3萬m3 LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計

2014-06-27 01:02:30,，，，，

船海工程 2014年4期

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津，300457)

3萬m3LNG船主要用于沿海液化氣站之間的調(diào)峰，適用于國際航區(qū)，船舶總長184.7 m，船寬28.1 m，型深18.7 m，#-6～#7肋位和#-210～#230肋位的肋距為0.7 m，中間肋距為0.8 m，結(jié)構(gòu)吃水為7.6 m，設(shè)計吃水為7.4 m，設(shè)計航速為16.5 kn，有4個TYPE C型雙聯(lián)筒獨立液貨艙，貨物圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計溫度為-164 ℃，液貨艙艙頂設(shè)計壓力為350 kPa，設(shè)有球鼻艏，單舷側(cè)雙底結(jié)構(gòu)，艉樓艉機型。全船有3臺雙燃料發(fā)電主機，360°全回轉(zhuǎn)舵槳，雙槳電力推進(jìn)，艏部1個首側(cè)推。船中部兩舷按照OCIMF規(guī)范布置了液貨裝卸管匯。本船入ABS和CCS雙船級(dual class)，滿足最新的船舶設(shè)計法規(guī)、規(guī)范以及公約[1-6]。

1 構(gòu)件布置原則

1)荷重的有效傳遞。構(gòu)件的布置應(yīng)按一定的空間秩序進(jìn)行，務(wù)使船體所有主要構(gòu)件構(gòu)成空間體系，以保證任一承載構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的縱深進(jìn)行荷重的有效傳遞，使得外力作用下結(jié)構(gòu)具有連鎖反應(yīng)的能力。例如肋板、強肋骨、強橫梁要求布置在同一橫剖面內(nèi)，以形成橫向框架。

2)構(gòu)件連續(xù)性。結(jié)構(gòu)形式或某一構(gòu)件不能突然中斷或尺寸突變，以免破壞內(nèi)力傳遞和引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。例如，中部0.4L內(nèi)所有縱向構(gòu)件應(yīng)連續(xù)貫通；凡前后不能在同一延伸線上的縱向構(gòu)件在中斷處應(yīng)彼此交錯延伸兩檔以上；中部縱骨架式向艏、艉橫骨架式過渡時，縱骨不能同時中斷在同一剖面處，而應(yīng)逐漸消失等。

3)等間距性。支承構(gòu)件應(yīng)盡可能等間距布置，使彼此支承骨材可按等強度條件決定尺寸。以充分利用材料，降低結(jié)構(gòu)重量。

4)節(jié)點連接。船體構(gòu)件在舭部、舷邊及艙壁等處，一般要間斷過渡，從而出現(xiàn)許多節(jié)點，節(jié)點處構(gòu)件一般采用肘板連接，肘板可以保證剛性連接、傳遞內(nèi)力、減少應(yīng)力集中。應(yīng)從強度、工藝、使用等方面合理進(jìn)行節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計，如強肘板端部應(yīng)進(jìn)行軟化處理，構(gòu)件的端部應(yīng)按規(guī)范削斜處理等，延長船舶壽命、簡化建造工藝。

1 貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)

3萬m3LNG船的總圖見圖1。

三道水密橫艙壁將貨艙區(qū)域分為4個貨艙處所，每個貨艙處所為一個由船體結(jié)構(gòu)封閉的區(qū)域，獨立液貨艙安裝在貨艙處所內(nèi)。貨艙區(qū)為雙層底，在雙層底沿船長中心線布置管弄，管弄以外的雙層底區(qū)域為壓載水艙；雙層底與舷側(cè)通過底邊艙連接，底邊艙用作壓載水艙且與雙層底壓載水艙連通。共設(shè)8對雙層底壓載水艙。貨艙區(qū)舷側(cè)和上甲板間設(shè)連續(xù)頂邊艙；貨艙區(qū)前端兩舷的頂邊艙作為一對淡水艙和一對壓載水艙，壓載水艙位于淡水艙前面。淡水艙后的兩對頂邊艙作為壓載水艙，最后的一對頂邊艙作為空艙。

