21000m3乙烯（LEG）運輸船結構設計

鄭 凡，李小靈，鄭 雷

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

針對目前嚴峻的市場形勢，散貨船、油船和集裝箱等三大主力船型接單形勢低迷，利潤空間狹小的現狀，“江南造船”充分發揮自身技術優勢，提升市場競爭能力，大力開展高技術、高難度、高附加值的“三高”船型研發，液化氣船就是“江南造船”民品生產線的主打產品之一。

想要在當前競爭激烈的市場中分一杯羹，與日韓的國際一流船廠在液化氣船領域展開面對面的直接競爭，開發創新、優化設計、達到安全及環保的需求，取得技術指標領先，贏得船東的青睞，是一個必要途徑。基于這一指導方針，“江南造船”研發并推出的21000m3LEG系列船型，以其先進的指標，領先的設計，成功獲得13艘建造訂單，創造了良好的經濟效益和社會效益。

1 船型簡介

21000m3LEG（乙烯）運輸船是江南造船為Navigator所建造的第二批液化氣船。經過優化改進，船長較上一代22000m3LPG（液化石油氣）系列船型縮短10m，艙容相當。各項主要船型技術指標上均處于領先地位。入GL船級，能同時裝運兩種品位的貨物，貨品清單包括乙烯和一些石化產品，設計溫度為-104℃。

表1 21000m3 LEG船主要參數對比

從表1可知，21000m3LEG系列較22000m3LPG系列船長縮短10m，船寬增加≈0.6m，型深不變，而艙容大體相當，緊湊的船型布置給結構設計帶來難度，尤其是要保持船體結構與液罐之間的間隙，滿足相關的法規要求。

2 結構布置設計

該船為單層連續甲板，艉機艙，設艏樓。

由于貨艙內布置緊湊，空間緊張，特別是貨艙區的艏艉端，由于線型瘦削和液罐艙容需求，無法布置底邊艙，為單舷側結構，這給結構布置設計帶來很多技術難點。

通過對貨艙舷側結構形式的對比、論證，從“質量”控制和建造環境舒適的角度出發，貨艙舷側采用縱骨架式，由舷側強肋骨提供有效支撐。在貨艙艏艉端線型變化劇烈的區域，通過增密加強框，防止結構突變帶來的問題。

對于艏艉燃油艙，由于采用確定性燃油艙保護設計方案，從艙容最優化和建造便利兩方面進行綜合平衡，采用了曲面內殼和平面內殼混用的方式。

每個液罐設一個固定支座和一個滑動支座，在支座區域，采用加密橫向肋板的方法來承受液罐及其裝載貨物引起的靜、動載荷。

3 規范設計及總縱強度分析

對于21000m3液化氣船，需要按照規范要求或說明書指定的裝載工況算出彎矩，提取最大中垂中拱設計彎矩和設計剪力，用來校核設計初期船體梁的抗彎力和抗剪力，確定船體梁的剖面模數。

根據GL規范[1]，使用船級社相關軟件，進行了規范強度校核。該船為單層連續甲板，但在主甲板上，每個貨艙左右各設有一個液罐氣室（Dome）開孔，這對于船體梁總縱強度影響明顯，在船體梁強度校核中需要予以考慮，并在其前后投影面（見圖1）內按照規范要求進行相應折減后再評估總縱強度。

圖1 氣室投影

該船在貨艙區內仍然采用平面艙壁設計方案，橫艙壁上布置有進出貨倉的通道。在壓縮機房區域，受壓縮機房的影響，該類通道圍井需要穿過頂邊壓載水倉，在結構設計時需要特別考慮該類特殊布置的影響。

4 直接強度分析

由于C型獨立液艙液支座區域內結構受力情況較特殊，液罐支座及船體區域相關主要支撐構件尺寸無法用規范計算方法校核，根據IGC[2]及船級社規范的要求需開展直接強度計算與分析[3]。

