新型LNG IMO A型液貨圍護系統

上海福建國航遠洋船舶管理有限公司 張慶勝

1959年1 月，Methane Pioneer 從美國路易斯安那州的查爾斯湖（Lake Charles）到英國坎維島（Canvey Island）運載了世界上第一船遠洋運輸LNG，證明了LNG的遠洋運輸是可行的。時至今日，在滿足世界對清潔能源的需求、助力經濟可持續增長方面，LNG海上運輸依然至關重要。

液化氣體船貨物圍護系統發展沿革

液化氣體運輸船是專門設計的遠洋船，是專門運輸LNG、LPG以及其他烷烯烴類液化氣體等的專用船舶。

1931年，第一艘專門建造的能夠運輸LPG的AGNITA交付使用。LPG儲罐采用大型圓柱形壓力容器。

1956年，第一艘新建的Methane內河駁船開始測試LNG水上運輸技術。其裝載5個內部襯有巴爾沙輕木的立式圓桶。

1959年，第一艘改裝的Methane Pioneer開始首次商業運輸LNG。棱柱形貨艙為鋁合金材質。

1964年,專門建造的Methane Princess開始運輸LNG。該船貨艙為5083鋁合金材質，貨艙絕緣主要是巴爾沙輕木。

1964年，第一艘Technigaz薄膜技術Mark I型試驗船Pythagore建造。貨艙材料為不銹鋼。

圖1 1959年2月28日，Methane Pioneer號在Calcasieu河碼頭裝載歷史上第一船LNG貨物

圖2 2019年，第一艘LNT-A型罐LNG船SAGA DAWN交付。貨艙材質為304不銹鋼

1969年,第一艘Gaztransport殷瓦薄膜型NO技術LNG船Polar Alaska建造。貨艙材料為殷瓦鋼。

1973年，第一艘MOSS球型LNG 船Norman Lady建造。貨艙材料為9%鎳鋼。

1981年，第一艘SPB型LPG船GENKAI MARU建造。貨艙材質為鋁合金。

1983年，IGC規則通過生效，對液化氣體運輸船技術進行了規范化約束。

1988年，第一艘SPB型LNG船KAYOH MARU建造。貨艙材質為鋁合金。

2019年，第一艘LNT-A型罐LNG船SAGA DAWN交付。貨艙材質為304不銹鋼。

目前，液化氣體運輸船的貨物圍護系統技術日臻成熟，已呈現體系化、大型化、專業化的發展格局。其中,LPG船舶以C型壓力式儲罐和IMO A型貨艙為主；而LNG運輸船市場則以GTT薄膜型、MOSS球罐型和SPB型為主，LNT-A型貨艙技術在LNG運輸船市場上剛剛開始嶄露頭角。

液化氣體船貨物圍護系統分類

根據IGC的分類，液化氣體船貨物圍護系統共分為五大類型：整體液貨艙、薄膜液貨艙、半薄膜液貨艙、獨立液貨艙（分為A型、B型、C型3類，A型貨艙按傳統的結構設計；B型貨艙經過特殊設計確保其應力、疲勞和裂紋特性；C型貨艙按壓容器標準的設計）、內部絕熱液貨艙。

獨立IMO A型貨物圍護系統演變過程

圖3 IGC對液化氣體船貨物圍護系統分類

圖4 1970年代后期El Paso項目的CONCH棱柱貨艙在Avondale船廠整體吊裝

圖5 LNT-A型貨艙結構

1959年的Methane Pioneer號驗證了LNG海運技術的可行性。其貨艙技術為CONCH型A型貨艙。船上安裝了5個鋁合金棱柱形貨艙，0.3米厚的液體密封的巴爾沙輕木板敷設在船殼內板上作為熱絕緣。然而，巴爾沙輕木造價過于昂貴，經濟上不劃算。

1962年建造的Methane Princess號和Methane Progress號從阿爾及利亞向英國運輸進口的LNG。其貨艙基本延續了CONCH 公司在Methane Pioneer 號上采用的貨艙技術。

1970年代后期，CONCH公司在El Paso項目三艘12.5萬方LNG船上對巴爾沙輕木絕緣進行了改進。用噴涂PUF泡沫層加玻璃纖維替代了昂貴的巴爾沙輕木絕緣。然而氣試過程中發現噴涂在船體內甲板上的PUF泡沫絕緣發生廣泛的破裂跟分層現象。最終該項技術改進措施被證明是失敗的。

