C型獨(dú)立雙體罐縱艙壁的骨架型式設(shè)計(jì)

鄭文青,高明星,邱吉廷,李闖

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.上海交通大學(xué),上海 200240)

C型獨(dú)立罐在液化氣船運(yùn)輸領(lǐng)域已有較長的應(yīng)用歷史,由于其具有結(jié)構(gòu)安全、可靠性高、建造方便、綜合成本低等優(yōu)勢,得到了業(yè)主的青睞。C型獨(dú)立雙體罐可視作經(jīng)典的單圓筒罐的衍生形態(tài),當(dāng)可容納罐體的船體空間具有寬扁特征或單艙容積需求偏大時較為適用。較早時候,C型獨(dú)立雙體罐在船舶領(lǐng)域主要應(yīng)用于2萬～4萬m3級別左右的中小型氣體運(yùn)輸船的液貨艙,近年來隨著LNG雙燃料船型的興起,C型獨(dú)立雙體罐開始作為LNG燃料艙使用。

根據(jù)《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》(IGC規(guī)則)[1]的要求,C型獨(dú)立罐應(yīng)滿足壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。C型獨(dú)立雙體罐由2瓣圓弧筒體和中間縱艙壁構(gòu)成,縱艙壁對2瓣圓弧筒體起支撐作用;對于具有水密要求的縱艙壁,會受到側(cè)向載荷的作用。因此在雙體罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,縱艙壁是較為特殊的部位[2],其受力機(jī)制不同于一般壓力容器構(gòu)件,比普通的C型罐回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。中國船級社發(fā)布的《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[3]對雙體罐縱艙壁結(jié)構(gòu)的尺寸計(jì)算給出了較為原則性的推薦,有一定參考意義,但具體的計(jì)算分析需要設(shè)計(jì)人員投入深入的研究[4]。

針對橫骨架式和縱骨架式2種典型骨架形式的縱艙壁設(shè)計(jì)方案,基于理論方法分析了其受力特點(diǎn);基于有限元模型方法對2種骨架形式設(shè)計(jì)方案開展了進(jìn)一步研究:通過較粗網(wǎng)格尺寸的有限元模型方法對2種骨架形式縱艙壁應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)進(jìn)行了對比,分析了針對縱艙壁不同設(shè)計(jì)用途時骨架形式的在強(qiáng)度、剛度、重量、建造等方面的利弊;通過細(xì)化網(wǎng)格的有限元模型對縱艙壁關(guān)鍵區(qū)域作了詳細(xì)的計(jì)算分析并給出優(yōu)化方案。

1 縱艙壁結(jié)構(gòu)概述

具有橫骨架式縱艙壁及縱骨架式縱艙壁的C型獨(dú)立雙體罐的結(jié)構(gòu)形式分別見圖1、2,縱艙壁連接左右兩瓣筒體的上下相交處(Y形接頭),將筒體和封頭分割為左右對稱的2部分。罐體內(nèi)部設(shè)有前后2道較大的環(huán)形結(jié)構(gòu)(加強(qiáng)環(huán)),主要用來承擔(dān)罐外鞍座結(jié)構(gòu)的支撐作用[5];罐體內(nèi)每隔一定間距通常還會設(shè)置較小的環(huán)形結(jié)構(gòu)(真空環(huán)),主要用于抵御罐體在外壓或罐內(nèi)真空狀態(tài)下的屈曲失穩(wěn)。加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成與縱艙壁上的垂向結(jié)構(gòu)連成一體,以增強(qiáng)包括筒體和縱艙壁在內(nèi)的罐體橫向強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖1 橫骨架式縱艙壁的C型獨(dú)立雙體罐

