多海況下船用C 型LNG 燃料罐強(qiáng)度分析

曾小林，牛 錚，姚佐權(quán)，李家樂，鄭 健

（1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的大力推廣，船舶動(dòng)力來(lái)源逐漸升級(jí)，傳統(tǒng)燃料動(dòng)力已難以為繼。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種新興能源，具有存量大、排放少和使用便捷的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間的推廣和發(fā)展，LNG動(dòng)力船舶已在一定范圍內(nèi)應(yīng)用于我國(guó)的海洋運(yùn)輸企業(yè)，將LNG作為船舶動(dòng)源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保紅利也逐漸引起了行業(yè)重視[1]。

相比于國(guó)外，我國(guó)LNG燃料船主要來(lái)源于內(nèi)河航道的柴油船舶改造。2010年，“武輪拖302”號(hào)LNG-柴油混合動(dòng)力船試航成功，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域零的突破[2]。船用C型LNG燃料罐作為一種獨(dú)立型儲(chǔ)罐，特別適用于中小型船舶的應(yīng)用?？傮w看來(lái)，LNG船用起步較晚[3-4]，相關(guān)研究薄弱，存在較多工程問題有待解決[5]。

在江海聯(lián)運(yùn)的大背景下，開展多海況下船用C型LNG燃料罐的強(qiáng)度研究[6-7]，可以保障船舶動(dòng)力系統(tǒng)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行[8]，有利于加快目前為數(shù)眾多適用性船舶“油改氣”的升級(jí)改造，從而提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益[9]，提升我國(guó)海洋運(yùn)輸行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[10]。

1 船用C 型LNG 燃料罐

作為基于壓力容器分析方法設(shè)計(jì)的設(shè)備，船用C型LNG燃料罐具有承壓特種設(shè)備的獨(dú)特屬性，主要表現(xiàn)為事故危害大、容易涉及人民財(cái)產(chǎn)損失等。同時(shí)，出于泄露安全性考慮，通常會(huì)采用雙層臥式結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜海況的作用下，外罐和內(nèi)罐之間的連接結(jié)構(gòu)往往成為設(shè)計(jì)分析的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

以1臺(tái)8 m3船用C型LNG燃料罐為例，如圖1所示。

圖1 8 m3 船用C 型LNG 燃料罐

這臺(tái)LNG燃料罐采用S30408材質(zhì)，內(nèi)罐體規(guī)格為Ф1 600 mm×8 mm×3 400 mm，外罐體規(guī)格為Ф1 800 mm×8 mm×3 800 mm，內(nèi)外罐封頭均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓結(jié)構(gòu)。內(nèi)外罐通過2組共8個(gè)45°分布的玻璃鋼支撐管連接，即8點(diǎn)支撐形式，前方向4個(gè)1組玻璃鋼支撐管設(shè)置為滑動(dòng)支撐，后方向4個(gè)1組玻璃鋼支撐管設(shè)置為固定支撐，這種約束形式可以通過有效位移來(lái)釋放海況外載引起的附加應(yīng)力。同理，采用2個(gè)150°包角鞍座對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體支撐，前端鞍座滑動(dòng)，后端固定?？紤]到貯存LNG的低溫屬性，內(nèi)罐外壁表面鋪設(shè)鋁箔復(fù)合紙進(jìn)行保冷處理；同時(shí)，對(duì)外罐內(nèi)部進(jìn)行抽真空以進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的絕熱性能。燃料罐后端處的冷箱，包含了工藝和管路集成系統(tǒng)；冷箱內(nèi)部壓力較小，可采用結(jié)構(gòu)鋼框架，通過熱墊層與船體甲板連接。LNG燃料罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 LNG 燃料罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

LNG燃料罐的強(qiáng)度計(jì)算采用壓力容器分析方法，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)，主體材質(zhì)所用的S30408板材的材料性能見表2所示。

表2 S30408 性能數(shù)據(jù)

2 海況條件

針對(duì)在復(fù)雜海洋環(huán)境下航行的船舶，海況可等效為各個(gè)方向的慣性力條件?！渡⒀b運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中對(duì)此有過詳細(xì)規(guī)定，但參與計(jì)算的參數(shù)較多，例如船舶長(zhǎng)度、液貨艙與船舶的相對(duì)尺寸等，這些參數(shù)往往在設(shè)備設(shè)計(jì)階段難以準(zhǔn)確得出，這也為各方向慣性力的計(jì)算帶來(lái)了諸多不確定性。