圖1 3萬m3 LNG船總布置

1)甲板。對于較大的船，從總縱強度考慮，上甲板和船底結(jié)構(gòu)宜用縱骨架式，因為縱骨架式有較多的連續(xù)縱向構(gòu)件可計入船體梁的剖面模數(shù)計算，同時能夠提高板的穩(wěn)定性，本船甲板承受總縱彎曲應(yīng)力以及甲板上貨物、人員、設(shè)備和上浪等橫向載荷，故采用縱骨架式，其甲板由縱骨支持，間距800 mm，每3檔肋位設(shè)強橫梁，甲板縱桁主要是支撐橫梁，同時也承受總縱彎曲。上甲板為連續(xù)甲板，具有直線型梁拱，為了保證縱向強度，縱向骨材遇到橫艙壁保持連續(xù)，并用補板加強。為防止甲板污水溢出，舷頂列板設(shè)計在貨艙區(qū)高出甲板邊板100 mm處。在船體外板處按規(guī)范設(shè)置舭龍骨，舭龍骨位置由船模試驗流線確定。

2)船底。與甲板相同，考慮總縱強度，船底選擇縱骨架式。縱骨架式雙層底結(jié)構(gòu)由內(nèi)外底縱骨、肋板和底縱桁組成，內(nèi)外底板由密集的縱骨支持，增加了板的剛性和穩(wěn)定性，因此，縱骨架式的內(nèi)外底板厚度可比橫骨架式薄些，這樣可減輕結(jié)構(gòu)重量。另外，當(dāng)船底在觸礁和擱淺等意外情況下遭到破損時，雙層底能保證船舶的安全，同時滿足了IGC規(guī)范對于貨罐距船外板最小0.76 m的要求。故本船選擇縱骨架式雙層底結(jié)構(gòu)，雙層底高1.9 m，縱骨間距0.8 m。雙層底內(nèi)外底板、舭部以及底邊艙斜板均由縱骨支持，每3檔肋位設(shè)實肋板。

底邊艙在肋板處有支持縱骨的開孔橫向強框架，開孔邊緣用扁鋼加強，扁鋼與縱骨之間設(shè)置適量肘板，以提高橫向強框架腹板的穩(wěn)定性。

如圖2，本船在雙層底中線面處設(shè)置箱型中桁材(管弄)，是一道沿船長方向水密的內(nèi)部通道，從防撞艙壁通向機艙前端壁，艏艉端開有水密裝置的人孔以便人員進(jìn)出，其主要作用一是充當(dāng)中縱桁承擔(dān)縱向載荷;另外用于集中布管，避免管子穿過貨艙而妨礙裝貨。管弄由兩道水密縱桁及其縱向加強筋、內(nèi)外底板、上下橫骨及防傾肘板、縱骨和縱桁外側(cè)肘板組成，寬2.7 m。中桁材和旁桁材以及管弄的側(cè)板縱向加強筋是為了增強穩(wěn)定性。由于肋板在管弄處開口，削弱了橫向強度，為了補強，在每1.5肋位處增設(shè)環(huán)形框架。

圖2 管弄

3)舷側(cè)。舷側(cè)對總縱彎曲貢獻(xiàn)不大，從局部強度考慮，舷側(cè)骨架主要承受局部彎曲及橫向彎曲，宜采用橫骨架式，能有效地抵御橫向載荷，而且橫向骨架高度較小，不會占據(jù)太大艙容。該船為單舷側(cè)，舷側(cè)骨架間距0.8 m。

4)獨立液貨艙。液貨艙是不與船體結(jié)構(gòu)直接連接的獨立結(jié)構(gòu)，與船體結(jié)構(gòu)間有一定的隔離空間，由前后鞍座支撐，貨罐層壓木與船艉的鞍座連接是固定的，與船艏方向的鞍座是通過液罐上的層壓木與鞍座上的層壓木間2 mm的不銹鋼動態(tài)滑動實現(xiàn)連接的。

5)中橫剖面。船舶的構(gòu)件尺度主要取決于強度和穩(wěn)定性要求，還需考慮一定的腐蝕余量要求。中橫剖面的特征值(剖面模數(shù)、剖面慣性矩)是船體總縱強度和剛度的表征。該船中橫剖面設(shè)計的基本要求如下。

