超大型液化氣船結構設計要點

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

超大型液化氣船(VLGC)因用途特殊,在各方面都有特殊要求，設計和建造技術難度大，代表當今世界造船技術水平，是以高難度、高技術、高附加值著稱的“三高”船舶[1]。按照國際《散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》[2](簡稱《IGC規則》)和美國船級社(簡稱《ABS》)對液化石油氣船要求，對一艘84 000 m3全冷式、A型獨立艙液化石油氣運輸船(總長237.6 m、垂線間長216 m、型寬37.2 m型深22 m)進行結構設計，使目標船型在滿足規范、規則要求的前提下，確定材料形式與選取范圍，優化結構布置形式。

1 結構材料

目標船裝運貨物設計溫度是-50 ℃，貨艙區結構材料與常規船結構材料相差較大，以下討論主要針對貨艙區主船體、A型獨立艙結構材料。

1.1 貨艙區主船體結構材料

貨艙區主船體結構材料等級選用及其應用范圍應從4個方面綜合考慮。

1)《 IGC規則》對液化石油氣船次屏壁設置要求見表1。

A型獨立液貨艙主要是平板結構，用全冷凍方式裝低于-10°C的液化石油氣，主船體可以作為次屏蔽。次屏壁設置范圍不得小于液貨艙破裂時液面在船靜橫傾角為30°時所包圍的范圍。次屏壁設置范圍(粗線代表整個次屏壁)見圖1。

表1 IGC規則對液化石油氣船次屏壁設置要求

注：1經主管機關特別考慮，允許大氣壓力下貨物的溫度低于·10 ℃，則通常應要求設完整的次屏壁；2如半薄膜液貨艙在各方面均能適合于B型獨立液貨艙的要求(支持方式除外)，經主管機關特別考慮可以同意設置部分的次屏壁。

圖1 次屏壁設置范圍示意

2) 環境溫度。結構材料等級選用應根據液化石油氣船航行路線中的海水溫度、外部空氣溫度及貨物溫度進行溫度場計算確定溫度分布。在計算時需要提供下列數據，分別是：次屏壁處最冷貨物溫度；橫傾30°時艙內液面高度；規則規定的空氣及海水溫度，見表2。

表2 規則規定的空氣及海水溫度 ℃

注：①.美國海岸警衛隊[3]對航行于美國海域非美國旗船只額外的設計和結構要求；②.計算時應計及5 kn風的對流影響。

3)船級社要求。根據ABS要求，對于縱向構件如甲板、內底板、內殼等處的低溫材料應超出次屏壁400 mm，同時與低溫材料相鄰的板材其材質必須為E級鋼或DH級鋼且寬度不小于400 mm[4]。

4)USCG要求。材料選用還需符合USCG要求，如USCG一般要求整個貨艙區的甲板邊板和舷頂列板至少為E級鋼，舭列板為至少D級鋼。

在計算出船體結構的溫度場分布后，需要綜合考慮結構材料溫度分布、拼板工藝和安裝方便等因素，再結合IGC規則的要求形成結構材料等級分布。IGC規則對結構材料等級與船體結構設計溫度、建造厚度要求見表3。

表3 結構材料與結構設計溫度、建造厚度 mm

備注：①適用于除了次屏壁、液貨艙以外的因貨物影響而需經受降低溫度且不構成次屏壁部分船體結構材料，該船體結構包括內底板、縱艙壁、橫艙壁板、肋板、強肋骨、桁材以及所有相連的扶強材構件；②適用于船體的外板和甲板以及所有相連的扶強材均應符合公認標準的要求，除非由于低溫貨物的影響使設計條件下的材料計算溫度是在-5℃ 以下