然而，CB/T 4453—2016《船用液化天然氣燃料儲(chǔ)罐》中規(guī)定，在各方向慣性力難以準(zhǔn)確取得的情況下，可對(duì)海船采用如下慣性力取值：1）運(yùn)動(dòng)方向2g慣性力；2）與運(yùn)動(dòng)方向成直角的水平方向1.5g慣性力；3）重力方向向上1g慣性力；4）重力方向向下2g慣性力。

此外，參考《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中內(nèi)容，增加側(cè)向傾斜30°的海況，以分析強(qiáng)烈橫浪沖擊造成船體傾斜的載荷工況。

需要指出的是，在設(shè)計(jì)方無(wú)法獲知燃料罐的放置方向與船首方向關(guān)系的情況下，本著保守分析的原則，運(yùn)動(dòng)方向2g慣性力不僅體現(xiàn)在燃料罐的軸向，還應(yīng)考慮其側(cè)向的影響。

主要海況載荷參數(shù)見表3。

表3 主要海況載荷參數(shù)

3 溫度場(chǎng)分析

選取內(nèi)罐、保冷材料（鋁箔復(fù)合紙）和外罐進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，在計(jì)入82%的LNG充裝率的前提下，主要分析LNG（?196 ℃）與內(nèi)罐金屬材料的熱對(duì)流，空氣（保守環(huán)境溫度50 ℃）與外罐金屬材料的熱對(duì)流作用，外罐內(nèi)壁與保冷材料之間輻射以及不同材料的熱傳導(dǎo)。內(nèi)外罐的有限元溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 整體溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖3 局部溫度場(chǎng)分析結(jié)果

內(nèi)罐整體溫度非常均勻，幾乎不存在溫差。由于內(nèi)外罐相對(duì)位置并不是前后對(duì)稱，因此受熱輻射影響，外罐整體存在有限溫差，溫差僅為2.7 ℃。結(jié)構(gòu)溫差主要體現(xiàn)在保冷材料上，由內(nèi)向外溫度從?195.81 ℃升至46.84 ℃。

由此可見：保冷材料有效控制了金屬結(jié)構(gòu)的溫度梯度，避免較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)內(nèi)、外罐的熱保護(hù)作用明顯。

4 強(qiáng)度分析

根據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可見：內(nèi)外罐各自的溫差均較小，保冷材料的絕熱性能使得內(nèi)部熱應(yīng)力問題得到有效規(guī)避。在對(duì)C型燃料罐進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，主要考慮壓力和慣性力引起的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)支撐件的影響。

在某些海況條件下，載荷不具有對(duì)稱性，因此計(jì)算模型總體采用全模型。個(gè)別海況載荷具備對(duì)稱性條件，亦可采用1/2模型以合理提高分析效率。

在海況1下，C型燃料罐的整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖4所示。由圖4可以看出：在結(jié)構(gòu)受到橫向慣性力和重力慣性力聯(lián)合作用時(shí)，結(jié)構(gòu)固定端鞍座的側(cè)面受影響最大，此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值為387.11 MPa。

圖4 燃料罐應(yīng)力強(qiáng)度云圖（海況1）

同時(shí)，內(nèi)外罐也相應(yīng)受到慣性力的影響。由圖5可知：內(nèi)罐大部分區(qū)域在內(nèi)壓的影響下，受力較為均勻，但是在固定端的玻璃鋼支撐點(diǎn)處，局部應(yīng)力較大，較內(nèi)罐平均應(yīng)力存在2倍應(yīng)力的波動(dòng)。外罐受力亦然，在固定端的玻璃鋼支撐點(diǎn)處應(yīng)力水平局部達(dá)到了239.55 MPa。

圖5 燃料罐內(nèi)外罐應(yīng)力強(qiáng)度云圖（海況1）

由圖4和圖5可知，海況1下，結(jié)構(gòu)受力熱點(diǎn)主要集中在受慣性力影響較大的支撐件上，包括外罐鞍座和內(nèi)外罐的玻璃鋼支撐加強(qiáng)件附近；內(nèi)壓引起的非自限性應(yīng)力響應(yīng)并不是造成結(jié)構(gòu)失效可能性的關(guān)鍵因素。

