新IGC規(guī)則下液罐鞍座強(qiáng)度衡準(zhǔn)研究

劉文華,戴志遠(yuǎn)

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203;2.浙江省海洋開(kāi)發(fā)研究院,浙江 舟山 316021)

0 引言

獨(dú)立液罐在中小型LNG運(yùn)輸船、LNG加注船、LPG船等氣體運(yùn)輸船中為主流配置。液罐與船體間的連接通過(guò)鞍座或墊塊等支撐構(gòu)件實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞及保冷隔熱。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也進(jìn)行過(guò)分析[1]。《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(2016)(下文簡(jiǎn)稱“新《IGC規(guī)則》”)重新改寫(xiě)支撐構(gòu)件要求,調(diào)整了工況描述,刪除了許用應(yīng)力的描述[2]。各船級(jí)社由此也有了不同的補(bǔ)充規(guī)定。有的船級(jí)社對(duì)于A型和C型獨(dú)立艙的支撐構(gòu)件在靜橫傾工況下許用應(yīng)力描述不同,由此造成設(shè)計(jì)者的困擾。

本文根據(jù)20 000 m3LNG運(yùn)輸加注船[3]的實(shí)船經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了各主要船級(jí)社在艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中液罐支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力,并推薦了最合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

1 美國(guó)船級(jí)社指南要求

美國(guó)船級(jí)社(ABS)指南[4]第4節(jié)第3條指出,支撐構(gòu)件和墊塊的事故工況為碰撞、靜橫傾30°和破艙進(jìn)水。其指南第6節(jié)第5.11條給出支撐構(gòu)件和墊塊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三維有限元分析中,一般采用縱骨間距模型。本文為便于比較分析,給出普通鋼、H32高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度為315 MPa)和H36高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度為355 MPa)3種材料在事故工況和靜橫傾30°工況下的許用應(yīng)力,見(jiàn)表1。ABS船級(jí)社對(duì)液罐、船體和支撐構(gòu)件的強(qiáng)度要求一直以來(lái)都是很明確的,從未變動(dòng)。

表1 ABS支撐構(gòu)件和墊塊許用應(yīng)力 單位:MPa

2 法國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求

法國(guó)船級(jí)社(BV)規(guī)范[5]D部分第9章第4節(jié)第8小節(jié)給出了支撐構(gòu)件的規(guī)范要求,該小節(jié)包含了A型艙和C型艙墊塊。對(duì)于A型艙的防橫搖墊塊,第8.3.5條明確指出常規(guī)靜橫傾工況下許用應(yīng)力為235/kMPa,其中k為材料系數(shù);事故工況下許用應(yīng)力與靜橫傾工況相同,常規(guī)工況下許用應(yīng)力為230/kMPa。對(duì)于C型艙,靜橫傾工況下支撐構(gòu)件許用應(yīng)力未給出,事故工況參考了A型艙。表2給出了網(wǎng)格為普通肋骨間距時(shí),不同材料下支撐構(gòu)件的許用應(yīng)力。

表2 BV支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

3 中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求

中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范[6]在第2篇第A4章附錄1的第4.3.6條明確了有限元分析對(duì)A型艙的工況要求,靜橫傾獨(dú)立艙及支撐構(gòu)件的強(qiáng)度校核分為工況6和工況7。許用應(yīng)力值在第4.5.1條給出。需要指出的是,CCS在此處明確了支撐構(gòu)件與液艙的許用應(yīng)力是相同的,這點(diǎn)比較保守。破艙和碰撞工況許用應(yīng)力可以放大1.1倍。

在附錄2的第4.3.6條中明確了艙段有限元分析對(duì)C型艙的工況要求,靜橫傾船體強(qiáng)度校核分為工況6和工況7。船體許用應(yīng)力為235/kMPa。

C型獨(dú)立液貨艙鞍座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在附錄第4.6小節(jié)給出,明確可采用簡(jiǎn)化的“鞍座/支撐構(gòu)件+相鄰船體結(jié)構(gòu)”的三維局部模型。第4.7.1條指出靜橫傾工況為承載極限狀態(tài)(ULS)。第4.8.1條明確給出了許用應(yīng)力為220/kMPa。不同材料許用應(yīng)力匯總見(jiàn)表3。從表中可以看出,A型艙墊塊在靜橫傾工況的許用應(yīng)力較C型艙低。

表3 CCS支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

4 挪威與德國(guó)船級(jí)社指南要求

在挪威船級(jí)社(DNV)和德國(guó)船級(jí)社(GL)合并前,DNV液化氣船獨(dú)立A型艙指南[7]第4節(jié)明確靜橫傾工況為靜態(tài)分析工況(S);指南表格4明確支撐構(gòu)件許用應(yīng)力為215/kMPa(不考慮船體梁載荷)或225/kMPa(考慮船體梁載荷),事故工況則為225/kMPa(不考慮船體梁載荷)或235/kMPa(考慮船體梁載荷)。

合并后的DNV·GL開(kāi)始了規(guī)范的統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作,然后分別出版了液化氣船獨(dú)立A型艙和C型艙的指南。

