瀝青船獨立貨罐支承結構優化設計

芮曉松 朱 剛 刁海兵

（1.中航鼎衡造船有限公司 揚州225217；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院 鎮江212003）

瀝青船獨立貨罐支承結構優化設計

芮曉松1朱 剛1刁海兵2

（1.中航鼎衡造船有限公司 揚州225217；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院 鎮江212003）

以4 900 t瀝青船為研究對象，采用BV的VeriSTAR-Hull軟件建立有限元模型，基于裝載兩種不同溫度瀝青情況下，對獨立貨罐支承結構的相對位移進行計算與分析，并對其結構形式以及差位量進行研討，為相似船型的貨罐支承結構優化設計提供了依據。熱膨脹分析研究結果可用于同類型船的結構設計參考。

瀝青船；獨立貨罐；有限元分析；熱應力

引 言

目前世界上較多發展中國家基礎道路設施的發展迅猛，瀝青運輸船的國際市場需求量逐漸擴大，尤其以我國“十三五期間”中西部公路建設的巨大需求，國內所需的瀝青需從外部進口，因此瀝青進口運輸量需求加大。全球瀝青船主要是整體式和獨立式兩種，而它們的區分在于裝載瀝青的貨艙形式不同［1］。全球獨立式瀝青船的訂單占主體地位，因為各大船東公司都偏愛具有其熱量損失少、腐蝕小、施工方便等獨特優勢［2］。

瀝青船的獨立貨罐裝載高溫液態瀝青的情況下，在熱應力作用下，船體結構將產生膨脹變形。普通高溫瀝清船的貨物溫度一般控制在120~180℃［3］。本文以4 900 t瀝青船為例，其所裝載的瀝青溫度最高為250℃遠超普通瀝青船的裝載溫度。

國內學者研究熱應力問題所用DNV規范軟件SESAM對化學品船運載高溫液貨時的溫度場及熱應力進行分析［4］。該軟件主要用于梁、板系結構分析；結構靜態載荷、慣性和動態荷載的施加；結構拉壓分析、荷載組合、完整的結構非線性分析。包括風浪流載荷，結構的靜力以及動力分析，管節點和板架結構的疲勞分析，梁和板的規范校核等。但對于點支承的貨罐結構熱應力分析并不全面。本船利用BV船級社提供的專用于熱應力膨脹的VeriSTAR-Hull軟件，采用GAP接觸單元建立獨立罐艙有限元模型。對瀝青船獨立貨罐在熱應力作用下的縱向膨脹位移進行計算，基于此計算結果，對獨立貨罐的支承結構設計進行優化設計。

1 船舶概況

1.1 用 途

本船可航行于無限航區，貨品閃點＞60℃，用途廣泛，可滿足裝運常規瀝青的要求，又可裝運歸類為化學品的瀝青質貨物，諸如煤焦油、木餾油、煤焦油瀝青等。

1.2 主要參數

船舶總長108 m、型寬17.2 m、型深9 m、設計吃水6 m，泵艙在貨艙區域中部，前后兩個獨立貨罐。該船設計總艙容為4 853 m3，最大承載密度為1.33 t/m3，最高貨物溫度為250℃，保溫性能強（24小時溫降不超過5℃）。

2 瀝青貨罐支承結構特點

本船在貨艙區設置兩個獨立懸浮式貨罐，每個貨罐由4個分隔的貨艙組成，共計8個貨艙。本文以尾部獨立貨罐作為分析對象。尾部貨罐的主要參數：總長33.4 m ，最大寬度12.9 m，高度6.6 m，肋距0.7 m。貨罐由縱艙壁以及模艙壁進行分隔。

貨罐鋼結構因熱膨脹系數與船體結構不同，需與船體結構分開，因而采用懸浮式支撐形式。尾貨罐采用32只200 mm×200 mm規格以及98只350 mm×350 mm規格的ULEPSI高分子橡膠墊塊支撐于船體內底的T型梁結構上。在裝載高溫貨物時高分子墊塊材料具有優良的抗壓性能（見表1），其安裝形式參見圖1所示，最上一層為高度調整鋼墊塊。高分子墊塊材料還起到溫度隔離作用，第一層材料可使溫度從250℃降至175℃，第二層材料可以使溫度從175℃降至100℃，第二層材料可以使溫度從100℃降至70℃。選用該高分子材料，可很容易解決在船體結構上產生的溫度應力問題。徐宜兵［5］等人曾對37 000 t瀝青船墊塊材料進行過隔熱抗壓性能試驗，結果表明使用高分子材料墊塊基本無需維護，有效降低了貨艙結構的維護費用，而高性能的材料保障了更長時間的使用壽命，其性能優于其他諸如硬木等材質的墊塊。

