C型獨(dú)立液貨艙開孔處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與研究

鄭文青呂立偉周 敏

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.阿卡力思海事咨詢（上海）有限公司 上海200122）

C型獨(dú)立液貨艙開孔處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與研究

鄭文青1呂立偉2周 敏1

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.阿卡力思海事咨詢（上海）有限公司 上海200122）

C型獨(dú)立液貨艙開孔區(qū)域的強(qiáng)度對整個液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。根據(jù)壓力容器規(guī)范計(jì)算方法對罐體上氣室處開孔及氣室封頭上的接管處開孔進(jìn)行強(qiáng)度校核，并提出補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案；通過有限元計(jì)算方法對補(bǔ)強(qiáng)方案進(jìn)行驗(yàn)證與研究。結(jié)果表明，氣室處開孔應(yīng)力水平較高，通過設(shè)置復(fù)板及增加氣室筒體板厚的方式能最有效改善該區(qū)域的強(qiáng)度。

液化氣船；C型獨(dú)立液貨艙；氣室開孔；開孔強(qiáng)度

引 言

C型獨(dú)立液貨艙是適用于中小型液化氣運(yùn)輸船最常見的貨物圍護(hù)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)及建造需滿足壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。與大型液化氣船所采用的A型或B型獨(dú)立液貨艙相比，C型獨(dú)立液貨艙結(jié)構(gòu)形式簡單、建造成本較低、裝載運(yùn)輸靈活方便，因而小型液化氣船采用C型獨(dú)立液貨艙系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

近年來隨著國內(nèi)液化氣船市場的興起，液貨艙結(jié)構(gòu)的獨(dú)立自主設(shè)計(jì)能力顯得尤為重要。 《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］及船級社相應(yīng)規(guī)范對C型液貨艙罐體、加強(qiáng)環(huán)、制蕩艙壁、開孔等的尺寸及強(qiáng)度均有明確的要求和計(jì)算方法。國內(nèi)很多設(shè)計(jì)人員對C型獨(dú)立液貨艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行大量研究［2］，并得出一些有益的結(jié)論及設(shè)計(jì)方法［3-4］，這對C型獨(dú)立液貨艙的自主設(shè)計(jì)具有重要意義。

C型獨(dú)立液貨艙罐體頂部的氣室筒體處及氣室封頭頂部各接管處均有開孔。其破壞了壓力容器原有的完整性，也削弱了罐體強(qiáng)度。鑒于C型液貨艙需承受較大內(nèi)壓，因此，這些開孔處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要通過相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)予以檢驗(yàn)。《非直接火焊接壓力容器規(guī)范PD5500》［5］、《固定式壓力容器GB150》［6］等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及船級社壓力容器規(guī)范［7］等，均對C型液貨艙上的開孔強(qiáng)度提出了類似的校核方法及衡準(zhǔn)。而這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范也對開孔的大小和有效面積提出了要求，若不滿足則應(yīng)予以補(bǔ)強(qiáng)，但均未強(qiáng)制要求進(jìn)行直接強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證。

為了對氣室開孔以及氣室封頭的接管開孔強(qiáng)度進(jìn)一步研究，本文首先根據(jù)船級社壓力容器規(guī)范（CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第3分冊）［7］對一小型LNG船C型獨(dú)立液貨艙的開孔處結(jié)構(gòu)尺寸要求進(jìn)行計(jì)算，并提出補(bǔ)強(qiáng)方案，然后利用有限元方法對補(bǔ)強(qiáng)方案進(jìn)行詳細(xì)分析與研究。

1 開孔處補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)范計(jì)算方法

1.1 承受內(nèi)壓的筒體板最小厚度計(jì)算要求

根據(jù)鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)或船級社相關(guān)規(guī)范，承受內(nèi)壓的液罐筒體板最小厚度要求：

式中：P為設(shè)計(jì)壓力，P=P0+Pgd，MPa；P0為設(shè)計(jì)蒸汽壓力，MPa；Pgd為動壓力，MPa；D0為筒體內(nèi)徑，mm；［σ］為許用應(yīng)力，N/mm2；φ為筒體最小強(qiáng)度系數(shù)，取1。

1.2 承受內(nèi)壓的凸形封頭板最小厚度計(jì)算要求

根據(jù)鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)或船級社相關(guān)規(guī)范，承受內(nèi)壓的液罐凸形封頭板最小厚度要求：

式中：P為設(shè)計(jì)壓力，P=P0+Pgd，MPa；P0為設(shè)計(jì)蒸汽壓力，MPa；Pgd為動壓力，MPa；D1為封頭外徑，mm；y為形狀系數(shù)；［σ］為許用應(yīng)力，N/mm2；φ為筒體最小強(qiáng)度系數(shù)，取1。

