7 000車雙燃料汽車滾裝船LNG燃料艙布置設(shè)計(jì)

郭歌,王榮威,王強(qiáng)生,盧俊霖,武文杰,楊卓懿

(1.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200;2.山東交通學(xué)院 船舶與港口工程學(xué)院,山東 威海 264200)

汽車滾裝船(pure car&truck carrier,PCTC)建造技術(shù)較為成熟。2022年某造船公司為新加坡船東設(shè)計(jì)建造的7 000車雙燃料PCTC開工。該船為超巴拿馬型PCTC,采用LNG燃料驅(qū)動(dòng),可使用清潔能源[1]。由于要在車輛艙間布置存儲(chǔ)LNG氣體燃料罐,使該區(qū)域結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜,為此,根據(jù)LNG燃料艙展開設(shè)計(jì)分析。

1 船舶概況

7 000車雙燃料PCTC共設(shè)15層甲板,其中4層為活動(dòng)甲板,各層甲板通過固定/活動(dòng)坡道連接,裝載高效靈活。LNG艙在4甲板下,前后布置2個(gè)巨型LNG存儲(chǔ)罐基座承載LNG罐體。

該船主要參數(shù):總長199.90 m,垂線間長195.60 m;型寬38.00 m;型深15.50 m;設(shè)計(jì)吃水8.60 m;載重量70 450 t;最大航速19.5 kn;入級(jí)DNV。

目前汽車滾裝船強(qiáng)橫梁和強(qiáng)肋骨的連接有剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)[2]。該7 000車PCTC裝車甲板12層,因型深大,導(dǎo)致重心高、迎風(fēng)面積大。為降低重心,同時(shí)為追求最大甲板層高,需要壓縮甲板橫梁和縱桁的高度,這會(huì)導(dǎo)致其剛度大幅削弱。為提高剛度和解決不占用車道,干舷甲板以上采用不設(shè)置半艙壁的半剛性設(shè)計(jì),通過加大肋骨,均勻提高強(qiáng)框橫向強(qiáng)度抗擊撓曲變形,由此替代半艙壁。干舷甲板以下結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)剛性設(shè)計(jì),同時(shí)干舷甲板下的水密艙壁加強(qiáng)了該區(qū)域剛度。

在艙室的布置中,甲板強(qiáng)橫梁與縱桁的尺寸,會(huì)受到甲板間凈高限制。為減少強(qiáng)橫梁及縱桁的跨距以減少甲板變形,在貨艙內(nèi)設(shè)置1～2排支柱,承受來自各層甲板的集中載荷。為應(yīng)對(duì)支柱上、下端支點(diǎn)附件甲板架構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力,將其布置在結(jié)構(gòu)十字交叉點(diǎn)。同時(shí)支柱也不能影響活動(dòng)甲板、升降平臺(tái),以及斜坡道開口位置。

2 LNG燃料艙艙室布置分析

2.1 布置方案

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方式和標(biāo)準(zhǔn),獨(dú)立氣罐分3類:A、B、C型,組成非船體結(jié)構(gòu)的構(gòu)成部分,呈自持式[3]。該船采用C型獨(dú)立LNG液罐,目前這類型液罐設(shè)計(jì)制造技術(shù)成熟,具有艙內(nèi)耐壓能力強(qiáng)、裝置簡單和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

C型LNG燃料艙布置是設(shè)計(jì)的難點(diǎn),基于燃料艙及雙燃料特點(diǎn),對(duì)其布置進(jìn)行綜合考慮?；赑CTC型深大,重心高、迎風(fēng)面積大,將罐體布置在4甲板以下、以降低其重心,提高穩(wěn)性;機(jī)艙前壁FR55之前,向艏止于車輛艙FR115,設(shè)計(jì)獨(dú)立存儲(chǔ)LNG罐體的艙室結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

獨(dú)立液貨艙結(jié)構(gòu)通過支撐結(jié)構(gòu)與主船體結(jié)構(gòu)連接,不參與船體總縱強(qiáng)度,不承受主船體上的載荷。

對(duì)邊艙、舷側(cè)、雙層底采用縱骨架式結(jié)構(gòu),雙層底船體縱骨間距不超過肋骨標(biāo)準(zhǔn)間距,縱向結(jié)構(gòu)向艏艉延伸,肋板每隔三檔間距設(shè)置,以保證其強(qiáng)度。雙層底即要滿足干散貨船的基本要求,又要滿足液罐鞍座布置強(qiáng)度要求,因此縱桁結(jié)構(gòu)根據(jù)燃料艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

由于LNG罐體結(jié)構(gòu)通過相關(guān)構(gòu)件固定連接至船體,所以液罐對(duì)船體強(qiáng)度不起作用。同時(shí)液罐艙室凸出與船體多層甲板,向艏終止與燃料艙前壁FR115,形成獨(dú)立艙室,船體總縱強(qiáng)度有所削弱。所以艙室內(nèi)部采用平面板架結(jié)構(gòu)形式,通過縱骨和縱橫艙壁來保證其強(qiáng)度和剛度。