①滿足總縱強度要求。

②組成中橫剖面的任何構(gòu)件尺度應(yīng)滿足局部強度及其穩(wěn)定性要求。

③考慮構(gòu)件厚度應(yīng)計及腐蝕余量。

該船中橫剖面構(gòu)件尺寸按照《CCS國際航行海船建造規(guī)范2009》計算，由于載貨為-164 ℃的LNG，需要考慮到低溫對鋼材的不利影響。為此，通過專門軟件對船體結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行計算，舷側(cè)使用B級鋼，低溫構(gòu)件如鞍座采用E級鋼。

6)橫艙壁。該船貨艙區(qū)設(shè)有水密平面橫艙壁，由扶強材與艙壁板組成。現(xiàn)有C型獨立貨艙LNG船在貨艙區(qū)的橫艙壁多采用單一骨架形式，即垂直扶強材加強的平面橫艙壁。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是現(xiàn)有技術(shù)也存在不足，特別是當(dāng)船型變大，船舶型深增加后，該型橫艙壁扶強材尺度迅速增加，一方面橫艙壁的重量增加，另一方面扶強材尺度增加造成了液貨艙布置尺寸的下降，引起艙容下降，影響船舶的經(jīng)濟性。另外，采用單一骨架形式，橫艙壁的橫向抗屈曲能力不強，剛度較弱。考慮到該船型深較大，在橫艙壁上設(shè)垂直桁，底邊艙頂板和頂邊艙底板處增設(shè)水平桁的布置方案，較好地解決這一問題。

3 機艙結(jié)構(gòu)

貨艙區(qū)甲板結(jié)構(gòu)向機艙延伸，機艙甲板和機艙平臺甲板結(jié)構(gòu)為縱骨架式，甲板縱骨由強橫梁支撐，甲板縱骨間距為0.8 m，平臺由舷側(cè)結(jié)構(gòu)和支柱支撐。支柱設(shè)在平臺開口角隅強構(gòu)件處以防止有害振動的產(chǎn)生，其上端設(shè)置在甲板縱桁與橫梁的交叉節(jié)點上，下端設(shè)置在底縱桁和主肋板等剛性較大的構(gòu)件上，并在底縱桁和主肋板上設(shè)置垂直加強筋。機艙結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有艙柜。

機艙底部為雙層底結(jié)構(gòu)，每檔肋位設(shè)實肋板，其上開減輕孔供人員通行，設(shè)有充足的通焊孔、空氣孔和流水孔。

主發(fā)電機組底座為焊接結(jié)構(gòu)，基座縱桁由橫隔板和外側(cè)肘板加強。重型設(shè)備處構(gòu)件局部加強。機艙艙壁為平面艙壁，帶垂直扶強材。機艙棚連接機艙和煙囪，設(shè)于居住艙室后部。煙囪位于機艙棚頂端后部，由鋼板焊接而成，內(nèi)部由垂直加強材和水平桁材加強并設(shè)通往頂部的梯道。

4 艏部結(jié)構(gòu)

船艏一般采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，由于船艏的線型狹窄，這種形式適合結(jié)構(gòu)的設(shè)置和便于施工，故橫骨架式結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于艏部結(jié)構(gòu)。考慮到單舷側(cè)，且有限元分析表明，本船貨艙區(qū)的縱向強構(gòu)件適當(dāng)向艏部延伸較為有利，這既可以提高船的抗縱向彎矩的能力，也可以在一定程度上降低空船的重量。綜合考慮，本船艏甲板為混合骨架式結(jié)構(gòu)，由甲板縱桁和強橫梁支撐。

艏部上甲板設(shè)有舷墻，重型設(shè)備下局部加強。艏柱和球鼻艏為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。艏尖艙為單底結(jié)構(gòu)，設(shè)有制蕩艙壁以減輕液體晃動，從而減小液體對周圍結(jié)構(gòu)的動力沖擊，提高船舶穩(wěn)性。艏側(cè)推及應(yīng)急消防泵艙為雙底結(jié)構(gòu)。艙壁為垂直扶強材加強的平面結(jié)構(gòu)，設(shè)置水平桁和垂直桁。