1.3 開孔處構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)要求

1.3.1 圓筒體上的開孔

根據(jù)CCS壓力容器規(guī)范，位于圓筒體上的開孔強(qiáng)度按以下進(jìn)行校核：

（1）開孔需補(bǔ)強(qiáng)的截面積

（2）有效補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)按下列各截面積之和進(jìn)行核算，見圖1以及式（4）至式（7）。若有效補(bǔ)強(qiáng)面積大于開孔需補(bǔ)強(qiáng)的面積，此補(bǔ)強(qiáng)即為有效。

圖1 圓筒體上的開孔有效補(bǔ)強(qiáng)面積示意

① 筒體的富裕厚度×有效寬度

② 復(fù)板厚度×有效寬度

③ 接管或補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的富裕厚度×有效高度

④ 接管或加強(qiáng)環(huán)在筒體內(nèi)側(cè)的截面積

圖1以及式（3）至式（7）中：δ為筒體實(shí)際厚度，mm；δ0為按1.1節(jié)筒體強(qiáng)度系數(shù)φ=1時計(jì)算所得筒體厚度，mm；δ1為接管或加強(qiáng)環(huán)的實(shí)際厚度，mm；δ2為復(fù)板厚度，mm；δ3為按1.2節(jié)筒體強(qiáng)度系數(shù)φ=1時計(jì)算所得接管厚度，mm；d1為接管或加強(qiáng)環(huán)內(nèi)徑，mm；B為有效寬度，但不大于0.5d1，mm；h1為有效高度，mm；h2為凸出筒體內(nèi)側(cè)的有效高度，取實(shí)際凸出高度，但不大于h1，mm。

1.3.2 凸形封頭上的開孔

根據(jù)CCS壓力容器規(guī)范，位于凸形封頭上的開孔強(qiáng)度按以下進(jìn)行校核：

（1）開孔需補(bǔ)強(qiáng)的截面積

（2）有效補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)按下列各截面積之和進(jìn)行核算，見圖2以及式（9）至式（11）。若有效補(bǔ)強(qiáng)面積大于開孔需補(bǔ)強(qiáng)的面積，此補(bǔ)強(qiáng)即為有效。

圖2 凸形封頭上的開孔有效補(bǔ)強(qiáng)面積

① 復(fù)板厚度×有效寬度

② 接管或加強(qiáng)環(huán)的富裕厚度×有效高度

③ 接管或加強(qiáng)環(huán)凸出于封頭內(nèi)側(cè)的截面積

圖2以及式（8）至式（11）中：δ為封頭實(shí)際厚度，mm；δ1為接管或加強(qiáng)環(huán)的實(shí)際厚度，mm；δ2為復(fù)板厚度，mm；δ3為按1.2節(jié)筒體強(qiáng)度系數(shù)φ=1時計(jì)算所得接管厚度，mm；d為凸形封頭上實(shí)際開孔直徑，mm；d1為接管或加強(qiáng)環(huán)內(nèi)徑，mm；B為有效寬度，但不大于0.5d，mm；h1為有效高度，mm；h2為有效高度，mm；R為封頭球面部分的內(nèi)半徑，mm；D1為封頭球面部分外徑，mm。

2 開孔處強(qiáng)度的有限元計(jì)算方法

2.1 液貨艙有限元模型

C型液貨艙有限元模型包含完整的液貨艙罐體、氣室、接管及開孔。液貨艙罐體、氣室及接管殼體均采用板單元模擬；加強(qiáng)環(huán)腹板采用板單元，面板采用梁單元模擬；鞍座處層壓木采用簡化的彈簧單元模擬。

對于開孔區(qū)域復(fù)板的模擬參考CSR-H規(guī)范［8］中對縱骨穿越孔補(bǔ)板的模擬方法：用偏離殼體表面的板單元模擬復(fù)板，用一圈厚度兩倍于殼體板的垂直于殼體表面的短板模擬焊腳，并將復(fù)板與殼體板連接。

液貨艙開孔處及毗鄰結(jié)構(gòu)采用約50 mm×50 mm的細(xì)化單元模擬，以便較為準(zhǔn)確地描述構(gòu)造細(xì)節(jié)。遠(yuǎn)離開孔的區(qū)域采用200～500 mm尺寸的較粗網(wǎng)格。

2.2 計(jì)算工況

C型獨(dú)立液貨艙直接計(jì)算工況應(yīng)滿足IGC規(guī)則，并根據(jù)船級社規(guī)范具體要求進(jìn)行考慮。為簡化計(jì)算，本文僅對正浮靜止工況進(jìn)行分析。