3 LNG燃料罐鞍座布置及設(shè)計(jì)

鞍座在LNG燃料艙中主要作用是支撐LNG罐體,以及防止罐體移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鞍座是專門為LNG燃料罐而設(shè)置的基座,需按照不同類型的液罐設(shè)計(jì)[5]。該船采用C型液罐,所以鞍座及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)是基于C型罐體設(shè)計(jì)。LNG燃料艙及鞍座結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 LNG燃料艙及鞍座結(jié)構(gòu)

3.1 LNG罐體鞍座布置

由于車輛上下通行及右舷布置雙向坡道,所以LNG燃料罐沿船長方向不對(duì)稱并列布置,鞍座在FR67、FR103布置兩檔,支撐LNG罐體。由于裝載液化天然氣會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮變形,所以設(shè)置固定鞍座和滑動(dòng)鞍座。該船一部分鞍座與內(nèi)底板結(jié)構(gòu)相連接,另一部分與縱艙壁相連接,成為燃料艙結(jié)構(gòu)組成部分。因?yàn)榘白怯糜诎惭b固定LNG罐體,所以需要保證其在船舶橫搖或縱搖時(shí)的穩(wěn)定。

由于液罐承受縱向和徑向載荷分布,鞍座的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,所以有縱向和徑向支撐構(gòu)件支撐罐體和防止其移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。為有效阻隔熱傳導(dǎo),鞍座與罐體之間有壓木連接,層壓木的上下分別使用填充料將其固定在鞍座面板和筒體鋼板上。橫向構(gòu)件由肋板和面板組成,徑向構(gòu)件由縱隔板等構(gòu)件組成。雙燃料滾裝船LNG燃料罐鞍座結(jié)構(gòu)與安裝見圖2。

圖2 兩型雙燃料滾裝船LNG燃料罐鞍座示意

3.2 鞍座載荷分布特點(diǎn)及設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)

鞍座承受的載荷主要有貨物載荷、船舶運(yùn)動(dòng)載荷、結(jié)構(gòu)自重、海水壓力、LNG罐體及液體碰撞工況下動(dòng)載荷及破艙工況下LNG罐體承受的浮力等。由于鞍座受力復(fù)雜,合理地根據(jù)受力情況設(shè)計(jì)鞍座及布置是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

1)縱向載荷布置。船舶縱搖或碰撞工況下,因存在層壓木和鞍座面板之間的摩擦力,縱向動(dòng)載荷由鞍座面板、面板鍵板及鍵板肘板承擔(dān)。設(shè)計(jì)時(shí),考慮縱向動(dòng)載荷由固定鞍座的鍵板和鍵板肘板承擔(dān),使縱向載荷在鞍座包角范圍內(nèi)均勻分布。

2)徑向載荷分布。鞍座承受的LNG液罐載荷成正弦(余弦)函數(shù)分布,因此液罐與層壓木之間通過填充料粘合,并且需設(shè)置止搖裝置。同時(shí)需在徑向載荷分布關(guān)聯(lián)位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 鞍座設(shè)計(jì)

該船采用C型LNG罐體,呈單圓桶形,因此鞍座面板設(shè)計(jì)為圓弧形。根據(jù)工況設(shè)計(jì),假設(shè)船舶橫搖達(dá)30°時(shí)仍需要有效支撐,因此鞍座端罐體支撐范圍取圓周角150°,根據(jù)徑向分布特點(diǎn),鞍座肘板以罐體圓心呈發(fā)散布置。在船體橫搖時(shí),橫搖產(chǎn)生的周向載荷由鞍座面板中心的止搖構(gòu)件承受。此外罐體左右兩側(cè)需要設(shè)置止浮裝置,以保證燃料艙破艙時(shí),避免空燃料罐受海水浮力引起的向上載荷[6]。止浮裝置層壓木與鞍座支撐結(jié)構(gòu)之間需要留一定間隙,以保證止浮裝置與支撐結(jié)構(gòu)不接觸,當(dāng)破艙進(jìn)水時(shí)受浮力作用罐體上浮,罐體支撐構(gòu)件與止浮裝置接觸嚙合發(fā)揮作用。

3.4 鞍座周圍船體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)

鞍座周邊的船體結(jié)構(gòu),除了需要按照規(guī)范單獨(dú)進(jìn)行強(qiáng)度校核外,還應(yīng)該考慮鞍座在燃料罐作用下對(duì)附近船體結(jié)構(gòu)的影響[7]。設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)雙層底及燃料艙強(qiáng)肋骨貫穿孔增加水密補(bǔ)板,最終通過有限元模型計(jì)算驗(yàn)證其強(qiáng)度。

4 分段劃分方案

最初分段劃分時(shí),將鞍座與LNG罐體相關(guān)部分獨(dú)立出來分別設(shè)置編號(hào),總組安裝,但是綜合考慮到分段的建造方式、擴(kuò)大先行、精度要求等,最終將鞍座與分段合并一體化設(shè)計(jì)建造。

