中小型LNG船C型罐溫度場分析及鞍座設計選擇

周偉

中小型LNG船C型罐溫度場分析及鞍座設計選擇

周偉1,2

以啟元號28 000 m3LNG運輸船為研究對象，基于ANSYS有限元軟件，建立該船三維有限元模型，計算分析該船C型獨立液貨罐鞍座及其附近船體結構的穩態溫度場；結合實船運營基準以及船級社、IGC標準要求，確定鞍座的形式與船體結構的鋼板等級和厚度。

LNG船；C型獨立液貨罐；鞍座設計；溫度場計算；材料選擇

經過近年的迅速發展以及LNG(液化天然氣)作為基本能源的大量開發，中小型LNG運輸船(日本、韓國將其定義為Mini LNG)已逐漸成為主流建造船型之一。C型罐屬于半冷半壓式獨立儲罐，既能夠達到-163 ℃的載運環境，同時又能承受一定的壓力；采用9%鎳鋼焊接制造的C型罐，適用于載運量小，營運周期短的中小型運輸船，不必采用再液化裝置，制造工藝簡單，價格低廉，安全性高。儲存液體的貨罐處于低溫狀態，下方由鞍形基座支撐，并通過層壓木與結構相連。這樣，罐體、鞍座、層壓木以及船體結構上就會形成溫度梯度；進而產生熱應力，同時影響低溫部分的材料特性。為此，以實際船型應用有限元計算軟件ANSYS進行鞍座及其附近船體結構的溫度場分析，得到相應工況的溫度場，參照船級社的材料許用設計溫度，對鞍座和附近船體結構材料進行合理選擇，避免低溫脆性破壞。

1 LNG船基本情況

28 000 m3LNG運輸船是首艘由國內設計并經CCS(中國船級社)認可的LNG運輸船，單機單槳，由雙燃料主機驅動，帶PTO功能，2G型船，運營于國際航線；運載的液化天然氣主要成分為甲烷，本船設計貨物密度0.50 t/m3，最小設計溫度為-164 ℃，設計壓力為0.35 MPa。

2 鞍座形式

獨立的C型罐屬半冷半壓式壓力容器，采用的是圓筒形筒體，長圓形的筒體承受壓力最好，且無需設“次屏蔽”。根據本船的裝載容量和航行海域，為更好地提高船型的艙容利用率，采用雙圓筒罐(又稱雙耳型筒罐)。罐體采用9%鎳鋼[1]，最小設計壓力為3.5 MPa，遠大于儲罐設計壓力；且許用應力為213 MPa[2]，也超過了低溫鋁鎮靜鋼和AISI 304L兩種耐低溫材料。因此設計壁厚得以降低，不僅減少了罐體重量，增大了儲存空間，也增加了儲備浮力。罐體外部采用0.095 W/(m2·K)的聚氨酯絕緣材料包裹，厚度經過計算決定至少為340 mm(拱頂除外)，使用年限可以達到30年，滿足DIN4102標準；最外層采用最小0.5 mm厚度的鍍鋅鋼板包覆，避免水蒸氣結露或結霜，保護聚氨酯材料[3]。

液貨罐通過鞍形支座與船體結構相連，簡稱鞍座。貨罐及其所裝載LNG的重量集中在鞍座上，各種沖擊力也作用在鞍座上，因此鞍座的形式和強度需要特別考慮。而且，為了防止熱膨脹，以及由于罐體及其液貨重力使罐體彎曲等原因對貨罐引起附加應力，貨罐一般只設計2只鞍座，分別布置在艏和艉，其中一個鞍座為固定式，另外一個為滑動式。

鞍座與船體的連接形式有2種。第1種，鞍座直接與船體連接，與液貨罐采用層壓木相連，見圖1；第2種鞍座與液貨罐直接相連，與船體通過層壓木連接[4]，見圖2。參考以往LPG、LEG船成熟設計，采用第1種方式設計，因此本船考慮采用層壓木作為第1道絕緣絕熱層，并根據某5 000 m3LPG船鞍座處層壓木的厚度計算簡化方法[5]對層壓木厚度進行選擇。設定層壓木下鞍座溫度-30 ℃，鞍座周向長度12.15 m，貨物溫度-164 ℃，初步計算得出所需層壓木厚度518 mm，遠超一般LPG、LEG船舶層壓木250～400 mm的厚度；由于本船船型已經確定，如果LNG層壓木設計此高度，而鋼質鞍座的設計高度是無法改變的，那么包括整個外板、船型等均需重新設計，以滿足罐體的整體抬高量；而且層壓木厚度過大，其寬度也需要相應增加，以保證相對滑動摩擦受力面積，加大了設計難度和建造成本。

因此考慮是否能采用第2種方案進行設計；經查詢，暫未找到鞍座通過層壓木與船體相連的形式所做的溫度場分析，因此通過有限元方法對第2種設計方案進行溫度場分析。

2 溫度場分析

有限元溫度場分析的基本原理是所處理的對象首先劃分成有限個單元(每個單元包含若干個節點)，然后根據能量守恒定律求解一定邊界條件和初始條件下每一個節點處的熱平衡方程，由此計算出各節點處溫度，繼而進一步求解其他相關量[6]。

船舶的熱量傳遞主要包括船體水線上結構與外界空氣間的對流傳熱，水線下結構與外界海水間的對流傳熱，船內結構與壓載水、燃油等之間的對流傳熱，船內結構與艙內空氣間的對流傳熱，船體外板與內板之間的輻射傳熱。根據實際經驗，最低的溫度將會產生在絕緣最薄且冷熱區域間隔最大的地方；因此對于LNG運輸船來講，最重要的熱傳遞還是貨艙區域，液貨罐(液貨)與鞍座，鞍座與層壓木，層壓木與內底板，以及他們與貨艙區域空氣之間的熱傳導。這種熱傳導而產生的溫度傳遞最終決定了鞍座及其附近船體結構的鋼板等級和厚度。

