7 000車雙燃料汽車滾裝船LNG燃料艙布置設計

郭歌,王榮威,王強生,盧俊霖,武文杰,楊卓懿

(1.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200;2.山東交通學院 船舶與港口工程學院,山東 威海 264200)

汽車滾裝船(pure car&truck carrier,PCTC)建造技術較為成熟。2022年某造船公司為新加坡船東設計建造的7 000車雙燃料PCTC開工。該船為超巴拿馬型PCTC,采用LNG燃料驅動,可使用清潔能源[1]。由于要在車輛艙間布置存儲LNG氣體燃料罐,使該區域結構變得更加復雜,為此,根據LNG燃料艙展開設計分析。

1 船舶概況

7 000車雙燃料PCTC共設15層甲板,其中4層為活動甲板,各層甲板通過固定/活動坡道連接,裝載高效靈活。LNG艙在4甲板下,前后布置2個巨型LNG存儲罐基座承載LNG罐體。

該船主要參數:總長199.90 m,垂線間長195.60 m;型寬38.00 m;型深15.50 m;設計吃水8.60 m;載重量70 450 t;最大航速19.5 kn;入級DNV。

目前汽車滾裝船強橫梁和強肋骨的連接有剛性設計和柔性設計[2]。該7 000車PCTC裝車甲板12層,因型深大,導致重心高、迎風面積大。為降低重心,同時為追求最大甲板層高,需要壓縮甲板橫梁和縱桁的高度,這會導致其剛度大幅削弱。為提高剛度和解決不占用車道,干舷甲板以上采用不設置半艙壁的半剛性設計,通過加大肋骨,均勻提高強框橫向強度抗擊撓曲變形,由此替代半艙壁。干舷甲板以下結構采用傳統剛性設計,同時干舷甲板下的水密艙壁加強了該區域剛度。

在艙室的布置中,甲板強橫梁與縱桁的尺寸,會受到甲板間凈高限制。為減少強橫梁及縱桁的跨距以減少甲板變形,在貨艙內設置1～2排支柱,承受來自各層甲板的集中載荷。為應對支柱上、下端支點附件甲板架構出現高應力,將其布置在結構十字交叉點。同時支柱也不能影響活動甲板、升降平臺,以及斜坡道開口位置。

2 LNG燃料艙艙室布置分析

2.1 布置方案

根據不同的設計方式和標準,獨立氣罐分3類:A、B、C型,組成非船體結構的構成部分,呈自持式[3]。該船采用C型獨立LNG液罐,目前這類型液罐設計制造技術成熟,具有艙內耐壓能力強、裝置簡單和造價低等優點。

C型LNG燃料艙布置是設計的難點,基于燃料艙及雙燃料特點,對其布置進行綜合考慮。基于PCTC型深大,重心高、迎風面積大,將罐體布置在4甲板以下、以降低其重心,提高穩性;機艙前壁FR55之前,向艏止于車輛艙FR115,設計獨立存儲LNG罐體的艙室結構[4]。

2.2 結構設計

獨立液貨艙結構通過支撐結構與主船體結構連接,不參與船體總縱強度,不承受主船體上的載荷。

對邊艙、舷側、雙層底采用縱骨架式結構,雙層底船體縱骨間距不超過肋骨標準間距,縱向結構向艏艉延伸,肋板每隔三檔間距設置,以保證其強度。雙層底即要滿足干散貨船的基本要求,又要滿足液罐鞍座布置強度要求,因此縱桁結構根據燃料艙室結構進行加強處理。

由于LNG罐體結構通過相關構件固定連接至船體,所以液罐對船體強度不起作用。同時液罐艙室凸出與船體多層甲板,向艏終止與燃料艙前壁FR115,形成獨立艙室,船體總縱強度有所削弱。所以艙室內部采用平面板架結構形式,通過縱骨和縱橫艙壁來保證其強度和剛度。

3 LNG燃料罐鞍座布置及設計

鞍座在LNG燃料艙中主要作用是支撐LNG罐體,以及防止罐體移動或轉動。由于鞍座是專門為LNG燃料罐而設置的基座,需按照不同類型的液罐設計[5]。該船采用C型液罐,所以鞍座及關聯結構是基于C型罐體設計。LNG燃料艙及鞍座結構見圖1。

圖1 LNG燃料艙及鞍座結構

3.1 LNG罐體鞍座布置

由于車輛上下通行及右舷布置雙向坡道,所以LNG燃料罐沿船長方向不對稱并列布置,鞍座在FR67、FR103布置兩檔,支撐LNG罐體。由于裝載液化天然氣會產生熱脹冷縮變形,所以設置固定鞍座和滑動鞍座。該船一部分鞍座與內底板結構相連接,另一部分與縱艙壁相連接,成為燃料艙結構組成部分。因為鞍座是用于安裝固定LNG罐體,所以需要保證其在船舶橫搖或縱搖時的穩定。

由于液罐承受縱向和徑向載荷分布,鞍座的結構應具有足夠的強度和剛度,所以有縱向和徑向支撐構件支撐罐體和防止其移動及轉動。為有效阻隔熱傳導,鞍座與罐體之間有壓木連接,層壓木的上下分別使用填充料將其固定在鞍座面板和筒體鋼板上。橫向構件由肋板和面板組成,徑向構件由縱隔板等構件組成。雙燃料滾裝船LNG燃料罐鞍座結構與安裝見圖2。

圖2 兩型雙燃料滾裝船LNG燃料罐鞍座示意

3.2 鞍座載荷分布特點及設計應對

鞍座承受的載荷主要有貨物載荷、船舶運動載荷、結構自重、海水壓力、LNG罐體及液體碰撞工況下動載荷及破艙工況下LNG罐體承受的浮力等。由于鞍座受力復雜,合理地根據受力情況設計鞍座及布置是設計關鍵。