2015年,挪威LNGN ew Technologies公司開發新型LNG船用液貨罐系統A型罐獲得船級社認證和全球國際專利。

在結構上，LNT-A BOX貨物圍護系統技術與早期的CONCH型液貨艙同屬IMO A型液貨艙。早期的A型貨艙技術應用在大型LPG運輸船（VLGC）上。LNT-A型液貨艙可以用在LNG和LPG運輸船上。

新型LNT-A Box貨物圍護系統

近幾十年大型LNG運輸船市場逐漸被法國GTT公司的薄膜型貨物圍護系統所壟斷。采用薄膜型貨物圍護系統技術的韓國、中國船廠需要向專利方支付大量的專利費用。因此，包括韓國、中國在內的許多船廠、科研機構都在尋找薄膜型專利技術的替代方案。LNT-A Box新型液貨艙技術就是其中新發展的技術方案之一。

LNTA-BOX是由LNT Marine公司開發的新型貨物圍護系統技術，屬于IMO A型液貨艙。該技術發展自數十年來在LPG船上廣泛使用的A型獨立貨艙技術，采用堅固的自支撐式棱柱形貨艙，配置有專門設計的次層絕緣及次層屏蔽。該液貨艙放置在隔熱貨艙之中，隔熱的熱絕緣表面覆蓋有完整的次層屏蔽。該技術原理簡單，可以較低的門檻使更多造船廠掌握LNG船建造技術。

新型LNT-A 貨艙結構特點

圖6 LNT-A型貨艙絕緣

圖7 LNT-A型貨艙絕緣導熱性與薄膜型貨艙絕緣導熱性對比（數據來源：LNT Marine）

LNT-A 型貨艙屬于IMO A型獨立貨艙。貨艙主屏蔽為內部加強的自支撐棱柱形結構，材質可以是304 不銹鋼、9%鎳鋼或者鋁合金。貨艙最大允許設計壓力為0.7 barg。貨艙按照傳統的船體結構設計，主屏蔽材料不是抗裂紋擴展的，建造成本低。貨艙內部有縱向制蕩艙壁，貨艙裝載高度不受限制。船體內甲板敷設PUF 泡沫板熱絕緣。絕緣層表面覆蓋完整的液體密封次層屏蔽。主次層屏蔽之間的空間叫做屏蔽間空隙IBS（Inter-Barrier Space）,此區域平時充注惰性氣體，以防止在主層屏蔽LNG 泄漏時產生爆炸風險以及保持干燥。在必要時人員可以進入該區域進行檢查維修工作。貨艙支撐系統由垂直方向基座、縱向限位基座、防止橫搖基座以及止浮裝置組成。基座上設置層壓木既保證熱絕緣又能保證支撐強度。此外，A 型貨艙對船體線型適應性好，船體內部空間利用率高，能夠裝載更多液貨。

LNT-A 貨艙絕緣特點

LNT-A型貨艙的聚氨酯絕緣板敷設在船體內甲板上，分暖板和冷板兩層。暖板直接安裝在船體內甲板，冷板在暖板上面面對低溫貨艙。冷板外表面覆蓋有一層完整的次層屏蔽層CAC（Cloth-Aluminum Cloth）。CAC次 層 屏蔽由兩層玻璃絲布中間夾一層鋁箔構成，具有液體密封效果。一旦貨艙主層屏蔽意外破損失效產生泄漏時，按照IGC code要求，可以允許15天的泄漏LNG存留，對船體鋼板形成保護。絕緣由安裝有雙頭螺栓的PUF面板組成。面板之間的緩沖接縫膠帶吸收了貨艙與絕緣層之間由于貨艙熱脹冷縮而產生的相對運動。膨脹聚苯乙烯(EPS)墊板在必要時用于補償暖板和船體下面的膠合板之間的間隙。冷暖絕緣板均在車間預制成1200mm×1200mm×175mm的 絕緣板，現場安裝可以單人操作，安裝方便。錨固雙頭螺栓從每個絕緣板中心穿過，將絕緣板固定在船體內甲板上，對船體內板平整度要求不高，可以節省平整度校正工時。冷暖絕緣板因為不必承受液貨的動態和靜態負荷，密度可以做得很低，因而材料簡單價格低廉。同時，更容易通過絕緣層的厚度來控制貨艙BOR。

相對比于薄膜型液貨艙的熱絕緣，LNT-A貨艙絕緣的密度可以做到40kg/cm3，而薄膜型絕緣因為需要照顧到來自液貨的應力必須做到140kg/cm3（MARK III型）。因此，LNT-A型貨艙絕緣層重量輕，其成本比薄膜型更低，也更容易控制貨艙BOR。

