，外部環(huán)境溫度按《IGC規(guī)則》定義的環(huán)境溫度選取，即：空氣溫度為5℃；海水溫度為0℃。當(dāng)然，若船東、港口國(guó)主管機(jī)構(gòu)或船旗國(guó)有特殊的設(shè)計(jì)溫度要求，則需按特殊要求下的最低環(huán)境溫度分析。對(duì)于C型艙而言，液貨溫度-163℃作用于主屏壁罐體上[1]。

溫度場(chǎng)分析可采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法或有限元方法。目前工程上采用較多的方法是簡(jiǎn)化計(jì)算方法，即將船體和液罐系統(tǒng)的三維傳熱簡(jiǎn)化為一維傳熱方式進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算中結(jié)合具體布置，考慮熱的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等。對(duì)于液罐鞍座處的溫度場(chǎng)分析計(jì)算，主要考慮熱傳導(dǎo)作用。若計(jì)算得到的基座結(jié)構(gòu)溫度接近于-30℃，建議采用有限元方法進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，以便得到更準(zhǔn)確的鞍座處溫度場(chǎng)分析結(jié)果；在進(jìn)行有限元分析過(guò)程中，可考慮空氣中的輻射和對(duì)流作用[4]。

本文所述LNG運(yùn)輸加注船的船東無(wú)特殊外部環(huán)境溫度要求，因此基于《IGC規(guī)則》定義的環(huán)境溫度，采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)件除了滿足規(guī)范本身定義的材料鋼級(jí)選擇要求以外，還根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果滿足《IGC規(guī)則》定義的低溫下材料鋼級(jí)選擇（見(jiàn)表1）的要求。通常情況下，《IGC規(guī)則》的鋼級(jí)選擇要求比各船級(jí)社的要求高。基于《IGC規(guī)則》環(huán)境溫度下該船的溫度場(chǎng)計(jì)算，除了鞍座區(qū)域溫度接近于-29℃以外，其余內(nèi)殼位置的溫度都在-5℃以上，都可采用船用常規(guī)鋼板，無(wú)需采用低溫鋼。

表1 《IGC規(guī)則》要求下貨艙區(qū)材料鋼級(jí)選擇

此外，該船還需考慮美國(guó)航線，根據(jù)USCG（United States Coast Guard）的要求，在選擇C型氣體船的船體鋼級(jí)時(shí)，還需滿足USCG對(duì)甲板邊板、舷頂列板和舭部板鋼級(jí)的特殊要求。

2.4 船體典型鞍座結(jié)構(gòu)和止浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用C型艙的液化氣船的每個(gè)貨艙內(nèi)都設(shè)置有2個(gè)獨(dú)立的鞍座結(jié)構(gòu)，以支撐液罐自身（見(jiàn)圖3），前端的鞍座設(shè)置為滑動(dòng)型式，后端的鞍座設(shè)置為固定型式。每個(gè)鞍座都由鞍座面板、鞍座腹板和沿著徑向布置的縱向肘板構(gòu)成，能有效地將液罐的動(dòng)載荷和靜載荷傳遞至船體結(jié)構(gòu)上，鞍座面板與液罐之間通過(guò)硬木和環(huán)氧有效連接。在鞍座下面的雙層底中至少設(shè)置3檔實(shí)肋板，以有效承擔(dān)鞍座傳遞過(guò)來(lái)的較大載荷和增大鞍座附近的剛度。固定鞍座還應(yīng)設(shè)置縱向止擋肘板，以承受船體碰撞時(shí)向前慣性力0.50g（g為重力加速度）和向后慣性力0.25g。

圖3 典型鞍座結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)鞍座上方的頂邊艙位置都設(shè)置有止浮裝置，采用額外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，以有效抵抗船舶發(fā)生意外時(shí)，貨艙空艙進(jìn)水情況下，獨(dú)立液罐上浮產(chǎn)生的載荷，保證此處船體結(jié)構(gòu)的安全性。最大載荷為破艙水線下罐體排開(kāi)體積引起的海水重量與罐體結(jié)構(gòu)重量之間的差值。鞍座處船體結(jié)構(gòu)和止浮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度通常采用直接計(jì)算的方法得到。