1)縱向載荷布置。船舶縱搖或碰撞工況下,因存在層壓木和鞍座面板之間的摩擦力,縱向動載荷由鞍座面板、面板鍵板及鍵板肘板承擔。設計時,考慮縱向動載荷由固定鞍座的鍵板和鍵板肘板承擔,使縱向載荷在鞍座包角范圍內均勻分布。

2)徑向載荷分布。鞍座承受的LNG液罐載荷成正弦(余弦)函數分布,因此液罐與層壓木之間通過填充料粘合,并且需設置止搖裝置。同時需在徑向載荷分布關聯位置進行補強。

3.3 鞍座設計

該船采用C型LNG罐體,呈單圓桶形,因此鞍座面板設計為圓弧形。根據工況設計,假設船舶橫搖達30°時仍需要有效支撐,因此鞍座端罐體支撐范圍取圓周角150°,根據徑向分布特點,鞍座肘板以罐體圓心呈發散布置。在船體橫搖時,橫搖產生的周向載荷由鞍座面板中心的止搖構件承受。此外罐體左右兩側需要設置止浮裝置,以保證燃料艙破艙時,避免空燃料罐受海水浮力引起的向上載荷[6]。止浮裝置層壓木與鞍座支撐結構之間需要留一定間隙,以保證止浮裝置與支撐結構不接觸,當破艙進水時受浮力作用罐體上浮,罐體支撐構件與止浮裝置接觸嚙合發揮作用。

3.4 鞍座周圍船體結構補強

鞍座周邊的船體結構,除了需要按照規范單獨進行強度校核外,還應該考慮鞍座在燃料罐作用下對附近船體結構的影響[7]。設計時,對雙層底及燃料艙強肋骨貫穿孔增加水密補板,最終通過有限元模型計算驗證其強度。

4 分段劃分方案

最初分段劃分時,將鞍座與LNG罐體相關部分獨立出來分別設置編號,總組安裝,但是綜合考慮到分段的建造方式、擴大先行、精度要求等,最終將鞍座與分段合并一體化設計建造。

5 船體生產設計

5.1 船體建模

設計軟件采用AVEVA Marine(AM),A M船體用戶主要工作就是創建船體模型,AM系統的核心也就是產品模型數據庫[8]。各種船體圖紙、下料信息是創建船體模型后的副產品。由于船體建模是設計的基礎,也是其他專業設計背景,需做到“模型準確,關系清晰,語句簡練,檢查方便”。

1)LNG燃料艙結構建模。根據船體分段劃分所在象限創建船體外板、內底板、肋板等組成分段單元。利用AM系統中的Hull Basic建立船體和定義的規定,在Hull Fairing船體曲線并光順,得到外板曲面;在Hull Crured Modelling建立外板、縱骨等;在Hull Planar Modelling建立全船所有的平面板架和型材,其中包括工藝信息。LNG燃料罐及船體艙室3D模型見圖3。

圖3 LNG燃料罐及船體艙室3D模型

2)LNG燃料液罐鞍座建模。鞍座分段上的加強板數量多,工作量大和繁瑣,通過觀察比較,有規律可循。如通過拷貝板架,計算空間點,修改新的3點坐標,運用Fillet Cure創建曲線,實現板架移動,提高了速度和準確度。如圖4所示首先通過3點坐標確定一個面,其次改變所在剖面1～2拓撲點,曲線CUR引用拓撲點改變邊界,運用語句快速建模。鞍座肘板建模示意于圖4。

圖4 鞍座組合肘板建模

5.2 分段工作圖設計

進行船體生產設計,用AM系統中的Hull Planar Modeling從船體模型中提取剖面信息,同時加上場地設備能力以及外專業委托的開孔、加強等信息內容。船體建模后,根據詳設、分段劃分等,用AM中Draftting設繪工作圖。

5.3 船體分段工作圖組立詳細裝配程序設計

分段組立劃分是以分段劃分為基礎,建立每一個分段從小組立、中組立、大組立三個階段所有零件、部件、組件裝配關系和先后順序[9]。設計的組立順序應與生產流程一致,并適應造船公司設施、場地布置等。從零件切割到組立成型,預舾裝等,都需綜合考慮。DAP設計策劃見表1。

表1 DAP設計策劃

對于燃料艙詳細裝配程序(detail aseembly procedure, DAP)設計方法,分析LNG艙室結構特點,然后進行拆分。對分段中組分解拆分見表2。

表2 分段中組立分解

其大型中組立階段階段是以內底板為基面反造,形成大型中組立雙層底,后與曲面中組立大組,再次安裝中組立縱壁,最后依次安裝鞍座及剩余散裝件等。

6 精度管理

該船采用鞍座與分段載體一體化設計,同時燃料艙區域結構、鞍座、LNG液罐三者精度有配合關系(見表3),因此需要從分段和鞍座的下料、加工、裝配、焊接等工序進行控制。

表3 分段精度控制 mm

鞍座組立在分段階段安裝,其優點是擴大了先行范圍、工藝路線縮短、總組周期降低及作業空間得到改善,符合現代化造船分時分道理念。但是對安裝精度要求很高,是重點控制區域。

7 結論

1)根據汽車滾裝船特點,在4甲板之下以不對稱方式布置液罐,降低船舶重心,提高了穩型,方便了車輛通行。采用獨立C型液罐,排并列布置,分析鞍座與船體關系,實現了鞍座和船體結構設計。

2)進行生產設計、組立分解、精度管理,解決了船體和鞍座設計難點,掌握了其設計建造技術。進行DAP合理分解,清楚表達了組立程序;考慮了制造中的工藝問題,依此設計,完成了零件托盤劃分和數據生成,為生產提供了準確信息來源。