根據以上要求可最終確定貨艙區主船體低溫材料的運用范圍，見圖2。

圖2 貨艙區主船體低溫材料運用范圍

1.2 A型獨立艙結構材料

目標船裝運的貨物設計溫度是-50℃，整個A型獨立艙選用材料為低溫材料，在考慮成本和設計貨物溫度兩因素后選用的低溫材料為碳錳鋼。

1)低溫材料。低溫材料一般分為碳錳鋼、鎳鋼、奧氏體鋼、鋁合金和奧氏體鐵-鎳合金。IGC規則有關低溫材料見表4。

2)低溫材料碳錳鋼。常用常溫船體結構用鋼對于不同的船級社，其化學成分、機械性能是相同的，而低溫材料碳錳鋼(設計溫度在0～-55 ℃)對于不同的船級社，其化學成分、機械性能是有差異的，因此在設計初期需要明確船舶的入級符號。中國船級社(CCS)、美國船級社、日本船級社(NK)、挪威船級社(DNV)、英國船級社(LR)、法國船級社(簡稱BV)六個船級社低溫材料碳錳鋼(設計溫度在45～-55 ℃)化學成分匯總于表5；表6是上述6個船級社低溫材料碳錳鋼(設計溫度在45～-55 ℃)力學性能匯總。

表4 低溫材料 ℃

注：①為經同意可以省去沖擊試驗。

2 結構布置

2.1 檢修通道

根據IMCO CODE[10]對散裝運輸液化氣體船的要求，貨艙區主船體與A型獨立艙間檢修通道必須滿足以下要求。

1)兩平面表面之間的最小距離為600 mm(如A型艙)，平面與曲面表面之間的最小距離為450 mm(如C型艙)。

2)構件自由邊與平面表面的最小距離為380 mm。

3)當不需要穿過構件檢查時，構件自由邊與液艙絕緣層表面的最小距離為半個翼板寬度或50 mm中的大值，如圖3所示。根據以上要求，結合液艙絕緣層的厚度和A型獨立艙艙壁板厚、主船體艙壁板厚，主船體與A型獨立艙之間的布置見圖4。

圖3 檢修通道要求

表5 低溫材料碳錳鋼主要化學成分及其質量分數[5-9] %

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX，XX為沖擊試驗溫度。

2.2 A型獨立艙結構布置

目標船貨艙區主船體結構布置與散貨船結構形式比較相似，在此不做詳細描述，主要分析下A型獨立艙的結構布置。

1)A型獨立艙結構布置。A型獨立艙是完全獨立支持的，對船體總縱強度不起作用，它主要由獨立艙邊界、制蕩艙壁、中縱艙壁組成。獨立艙邊界為縱骨架式結構，由橫向強框架和縱骨構成。

表6 低溫材料碳錳鋼機械性能匯總

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX ，XX為沖擊試驗溫度；A-比設計溫度低5 ℃或-20 ℃，取其低；B-比設計溫度低10 ℃或-20 ℃，取其低；C-比設計溫度低15 ℃或-20 ℃，取其低；D-比設計溫度低20 ℃；1-最低設計溫度為-45 ℃；2-最低設計溫度為-50 ℃。

為了防止A型獨立艙受到靜、動載荷作用產生液貨艙本體移動而設置支承裝置、防縱搖裝置、防橫搖裝置和止浮裝置。由于支承件的存在使A型獨立艙與主船體間產生相互作用。為使應力有效傳遞，與支承件相連艙壁處的縱骨應與主船體縱骨布置一致，其他縱艙壁如中縱艙壁、側壁以及底邊艙相鄰艙壁的縱骨間距是可調整變化的。在排列這3個艙壁縱骨時需充分考慮中縱艙壁與側壁間水平桁的布置、施工方便、板格間距統一等因素確定縱骨布置，其結構形式見圖5。

圖5 A型獨立艙縱艙壁縱骨布置

2)A型獨立艙液艙內結構檢修通道。由于A型獨立艙裝載貨物是石油碳氫化合物，下艙檢驗是較危險的工作，一般在年檢時要下艙檢查。為了優化結構，結構布置考慮設置縱向結構檢修通道，將與橫艙壁水平桁相連的縱骨尺寸加大以兼作結構檢修通道，一方面保證了結構連續性，使橫艙壁水平桁應力有效傳遞，另一方面可與橫艙壁水平桁形成完整檢修通道。

3 結論

闡述了VLGC結構設計階段需考慮的幾個主要問題，即結構材料的選用、結構布置、規范規則使用等，通過對上述問題的研究，不僅使目標船型滿足規范、規則要求，得到合理的設計方案，也為后期船舶建造提供了良好的技術支撐。