當(dāng)縱艙壁為水密邊界時,設(shè)計(jì)上通?？紤]縱艙壁從單側(cè)受到載荷的情況,為了保證縱艙壁在側(cè)向載荷下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,在上述加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)這些主要支撐結(jié)構(gòu)之間還設(shè)有更小間距的加強(qiáng)筋。有時出于運(yùn)營操作需要,縱艙壁也可能設(shè)計(jì)為非水密艙壁,此時,縱艙壁上也需要設(shè)置加強(qiáng)筋以提高艙壁板的穩(wěn)定性以及抵御液體晃蕩載荷。見圖1,如果沿縱艙壁高度方向布置加強(qiáng)筋(垂向筋),則由罐體上下Y形接頭附近結(jié)構(gòu)提供支撐,所形成的板架型式稱為橫骨架式;見圖2,如果沿縱艙壁長度方向布置加強(qiáng)筋(縱向筋),則由加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)結(jié)構(gòu)為其提供支撐,所形的板架形式稱為縱骨架式。由于2種縱艙壁的板架形式不同、加強(qiáng)筋構(gòu)件的邊界條件也不同,因此2種縱艙壁受力機(jī)理和受力后形態(tài)都有著很大的不同。

圖2 縱骨架式縱艙壁的C型獨(dú)立雙體罐

2 縱艙壁結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1 縱艙壁的基本受力

圓筒結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓的作用下會產(chǎn)生周向拉力,存在如下關(guān)系:

(1)

式中:Tcylin為圓筒殼體中的單位長度拉力,N/mm;pin為設(shè)計(jì)內(nèi)壓,MPa;Ri為圓筒殼體的內(nèi)半徑,mm;tcylin為筒體板厚,mm。

雙體罐縱艙壁與兩側(cè)的圓筒殼體相交形成Y形接頭,構(gòu)件受力平衡見圖3,可見,縱艙壁在罐體受到內(nèi)壓時將承受垂向拉力作用。

圖3 筒體及縱艙壁的受力

Y形接頭處受力平衡關(guān)系如下。

(2)

式中:Tbhd為縱艙壁中的單位長度受力,N/mm;e為左右圓筒圓心間距離,mm。

由式(1)和(2)可得:

(3)

2.2 橫骨架式板架的受力分析

橫骨架式的艙壁板架由垂向筋和相連的艙壁板構(gòu)成,可視為一包含加強(qiáng)筋面板和腹板以及艙壁帶板的垂向布置的工字截面型式梁,并由上下兩端的Y形連接處提供支撐。罐體筒體板由于受到內(nèi)壓而受到式(3)所述的拉力作用,受拉方向與加強(qiáng)筋長度方向一致。由于垂向筋一般僅布置于艙壁的一側(cè),因此拉力作用點(diǎn)偏離結(jié)構(gòu)形心。根據(jù)移軸定理,受力可等效為拉力作用于工字形結(jié)構(gòu)的形心處并同時產(chǎn)生一個附加彎矩。根據(jù)初步受力分析,在罐體筒體受到內(nèi)壓作用下,縱艙壁結(jié)構(gòu)將發(fā)生偏向一側(cè)的彎曲變形,彎曲方向?yàn)橛杉訌?qiáng)筋面板指向艙壁帶板。

Faxial=Tbhds

(4)

Ma=Faxialc

(5)

式中:Faxial為垂向加強(qiáng)筋(含帶板)受到的拉力,N;s為垂向加強(qiáng)筋的間距,mm;Ma為附加彎矩,N·mm;c為加強(qiáng)筋(含帶板)的中和軸距帶板的距離,mm;。

由于縱艙壁垂向加強(qiáng)筋的端部通常采用削斜設(shè)計(jì)且僅與一較小的水平加強(qiáng)筋連接,其端部轉(zhuǎn)角約束較弱,因此可近似理想化為兩端簡支條件的整個跨度內(nèi)受到分布載荷的單跨梁模型。

疊加考慮罐體受內(nèi)壓作用及縱艙壁受側(cè)向壓力作用,由式(4)和式(5)可知:加強(qiáng)筋面板或帶板中的合成應(yīng)力分別為

(6)

式中:Astiff為包含帶板的加強(qiáng)筋的截面積,mm2;Mlateral為縱艙壁垂向加強(qiáng)筋受到的由側(cè)向載荷引起的計(jì)算點(diǎn)的彎矩,N·mm;為加強(qiáng)筋(含帶板)的位于帶板或面板處的剖面模數(shù),mm3。

2.3 縱骨架式板架的受力分析

縱骨架式的艙壁板架由縱向加強(qiáng)筋和相連的艙壁板構(gòu)成,同樣可視為一包含加強(qiáng)筋面板和腹板及艙壁帶板的縱向布置的工字截面形式梁,由前后真空環(huán)框或加強(qiáng)環(huán)框提供支撐。不同于橫骨架式的是,由于加強(qiáng)筋長度方向與式(3)所述的縱艙壁拉力方向垂直,因此縱艙壁垂向拉力不會形成式(5)所述的附加彎矩作用。