海況2下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖6和圖7所示。模型應(yīng)力最大值出現(xiàn)在固定鞍座底板處，此處產(chǎn)生了范圍很小的局部高應(yīng)力區(qū)，區(qū)域最大值為241.08 MPa。內(nèi)罐結(jié)構(gòu)，前后封頭應(yīng)力水平較高，尤其是前封頭，應(yīng)力極值為218.90 MPa。外罐結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力較高區(qū)域主要分布在內(nèi)外罐支撐件的加強(qiáng)墊板附近，應(yīng)力最大值為92.42 MPa。

圖7 燃料罐內(nèi)外罐應(yīng)力強(qiáng)度云圖（海況2）

與海況1不同，慣性力引起的應(yīng)力擾動(dòng)并沒有影響到壓力載荷帶來(lái)的整體應(yīng)力分布趨勢(shì)，內(nèi)罐前后封頭處的應(yīng)力極值水平仍然由內(nèi)壓主導(dǎo)。海況2的慣性力對(duì)外罐和鞍座相同部位的應(yīng)力響應(yīng)也不及海況1。

在海況1～海況5下，結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力強(qiáng)度最大值及相關(guān)關(guān)系如圖8所示，圖8中內(nèi)罐應(yīng)力強(qiáng)度最大值除海況1出現(xiàn)在內(nèi)罐的支撐加強(qiáng)件上，其余海況下均出現(xiàn)在封頭上。外罐和鞍座在各海況下的應(yīng)力強(qiáng)度最大值位置相同。

圖8 不同海況下各部件應(yīng)力強(qiáng)度最大值比較

由于船用C型燃料罐在長(zhǎng)度方向尺寸較大，首先造成附加的液柱靜壓上升，內(nèi)罐的薄膜應(yīng)力較大：另一方面，鞍座和玻璃鋼支撐結(jié)構(gòu)都是一端固定、一端滑動(dòng)，在前后方向2g慣性力作用下，長(zhǎng)度方向的大力臂會(huì)不可避免地產(chǎn)生附加高彎矩，考慮到固定端約束較強(qiáng)，其附近局部結(jié)構(gòu)受彎矩影響而生成高應(yīng)力區(qū)域，從而形應(yīng)力熱點(diǎn)。因此，海況1下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平普遍偏高。

其余海況中，受到慣性力方向尺寸和慣性力大小的限制，附加彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)受力環(huán)境的影響較為有限，尤其是內(nèi)罐封頭處，應(yīng)力極值的產(chǎn)生主要還是由內(nèi)壓引起的，外罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平也較小。需要注意的是：在海況5下，結(jié)構(gòu)整體受到偏心重力作用而產(chǎn)生的附加彎矩也處于高位，與偏心方向相背的鞍座作用點(diǎn)附近的應(yīng)力水平也不容忽視。

由于此次分析的船用C型燃料罐已成功應(yīng)用于工程實(shí)際當(dāng)中，采用壓力容器強(qiáng)度校核方法的應(yīng)力分類與評(píng)定過程受到篇幅影響，再此不作贅述。根據(jù)分析結(jié)果，各類海況條件下，海況1無(wú)疑是較為危險(xiǎn)的工況，對(duì)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)乃至后期的優(yōu)化分析都提出了較高的要求。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)1臺(tái)船用C型LNG燃料罐進(jìn)行的整體溫度場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)罐表面由鋁箔復(fù)合紙組成的保冷材料是結(jié)構(gòu)最重要的絕熱部件，在很大程度上減緩了內(nèi)外罐金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布，保證了溫度均勻性，從而規(guī)避了熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)失效的影響。

2）在船用C型LNG燃料罐的強(qiáng)度分析中，相較于其他海況而言，海況一中的運(yùn)動(dòng)方向2g慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平影響較大，尤其是鞍座固定端和內(nèi)罐支撐加強(qiáng)件附近，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析提出了較高的要求。因此海況一也是整個(gè)海況分析中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中首要考慮并謹(jǐn)慎對(duì)待。