表1 ULEPSI（ULTEM聚醚酰亞胺）高分子材料與其他材料性能對比

圖1 墊塊典型節點圖

但該材料也有其極限承壓能力的限制，其中200 mm×200 mm規格的極限承壓為32 t， 350 mm×350 mm規格的極限承壓為98 t；當局部壓載大于極限承壓力時，其承壓能力失效；并且當墊塊的承受面積小于總面積的70%時，其承壓能力失效。因此，如何使整個貨罐與墊塊保持良好的接觸，確保墊塊充分均勻受力接觸，是瀝青船貨罐支承結構設計的最大課題。在設計貨罐支承時，貨罐裝載各種溫度貨物在熱應力的作用下，罐體結構受熱產生各個方向的膨脹，膨脹量根據裝載貨物溫度不同而產生變化。

貨罐獨立于船體結構，必須要對其限位，否則船舶在海上航行中的搖晃會導致整個貨罐位移。在貨罐頂部與甲板反面結構設置止浮裝置，對貨罐的垂向運動方向進行限制。為對貨罐的膨脹方向進行有效控制，在貨罐底部與船體結構之間設置若干限位的凹凸構件（見圖2）。構件之間的預留間隙約2-3 mm。底部的限位分為縱向以及橫向限位，縱向限位裝置一般布置在獨立貨艙一端，橫向限位裝置一般布置在船舯位置，限位裝置不在此贅述［6］。

圖2 甲板以及底部的限位裝置

貨罐橫向的變形在橫向限位結構的作用下，從船舯向左右兩舷方向膨脹，膨脹量相對較小，垂向膨脹因高度相對較小并受止浮裝置作用，膨脹量也相對較小。本文分析貨罐的支承結構，重點考慮熱應力作用下的貨罐縱向膨脹。通過對貨艙的縱向膨脹分析，優化支承結構設計以達到各種工況下，支承結構與船體基座墊塊全接觸［7］。本文采用VeriSTAR-Hull的GAP接觸單元對獨立罐艙進行建模，考慮在兩種裝載貨物溫度下的貨罐膨脹量。

在安裝貨罐墊片時，考慮到下水后因船體浮態變化，或溫度變化的不同，墊塊的間隙值會處于動態變化中。為保證報檢的狀態不變，建議在船塢內水平狀態（未下水，壓載艙空載狀態下）進行測量和報檢工作，根據每個墊塊的間隙測量值加工相匹配的不同厚度的鋼質調整墊塊。

3 不同熱應力作用下獨立貨罐的膨脹

貨罐裝載不同溫度瀝青時，因熱應力的作用產生膨脹。本文分析尾部獨立貨罐在兩種貨物溫度下的各位置膨脹量，得出不同位置支承結構的設計特點。在貨物極限溫度250℃和常規貨物溫度170℃條件下，通過VeriSTAR-Hull軟件建立有限元模型。在縱向方向上，整個貨罐受熱時的膨脹量，因受限位裝置的作用，在縱向方向上，尾貨罐限位塊位于罐體首部，控制貨罐結構朝尾膨脹（見下頁圖3）。

圖3 尾貨罐的膨脹方向

3.1 尾部貨罐結構有限元模型

采用VeriSTAR-Hull軟件建立有限元模型，模型范圍為尾部貨罐，模型從肋位F35+100到肋位F83-100；垂向范圍為貨罐高度；采用貨罐全寬模型；坐標系統采用右手坐標系。原點位于肋位F77，貨罐中心線處，X軸向首為正方向，Y軸向左舷為正方向，Z軸向上為正方向（如圖4）。

圖4 典型橫剖面圖

3.2 邊界條件及工況

軟件自動定義邊界條件，以限位位置為固定點，肋位F77 為縱向固定位置，船舯為橫向固定位置。本文分析裝載兩種溫度條件下的貨罐膨脹情況，一種為常規貨物溫度170℃，另一種為極限貨物溫度250℃。

