LNG運輸船C型罐低溫場計算分析

劉 輝，王任眾，李寶鑫，紀宏源

（1.中遠海運重工有限公司 技術研發中心，遼寧大連 116600；2.大連遼南船廠，遼寧大連 116041；3.必維船級社（中國）有限公司，上海 200011）

LNG運輸船C型罐低溫場計算分析

劉 輝1，王任眾2，李寶鑫3，紀宏源1

（1.中遠海運重工有限公司 技術研發中心，遼寧大連 116600；2.大連遼南船廠，遼寧大連 116041；3.必維船級社（中國）有限公司，上海 200011）

文章提出了對C型罐周圍低溫場的理論計算方法，認為船體外部的溫度向內部傳遞熱量，使得罐體周圍低溫場達到熱平衡。低溫場的確定決定了鋼制材料等級的選擇，從而有效防止結構低溫脆性破壞。

LNG船；C型罐；低溫場計算；低溫脆性

0 引言

LNG（液化天然氣，Liquefied Natural Gas）是天然氣經壓縮、冷卻至其沸點溫度后變成液體，通常液化天然氣儲存在-164℃、0.1 MPa左右的低溫儲存罐內。

中小型LNG運輸船多采用低溫常壓式（又稱液冷式）C型貨罐裝載天然氣。貨罐處于低溫狀態，且在貨罐周圍形成低溫梯度場（又稱低溫場），從而影響了貨罐基座加強結構、貨罐周圍船體結構的強度及材料特性，因此對貨罐周圍低溫場進行計算分析，可有效避免因低溫脆性的破壞而造成的船體結構失效，以及可有效提高材料分布使用率。貨罐低溫場計算分析為類似船型貨罐基座及附近船體結構材料的選擇提供有益參考。

1 C型罐布置分析

為防止船舶碰撞擱淺，C型貨罐通常布置在獨立的密閉艙室里，雙舷側、雙層底、單甲板結構。艙室內部布置低溫隔熱絕緣層，可有效保護船體結構。罐體與艙壁、甲板之間保留相當的操作空間，此空間同時起到阻礙溫度傳導的作用，有效降低罐體低溫對結構的影響。罐體通過基座與船舶內底相連，基座的位置盡量布置在雙層底肋板處。為防止因艙室進水而導致罐體上浮，通常在甲板靠近兩舷位置布置止浮裝置。

2 環境及結構材料的設計溫度

船舶外部環境溫度分為空氣溫度和海水（淡水）溫度。內外溫差很大，所選取的外部環境溫度直接影響材料鋼級的選取。根據IGC（《國際散裝運輸液化氣體規則》）、USCG（《美國海岸警衛隊 結構設計規則》及《美國海岸警衛隊 航行于阿拉斯加海域規則》）、赤道航行等，對環境設計溫度的要求不同。表1為根據需要選取的環境溫度設計值。如無特殊要求，則按照IGC選取空氣溫度為5℃，海水溫度為0℃，作為環境設計溫度。

表1 環境設計溫度

美國船級社規范[1]中，船體結構最低設計溫度與材料鋼級的選取有明確規定，如表2所示。

表2 船體結構最低設計溫度

3 低溫場分布計算

3.1 對流及傳導

LNG罐內部溫度為-164℃，外部空氣溫度為5℃，海水溫度為0℃，因此熱由船體外部向內部傳導。

鋼板將內外兩個獨立空間分隔開，熱在兩個獨立艙內分別形成對流，艙之間的熱通過鋼板，由高溫區向低溫區進行傳導。圖1為熱傳遞示意圖。

假設船體外部空氣溫度為Tair，空氣對流系數為Hair-out；船體內部艙室溫度為Ttank，空氣對流系數為Hair-in；鋼板厚度為t，鋼板熱傳導系數為λ，鋼板內、外表面溫度分別為T1、T2。可得出下述兩個公式[2]：

圖1 熱傳遞圖

由外部空氣到鋼板外表面（熱對流）：

由鋼板內表面到內部艙室（熱傳導）：

解式(1)和式(2)，得出下述式(3)：

式(3)可以簡化為：

即：

式(5)適用于所有獨立艙室之間的熱傳導。

得出各艙室之間的熱傳導系數后，對各艙室分別編寫熱傳導公式并求解公式矩陣，從而求得各艙室的溫度。

對于某LNG船，列出公式并求解，剖面形式如圖2所示。

1）第二層氣密艙

2）舷頂艙

3）舷側艙

4）舷側底部艙水線下

5）舭部艙

6）雙層底艙

7）貨艙水線上

8）貨艙水線下

9）LNG艙

得出矩陣方程：

板所傳導的熱計算公式為：

3.2 翼翅效應

板上的梁、筋，對熱傳遞同樣具有非常重要的輻射作用，稱之為“翼翅效應”。

圖2 LNG船橫剖面圖

對式(5)的hair進行修正，即考慮翼翅效應后的對流系數。

4 結論

本文通過對中小型LNG運輸船通常采用的C型貨罐的低溫場進行計算分析，將熱力學中的熱傳遞理論應用到實際工作中，提出了一種簡化算法，為快速確定結構強度及鋼料等級提供了一條捷徑。本文充分考慮到了“翼翅效應”對熱傳遞的影響，比較貼近實際，可推廣到實際工程運用中。

[1]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

[2]岳丹婷.工程熱力學和傳熱學[M].大連： 大連海事大學出版社,2002.

[3]余祥虎.LNG船液貨艙溫度及應力場有限元分析研究[D].武漢： 武漢理工大學,2009.

[4]楊青松,陸叢紅,紀卓尚.中小型LNG船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究[J].中國艦船研究,2010,5(4)：40-43.

[5]李學軍,高占峰,劉輝.小型LNG運輸加氣船的經濟性分析研究[J].船舶標準化工程師,2014(4)： 46-48.

Computational Analysis of Low Temperature Field of LNG Carrier C-shape Tank

LIU Hui1,WANG Renzhong2,LI Baoxin3,JI Hongyuan1
(1.Technology R&D Center,COSCO Shipping Heavy Industry Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116600,China; 2.Dalian Liaonan Shipyard,Liaoning Dalian 116041,China; 3.Bureau Veritas,Shanghai 200011,China)

The theoretical method calculation of low temperature field around the C-shape tank is proposed.It is considered that heat balance could be achieved by transferring from outside to inside.With the heat balance around the C-shape tank,the steel material shall be determined,which can avoid the failure of low temperature brittleness on structure.

LNG carrier; C-shape tank; low temperature field calculation; low temperature brittleness

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.008

劉輝（1982—），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結構及有限元分析。