LNG SPB型獨立液貨艙設計分析

劉東進，甘少煒，顧華，金全洲，程康

(1.張家港中集圣達因低溫裝備有限公司,江蘇 張家港 215632;2.中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

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LNG SPB型獨立液貨艙設計分析

劉東進1，甘少煒2，顧華1，金全洲2，程康2

(1.張家港中集圣達因低溫裝備有限公司,江蘇 張家港 215632;2.中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

為實現(xiàn)LNG儲存系統(tǒng)的國內(nèi)自主建造，對現(xiàn)有主要LNG液貨艙型進行對比，從市場前景、經(jīng)濟性、技術要點和國內(nèi)適應性等方面分析，考慮選擇SPB型艙為未來國產(chǎn)化的主選。以一艘6 000 m3LNG運輸船為目標船型進行SPB型艙設計，依據(jù)國際公約和國內(nèi)規(guī)范，采用有限元軟件ANSYS和Abaqus對設計方案進行計算分析，以確定設計樣艙的應力水平、疲勞壽命和裂紋擴展特性，為樣艙制造提供技術參考。

LNG；SPB型獨立液貨艙；國產(chǎn)化；裂紋擴展特性

液化天然氣(LNG)儲存溫度為-163 ℃，且粘度極低，存儲難度大[1]。最初誕生的艙型是MOSS型B型液貨艙，近年來，MOSS型艙由于其球形的體積占用的艙室空間較大，突出甲板部分較高，影響駕駛視野等缺陷[2]，逐步被淘汰。

IHI(日本石川島播磨重工公司)和日立公司依據(jù)B型液貨艙標準和要求設計出了SPB型液貨艙。但該型貨艙沒有持續(xù)發(fā)展，目前世界僅2艘船舶采用SPB型液貨艙。由于MOSS型艙自身的缺點和SPB型艙專利技術保護，使得GTT的薄膜型液貨艙得到了迅速發(fā)展，目前全球LNG船舶約90%采用薄膜型貨艙。隨著技術的發(fā)展和IMO MSC370(93)決議的通過，液貨艙詳細設計的技術要求被寫入了IGC規(guī)則[3]，為更多公司參與到LNG前沿液貨艙的設計制造提供了契機。

1 LNG液貨艙型及對比

依據(jù)國際公約的分類，LNG液貨艙分為5種類型：①獨立式液貨艙(A、B、C型)；②薄膜式液貨艙；③半薄膜式液貨艙；④整體式液貨艙和內(nèi)部絕熱式液貨艙[3]。目前，常見的LNG液貨艙形式主要有獨立式液貨艙和薄膜式液貨艙2種，其中獨立式液貨艙常見的形式有A型液貨艙、B型液貨艙(MOSS型和SPB型)和C型液貨艙；薄膜式液貨艙常見的形式有NO96薄膜型、MK-III薄膜型和CS-1薄膜型[4-6]。艙型對比見表1。

表1 各種液貨艙對比

對比表明，B型艙具有其余艙型無法比擬的優(yōu)勢，也是LNG圍護系統(tǒng)發(fā)展的大勢所趨。

B型艙又分為MOSS型和SPB型。MOSS型由于其球形的體積占用的艙室空間較大，突出甲板部分較高，影響駕駛視野等缺陷，逐步被淘汰。

SPB型液貨艙的主體材料由高強度的鋁合金(5083)或9%鎳鋼的加筋板構成，其形狀沒有限定，通常為棱柱形，也可以根據(jù)船舶艙型進行設計，這也使得甲板保持傳統(tǒng)的平坦形式[6]。SPB型液貨艙通過相應基座和膠合板楔子予以支撐。SPB型液貨艙最大的特點是通過在內(nèi)部設置液密緩沖艙壁、扶強材和橫向邊板，對艙內(nèi)空間進行分隔，減小自由液面，將液體晃蕩頻率提升到遠離于船體晃動的頻率，避免產(chǎn)生共振。SPB型液貨艙對充裝率沒有限制要求，因此適用范圍更廣，例如LNG加注船和LNG浮式裝置均可采用。SPB型液貨艙的外型結構見圖1。

