15 000 t雙燃料化學品船配套LNG燃料罐研制

許佳慧，陳來生，樊 杰，周小翔，楊 陽

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

國際海事組織(IMO)對船舶污染物排放的要求越來越嚴格，自2020年1月1日起，規定全球所有船舶使用硫含量不超過0.5%的燃料。由此，船舶業主和運營商必須采取有效措施，應對日益嚴格的污染物排放要求，使用具有較好經濟效益的清潔能源LNG代替傳統燃料油是行之有效的方法之一，因此LNG燃料動力船近年來的發展十分迅速。

為契合世界船舶低能耗、高環保的發展趨勢，某船舶公司為瑞典船東建造的15 000 t雙燃料化學品船配套兩臺315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐作為發動機燃料的儲存裝備，排放滿足國際海事組織Tier Ⅲ的排放要求。我司負責研制配套的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐，本文介紹了315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的結構特點、技術參數、關鍵結構設計和有限元計算，其設計制造滿足IGF規則[1]和BV船級社入級規范[2]。

1 燃料罐的結構特點

本文研制的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐為C型獨立燃料艙，由內容器、外容器、保溫材料、支撐構件、防波板、工藝管道、氣包、鞍座和氣罐連接處所等組成，其主要結構如圖1所示。

圖1 LNG燃料罐的主要結構示意圖

內容器用于儲存低溫LNG，主要承受儲存介質所產生的壓力、重力載荷和動力加速度載荷等。內、外容器的夾層空間填充保溫材料，且為真空狀態，降低內容器與外容器之間的熱量傳輸，內、外容器之間的支撐構件(一端固定，一端滑動)強度高、導熱率低，從而實現對內容器的保冷及保護。為了減小燃料罐內裝載介質晃動對罐體產生的沖擊載荷，在內容器內部設置了防波板結構，這也是燃料罐與固定式真空絕熱儲罐相比結構設計上的特殊之處。防波板的數量及位置設定應能夠避免燃料罐與船舶發生諧蕩，強度設計應能夠承受晃蕩動壓力載荷[3]。本文通過共振風險評估計算，得出應設置兩塊防波板的結論。有限元分析計算表明，其強度設計能夠承受晃蕩動壓力載荷。防波板設計滿足IGF規則和BV船級社入級規范的要求。

工藝管道根據實際使用要求，設置頂部充裝、底部充裝、底部出液、安全放散、溢流、BOG出口、泵回流、溫度傳感器套管、液位計氣相和液位計液相等功能管道。頂部充裝和底部充裝管用于對燃料罐加液。頂部充裝管設計為多孔噴淋結構，保證燃料罐預冷時LNG均勻進入，讓內容器充分預冷。底部出液管向泵池供液，LNG經過機械增壓進入氣化器，加熱氣化后為船舶提供動力。安全放散管保證當罐內氣相空間壓力超過安全設定壓力時，對燃料罐進行放空保護。溢流管用于防止燃料罐過量充裝。BOG出口和泵回流管保證燃料罐和泵池內壓力平衡。溫度傳感器套管內部設置溫度傳感器，探測燃料罐內部溫度。液位計氣、液相管用于監測燃料罐內的壓力和液位。

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，將對船員、船舶和環境的風險降至最低。氣罐連接處所與外容器連接，其內部布置供氣系統的設備、閥件、管件和管路附件等。頂部設置有負壓機械通風系統，用于將泄漏的氣體引至安全區域進行集中排放，保證船員、船舶和環境的安全。

2 燃料罐的技術參數

315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的設計制造基于IGF規則 、BV船級社入級規范和ASME鍋爐及壓力容器規范。燃料罐幾何容器315 m3，設計蒸汽壓力0.7 MPa，內容器直徑4.1 m，外容器直徑4.7 m，總長度約28 m，主要技術參數如表1所示。

表1 LNG燃料罐的主要技術參數

續表1

船舶在運行過程中長期處于晃蕩狀態，內容器承受的內壓需要特別考慮內部液體壓力。內部液體壓力是指由于船舶運動所引起的液化氣燃料重心加速度產生的壓力。該燃料罐位于船舶甲板上，外容器承受的外壓需要特別考慮上浪載荷。這是燃料罐與固定式真空絕熱儲罐相比需要特別考慮的載荷。

3 燃料罐的關鍵結構設計

3.1 底部出液管

船舶的燃料供給過程為通過燃料罐的底部出液管向泵池供液，進入泵池的LNG經過機械增壓進入汽化器，LNG經汽化器加熱氣化進入發動機。所以底部出液管的結構是燃料罐的關鍵結構之一，也是船東的重點關注點。底部出液管的傳統結構設計如圖2所示，泵的入口高度高于燃料罐的最低液位，泵的運行過程中經常會出現氣蝕現象，影響船舶的動力供給。本文設計的底部出液管的結構如圖3所示，泵的入口高度低于燃料罐的最低液位，能夠實現燃料自流、持續供液，有效解決了泵的氣蝕問題，保證船舶運行的穩定性。底部出液管的外部為氣包結構，氣包與外容器焊接，氣包里面抽真空，填充保溫材料，與外容器一起對內容器及內部工藝管道形成次屏蔽保護。