選取貨物滿載工況，僅考慮溫度載荷，將計算得到的溫度場轉化為溫度載荷施加到貨罐結構模型上。

4 計算結果與分析

4.1 不同貨物溫度情況下的計算結果

兩種不同溫度情況下的膨脹有限元計算模型見圖5及下頁圖6，其膨脹的具體數值見下頁表2。根據ULEPSI高分子橡膠墊塊的特性要求，單個支承的最終接觸面積不得少于原始面積的70%，而在支承點數的計算中可知，為有效控制支承點的數量，在貨罐滿載的情況下，實際支承點的接觸總面積不得少于原始面積的80%。如果少于這些指標，會對墊塊產生永久性破壞，從而造成支承失效，出現貨損情況。由此可見，為保證墊塊在任何裝載工況下完全接觸貨罐支承結構，在墊塊布局設計時，需要注意每一個支承位置的結構反膨脹布置，加大支承面積。因此在支承結構設計時，采用T形結構形式?？紤]到T形結構腹板寬度受限，一般通過在T形結構下增加腹板的方式來加大結構相對移動以后還能保證足夠的接觸面積，特別需要考慮到縱向膨脹遠端的墊塊在位移后上下墊塊仍能確保全接觸，橫向則因半船寬累積膨脹位移量有限，一般不予考慮。

圖5 常規溫度下膨脹量有限元分析模擬圖

圖6 極限溫度下膨脹量有限元分析模擬圖

表2 不同貨物溫度情況下的膨脹量

支承結構及在常溫冷態下的反膨脹錯位布置（見圖7）。

圖7 支承結構反膨脹錯位布置

4.2 計算結果實船應用

根據下頁表3的具體膨脹數值，在實船設計中考慮到在120℃~ 250℃范圍的貨物溫度變化對貨罐結構的影響，結合實船的實際情況，基于裝載250℃貨物的膨脹量，通過在不同肋位位置放置不同的反膨脹錯位量，來校核錯位量的最優值。

通過實船對裝載不同溫度貨物時，對支承結構錯位的觀察、測量。冷態安裝過程中的錯位量為該肋位膨脹量的2/3為佳。實船應用如下頁圖8所示。實船在高溫貨物裝載時完全達到設計要求。

表3 不同肋位的錯位值A

5 結 論

通過貨罐在熱應力作用下的膨脹計算，可以得出如下結論：

（1）貨罐的支承結構，除滿足常溫冷態下的結構強度要求，需要在除固定點以外的所有支承位置考慮支承結構的反膨脹布置，膨脹錯位的具體數值需要通過嚴格計算得到，經實踐證明，錯位量為該肋位膨脹量的2/3為佳。

（2）支承結構設計時盡量采用簡便實用的腹板式結構。

今后將對貨罐的限位裝置受力以及與設計合理的貨罐聯接管路形式展開進一步研究。

圖8 實船支承結構反膨脹

［1］ 張延輝，張少雄，曾濤.獨立式液貨艙瀝青船支撐結構的有限元分析［J］.船海工程，2013（1）：14-16.

［2］ 趙彩鳳.獨立液貨艙型式瀝青運輸船設計特點［J］.船海工程，2006（3）：26-28.

［3］ 丁勇毅. 2 000 t級內河石油瀝青船溫度場及熱應力分析［J］.江蘇船舶，2013（4）：8-10.

［4］ 李俊來，張吉萍.基于溫度應力場的瀝青船貨艙結構強度分析［J］.浙江海洋學院學報（自然科學版），2008（1）：5-8.

［5］ 徐宜兵，李中揚.大型瀝青船獨立液艙強度分析［J］.船舶設計通訊，2016（1）：48-53.

［6］ 向安玉.大型獨立液貨艙內膽在船舶貨艙中的安裝方法［J］.交通科技，2010（5）：107-109.

［7］ 孫安林.獨立液貨艙型式瀝青運輸船若干設計要求探討［J］.上海造船， 2003（1）：41-44.

Optimization design of supporting structure of independent cargo tank on asphalt carrier

RUI Xiao-song1ZHU Gang1DIAO Hai-bing2
(1. AVIC Ding Heng Shipbuilding Co., Ltd., Yangzhou 225217,China;2. School of Enemy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

A 4 900 t asphalt carrier is examined through the finite element model that is established by the Veri STAR-Hull software of BV. Based on the asphalt loading at two different temperatures, the relative displacements of the supporting structure of the independent tank are calculated and analyzed, while the structural configuration and the deviation are discussed. It can provide basis for the optimization design of the tank supporting structure for the similar ships. Furthermore, the thermal expansion analysis can provide reference for the structural design of similar ships.

asphalt carrier; independent cargo tank; finite element analysis; thermal stress

U661.4

A

1001-9855（2017）06-0027-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.027

2017-03-29；

2017-06-02

芮曉松（1978-），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶總體性能、高性能船舶設計。

朱 剛（1979-），男，工程師。研究方向：船舶系統、雙燃料系統。

刁海兵（1992-），男，碩士。研究方向：船舶輪機設備及系統先進設計與制造。