由于橫向構(gòu)件剛度通常遠(yuǎn)大于縱向加強(qiáng)筋,從而可以為其提供良好的端部支撐作用,因此縱向加強(qiáng)筋可近似理想化為兩端剛固條件的整個跨度內(nèi)受到分布載荷的單跨梁模型。

3 縱艙壁骨架形式

3.1 研究方案描述

對橫骨架式和縱骨架式2種縱艙壁板架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,分別建立有限元模型進(jìn)行分析。2種設(shè)計(jì)方案縱艙壁上的加強(qiáng)筋具有相似的骨材間距,初始尺寸根據(jù)局部強(qiáng)度要求及工程慣例設(shè)計(jì)。液罐結(jié)構(gòu)除縱艙壁加強(qiáng)筋外,其余構(gòu)件的形式及尺寸完全相同。見圖4、5,用于橫骨架式與縱骨架式縱艙壁結(jié)構(gòu)研究的有限元模型包括:筒體、封頭、縱艙壁板、縱艙壁加強(qiáng)筋、加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)等較完整的液罐主體結(jié)構(gòu)。模型網(wǎng)格大小約150～200 mm左右,除加強(qiáng)筋面板用梁單元模擬外,其余結(jié)構(gòu)均用板單元模擬;對于局部細(xì)化模型,網(wǎng)格大小不大于50 mm,細(xì)化區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)均用板單元模擬。模型邊界條件:加強(qiáng)環(huán)處設(shè)彈性支撐以模擬層壓木對罐體的支撐作用。模型載荷:①當(dāng)縱艙壁設(shè)計(jì)為非水密艙壁時,包括液罐筒體和封頭在內(nèi)的所有密閉周界施加設(shè)計(jì)蒸汽壓力P0與由IGC規(guī)定的液體載荷壓力,而縱艙壁上無側(cè)向載荷;②當(dāng)縱艙壁作為水密艙壁時,考慮一邊艙滿一邊艙空的情況,液罐兩側(cè)的筒體和封頭均承受蒸氣壓力p0,同時,僅滿載的一側(cè)筒體、封頭及縱艙壁承受液體載荷。

圖4 橫骨架式縱艙壁分析模型

圖5 縱骨架式縱艙壁分析模型

3.2 2種骨架型式的對比

縱艙壁設(shè)計(jì)為非水密艙壁時,2種骨架形式的縱艙壁變形及應(yīng)力分布見圖6、7。結(jié)果表明:橫骨架式縱艙壁在僅受垂向拉力而未受到任何側(cè)向載荷作用時就已經(jīng)發(fā)生了側(cè)向彎曲變形,而縱骨架式縱艙壁在此條件下幾乎沒有發(fā)生側(cè)向變形。這進(jìn)一步證明了2.2與2.3中根據(jù)基本受力分析所作的判斷,即由于縱艙壁板內(nèi)垂向拉力的作用以及垂向筋的偏置效應(yīng)所形成的附加彎矩使得縱艙壁發(fā)生彎曲變形;由于縱艙壁的拉力方向與縱向加強(qiáng)筋方向垂直,拉力作用不會形成附加彎矩作用以及側(cè)向變形?？傮w而言,在此設(shè)計(jì)條件下,二者最高應(yīng)力水平相差不大,應(yīng)力分布也有相似之處,艙壁下端應(yīng)力水平均較高,主要為垂向拉應(yīng)力。