5 船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)

5.1 船體建模

設(shè)計(jì)軟件采用AVEVA Marine(AM),A M船體用戶主要工作就是創(chuàng)建船體模型,AM系統(tǒng)的核心也就是產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫[8]。各種船體圖紙、下料信息是創(chuàng)建船體模型后的副產(chǎn)品。由于船體建模是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是其他專業(yè)設(shè)計(jì)背景,需做到“模型準(zhǔn)確,關(guān)系清晰,語句簡練,檢查方便”。

1)LNG燃料艙結(jié)構(gòu)建模。根據(jù)船體分段劃分所在象限創(chuàng)建船體外板、內(nèi)底板、肋板等組成分段單元。利用AM系統(tǒng)中的Hull Basic建立船體和定義的規(guī)定,在Hull Fairing船體曲線并光順,得到外板曲面;在Hull Crured Modelling建立外板、縱骨等;在Hull Planar Modelling建立全船所有的平面板架和型材,其中包括工藝信息。LNG燃料罐及船體艙室3D模型見圖3。

圖3 LNG燃料罐及船體艙室3D模型

2)LNG燃料液罐鞍座建模。鞍座分段上的加強(qiáng)板數(shù)量多,工作量大和繁瑣,通過觀察比較,有規(guī)律可循。如通過拷貝板架,計(jì)算空間點(diǎn),修改新的3點(diǎn)坐標(biāo),運(yùn)用Fillet Cure創(chuàng)建曲線,實(shí)現(xiàn)板架移動(dòng),提高了速度和準(zhǔn)確度。如圖4所示首先通過3點(diǎn)坐標(biāo)確定一個(gè)面,其次改變所在剖面1～2拓?fù)潼c(diǎn),曲線CUR引用拓?fù)潼c(diǎn)改變邊界,運(yùn)用語句快速建模。鞍座肘板建模示意于圖4。

圖4 鞍座組合肘板建模

5.2 分段工作圖設(shè)計(jì)

進(jìn)行船體生產(chǎn)設(shè)計(jì),用AM系統(tǒng)中的Hull Planar Modeling從船體模型中提取剖面信息,同時(shí)加上場地設(shè)備能力以及外專業(yè)委托的開孔、加強(qiáng)等信息內(nèi)容。船體建模后,根據(jù)詳設(shè)、分段劃分等,用AM中Draftting設(shè)繪工作圖。

5.3 船體分段工作圖組立詳細(xì)裝配程序設(shè)計(jì)

分段組立劃分是以分段劃分為基礎(chǔ),建立每一個(gè)分段從小組立、中組立、大組立三個(gè)階段所有零件、部件、組件裝配關(guān)系和先后順序[9]。設(shè)計(jì)的組立順序應(yīng)與生產(chǎn)流程一致,并適應(yīng)造船公司設(shè)施、場地布置等。從零件切割到組立成型,預(yù)舾裝等,都需綜合考慮。DAP設(shè)計(jì)策劃見表1。

表1 DAP設(shè)計(jì)策劃

對(duì)于燃料艙詳細(xì)裝配程序(detail aseembly procedure, DAP)設(shè)計(jì)方法,分析LNG艙室結(jié)構(gòu)特點(diǎn),然后進(jìn)行拆分。對(duì)分段中組分解拆分見表2。

表2 分段中組立分解

其大型中組立階段階段是以內(nèi)底板為基面反造,形成大型中組立雙層底,后與曲面中組立大組,再次安裝中組立縱壁,最后依次安裝鞍座及剩余散裝件等。

6 精度管理

該船采用鞍座與分段載體一體化設(shè)計(jì),同時(shí)燃料艙區(qū)域結(jié)構(gòu)、鞍座、LNG液罐三者精度有配合關(guān)系(見表3),因此需要從分段和鞍座的下料、加工、裝配、焊接等工序進(jìn)行控制。

表3 分段精度控制 mm

鞍座組立在分段階段安裝,其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大了先行范圍、工藝路線縮短、總組周期降低及作業(yè)空間得到改善,符合現(xiàn)代化造船分時(shí)分道理念。但是對(duì)安裝精度要求很高,是重點(diǎn)控制區(qū)域。

7 結(jié)論

1)根據(jù)汽車滾裝船特點(diǎn),在4甲板之下以不對(duì)稱方式布置液罐,降低船舶重心,提高了穩(wěn)型,方便了車輛通行。采用獨(dú)立C型液罐,排并列布置,分析鞍座與船體關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了鞍座和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)、組立分解、精度管理,解決了船體和鞍座設(shè)計(jì)難點(diǎn),掌握了其設(shè)計(jì)建造技術(shù)。進(jìn)行DAP合理分解,清楚表達(dá)了組立程序;考慮了制造中的工藝問題,依此設(shè)計(jì),完成了零件托盤劃分和數(shù)據(jù)生成,為生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確信息來源。