83 000 m3超大型液化氣船液貨艙整體吊裝強(qiáng)度分析

邵逸峰，鄭　雷（. 上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司，上海 093；. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 093）

83 000 m3超大型液化氣船液貨艙整體吊裝強(qiáng)度分析

邵逸峰1，鄭雷2
（1. 上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司，上海 201913；2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

83 000 m3超大型液化氣船（VLGC）是國(guó)內(nèi)首次接單的該類船型，其建造難度非常大，能否安全、高效、精確的進(jìn)行液貨艙吊裝定位，將直接影響到整船的建造效率和安裝精度。本文對(duì)液貨艙整體吊裝方案進(jìn)行有限元校核計(jì)算，分析，評(píng)估整吊方案的可行性，并給出結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)建議，確保整吊安全，對(duì)該類型的獨(dú)立液貨艙的吊裝方案設(shè)計(jì)具有重要參考意義和指導(dǎo)作用。

VLGC；A 型獨(dú)立液貨艙；有限元計(jì)算

0　引　言

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，液化石油氣（LPG）作為天然氣生產(chǎn)和原油精煉的衍生產(chǎn)品，愈來(lái)愈受到市場(chǎng)的重視。全球氣候變暖，使 LPG 等清潔能源的需求不斷攀升，從而為 LPG 運(yùn)輸市場(chǎng)的繁榮提供了機(jī)遇。通常而言，LPG 運(yùn)輸船，分為全壓式、半冷半壓式和全冷式 3 種。由于 LPG 海運(yùn)量的增加，航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性要求的增長(zhǎng)，使得中長(zhǎng)距離干線運(yùn)輸?shù)?LPG 船正朝著超大型全冷式（VLGC）方向發(fā)展。

83 000 m3VLGC 是上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司完全自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的國(guó)內(nèi)首型超大型液化氣船，一舉打破了日、韓等國(guó)家的技術(shù)壟斷。其液貨圍護(hù)系統(tǒng)為 4 個(gè) A 型獨(dú)立液貨艙，其設(shè)計(jì)、建造和安裝工藝是該船型的核心技術(shù)。為了提高建造效率和安裝精度，首制船采用整體吊裝工藝對(duì)液貨艙進(jìn)行安裝定位。如何準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)和控制結(jié)構(gòu)變形，評(píng)估關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力水平，成為整吊方案可行與否的關(guān)鍵。本文以NO.1 液貨艙為例，采用有限元方法對(duì)整吊方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形進(jìn)行可行性評(píng)估，并給出結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)建議，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論依據(jù)。

1　NO.1 液貨艙整體吊裝方案

NO.1 液貨艙采用 2 臺(tái) 800 t 龍門吊聯(lián)吊的形式進(jìn)行整體吊裝，如圖 1 所示。

為減少吊裝完成后的切割、打磨工作量，本次吊裝將液貨艙上的止浮支座用作結(jié)構(gòu)吊馬，布置如圖 2所示。

2　模型簡(jiǎn)化

參考 NO.1 液貨艙圖紙，建立結(jié)構(gòu)有限元模型（見(jiàn)圖 3），主要有以下幾個(gè)方面的要求：

1） 全部板件與主要支撐構(gòu)件都采用板單元模擬，普通扶強(qiáng)材采用梁?jiǎn)卧M；

2） 鋼絲繩采用桿單元模擬；

3） 模型不包括絕緣材料、管系與舾裝件等，這部分質(zhì)量平均分?jǐn)偟侥Ｐ椭小?/p>

圖 1　No.1 液貨艙整吊示意圖Fig. 1　No.1 Cargo tank lifting state

圖 2　吊馬布置圖（1）Fig. 2　Lifting arrangement （1）

圖 3　吊馬布置圖（2）Fig. 3　Lifting arrangement （2）

由于有限元模型對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的簡(jiǎn)化和近似，所以質(zhì)量和重心位置與實(shí)際有所偏差。NO.1液貨艙長(zhǎng)度為 43.711 m，寬度為 32.0 m，高度為 21.967 m，有限元模型質(zhì)量、重心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如表 1 所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，模型重心分布與實(shí)際基本一致；質(zhì)量誤差較大，主要是絕緣材料、管系與舾裝件的質(zhì)量，可以通過(guò)調(diào)整重量加速度來(lái)彌補(bǔ)該部分質(zhì)量誤差。