為了防止底部砰擊，在艏部砰擊加強區(qū)每檔設(shè)置實肋板，并從箱形中桁材處延伸設(shè)置中內(nèi)龍骨至球鼻艏，船底板和平板龍骨增厚至20 mm。

艏部舷側(cè)涉及到冰區(qū)加強，其范圍縱向從#204肋位至船艏，垂向從3.6 m～9.2 m水線，考慮采用主肋骨加中間肋骨的橫骨架形式。原因是當(dāng)冰塊水平劃割船體外板時若在縱骨之間則外板板架起不到很好的支撐將導(dǎo)致外板額外加厚，而中間肋骨可以在任何吃水狀態(tài)下對外板提供良好的支撐。另外，中間肋骨可以減小骨材的間距，從而達(dá)到減小外板板厚減輕外板重量的效果。該船舷側(cè)在冰區(qū)加強范圍設(shè)置了4.2、6.7和9.2 m的3層開孔平臺，從而可以利用平臺對中間肋骨進(jìn)行支撐，此舉也可減少跨距。所以本船不論從施工工藝還是加強的有效性來講采用橫骨架式的冰區(qū)加強形式是合理而有效的方式。

5 艉部結(jié)構(gòu)

艉部形式為方艉，設(shè)計具有合適的強度，并根據(jù)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的安裝使用需求，進(jìn)行特別的結(jié)構(gòu)加強，以盡量減小振動的傳遞。為支撐艉部結(jié)構(gòu)并保持縱向連續(xù)性，甲板為縱骨架式，沿艉封板到機艙設(shè)置縱桁和縱艙壁，橫梁由甲板縱桁支持。外板由舷側(cè)縱桁支持的橫向骨架支撐。艉封板與舷側(cè)外板連接處焊有半圓鋼，以防纜索的磨擦。外板與螺旋槳之間具有足夠的間隙，以防止產(chǎn)生有害振動。艙壁為平面艙壁，由垂直扶強材和水平桁支撐。

該船艉部下甲板以上設(shè)5層甲板室，其中下甲板和上甲板的延伸部分為第一層甲板室。外圍壁為平板型，以適當(dāng)?shù)拈g距設(shè)垂直扶強材。廚房、衛(wèi)生間、冷藏室和其他必要的房間設(shè)置符合規(guī)范要求的帶扶強材的鋼圍壁進(jìn)行分割。

為增加上層建筑被支撐的剛度，減少上層建筑的整體振動，艉樓前端壁和主甲板下的機艙后壁在同一肋位。此外，從艉樓甲板至船長居住的B甲板中船員居住艙室的縱橫向艙壁上下基本對齊，減少了船員艙室的局部振動。

6 典型結(jié)構(gòu)特點

6.1 耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)采用雙層底設(shè)計。從船舶性能及安全考慮，采用雙層底方案。雙層底的高度稍高于規(guī)范對船底破損的最低要求，船底縱骨間距為0.8 m，肋板間距為2.4 m，這樣船底的剛度較大，有利于降低船舶擱淺造成的危害。

2)邊艙的設(shè)計。該船的頂邊艙和底邊艙能提高船舶的抗沉性能；空載時可載較多的壓載水，保持適當(dāng)?shù)某运岣吆叫行阅埽豁斶吪撆c底邊艙均為縱骨架式結(jié)構(gòu)，增大了剖面慣性矩，提高了總縱強度；橫向結(jié)構(gòu)之間過渡平緩，有利于避免應(yīng)力集中；減小了上甲板橫梁及舷側(cè)肋骨的跨距，有利于減小結(jié)構(gòu)尺寸，減輕結(jié)構(gòu)重量。

該船剖面結(jié)構(gòu)類似散貨船，傳統(tǒng)散貨船的頂邊艙和底邊艙斜板與舷側(cè)外板直接相連，成30°或45°角。設(shè)計時，在底邊艙最高點和頂邊艙最低點設(shè)置1 m寬平臺，然后再與底邊艙及頂邊艙斜板相連。將傳統(tǒng)的銳角形式改為鈍角形式，提升了該處的剛度，有利于提高舷側(cè)防撞能力。