3 有限元強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)挪威船級(jí)社的規(guī)范和指南進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析；在進(jìn)行有限元建模時(shí)，采用軟件MSC.Patran進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料特性、單元屬性和構(gòu)件分組均在該軟件中進(jìn)行。將所得信息以bdf文件的形式導(dǎo)入到船級(jí)社的軟件Genie中，創(chuàng)建自重工況進(jìn)行試算。模型無(wú)誤之后，導(dǎo)出艙室信息，通過(guò)Nauticus Hull V.20生成載荷文件。最后，在Genie中進(jìn)行剪力彎矩調(diào)整、屈服強(qiáng)度計(jì)算、拉壓計(jì)算、屈服和屈曲強(qiáng)度評(píng)估等工作[2-3]。

3.1 有限元模型

根據(jù)規(guī)范的要求，對(duì)于有3個(gè)及3個(gè)以上貨艙的船型，艙段分析模型范圍為3個(gè)貨艙長(zhǎng)度（1+1+1），其中中間貨艙為屈服和屈曲強(qiáng)度評(píng)估區(qū)域。主船體的建模要求與常規(guī)船型一致，不同之處在于其鞍座區(qū)域需考慮木塊的模擬，以便正確傳遞液罐上的載荷。

由于要單獨(dú)對(duì)液罐進(jìn)行建模分析，在艙段模型中，液罐僅用來(lái)傳遞載荷。鞍座中的木塊只能承受壓力，不能承受拉力，不同的船級(jí)社對(duì)此采用不同的方法。挪威船級(jí)社采用Truss單元，開(kāi)發(fā)了專門(mén)的拉壓分析程序[3-5]。

3.2 計(jì)算工況

挪威船級(jí)社的指南對(duì)計(jì)算工況做出了明確的描述，分別為靜態(tài)工況、海上航行工況和事故工況。工況中給出了評(píng)估范圍，有的適用于船體，有的適用于鞍座，后續(xù)分析時(shí)需注意區(qū)分。DNV GL新規(guī)范向散貨船和油輪共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers, CSR）靠攏，工況復(fù)雜，有的裝載模式考慮浪向包有11個(gè)子工況，若考慮到剪力彎矩調(diào)整位置不同，子工況還要增加。有限元分析的工況共有48種，故以往的手工加載方式難以實(shí)現(xiàn)。挪威船級(jí)社的Nauticus Hull V.20軟件為新一代規(guī)范計(jì)算軟件，能自動(dòng)將上述工況生成單獨(dú)的載荷文件，方便后續(xù)調(diào)用。

3.3 計(jì)算結(jié)果

不同結(jié)構(gòu)部位和工況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，粗網(wǎng)格屈服利用因子和船體粗網(wǎng)格許用屈服利用因子分別見(jiàn)表2和表3。根據(jù)規(guī)范許用的屈曲強(qiáng)度利用因子，取與許用的屈服強(qiáng)度利用因子相同。在對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行評(píng)估時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際屈服強(qiáng)度利用因子應(yīng)滿足

同理，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際屈曲強(qiáng)度利用因子應(yīng)滿足

