針對液化天然氣船 B 型獨(dú)立艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

曹惠兵，汝寧寧，張雙泉，王國強(qiáng)

（安徽長江液化天然氣有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

根據(jù)中國船級社《低溫管路應(yīng)力分析指南》2017 版、《鋼制海船入級規(guī)范》(后簡稱《鋼規(guī)》)和《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》2022 版(后簡稱《散液規(guī)》)第2 篇第20 章中附錄2 晃蕩評估流程，根據(jù)該船的B 型獨(dú)立液貨艙布置位置，綜合考慮選取NO.1 液貨艙作為穹頂穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估的目標(biāo)液艙(NO.1 液貨艙運(yùn)動加速度最大)，該目標(biāo)艙布置如圖1 所示。

圖1 某1.4 萬方LNG 運(yùn)輸船B 型獨(dú)立液貨艙布置

圖2 穹頂區(qū)域三維有限元模型示意圖

1 有限元建模

1.1 模型

基于NO.1 貨艙對穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，有限元模型覆蓋整個(gè)穹頂區(qū)域。根據(jù)《鋼規(guī)》和《散液規(guī)》板和梁單元建模要求，目標(biāo)分析區(qū)域使用50mm×50mm 的單元網(wǎng)格尺寸，對于管徑小于 DN50 的管子采用 10mm×10mm 單元網(wǎng)格尺寸進(jìn)行建立。有限元模型詳見圖 2 。

1.2 坐標(biāo)系

坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)O 位于FR0 號船底中線處，x 軸向船首為正，y 軸向左舷為正，z 軸向上為正。

1.3 荷載和邊界條件

目標(biāo)穹頂結(jié)構(gòu)有限元模型底部采用六個(gè)自由度的約束條件，穿艙件載荷施加在管系距甲板高度525mm的端部MPC 約束上，詳見圖3。

圖3 穹頂結(jié)構(gòu)載荷及邊界條件示意圖

2 荷載工況

結(jié)合艙內(nèi)以及甲板管系低溫應(yīng)力載荷計(jì)算工況，針對B 型獨(dú)立艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)開展強(qiáng)度分析。結(jié)合中國船級社《低溫管路應(yīng)力分析指南》2017版規(guī)范指南要求，針對穹頂穿艙件及其支撐結(jié)構(gòu)受力主要考慮慣性力載荷、管系和罐體壓力載荷、溫度載荷以及位移載荷，其設(shè)計(jì)載荷組合工況詳見表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)荷載組合工況

表2 316L 不銹鋼材料參數(shù)

其中 W：管道重量+絕緣重量+流體重量；

P1、P2：管道內(nèi)壓；

T1、T2：管道溫度；

D1、D2：分別為最低、高溫度導(dǎo)致的端點(diǎn)附加位移(液罐等熱脹冷縮導(dǎo)致的管口位移)；

U1、U2、U3：分別為管道縱向、橫向和垂向加速度。

3 穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

B 型獨(dú)立液貨艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)采用316L 不銹鋼，其主要材料參數(shù)如表 2 所示。

《鋼規(guī)》第3 篇第2 章 2.2.2 節(jié)給出了鋼管的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

在規(guī)范中316L 材料許用應(yīng)力衡準(zhǔn)如表3 所示。

表3 316L 材料許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

《散液規(guī)》第2 篇附錄1 第4 節(jié) 4.7.7 分別給出了細(xì)網(wǎng)格的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)，詳見表4。

表4 細(xì)網(wǎng)格許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

4 穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

B 型獨(dú)立艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的最大應(yīng)力及工況匯總至表5，穹頂穿艙件最大應(yīng)力分布詳見圖4，所有穿艙件及其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表5 穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力結(jié)果匯總

圖4 穹頂穿艙件最大應(yīng)力分布示意圖

5 結(jié)論

參考中國船級社《鋼規(guī)》2021 版、《散液規(guī)》2022 版規(guī)范，以及《低溫管路應(yīng)力分析指南》要求，結(jié)合14,000 立方米級液化天然氣加注運(yùn)輸船B 型獨(dú)立艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐強(qiáng)度分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

目標(biāo)B 型液貨艙穹頂區(qū)域穿艙件及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估符合滿足船級社相關(guān)要求。