2.3 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

根據(jù)IGC規(guī)則，不同的應(yīng)力類型，許用應(yīng)力如下：

式（12）及（13）中：σm為等效總體主膜應(yīng)力，N/mm2；σL為等效局部主膜應(yīng)力，N/mm2；f為許用應(yīng)力，N/mm2。

IGC規(guī)則許用應(yīng)力f計(jì)算見式（14）。

式中：Re為屈服強(qiáng)度，N/mm2；Rm為拉伸強(qiáng)度，N/mm2；A， B為系數(shù)，對于鎳鋼和碳錳鋼，A=3、B =1.5。

3 開孔處強(qiáng)度的分析算例

3.1 開孔處補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)范計(jì)算

以某一C型獨(dú)立液貨艙LNG運(yùn)輸船為例，其罐體布置如圖3所示。罐體主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖3 C型獨(dú)立液貨艙罐體布置

表1 液貨艙設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 氣室封頭上接管布置

氣室頂部接管布置如圖4所示。根據(jù)1.1節(jié)及1.2節(jié)所述的規(guī)范計(jì)算方法，罐體、氣室、接管等最小計(jì)算厚度及實(shí)取厚度如下頁表2所示。本文所述的以開孔強(qiáng)度計(jì)算為目的的最小厚度要求僅指液貨艙受內(nèi)壓情況下的最小計(jì)算要求。C型獨(dú)立液貨艙的殼體設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足受外壓下的穩(wěn)定性、晃蕩以及總體橫向及縱向強(qiáng)度要求，本文不作贅述。

表2 液貨艙板厚計(jì)算及設(shè)計(jì)mm

根據(jù)1.3節(jié)所述的規(guī)范計(jì)算方法，通過調(diào)整開孔所在筒體或封頭的板厚、設(shè)置合適的復(fù)板補(bǔ)強(qiáng)、調(diào)整接管厚度及接管凸出筒體或封頭內(nèi)側(cè)高度的方法可以有效提高接管開孔處結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。補(bǔ)強(qiáng)方案及校核結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明氣室筒體處開孔在設(shè)置復(fù)板補(bǔ)強(qiáng)后能滿足規(guī)范要求，而氣室封頭上的接管處開孔均無需額外補(bǔ)強(qiáng)即可滿足規(guī)范要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，補(bǔ)強(qiáng)方案還應(yīng)滿足布置及生產(chǎn)工藝的要求。此外，設(shè)計(jì)方案應(yīng)留有合理的余量，以保證在考慮板材偏差、建造誤差和實(shí)際焊接質(zhì)量后，強(qiáng)度仍然滿足使用要求。

3.2 開孔處強(qiáng)度的有限元分析

液貨艙模型如圖5所示，模型包含完整的液貨艙罐體、氣室及氣室上的接管。氣室區(qū)域?yàn)殚_孔的集中區(qū)域，采用細(xì)化的網(wǎng)格劃分以準(zhǔn)確模擬各構(gòu)件的實(shí)際形狀。液貨艙模型計(jì)算結(jié)果（等效膜應(yīng)力）如圖6—圖10所示。

表3 氣室筒體處及接管處開孔補(bǔ)強(qiáng)及校核

圖5 液貨艙有限元模型

圖6 氣室區(qū)域等效膜應(yīng)力/Pa

圖7 氣室開孔處等效膜應(yīng)力/Pa

圖8 氣室開孔復(fù)板等效膜應(yīng)力/Pa

圖9 氣室筒體處等效膜應(yīng)力/Pa

圖10 氣室封頭等效膜應(yīng)力/Pa

有限元計(jì)算結(jié)果表明，位于氣室開孔附近的液貨艙筒體、復(fù)板及氣室筒體上應(yīng)力水平較高且部分構(gòu)件高于計(jì)算衡準(zhǔn)（氣室筒體處開孔附近構(gòu)件的應(yīng)力值及許用衡準(zhǔn)如表4所示），而氣室頂部的接管處開孔應(yīng)力水平較低且滿足計(jì)算衡準(zhǔn)。

表4 氣室筒體處開孔附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力及衡準(zhǔn)MPa

氣室封頭上的接管開孔盡管十分密集，但其在不作額外補(bǔ)強(qiáng)的情況下既能滿足規(guī)范計(jì)算要求，也能滿足有限元計(jì)算要求；而氣室筒體處開孔補(bǔ)強(qiáng)雖滿足規(guī)范計(jì)算要求，但位于開孔附近的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平仍略高于有限元直接計(jì)算之衡準(zhǔn)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)對氣室開孔處的補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件給予充分關(guān)注。目前IGC規(guī)則及各船級社規(guī)范未對開孔處的直接強(qiáng)度計(jì)算作強(qiáng)制要求，但出于安全考慮，建議在滿足規(guī)范計(jì)算要求的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步有限元計(jì)算驗(yàn)證。