式(2)中：ηact為結(jié)構(gòu)實(shí)際屈曲強(qiáng)度利用因子；ηall為許用的屈曲強(qiáng)度利用因子。

表2 粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度利用因子

表3 船體粗網(wǎng)格許用屈服強(qiáng)度利用因子

由表2和表3可知：待評(píng)估的構(gòu)件分為船體和鞍座2類；材料可分為普通鋼、H32高強(qiáng)度鋼和H36高強(qiáng)度鋼等3類；工況可分為靜態(tài)工況（AC-I）、靜+動(dòng)工況（AC-II）和事故工況（AC-III）等3類，基于上述組合工況，構(gòu)件的屈服和屈曲評(píng)價(jià)將非常復(fù)雜。為簡(jiǎn)化評(píng)估，Genie軟件采用名義利用因子Uf，即實(shí)際屈服/屈曲強(qiáng)度利用因子與對(duì)應(yīng)的許用屈服/屈曲強(qiáng)度利用因子的比值。這樣在進(jìn)行有限元后處理時(shí)只需考慮構(gòu)件類型、工況大類、屈服強(qiáng)度名義利用因子和屈曲強(qiáng)度名義利用因子。只要構(gòu)件的名義利用因子小于1.0，就可滿足規(guī)范的要求。

計(jì)算結(jié)果表明：船體結(jié)構(gòu)屈服和屈曲強(qiáng)度均能滿足要求，但甲板氣室開(kāi)口區(qū)域的應(yīng)力相對(duì)較高，屈服強(qiáng)度名義利用因子達(dá)到0.9。對(duì)此，根據(jù)船級(jí)社和船東的要求，采用子模型方法，單獨(dú)細(xì)化氣室周邊的結(jié)構(gòu)，細(xì)化分析規(guī)范要求和細(xì)網(wǎng)格大小描述參照規(guī)范[2]。細(xì)化后其利用因子約為1.31，小于挪威船級(jí)社規(guī)范要求的1.5，滿足規(guī)范要求。氣室開(kāi)孔處細(xì)化后的有限元屈服應(yīng)力見(jiàn)圖4。

圖4 氣室開(kāi)孔處細(xì)化后有限元屈服應(yīng)力

4 振動(dòng)和噪聲分析

隨著船東對(duì)船舶舒適性的要求越來(lái)越高，該船還需滿足挪威船級(jí)社規(guī)范中舒適性符號(hào)COMF(V-3)的要求。COMF(V-3)對(duì)船體振動(dòng)的要求遠(yuǎn)高于ISO 6954—2000(E)標(biāo)準(zhǔn)，其艙室、集控室等位置處振動(dòng)速度的最大幅值應(yīng)小于3.5mm/s r.m.s。COMF(V-3)對(duì)船體噪聲的要求與MSC337(91)標(biāo)準(zhǔn)相近。該船典型的振型（二階垂向振型，f=2.47Hz）見(jiàn)圖5。

該船采用統(tǒng)計(jì)能量法與經(jīng)驗(yàn)性公式相結(jié)合的方法對(duì)各艙室的噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)。結(jié)果表明，全船的噪聲情況較好，所有艙室都滿足挪威船級(jí)社COMF(V-3)的要求。該船的煙道與生活區(qū)域分開(kāi)布置，極大地避免了機(jī)艙內(nèi)噪聲經(jīng)由機(jī)艙棚和煙道傳至上層建筑中，同時(shí)對(duì)機(jī)艙風(fēng)機(jī)的噪聲實(shí)現(xiàn)了有效隔離。該船主甲板面上浮動(dòng)地板的使用有效降低了主甲板艙室和上層艙室的噪聲水平。

圖5 二階垂向振型（f=2.47 Hz）

5 結(jié) 語(yǔ)

LNG運(yùn)輸加注船是一種設(shè)計(jì)和建造難度大、附加值和市場(chǎng)需求高的船型。在設(shè)計(jì)20000m3LNG運(yùn)輸加注船過(guò)程中，通過(guò)與船廠、船東和船級(jí)社積極溝通，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)布置，嚴(yán)格控制了空船重量。本文通過(guò)對(duì)20000m3LNG運(yùn)輸加注船的結(jié)構(gòu)典型設(shè)計(jì)特點(diǎn)（包括靜水彎矩設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置與規(guī)范設(shè)計(jì)、船體溫度場(chǎng)計(jì)算與材料鋼級(jí)選擇、典型鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和止浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）等進(jìn)行闡述，并對(duì)其進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析、全船振動(dòng)分析和艙室噪聲分析等，梳理了液化氣船船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)和基本設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)今后液化氣船的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。