適合LNG中短途水上運輸的罐艙設計選型分析

石 峰，陳瑞權，許孟東

(中海油能源發展采油服務公司，天津300457)

液化天然氣(LNG)運輸必須先將天然氣經產地凈化加工超低溫冷卻至約-162℃，其體積約為同量氣態天然氣體積的1/600，天然氣由氣態變成液態，達到便于運輸的目的。中小型LNG運輸船一般是指載貨量在3萬m3以下的LNG船，專為大型接收站的LNG轉運、海上油田伴生氣的回收、海上LNG的駁運等提供服務。我國LNG進口量逐年加大，且沿海LNG項目布局逐步完善，利用LNG船舶運輸至沿海接收站，再經沿海和內河中短途運輸的需求隨之出現。

目前承接跨洋運輸的大型LNG運輸船使用的貨艙型式多為薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，還有少量的Moss型和SPB型［1］。雖然這些貨艙在容積利用率上優于C型貨艙圍護系統，但是出于經濟性考慮，應用于小型船上還有待探討。目前全球共有在役(建)中小型LNG運輸船約20艘，大多采用獨立C型液貨艙。C型獨立艙通常為球形或圓筒形的罐，其中圓筒形又分為單圓筒罐、雙圓筒罐以及三葉形罐，本文將對C型貨艙的罐體設計選型做個對比分析［2］。

1 C型罐艙設計的技術要求

短途運輸小型LNG船C型貨艙通常按壓力容器準則設計，設計壓力常取1.8 MPa，不超過2 MPa。其獨立液化艙屬于半冷半壓形式壓力容器，技術比較成熟，液罐材料采用耐低溫且具有較低熱膨脹系統的奧氏體鋼，罐體外部粘結聚苯乙烯泡沫盒鍍鋅鋼板作為絕緣層。按《散裝運輸液化氣體船舶結構與設備規范》［3］設計。獨立C型液貨艙主要優點是罐體設計獨立，加工獨立，利于縮短造船工期;耐壓性好，無需設置屏蔽，無氣體泄漏，船舶無需另外考慮液貨維護，等。C型獨立液化艙設計蒸氣壓力大于等于下式計算值。

式中:po——設計蒸氣壓力，液貨艙頂部的最大表壓，用于液貨艙設計，MPa。

ρr——設計溫度下貨物的相對密度(淡水，ρr=1)。

A——應力區應力系數，

其中:σm——設計主膜應力，MPa;

ΔσA——許用動態膜應力(雙振幅，當概率級別為Q=10-8)，MPa;對鐵素體鋼，馬氏體鋼，ΔσA=55 MPa;對鋁合金(5083-0)，ΔσA=25 MPa;

C——液貨艙的特性尺度，取下列各值中的最大者:h;0.75b;或0.45l。

其中:h——液貨艙高度(沿船舶的垂向量取)，m;

b——液貨艙寬度(沿船舶的橫向量取)，m;

l——液貨艙長度(沿船舶的縱向量取)，m。

根據液貨艙的形狀及其支撐裝置和附屬件的布置，主管機關可將符合本款標準的液貨艙歸屬為A型和B型。

適合LNG短途船舶運輸的低溫儲罐有如下特殊要求。

1)罐體在設計、加工、檢驗工藝上都有嚴格規范(IMO組織的IGC規則)要求。因此其安全冗余度高，由于罐內儲存的是低溫液體，儲罐一旦出現破損，冷藏的液體會大量揮發，在大氣中會形成危險的可爆氣團，因此罐體獨立設計、加工通過第三方船檢認證機構檢驗。

2)良好的耐低溫特性及承壓特性。常壓下液化天然氣的沸點為-162℃，此類儲液罐的操作壓力稍高于常壓，與高壓常溫儲存方式相比，可以大大降低罐壁厚度，提高安全性能。LNG運輸要求儲液罐體具有良好的耐低溫性能和保冷性能，罐體壓力允許在一定范圍內增加。

3)罐體儀表和設備安全等級要求嚴格。LNG運輸除了具有和原油相似的危險性外，還有著其特殊的危險性，而低溫是它的主要危險特征。這主要表現在低溫條件下給船體及其設備形成損害，對LNG船安全性能的標準要求要遠遠高于油輪和其它一些化學品船。

4)在罐體和支座結構上有特殊要求。要適應船體和液貨運動對貨罐產生的沖擊影響。一般設置制蕩艙壁，防止液貨晃蕩與船舶的縱搖周期產生共振，對罐體封頭產生沖擊，支座設置加強圈消除或降低圓筒的軸向應力、切應力和周應力，等［4］。

2 單圓筒罐和雙圓筒罐對比分析

C型獨立艙通常為球形或圓筒形的罐，其中圓筒形又分為單圓筒罐、雙圓筒罐，球形罐體在中小型船舶布置上有一定難度，重心偏高，船舶利用率偏低，因此較少用于中小型LNG運輸船。這里僅僅討論相同LNG船舶載重量(例如目標船型1 m3)單圓筒和雙圓筒(見圖1、2)的選型對比分析。