根據規范的要求建立有限元模型，見圖2，包括粗網格，細網格模型用來對應不同的計算階段。選取典型裝載工況進行校核計算，將載荷加載到相應模型中，通過計算，可分別對主要支撐構件強度評估，局部關鍵結構及部分高應力區域強度評估，開展了縱骨端部連接處的疲勞壽命評估。

在施加載荷時，需要考慮液罐和液貨重量（包括船舶運動引起的慣性力）；船體橫傾角30°時各有效質量沿斜面產生的重力分量等。對于支座結構，還需考慮意外工況下的載荷，包括：

圖2 有限元分析模型

1) 碰撞載荷：液罐和貨物重量0.5g的向前沖力，0.25g的向后沖力；

2) 進水載荷：貨艙進水后，液罐在海水作用下上浮對止浮裝置產生的載荷（見圖3）；

由于液化氣船載荷的特殊性，計算結果表明高應力區出現在液罐支座附近的雙層底縱桁上（見圖4）。通過關閉縱桁開孔及增加板厚的措施來降低該區域應力的分布水平。

圖3 液罐支撐及止浮裝置應力分布結果

由于第一液罐外形較特殊，船體結構形式也發生了顯著變化，加之貨艙首端區域船體運動加速度較大，為更準確地評估該區域的結構強度，建立了第一貨艙的直接強度分析模型（見圖5），以評估船體強度，并根據計算結果進行適當的修改。

圖4 雙層底縱桁應力分布

圖5 第一貨艙直接強度評估

5 結構振動分析

對21000m3液化氣船進行局部振動分析和全船振動分析（見圖6），在居住及工作區域的振動水平進行預估，以確保船員的居住舒適性和船體構件的穩定、可靠。局部振動分析無需全船有限元模型而利用經驗公式進行計算，局部振動分析主要針對上層建筑。將所選關鍵結構的固有頻率計算值與相關激振頻率（即主機，螺旋槳產生的激振力）進行比較，以避免產生共振的風險。

全船振動分析則需要有限元模型，用以加載單元的屬性和質量分布。根據不同的工況（滿載或壓載）進行響應分析來得到模型對主機和螺旋槳激振力的響應，船舶各階段的垂向和水平方向的振動頻率須避開主機的激振頻率，上層建筑的縱向振動頻率避開螺旋槳的葉頻和葉倍頻。船舶振動幅值都應滿足ISO規定的取值。

由于選用了電噴主機，其二次不平衡力矩補償器無法布置在主機內，如需設置主機二階不平衡力矩補償器，則只能選用外置式。

在項目早期進行全船振動分析評估，經過分析，在不設置主機二階不平衡力矩補償器的情況下，船體振動水平仍在可接受范圍內。最終，本系列未選用安裝該補償器，實船試航振動測試結果表明：全船振動情況良好，符合相關標準要求（見圖7）。

圖6 有全船振動分析模型

圖7 全船振動分析結果

6 船體結構溫度場計算[4]

由于液化氣船在實際營運時，液罐內溫度低達-104℃，這會導致周圍船體區域處于低溫狀態。為避免鋼材在低溫狀態下發生脆性破壞，需要根據IGC和船級社的要求進行溫度場計算分析，以準確選用合適等級的鋼材。

對于液罐、貨艙區空間、海水、空氣等，主要考慮熱對流，建立熱傳遞分析模型，建立熱平衡方程，并進行求解，可得出各區域的溫度分布。初始外部計算條件，需要滿足IGC、USCG等的要求。液罐支座溫度場計算：由于液罐支座直接與液罐接觸，熱傳導為主要傳熱方式，液罐支座溫度往往較低。21000m3液化氣船液罐支座溫度場的計算考慮熱傳導（見圖8），根據熱平衡方程得到液罐支座處的溫度分布，即可確定鋼材的等級。該船支座面板溫度≈-30℃，處于 E級板和低溫鋼板的臨界區域，經過反復計算確認，選用E級鋼板為佳。