表 1　No.1 液貨艙質(zhì)量、重心對(duì)比Tab. 1　Quality、center of gravity of No.1 cargo

對(duì)于某些高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行模型網(wǎng)格細(xì)化，真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)幾何形狀，進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，細(xì)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖 4 所示。

圖 4　No.1液貨艙有限元模型Fig. 4　No.1 cargo

3　計(jì)算流程與校核衡準(zhǔn)

計(jì)算分 2 步進(jìn)行：第 1 步是整體結(jié)構(gòu)初步分析（粗網(wǎng)格分析），目的是初步判斷吊裝方案的可行性，并計(jì)算液艙整體變形及應(yīng)力分布；第 2 步是局部詳細(xì)應(yīng)力分析（細(xì)網(wǎng)格分析），目的是精確評(píng)估結(jié)構(gòu)吊馬及其連接區(qū)域的詳細(xì)應(yīng)力。

Von. Mises 相當(dāng)應(yīng)力按下式計(jì)算：

計(jì)算不考慮應(yīng)力集中因素，

結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)滿足：

4　邊界條件及載荷

每個(gè)吊鉤處加位移約束條件，約束 3 個(gè)平動(dòng)自由度，即 X = Y = Z = 0。

圖 5　細(xì)化區(qū)域有限元模型Fig. 5　Fine mesh area

圖 6　No.1 液貨艙整體應(yīng)力分布云圖Fig. 6　Stress distributing fringe of No.1 cargo

圖 7　No.1 液貨艙整體變形云圖Fig. 7　Displacement fringe of No.1 cargo

圖 8　止浮裝置詳細(xì)應(yīng)力Fig. 8　Anti-floatation area detail stress

另外，為保證計(jì)算，在液貨艙底部中心線處，選取前后 2 個(gè)端點(diǎn)，約束 Y 向平動(dòng)自由度，即 Y = 0。

模型所受載荷為重力，通過(guò)加載慣性力來(lái)加載重力加速度，同時(shí)考慮 1.2 倍的起升系數(shù)。

5　結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊馬端部結(jié)構(gòu)空擋位置，建議縱骨貫穿孔添加嵌入式補(bǔ)板，如圖 9所示。最大變形約 2.67 mm，出現(xiàn)在液貨艙的頂部和底部，對(duì)液貨艙安裝定位無(wú)顯著影響。結(jié)果表明，#1液貨艙整體吊裝方案可行。

圖 9　吊馬區(qū)域詳細(xì)應(yīng)力Fig. 9　Lifting area detail stress

6　結(jié)　語(yǔ)

不同于日、韓船廠采取的半罐吊裝工藝，我們充分利用吊車起重能力，開創(chuàng)性的使用整體吊裝形式，這對(duì)提高建造效率和控制安裝精度具有重要意義，同時(shí)也減少了大量的船上焊接作業(yè)，有效地降低了火災(zāi)等事故的發(fā)生率。本文以 #1 液貨艙為例，對(duì)整吊過(guò)程進(jìn)行有限元校核計(jì)算，全面評(píng)估結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供技術(shù)支持。目前，現(xiàn)場(chǎng)已完成多個(gè)液貨艙的整體吊裝，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算高度吻合。

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Lifting analysis on independent cargo tank of 83 000 m3very large gas carrier

SHAO Yi-feng1，ZHENG Lei2
（1. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co.，Ltd，Shanghai 201913，China；2. Jiangnan Shipyard （Group） Co.，Ltd，Shanghai 201913，China）

83 000 m3very large gas carrier，which is first of this type ships interiorly，the design and construction of ships are more complicated. Lifting and positioning independent cargo tank in safe and efficient accurate is direct impact the whole installation and construction progress. In this paper，F(xiàn)EA for the whole cargo tank lifting plan，analysis and evaluate feasibility，and get suggestion on structure reinforcement. Which can be taken as guidance for lifting Type-A independent cargo tank.

VLGC；type-A independent cargo tank；FEA

U671

A

1672 - 7619（2016）08 - 0076 - 03

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.016

2016 - 06 - 15

邵逸峰（1982 - ），男，工程師，從事船舶建造管理工作。