2 SPB型艙技術要點及設計

SPB型獨立液貨艙的主要技術指標體現(xiàn)在其結構安全性，按照B型艙的概念，需對其結構進行精確模擬分析。

圖1 SPB型艙

結構安全性設計包括艙體結構承載能力極限設計、疲勞強度設計、意外強度設計和基于裂紋擴展的損傷容限設計等[7]，與各種設計狀態(tài)對應的載荷見表2。

選取6 000 m3獨立液貨艙的江海直達LNG船作為目標船[8]，其布置見圖2。

建立艙段有限元模型見圖3。

表2 極限狀態(tài)設計與載荷對應關系

圖2 目標船總布置示意

圖3 設計的SPB型艙艙段有限元模型

2.1 極限強度分析

參考IGC規(guī)則中的設計原則，考慮各種極限設計狀態(tài)及對應的載荷，選取如表3所示的16個計算工況，對所設計SPB型艙進行極限強度效核。

計算結果見圖4。

表3 極限強度計算工況

注：TS-結構吃水；Tmin-實際裝載工況下最小吃水；Tmax-結構吃水；TDAM-結構破壞吃水。

圖4 各計算工況下液貨艙結構最大應力

除意外設計工況LC10，LC11和LC12的最大應力超出了304L不銹鋼的屈服極限240 MPa外，其余工況均滿足極限設計條件。

2.2 裂紋擴展分析

對設計進行改進，基于通用有限元軟件Abaqus和疲勞裂紋擴展程序(FCG-System)[10]對設計樣艙的穿透裂紋進行，分析流程見圖5。

圖5 SPB型艙裂紋擴展分析流程[11]

裂紋擴展計算模型及15 d應力譜[12]見圖6和圖7。

圖6 裂紋擴展計算模型

依據(jù)有限元計算結果和帕里森公式[13]得到不同位置在15天周期應力譜作用下裂紋擴展長度結果見表4。

因為液貨艙板厚t=11 mm，從計算結果可知15 d周期內(nèi)沒有穿透板厚，不會引起泄漏。

圖7 15 d短周期應力譜

表4 裂紋擴展長度 mm

3 結論

1)SPB型艙以其艙容利用率高、建造維護成本相對較低、可靠性能出眾等優(yōu)勢將成為未來LNG圍護系統(tǒng)發(fā)展的主流型式。

2)目前國內(nèi)已具備設計SPB型艙的基礎條件，以一艘6 000 m3LNG運輸船為目標船型設計了相應的SPB型艙。

3)從極限強度分析結果來看，除意外設計工況LC10～12外，其余工況均滿足極限設計要求，針對該3個工況的計算結果對設計的SPB型艙進行了結構優(yōu)化。

4)從裂紋擴展分析結果來看，初始裂紋缺陷出現(xiàn)后15天內(nèi)，裂紋沒有發(fā)展為穿透裂紋，不會引起泄漏，設計滿足國際標準的要求。

本文依據(jù)國際公約要求，對設計的目標型SPB型艙開展了一系列仿真模擬分析，依據(jù)分析結果對已有設計進行了改進，改進后的貨艙結構滿足國際公約的技術要求，可為國內(nèi)后續(xù)SPB型艙設計和制造提供參考。

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Design of SPB Type Independent LNG Tank

LIU Dong-jin1,GAN Shao-wei2, GU Hua1, JIN Quan-zhou2, CHENG Kang2

(1.Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China;2.Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

In order to establish the domestic R&D capability of LNG storage system, the existing types of cargo tanks was studied from the aspects of market prospect, economy, techniques, flexibility and etc. The SPB type of independent cargo tank was chosen as hotspot of domestic researching in the future. A 6,000 m3LNG carrier was selected for the design of SPB type independent cargo tank. Based on the international regulations and domestic technical requirements, the FEM software ANSYS and Abaqus was adopted to analysis the stress level, fatigue lifetime and crack propagation characteristics of the tank, which can be referenced by the actual SPB tank production and its further nationalization.

LNG; SPB type independent cargo tank; nationalization; crack propagation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.023

2016-12-14

中國海事局和國家能源局(海事[2012]509號)

劉東進(1981—)，男，學士，工程師

研究方向：LNG水上運輸技術。

U662

A

1671-7953(2017)04-0102-04

修回日期：2017-02-23