對(duì)于獨(dú)立A型艙,指南[8]第4節(jié)第3.4條明確指出靜橫傾工況LC8和LC9為事故工況,支撐構(gòu)件許用應(yīng)力與碰撞和止浮工況相同,均為235/kMPa。

對(duì)于獨(dú)立C型艙,指南[9]第3節(jié)第3.3條明確指出靜橫傾工況LC4和LC5為靜態(tài)工況,許用應(yīng)力為0.72×235/kMPa。

不同材料許用應(yīng)力匯總,見(jiàn)表4。

表4 DNV·GL支撐構(gòu)件許用應(yīng)力 單位:MPa

A型艙和C型艙都為獨(dú)立艙。同一個(gè)船級(jí)社,對(duì)靜橫傾工況分類(lèi)差異明顯,許用應(yīng)力有較大差距,這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)困惑。通過(guò)比較A型艙的許用應(yīng)力,可以看出DNV·GL新規(guī)范在靜橫傾工況中明確考慮了船體梁載荷,許用應(yīng)力也是一脈相承。C型艙的描述與船級(jí)社溝通后,獨(dú)立C型艙指南[10]在2020年迎來(lái)修改,將靜橫傾工況歸類(lèi)為事故工況,許用應(yīng)力直接提高到材料的屈服強(qiáng)度,有利于輕量化設(shè)計(jì)。

5 日本船級(jí)社指南要求

日本船級(jí)社(NK)指南[11]在第3節(jié)指出了靜橫傾工況下校核液艙和支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,指南表3.2給出了工況中載荷的成分,表3.5給出了工況的標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)T9。但是在第7節(jié)屈服評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中,僅給出了船體和液艙的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),明確指出支撐構(gòu)件不適用該評(píng)價(jià)體系。

在指南第10節(jié)指出:支撐構(gòu)件單獨(dú)用細(xì)化網(wǎng)格模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

總體看,NK船級(jí)社的指南僅給出工況卻沒(méi)有明確許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。

6 實(shí)船分析

以目前全球最大的20 000 m3LNG運(yùn)輸加注船為例,根據(jù)DNV·GL對(duì)C型獨(dú)立艙指南的要求,進(jìn)行了艙段模型分析。艙段模型見(jiàn)圖1,液貨艙模型見(jiàn)圖2,鞍座模型見(jiàn)圖3。有限元分析重點(diǎn)在于鞍座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。鞍座中心開(kāi)孔處在靜橫傾工況下應(yīng)力為285 MPa,見(jiàn)圖4。

圖1 艙段模型

圖2 液罐模型

圖3 鞍座模型

圖4 鞍座靜橫傾工況下相當(dāng)應(yīng)力云圖(粗網(wǎng)格)

根據(jù)表4可知,鞍座材料為H36時(shí),許用應(yīng)力為235 MPa,鞍座開(kāi)孔處強(qiáng)度不滿足要求。為此,需要進(jìn)行細(xì)化分析,進(jìn)一步研究應(yīng)力分布情況。圖5給出了細(xì)化后的相當(dāng)應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力為223 MPa,結(jié)果滿足規(guī)范要求。分析原因,一方面是構(gòu)件在粗網(wǎng)格下存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,另一方面則是由于靜橫傾工況,此處位置承受載荷較大。

圖5 鞍座靜橫傾工況下相當(dāng)應(yīng)力云圖(細(xì)化網(wǎng)格)

從計(jì)算結(jié)果看,如果指南將靜橫傾工況歸類(lèi)于事故工況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)表4,則許用應(yīng)力為326 MPa,鞍座在粗網(wǎng)格模型下就能滿足要求,無(wú)需進(jìn)行細(xì)化分析,減少了設(shè)計(jì)人員工作量。

7 結(jié)論

實(shí)船計(jì)算表明,20 000 m3LNG運(yùn)輸加注船鞍座區(qū)域受力較大,在靜態(tài)衡準(zhǔn)下不能滿足規(guī)范要求,DNV·GL船級(jí)社建議增加板厚,或建立細(xì)化模型,通過(guò)細(xì)化分析考慮加強(qiáng)方案。本船實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明,靜態(tài)衡準(zhǔn)不適合,需要調(diào)整為動(dòng)態(tài)衡準(zhǔn),歸類(lèi)為事故工況。通過(guò)比較其他船級(jí)社相關(guān)要求,以及本船計(jì)算結(jié)果,DNV·GL船級(jí)社對(duì)其指南進(jìn)行了修訂,橫傾30°工況歸類(lèi)為事故工況。這樣通過(guò)提高鞍座許用應(yīng)力,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,充分發(fā)揮了材料的性能,有利于船舶輕量化設(shè)計(jì)。

目前,針對(duì)此類(lèi)工況,各船級(jí)社還沒(méi)有統(tǒng)一指南建議,為此希望各船級(jí)社對(duì)規(guī)范或指南進(jìn)行完善統(tǒng)一,從而避免設(shè)計(jì)人員、船東與審圖人員對(duì)規(guī)范理解的差異,導(dǎo)致設(shè)計(jì)延誤。