圖6 橫骨架式非水密縱艙壁的變形與應(yīng)力分布

圖7 縱骨架式非水密縱艙壁的變形與應(yīng)力分布

縱艙壁設(shè)計(jì)為水密艙壁時,2種骨架形式的縱艙壁變形及應(yīng)力分布分別見圖8、9。由于受到側(cè)向載荷的作用,相比作為非水密艙壁而言,2種骨架形式的縱艙壁均呈現(xiàn)較明顯的側(cè)向變形。橫骨架式縱艙壁結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力主要位于垂向筋的端部、真空環(huán)的端部轉(zhuǎn)圓處,以及真空環(huán)位于縱艙壁區(qū)域的垂向跨中處;縱骨架式縱艙壁結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力主要位于真空環(huán)的端部轉(zhuǎn)圓處,以及真空環(huán)位于縱艙壁區(qū)域的垂向跨中處。分析原因?yàn)?真空環(huán)位于縱艙壁區(qū)域的部分兼做主要支撐構(gòu)件,根據(jù)單跨梁受力分析可知,當(dāng)縱艙壁的一側(cè)受到載荷時,受載一側(cè)的真空環(huán)的跨兩端面板受拉,而未受載一側(cè)的真空環(huán)的跨中面板也同時受拉,在疊加既有的由筒體內(nèi)壓導(dǎo)致的縱艙壁垂向拉力時,此2處的合成拉應(yīng)力呈現(xiàn)峰值。

圖8 橫骨架式水密縱艙壁的變形與應(yīng)力分布

圖9 縱骨架式水密縱艙壁的變形與應(yīng)力分布

2種骨架形式縱艙壁的應(yīng)力與變形數(shù)據(jù)對比見表1。當(dāng)縱艙壁設(shè)計(jì)為非水密艙壁時,采用橫骨架式的側(cè)向變形較大,而采用縱骨架式不僅側(cè)向變形較小,加強(qiáng)筋的應(yīng)力水平也較低,說明加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)尺寸還可進(jìn)一步減小,端部甚至可采用削斜設(shè)計(jì)。因此,當(dāng)縱艙壁設(shè)計(jì)為非水密艙壁時,采用縱骨架式相比橫骨架式具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與更小的結(jié)構(gòu)重量,建造便利性也更好。當(dāng)縱艙壁設(shè)計(jì)為水密艙壁時,采用橫骨架式的側(cè)向變形較大,且加強(qiáng)筋端部應(yīng)力水平較高,需要特別關(guān)注端部結(jié)構(gòu)形式突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中影響;采用縱骨架式的側(cè)向變形相對較小,加強(qiáng)筋的應(yīng)力水平相對較低,但由于真空環(huán)對縱向加強(qiáng)筋起主要支撐作用,其應(yīng)力水平較高,有必要適當(dāng)增大尺寸或改進(jìn)設(shè)計(jì)。同時,縱骨架式的縱向加強(qiáng)筋需要穿越真空環(huán)橫向腹板,真空環(huán)腹板上需要開設(shè)與縱向筋剖面型式相匹配的穿越孔以便建造組裝,如有必要還需設(shè)置補(bǔ)板,這使得建造工藝要求和施工量較橫骨架式有較大增加?？梢?當(dāng)縱艙壁設(shè)計(jì)為水密艙壁時,橫骨架式與縱骨架式各有利弊,實(shí)際工程中需要結(jié)合液罐形狀尺寸、裝載操作需求、制造廠建造工藝等具體情況綜合判斷選擇合適的骨架形式。

表1 2種骨架形式縱艙壁變形與應(yīng)力對比

4 關(guān)鍵區(qū)域的設(shè)計(jì)

4.1 垂向筋的端部連接

如前文所述,縱艙壁在受到側(cè)向載荷時,垂向筋的端部應(yīng)力水平較高,是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一[6-8]。實(shí)際工程中常用的設(shè)計(jì)方案見圖10,垂向加強(qiáng)筋端部腹板削斜并與一較小的水平縱向加強(qiáng)筋連接,腹板削斜范圍不設(shè)面板。見圖11,對加強(qiáng)筋端部細(xì)化分析表明面板結(jié)束位置及未設(shè)面板的腹板自由邊區(qū)域應(yīng)力水平較高,加強(qiáng)筋的端部模數(shù)損失較為突然是形成高應(yīng)力的主要原因。

圖10 垂向筋端部原設(shè)計(jì)方案

圖11 垂向筋端部原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分布

為降低應(yīng)力水平,對該區(qū)域結(jié)構(gòu)形式作一定改進(jìn),修改方案見圖12,將面板繼續(xù)延伸直至基本覆蓋加強(qiáng)筋的腹板削斜區(qū)域,修改方案應(yīng)力水平得到了明顯改善,見圖13。