為了簡化計算，選擇實際溫度最低的區域進行有限元分析。根據28 000 m3LNG運輸船的總體布置，鞍座與船體外板即冷熱區域間隔最大的部分是處于船中平行中體區域；另外，考慮到固定式鞍座層壓木附近的絕緣不可能全部包在層壓木上，此部分的絕緣厚度最薄，因此選擇FR.98～FR.105這部分液貨艙區域作為有限元分析模型。層壓木的厚度選擇船型所允許的極值400 mm。

參考《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》和USCG(美國海岸警衛隊)對LNG船溫度計算的環境條件規定，可運載的貨物最低溫度為-164 ℃，取海水溫度為0 ℃，取空氣溫度為5 ℃。貨艙區域溫度場有限元計算的邊界條件見圖3。其中，不帶框的數據代表貨艙區域內部空氣的預期最低平均溫度，帶框的數據代表貨艙區域鋼結構的預期最低溫度。

材料導熱系數見表1。

表1 材料導熱系數 W/(m·k)

[7]，對流和熱輻射相關計算參數見表2。

表2 材料熱物理特性

通過以上條件定義有限元模型邊界條件和對流系數，溫度場分布見圖4～6。

鞍座及其附近結構、層壓木的最低溫度結果見表3。

表3 溫度場計算結果

由表3可見，采用第2種鞍座與液貨罐直接相連，與船體通過層壓木連接的設計形式，在船型不變、環境溫度和層壓木均為極值的情況下，船體結構內底板溫度可提高到-25.4 ℃，采用E級船用板可滿足設計要求。

3 船體結構鋼板等級和厚度確定

根據CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》關于低溫用鋼等級規定，對照以上的ANSYS模型分析計算結果，確認鞍座結構仍需使用9%鎳鋼。

計算得到鞍座附近實際船體結構用鋼等級及厚度見表4。其中板材的厚度考慮了鞍座局部強度。

表4 船體結構用鋼的等級與厚度

4 結論

通過對鞍座附近溫度場進行有限元分析計算，決定采用第2種C型罐與甲板的連接方式，即罐體-鞍座-層壓木-內底板型，將鞍座直接焊接在LNG液貨罐上，鞍座仍舊是半圓弧形[8]，以保證支撐穩定性，下端則是一個平面，層壓木直接粘結在平面上，方便施工和安裝，也降低了鞍座和船體內底結構的精度要求。鞍座使用9%鎳鋼，下方粘結層壓木，粘結劑采用常規LPG船所使用的產品，止擋板、內底板等采用E級船用鋼板即可，無需使用9%鎳鋼，合理降低成本并滿足實際使用需求。

通過強度計算，鞍座附近止擋板厚度需達到35 mm，內底板厚度需要達到22 mm，內底肋板需達到25 mm才能滿足要求，而即便是采用以上結論進行設計，鞍座附近船體結構的鋼板等級也需要達到E級；越厚的鋼板等級越高，價格也越高；進一步的優化設計，降低鋼板選用等級和厚度是后續的主要研究內容之一。

通過實船有限元溫度場分析，結合CCS、IGC和USCG的有關規定，給出了實船的材料分布，并選定了LNG船C型液貨罐鞍座設計形式，避免了

材料發生低溫脆性破壞，為后續的LNG設計提供了工程實例和解決方案。

參考文獻

[1] 中國船級社．散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[S]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 丁玲．中小型LNG船C型獨立液貨罐設計關鍵技術研究[D]．大連：大連理工大學，2009．

[3] 楊青松，陸叢紅，紀卓尚．中小型LNG船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究[J].中國造船，2011，52(1)：61-68.

[4] 劉文華，蔣秋申，陸晟．中小型液化天然氣船C型獨立液貨艙鞍座溫度場分布[J]．船舶設計通訊，2014(3)：35-39.

[5] 劉健奕．LPG船液罐設計及其支撐結構溫度場分析[D]．大連：大連理工大學，2012.

[6] 顧俊，王凡超．液化氣運輸船溫度場分析研究及鋼材匹配[J].船舶與海洋工程，2012(4)：1-5．

[7] BATHE K J，WILSON E L.有限元分析中的數值方法[M]．北京：科學出版社，1991．

[8] 劉偉．LNG運輸船液貨罐底座安裝方法及液貨罐底座結構:ZL201510959396.7[P]．2016-03-23．

(1.大連中遠船務工程有限公司，遼寧 大連 116113;2.大連理工大學，遼寧 大連 116024)

Temperature Distribution and Cradle Design of Mini LNG Carrier with Type C Independent Liquid Cargo Tank

ZHOU Wei1，2

(1.COSCO Dalian Shipyard, Dalian Liaoning 116113, China；2.Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024, China)

Taking QIYUAN LNG 28 000 m3LNG carrier as the research object, a 3D FE model was established in ANSYS to study the steady state temperature field of the cradle and surrounding hull structures of the type C independent liquid cargo tank. According to the operating norm for LNG ship, regulation requirements of the classification society and the IGC standard, the structural configuration of cradle, the steel grade and thickness of the hull structure were determined.

LNG carrier; type C independent liquid cargo tank; cradle design; temperature field calculation; choose material

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.006

2016-05-03

周偉(1985—)，男，學士，工程師研究方向:船舶與海洋工程結構

U674.13

A

1671-7953(2017)01-0023-04

修回日期：2016-07-09