3.3 氣室筒體處開孔補(bǔ)強(qiáng)的參數(shù)敏感度分析

為對開孔補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件設(shè)計(jì)中各主要參數(shù)的實(shí)際效果作進(jìn)一步研究，擬以氣室筒體處開孔結(jié)構(gòu)為分析對象，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上通過按比例調(diào)整各主要設(shè)計(jì)參數(shù)，考察應(yīng)力結(jié)果的變化情況。考慮的各主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括氣室筒體厚度、氣室筒體凸出液罐內(nèi)側(cè)的高度、復(fù)板厚度、復(fù)板寬度以及不設(shè)置復(fù)板等。在液罐筒體開孔處、氣室筒體處及開孔復(fù)板處的等效膜應(yīng)力變化趨勢如下頁圖11—圖13所示。

結(jié)果表明：所選取各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對氣室筒體處開孔附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平有不同敏感程度的影響。通過增加各構(gòu)件參數(shù)的尺度均能改善應(yīng)力水平，其中增加氣室筒體厚度及復(fù)板厚度最為有效，而凸出液罐內(nèi)側(cè)高度及復(fù)板寬度的敏感度很低。因此建議在氣室筒體處開孔補(bǔ)強(qiáng)方案的各構(gòu)件設(shè)計(jì)中，在滿足規(guī)范對各設(shè)計(jì)參數(shù)的最低要求的基礎(chǔ)上，通過增加氣室筒體厚度、設(shè)置開孔復(fù)板以及增加復(fù)板厚度，能最有效地改善開孔處的應(yīng)力水平。

圖11 各設(shè)計(jì)參數(shù)對于液罐筒體處應(yīng)力的敏感度

圖12 各設(shè)計(jì)參數(shù)對于氣室筒體處應(yīng)力的敏感度

圖13 各設(shè)計(jì)參數(shù)對于開孔復(fù)板處應(yīng)力的敏感度

4 結(jié) 論

本文對C型液貨艙開孔處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了基于規(guī)范計(jì)算方法的設(shè)計(jì)及校核，并通過有限元直接計(jì)算方法予以驗(yàn)證及研究，得到如下結(jié)論：

（1）規(guī)范計(jì)算方法能夠快速并有效地為開孔處的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和依據(jù)；

（2）氣室封頭接管處開孔等較小開孔，在滿足規(guī)范計(jì)算要求的情況下，容易滿足有限元直接計(jì)算要求；

（3）氣室筒體處開孔等較大開孔及其補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件，在滿足規(guī)范計(jì)算要求的情況下，有必要進(jìn)行有限元直接計(jì)算以作進(jìn)一步驗(yàn)證；

（4）在影響開孔處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的諸多因素中，筒體或接管自身厚度及開孔復(fù)板厚度能最有效地改善該區(qū)域的應(yīng)力水平。

［1］IMO.International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk（IGC code）［S］.2014.

［2］裴軼群，陸晟，劉文華.小型LNG船C型獨(dú)立液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2012（2）：28-34.

［3］呂立偉，忻迪，鄭文青.小型液化氣船C型獨(dú)立液艙內(nèi)鞍座處加強(qiáng)環(huán)設(shè)計(jì)研究［J］.船舶，2014（2）：44-48.

［4］顧俊，王凡超，劉奕謙.6 500 m3液化氣運(yùn)輸船鞍座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.船舶，2015（4）：77-83.

［5］BSI.Specification for Unfired Fusion Welded Pressure Vessels ［S］.2009.

［6］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB150.1～150.4-2010 固定式壓力容器［S］.北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2010.

［7］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京： 人民交通出版社， 2012.

［8］IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers［S］.2014.

Strength analysis and research of openings of C type independent liquid cargo tank

ZHENG Wen-qing1Lü Li-wei2ZHOU Min1
(1.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2.Aqualis Offshore Marine Consulting (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200122, China)

The strength of the openings of the C type independent liquid cargo tank is crucial to the safety of the entire liquid cargo tank containment.The strength of the openings on the tank dome and the openings of the nozzles in dome head were verified by the calculation method according to the rules of pressure vessels.It then proposes the reinforcement design scheme, which is validated and analyzed by the finite element calculation method.The results show that the stress around dome opening is high, and the strength of this area can be improved most efficiently by means of pad and thicker dome cylindrical shell.

liquefied gas carrier; C type independent liquid cargo tank; dome opening; strength of opening

U661.43

A

1001-9855（2016）06-0028-07

2016-07-06；

2016-08-01

鄭文青（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。呂立偉（1982-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。周 敏（1987-），男，在讀碩士，助理工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.028