圖2 底部出液管的傳統結構設計示意圖

圖3 底部出液管的新結構設計示意圖

3.2 氣罐連接處所

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，使船員、船舶和環境的風險降至最低。LNG供氣系統布置于氣罐連接處所內部。本文設計的燃料罐氣罐連接處所的結構如圖4所示。兩臺燃料罐的氣罐連接處所對稱布置。氣罐連接處所與外容器之間通過一段圓筒過渡連接，主體部分由1/4圓形壁和3/4方形壁組成。

圖4 氣罐連接處所的結構示意圖

不同構件相連接處由于位移的不連續，產生邊緣應力，外容器與氣罐連接處所相連接處即存在此邊緣應力，利用圓柱形容器受力均勻，應力小的優勢，通過在氣罐連接處所與外容器連接處設置一段圓柱形過渡筒節，降低應力，提高設備承壓能力。

設計1/4圓形壁和3/4方形壁的組合形狀，是基于提高氣罐連接處所的承壓能力和增大氣罐連接處所的空間的綜合考慮。為提高傳統的方形結構氣罐連接處所的承壓能力，可采用圓形結構設計，因為圓形結構受力均勻，而且相同壁厚時，應力比方形結構較小，但是圓形結構與方形結構相比空間較小。當船上空間有限時，特別是小型船舶，氣罐連接處所長度常常受到限制，而燃料罐的供氣系統復雜，需要的空間較大，所以需要在同等長度的情況下增大氣罐連接處所空間。本文采用1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結構設計，既能改善傳統的方形結構氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。

4 燃料罐的有限元計算

基于ANSYS軟件對燃料罐的主要結構進行了靜強度和疲勞強度的有限元分析計算和評定，為燃料罐的長期安全使用提供重要依據。

4.1 罐體的有限元計算

罐體的有限元計算模型包括內容器主體結構、外容器主體結構、支撐結構和鞍座主體結構等。有限元計算采用360°幾何模型，罐體的主體結構采用三維實體單元模擬，共有981 492個三維八節點實體單元(SOLID185)。內、外容器之間的支撐結構采用面與面接觸單元模擬，共有47 564個面與面接觸單元(TARGE170，CONTA174)。

靜強度計算結果表明，內容器主體結構最大的峰值應力為201.4 MPa，評定合格，應力云圖如圖5所示。外容器與鞍座連接位置最大的峰值應力為292.6 MPa，滿足IGF規則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規定，評定合格，應力云圖如圖6所示。

圖5 內容器主體結構應力云圖

圖6 外容器與鞍座連接位置應力云圖

儲罐設計使用壽命為25 a，其中使用時間85%，按此計算疲勞破壞時的應力循環次數。疲勞強度計算結果及評定如表2所示，符合IGF規則對疲勞載荷累積效應的規定。

表2 疲勞強度計算結果及評定

4.2 氣罐連接處所的有限元計算

氣罐連接處所的有限元計算模型包括外容器主體結構、鞍座、氣包和氣罐連接處所等。有限元計算采用360°幾何模型，主要采用板殼單元和三維實體單元模擬，共有212 951個板殼單元(SHELL181)和699 542個三維八節點實體單元(SOLID185)。

靜強度計算結果表明，氣罐連接處所最大的峰值應力為290.3 MPa，滿足IGF規則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規定，評定合格，應力云圖如圖7所示。疲勞累積損傷率Cw=0.1247≤0.5，符合IGF規則對疲勞載荷累積效應的規定。

圖7 氣罐連接處所應力云圖

4.3 氣包結構的有限元計算

為了驗證氣包結構的強度滿足IGF規則和BV船級社入級規范的要求，對氣包結構進行了局部有限元分析計算。氣包的有限元計算模型包括外容器主體結構、鞍座、氣包和底部出液管管口結構。主要采用三維八節點實體單元(SOLID185)模擬。最大峰值應力為173.98 MPa，評定合格，應力云圖如圖8所示。

圖8 氣包結構應力云圖

5 結 論

本文研制的燃料罐，其底部出液管采用了特殊結構設計，能夠實現LNG燃料自流、持續供液，從而有效解決泵的氣蝕問題，保證船舶運行的穩定性。氣罐連接處所采用了1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結構設計，既能提高傳統方形結構氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。對燃料罐進行了靜強度和疲勞強度的有限元分析計算，為其長期安全使用提供重要依據。

當前，隨著國際海事組織對船舶污染物排放要求越來越嚴格，以清潔能源LNG作為船舶動力燃料已是船舶業主和運營商的主要選擇。本文研制的船用LNG燃料罐滿足IGF規則和BV船級社入級規范，為船舶儲存清潔動力燃料，助力全球綠色航運發展。