圖12 垂向筋端部修改方案

圖13 垂向筋端部修改方案的應(yīng)力分布

4.2 縱向筋的端部連接

當(dāng)縱向筋設(shè)計(jì)為穿越橫向加強(qiáng)環(huán)和真空環(huán)時,橫向腹板上需要開設(shè)相應(yīng)的穿越孔。穿越孔型式見圖14,腹板與加強(qiáng)筋腹板焊接連接,通過剪切提供支撐。由于橫向結(jié)構(gòu)中存在既有的拉力作用,當(dāng)垂向拉應(yīng)力通過穿越孔邊緣時容易形成應(yīng)力集中。見圖15,對加強(qiáng)筋穿越真空環(huán)的端部細(xì)化分析表明穿越孔轉(zhuǎn)圓處存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此建議增設(shè)補(bǔ)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。圖16顯示設(shè)置部分補(bǔ)板后的應(yīng)力分布,加強(qiáng)筋面板附近的穿越孔轉(zhuǎn)圓處應(yīng)力水平改善較為有限。圖17顯示了設(shè)置全補(bǔ)板后的應(yīng)力分布,應(yīng)力水平大幅下降,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善。因此,建議穿越孔設(shè)計(jì)采用全補(bǔ)板或至少是能覆蓋加強(qiáng)筋面板區(qū)域穿越孔的補(bǔ)板類型。

圖14 縱向筋穿越孔

圖15 縱向筋穿越孔區(qū)域的應(yīng)力分布

圖16 穿越孔部分補(bǔ)板型式的應(yīng)力分布

圖17 穿越孔全補(bǔ)板型式的應(yīng)力分布

4.3 真空環(huán)的形式

真空環(huán)結(jié)構(gòu)在實(shí)際項(xiàng)目中常用的型式見圖18,該方案的結(jié)構(gòu)關(guān)于縱艙壁左右對稱,縱向筋只穿越其中一側(cè)的腹板。當(dāng)縱艙壁一側(cè)受到載荷時,真空環(huán)應(yīng)力分布情況見圖19,未受載一側(cè)的跨中面板的應(yīng)力水平較高。見圖20,若將真空環(huán)縱艙壁上的腹板全部偏置于設(shè)有縱向加強(qiáng)筋的一側(cè),根據(jù)慣性矩原理,由于縱艙壁帶板的參與,相同的總腹板高度下能夠形成更大的剖面慣性矩和剖面模數(shù),從而降低真空環(huán)的彎曲應(yīng)力。修改方案的真空環(huán)應(yīng)力分布見圖21,真空環(huán)跨中應(yīng)力大幅改善,總體最大應(yīng)力相比原設(shè)計(jì)方案也有較明顯下降。由于修改方案省去了一側(cè)真空環(huán)的垂直部分的面板結(jié)構(gòu),因此構(gòu)件重量、施工焊接量也較原設(shè)計(jì)方案有所優(yōu)化。

圖18 真空環(huán)原設(shè)計(jì)方案

圖19 真空環(huán)原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分布

圖20 真空環(huán)修改方案

圖21 真空環(huán)修改方案的應(yīng)力分布

5 結(jié)論

對C型獨(dú)立雙體罐兩種骨架型式的縱艙壁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)及關(guān)鍵區(qū)域設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論。

1)縱艙壁設(shè)計(jì)為非水密艙壁時,縱骨架式相比橫骨架式在結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力水平、結(jié)構(gòu)重量、生產(chǎn)建造等方面具有優(yōu)勢。

2)縱艙壁設(shè)計(jì)為水密艙壁時,縱骨架式板架整體側(cè)向剛度高于橫骨架式,但縱骨架式的建造工藝要求和施工量較橫骨架式有所增加。

3)在側(cè)向載荷的作用下,橫骨架式垂向筋的端部及縱骨架式加強(qiáng)筋穿越孔邊緣處易出現(xiàn)高應(yīng)力,通過設(shè)計(jì)改進(jìn)問題可以得到改善。

4)縱骨架式縱艙壁真空環(huán)結(jié)構(gòu),相比采用對稱布置設(shè)計(jì),偏置一側(cè)的設(shè)計(jì)能有效降低真空環(huán)的應(yīng)力水平,同時結(jié)構(gòu)重量和焊接量也能有所減少。