LNT-A 貨艙與傳統全冷式LPG船A型貨艙區別

根據IGC CODE，獨立A型艙的次層屏蔽必須是完整的。在液貨艙主層屏蔽破損失效時，次層屏蔽必須能夠直接容納低溫液貨。

對于全冷式LPG運輸船，以液貨艙外圍的船體內甲板作為完整的次層屏蔽（液貨溫度在–55℃攝氏以上）。因此，次層屏蔽在主層屏蔽破損失效后，處于液貨低溫設計溫度。同時，IGC規定次層屏蔽設計時還必須考慮30°的橫傾角時的狀態。所以船體的次層屏蔽結構由能夠承受低溫的特殊鋼制成。在LNT-A型貨艙技術中，完整的次層屏蔽是敷設在熱絕緣層向船內方向的表面，具有液體密封效果。在貨艙主層屏蔽失效泄漏情況下，該液體密封的次層屏蔽（CAC）能夠有效容納15天LNG的泄漏量。

現代全冷式LPG船的貨艙絕緣均是噴涂在液貨艙外表面的PUF泡沫絕緣，絕緣表面噴涂一層保護涂層，提供機械防護和防水保護。船體內甲板沒有絕緣。而LNT-A型貨艙絕緣直接敷設在船體內甲板表面，采用預制PUF泡沫絕緣板的形式安裝。絕緣表面覆蓋CAC作為完整的次層屏蔽。液貨艙主層屏蔽外表面不敷設任何絕緣，便于今后的故障檢查和維修保養。

圖8 LNT-A型貨艙與全冷式LPG船貨艙對比

LNT-A 貨艙與SPB型貨艙區別

根據IGC Code，SPB型貨艙結構屬于IMO獨立B型。SPB型貨艙是需要經過模型試驗，進行嚴密的船舶運動分析，液艙和船體的FEM（有限元方法）分析，疲勞分析和裂紋擴展分析。而LNT-A型貨艙結構，只需要按照常規的船體進行設計，因而具有設計簡單、成本低廉的特點。

SPB型貨艙需要設置部分次屏蔽。SPB型液貨艙主屏蔽層外面的船體結構沒有能力直接接觸低溫LNG液貨。因此其貨艙底部必須設置防滴盤，且在貨艙破損失效的情況下能夠承接15天的LNG泄漏量。SPB型液艙的隔熱絕緣直接敷設在主層屏蔽液貨艙結構的外表面。而LNT-A型貨艙外表面是裸露的（方便對液貨艙進行檢查），隔熱絕緣則敷設在船體內甲板上。

圖9 LNT-A型貨艙與SPB型貨艙對比

采用LNT-A型艙技術首制LNG船SAGA DAWN情況

2019年6月16日，江蘇招商局重工船廠為新加坡船東Saga LNG Shipping建造的首艘45000立方米LNG運輸船SAGA DAWN成功完成氣體試航。該船是世界首艘采用LNT A-BOX專利貨物圍護系統的IMO A型LNG船，由挪威LNT Marine 公司（LNT）設計。該型LNG船舶具船體艙容利用率高以及船體線型設計合理的特點，特別適用于LNG區域性運輸和沿海LNG運輸，也可用于裝載LPG、乙烯、乙烷等貨種。LNT Marine公司在招商局重工（江蘇）船廠建造的LNG船Saga Dawn成功完成氣體試航并交付使用。2020年4月29日，該船從新加坡LNG接收站裝載45000方LNG運輸到廣東東莞九豐碼頭交付，成功完成首航。目前該船服務于東南亞至廣東之間的航線，為廣東九豐運輸進口LNG，執行為期一年的期租合約。

圖10 LNT Marine的Saga Dawn氣體試航

LNT-A 貨艙用在LNG燃料儲罐上的前景

在應對船舶大氣排放控制的大形勢下，LNG作為船用燃料已然成為一個主要技術措施。相應地，對LNG在船上存儲的要求成為一個挑戰——在有限的LNG儲罐安裝空間內既要求有高的存儲量，又要求有高的可靠性和低的建造維護成本。根據LNT-A Box液貨艙技術在這方面因其獨特的特點，LNT Marine成功開發出船用帶有2barg壓力的LNG燃料艙系統（LNT Fuel-Box），成為解決這種需求的一個有效的解決方案。對于需要大容量的LNG儲罐且船體內空間有限的雙燃料船，例如大型集裝箱船、大型礦砂船（VLOC）和豪華游輪等特別適合采用LNT Fuel-Box技術。在相同的安裝空間內，LNT-A Box型儲罐相比C型壓力式儲罐，其LNG儲存容積可提高25%～50%。