3)采用單舷側(cè)。在查閱大量文獻(xiàn)，了解TYPE C獨立貨艙形式LNG船的主流結(jié)構(gòu)布置形式，分析雙殼與單殼形式船耐撞性方面的特點，綜合考慮選擇了單殼，目前使用TYPE C雙液罐形式的中小型LPG/LNG船舷側(cè)大都采用單殼形式，如江南廠的22 000 m3LPG以及德國邁爾船廠建造的16 500 m3LNG船。另外，裝載量大于15 000 m3的液化氣船舶適宜采用雙圓筒罐，為了提高艙容利用率，本船采用雙圓筒貨罐，導(dǎo)致船舶較寬，如果設(shè)置雙殼，則船更寬，不經(jīng)濟。

從船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性的角度分析，薄膜式LNG船采用雙舷側(cè)，裝運的低溫LNG氣體與外界海水被雙層隔離。在進(jìn)行碰撞數(shù)值計算時，內(nèi)殼假定不破。TYPE C雙液罐形式LNG船，雖然為單舷側(cè)，但是裝運的低溫LNG氣體與外界海水也是被船體外殼和貨罐雙層隔離。通過比較發(fā)現(xiàn)，采用單舷側(cè)結(jié)構(gòu)的Type C型LNG船與采用雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)的薄膜式LNG船實質(zhì)上裝運的貨物與外界環(huán)境都是“雙層”隔離的。現(xiàn)有LNG船的安全運營記錄表明這種“雙層隔離”的思想正確可行。

同一船型，發(fā)生碰撞時，單舷側(cè)結(jié)構(gòu)在吸收和耗散碰撞能量方面不如雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，因此該船在單舷側(cè)部位采取措施以增強抗碰撞能力。①將頂邊艙和底邊艙的布置向水線位置適當(dāng)延伸，減小舷側(cè)單殼部位的面積。②每檔肋位設(shè)置主肋骨，骨材尺寸在滿足規(guī)范強度要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高其剛度，從而增強整體的防撞能力。再次，增加外板的尺寸，外板厚度達(dá)16 mm，有利于提高外板的吸能效果。③合理設(shè)計貨罐尺寸，使外板與貨罐主體的最小距離在2 m以上，在碰撞發(fā)生時，有利于最大程度地利用主肋骨的吸能效果，從而提升整體的防撞能力。

6.2 下沉式艉樓

初始設(shè)計，船舶設(shè)有艏樓并適當(dāng)外飄以防止上浪。該船所有的居住艙室均設(shè)在船的艉部，且LNG船液貨輕，導(dǎo)致設(shè)計艉傾較嚴(yán)重。為此，將生活樓整體下移一層甲板，艉樓采用下沉式設(shè)計，即主甲板和艉下甲板構(gòu)成階梯狀上層甲板，減輕了艉部重量，有效改善了艉傾，同時也降低了該船的總噸位及今后的營運費。駕駛甲板降低，影響了航行視線，為滿足規(guī)范要求，去掉了艏樓。

6.3 球鼻艏和雙艉鰭

球鼻艏對船舶的貢獻(xiàn)較多。①若球鼻設(shè)計合理，則球鼻與艏柱興起的波浪能相互抵消，于是艏部興波降低，興波阻力變小。②低速船的興波較小，但船艏附近兩側(cè)波浪的平滑與否對阻力有著很大影響，若波浪平滑則阻力小，低速船的球鼻艏能減小破波阻力。③球鼻艏能提高船舶推進(jìn)效率，因為推力減額越小，船身效率越高，而球鼻艏能降低推力減額，并且能增加船舶的伴流分?jǐn)?shù)。④球鼻艏可以用來調(diào)節(jié)縱傾，增加船舶浮力。本船佛氏數(shù)Fr=0.205，屬于中速船，安裝球鼻艏有利。設(shè)計中主要以球艏幾何特征中的長度、高度、橫剖面面積為自變量，在保證船舶的排水體積基本不變的情況下，以母型船為參照，根據(jù)球艏幾何參數(shù)變化，通過CFD計算得到阻力最小的球艏特征值。