圖8 液罐支座處熱傳導計算模型

7 船體結構優化[5]

7.1 貨艙結構優化設計

與母型船相比，為保證關鍵區域的結構強度，在強框處大開孔設計已進行優化，折角型開孔改進為轉圓型，有利于應力分布均勻，減少應力集中，方便結構布置。

船東提出不需要管弄，因此在雙層底中部結構采用無管弄設計，這樣底部結構設計簡單，易于施工建造。但由于壓載總管布置在雙層底壓載艙內，需要重點考慮壓載總管穿過雙層底實肋板時的結構開孔和節點設計。

在外板縱骨穿過強檔的貫穿孔都增加了補板，以增加連接面積，減少貫穿孔周界和連接的船殼板的應力集中。

7.2 貨艙區強框設計

預裝LNG罐的結構強度儲備按照船東對甲板LNG罐的需求，主甲板上按照總體布置LNG罐的特定區域進行結構加強，即在目前強檔布置規律下，增加FR67，FR69,FR81,FR83號肋位為強框，以作為將來安裝甲板LNG液罐支座的強度要求，并在主甲板上作出標記（見圖9）。

液罐支座的布置為滿足液貨系統所要求液罐的 DOUM 和 SUMP的設計位置，避免結構沖突，在FR159+390的位置設置強檔（見圖10），改變在整檔設置強檔的設計習慣，與液罐結構強檔匹配。

圖9 LNG罐加強檔

圖10 貨艙區FR51結構

8 建造工藝設計優化

為了滿足快速性，艉部線型瘦削，施工空間狹小，在保證結構強度的前提下，為便于施工和安裝，艉軸處設計時充分考慮施工空間以減少單面焊（見圖11）。

圖11 22000m3艉部單面焊

9 根據第一代22000m3 LPG在運營中船東反應的問題進行優化改進

增加電纜通道，機艙內總電纜穿過FR45號艙壁和主甲板，因沒有專門通道，腐蝕較明顯，存在安全隱患，為此專門在貨艙區增設了一個箱狀通道以專供電纜通過，不影響貨艙容積，還可防水防潮，增加安全可靠性。

貨艙區4號貨艙內液罐罐頂點與機艙前壁FR45號艙壁比較靠近，液罐低溫和機艙內油柜的高溫，產生交變應力，易使艙壁中部區域產生裂紋。此前通過敷設隔熱絕緣解決該問題，本船通過將橫艙壁結構材質級別調整為B級，增加其耐低溫的能力，避免了低溫脆性裂紋的產生。

圖12 艏部平臺結構

艏部區域有多層平臺，在考慮到船體結構與液罐間隙要求的前提下，在各層平臺結構末端的位置都增加全倒角的柔性大肘板，以防止因結構突變而造成撕裂，保證有足夠的過渡區域（見圖12）。

10 結 語

21000m3LEG船是在22000m3LPG船的基礎上，進行了全面的優化設計，滿足最新規范規則的要求的新一代液化氣船。以21000m3LEG船結構設計為主要研究對象，從結構布置、規范校核、有限元強度分析、振動分析、結構優化、建造工藝等多方面進行了研究，對全船結構進行了大量優化改進工作，解決了設計中的難點，得到了一個滿意的設計方案，保證了整個船型設計方案的先進性，提升了船型市場競爭力。

[1] Rules for Classification of Construction (GL 2012) -PART 1 CHARPTER 1 Hull Structure CHARPTER 6 Liquefied Gas Carriers[S].

[2] IMO IGC Code CHARPTER 4 Cargo Containment[S].

[3] 王 峰. 全船有限元簡化方法在總縱強度計算中的應用[J]. 船舶與海洋工程，2014 (1): 24-27.

[4] 楊 振. 溫度場變化對船塢搭載精度控制的影響研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (3): 16-20.

[5] 王國水. 21000dwt多用途貨船結構優化設計[J]. 船舶與海洋工程，2012 (2): 12-15.