圖1 C型獨立艙典型雙圓筒罐橫剖面

圖2 C型獨立艙典型單圓筒罐橫剖面

2.1 制造工藝

1)罐艙結構設計上單圓筒罐結構形式簡單，雙圓筒罐結構較為復雜。單圓筒罐由于剖面為圓形，其應力和結構尺寸分布均勻，罐體總體材料消耗少;而雙圓筒罐在罐體接頭處更易產生應力集中，需要在接頭處加強，其結構形式較復雜，材料消耗大。雙圓筒罐結構需設置中縱艙壁，以解決上下結構連接并減小液體晃蕩。在同等艙容下，建造單圓筒罐可節省材料約10%，而雙圓筒罐加工難度較大。

2)罐體支座一般設置加強圈消除或降低圓筒的軸向應力、切應力和周應力。由于LNG船溫度低(-162℃)，在溫度變化時材料在罐體縱向和周向有收縮量，單圓筒的支座形式簡單;而雙圓筒支座復雜，支座型式需特別考慮雙圓筒間的影響，因此設計結構形式計算相對復雜。

3)相同載荷下，如果采用2個相同規格的單圓筒罐，則僅需一套圖紙一套罐體設計方案，設計、施工簡單方便。如采用多個雙圓筒罐，由于第一貨艙線型向內收縮，為了最大程度利用艙容，需根據線型重新設計雙圓筒罐，導致第一貨艙內的雙圓筒罐與后面貨艙內的雙圓筒罐尺寸艙容不同，設計和施工量均較大。

2.2 船舶布置

2.2.1 船體重心高度

如圖1、圖2所示，由于雙圓筒罐寬度大，相同容積的情況下雙圓筒罐高度比單圓筒罐較小，可以有效降低貨物的重心高度以及凸起甲板的高度，重心的降低使得船舶穩性更佳，而凸起甲板高度的降低則使駕駛室視線更為寬闊。

2.2.2 艙容利用率

在同船寬條件下，單圓筒罐相比于雙圓筒罐截面積約小20%。但是從船長方向來看(見圖3)，由于需滿足破艙穩性，如使用雙圓筒罐則須分為3個甚至4個貨艙，貨艙之間需保留一定的結構和通道空間，故在船長方向艙容利用率低于單圓筒罐。另外由于船體線型在船頭部分向內收縮，在第一貨艙內，雙圓筒罐需要根據線型同時向內收縮，第一貨罐艙容較小，同尺度條件下，雙圓筒罐的艙容比單圓筒罐要大，帶來的有效容積約增加10%。

對于C型圓雙圓筒罐，國外已有的最大直徑為15m，罐體直徑對艙容的影響很大。罐子寬度B和直徑D的比值直接決定了橫截面積S的利用率η。

圖3 同船寬同船長情況下單圓筒罐與雙圓筒罐艙容縱剖面比較

當B/D=1.5時，橫截面積利用率最高。另一方面，D愈小，即B/D愈大，液罐的板厚可以愈薄。因此，這一比值一般取在1.6～1.8之間。實船上這一比值的平均值為1.68～1.70。圖4為雙體圓筒形儲罐的最佳斷面形狀分析。

圖4 雙體圓筒形儲罐的最佳斷面形狀分析

3 結論

通過對C型罐艙選型中結構形式、船舶破艙穩性、設計施工、對船舶布置等方面因素的分析可以看出，雙圓筒C型貨艙與單圓筒C型貨艙相比具有艙室空間利用率高、船舶重心高度降低等優點;缺點是制造難度相對較大，造價成本略高。

在運輸中C型罐艙的主要風險來自:①外來船體沖撞或自身擱淺等導致的罐體破損;②罐體或管線外部失火;③罐內液體翻滾導致罐體內BOG壓力徒增造成風險等。從LNG水運安全角度分析，短途水上運輸尤其是內河運輸因船舶通行密度大、航行環境復雜，相比較三種風險中來自罐體碰撞破損的幾率高些，而且具有不可預測性，是LNG短途運輸的主要的風險源［5］。單圓筒罐罐體設計距離船體外舷較雙圓筒罐最遠，可布置在B/5以外(符合IGC規則)，并可考慮船舷側增加較寬的壓載艙加以緩沖保護，因此單圓筒罐的選型設計和布置是適合于短途LNG船舶的運輸方式。

從國內外實踐經驗上看，液貨艙總容積在15 000 m3以下的中小型LNG船其液貨艙形式多采用單圓柱形C型獨立液艙，15 000～40 000 m3液化氣船液艙形式大多選取雙圓筒罐，而且隨船體尺度增加，液貨艙數量也隨之增加。

［1］《液化天燃氣生產關鍵技術實用手冊》編委會.液化天然氣生產關鍵技術實用手冊［M］.下冊.北京:北方工業出版社，2010.

［2］泰炳軍，陳瑞權，盛蘇建.江海直達小型LNG運輸船設計研究［J］.船海工程，2012，41(2):1-8.

［3］中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶結構與設備規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］丁 玲，馬 坤.中小型LNG運輸船液貨罐設計技術［J］.船舶，2010(1):26-29.

［5］洪匯勇，江玉國.LNG運輸船海上運輸的風險分析及其控制［J］.航海技術，2008(4):72-75.