船寬吃水比是確定采用單槳還是雙槳的重要船型參數(shù)，一般認(rèn)為船寬吃水比小于2.50，用單槳;在2.50～4.00單雙槳皆可;大于4.00宜用雙槳。3萬m3LNG船的船寬吃水比為3.75，單雙槳皆可選。然而，該船靠離港作業(yè)頻繁，貨物密度小，水上受風(fēng)面積大，靠離泊作業(yè)時難度高，若有優(yōu)秀的機動性則可以大大提高LNG船靠離碼頭時的安全和便利性。另外，該船屬于淺吃水船，若用單槳，會產(chǎn)生如下問題：①由于槳徑受到限制，為達(dá)服務(wù)航速，須保證螺旋槳的有效推力，則槳負(fù)荷會很大；②艉部型線設(shè)計困難，流場差，舭渦大，導(dǎo)致槳效低，振動和噪音大。所以本船采用雙槳。常規(guī)雙槳在槳盤處的伴流分?jǐn)?shù)較低，船身效率及推進(jìn)效率亦低，且附體阻力也較大，本船將船艉恰當(dāng)?shù)馗臑轭愃朴趦蓚€單槳船艉的雙艉鰭形狀。雙艉鰭船型通過將寬度吃水比較大的船舶艉部設(shè)計成兩個艉部片體，使去流段水流分成兩側(cè)水流和船底縱流3個區(qū)域，從而使艉部水流暢通，減少了水流分離，降低了船舶的形狀阻力。雙艉鰭型與常規(guī)型雙槳船相比有如下特點：雙艉船型的單個艉體寬度為整個船寬的40%～60%，因而相當(dāng)于增大了長寬比，有利于降低粘壓阻力；改用雙艉后槳徑可以增大，敞水效率就有所提高，可獲得較高的推進(jìn)效率；省去了對阻力不利的附體，如軸支架、軸包殼等，充分利用了伴流，可得到較為顯著的節(jié)能效果。

7 強度校核

本船的設(shè)計按照CCS規(guī)范，并參考了《ABS獨立液貨艙液化氣體運輸船入級與建造指南2011》的相關(guān)章節(jié)，對3萬m3LNG船艙段進(jìn)行了計算，采用MSC/Patran、MSC/Nastran和ABS Structural Assessment LGC v2.0軟件進(jìn)行建模、計算與分析工作。如圖3所示，模型前后端面保持為平面，縱向范圍包含2個貨艙和2道平面橫艙壁。模型從FR96肋位延伸到FR176肋位，在FR116和FR156肋位分別設(shè)有平面橫艙壁。整個模型包含左右構(gòu)件，以便分析橫向不對稱載荷的工況。貨艙區(qū)域的所有主要板材，如：外殼板、縱桁、橫艙壁結(jié)構(gòu)(包括艙壁上的垂向、水平桁材腹板)等，以板單元來模擬。次要構(gòu)件，如板材上的骨材等用梁單元來模擬，其剖面特性應(yīng)計入梁與板連接的偏心設(shè)置。

圖3 貨艙半寬有限元模型

有限元網(wǎng)格按以下規(guī)定劃分。

1)沿船體橫向和垂向以縱骨間距為一個單元。

2)沿船體縱向以肋位間距為一個單元。

3)沿主要構(gòu)件(包括橫向強框架、雙層底縱桁和肋板等)腹板高度方向劃分為三個單元。

4)一般雙層底肋板上的開孔可以用刪除對應(yīng)位置的單元來表達(dá)。

計算包括海上移動工況、港口工況、校核橫艙壁的破艙進(jìn)水工況及校核鞍座和止移裝置的事故工況。參照CCS《鋼制海船入級規(guī)范》和《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》，考慮液貨罐內(nèi)壓力和舷外水壓力，端面彎矩考慮垂向彎矩和水平彎矩，包括靜水彎矩和波浪彎矩，給模型加載。屈服強度計算結(jié)果見表1。