小型液化氣船結構設計

常世偉，婁春景，張 偉，王智遠

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

小型液化氣船一般指載貨量在40000m3以下的液化氣運輸船，根據運輸貨物品種的不同分為液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）船、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas, LPG）船和液化乙烯（Liquefied Ethylene Gas, LEG）/LPG多用途船等，其中：LNG船以運輸沸點溫度為-163℃的LNG為主；LPG船以運輸沸點溫度為-54℃的LPG為主；LEG/LPG多用途船不僅能運輸LPG，而且可運輸乙烯、氨水、氯乙烯單體、烷烯類氯化物或氧化物等化工用品[1]，沸點溫度最低可達-104℃。對于這3類船型，除了所載運貨物的沸點溫度和設計壓力等不同以外，在結構設計方面十分相似，因此可通過研究其中某種船型的結構設計來類推另外2種船型。

液化氣船由于載運貨物的特殊性，除了應滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規則》（IGC Code）的規定，還需滿足船級社對強度、安全和布置等方面的要求。

本文以22000m3的LEG/LPG船為載體，通過分析C型雙耳罐液化氣船的結構設計，引申到所有小型液化氣船的結構設計，為該類船型的設計提供參考。

1 主船體及C型獨立液貨艙布置

1.1 IGC Code的布置要求[2]

1) 根據IGC Code的規定，該船屬于C型獨立液貨艙2G型，IGC Code對該類型船液貨艙的破損殘余能力有以下要求。

(1) 橫向保護要求：當 5 000 m3≤VC＜30 000 m3時，d= 0 .8 +VC/25000 m。

(2) 垂向保護要求：d最小值為B/15 m，或者2m，取小者。

(3) 其他位置保護：d≥0.76m。

VC為單個液貨船艙容積，為左右艙之和；d為外板的理論線與罐體的理論線之間的距離。

2) IGC Code對該類型液貨艙的檢驗通道也有明確的要求：

(1) 在檢驗通道處，液貨艙絕熱層的表面（平面或曲面）與結構件自由邊之間的距離大于等于380mm，如甲板橫梁、扶強材、肋骨和桁材；

(2) 當驗船師不需要在結構件及絕緣表面通過，僅做目視檢查時，結構件的自由邊緣與所檢查的表面之間的距離大于等于50mm，或為構件面板的半寬，取大者。

1.2 貨艙布置

根據上述要求，22000m3的LEG/LPG船沿船長方向布置有4個C型雙耳罐液貨艙，其中：一號液貨艙受船體線型的限制，設置為錐形雙耳罐；二號液貨艙在考慮橫艙壁扶強材的尺寸和建造誤差之后，沿船長方向，絕緣表面距離水密橫艙壁構件面1130mm，距離非構件面430mm（見圖1）。

圖1 液罐位置

沿橫向與外板的距離及沿垂向與甲板和內底板的距離都與縱向類似，都需滿足IGC Code的要求。一般情況下，絕緣表面與外板的距離容易受到型寬的限制，此時可通過調節C型罐兩圓心的間距來解決。對于甲板下構件與絕緣的距離，通常可通過加大梁拱的高度來解決通道問題，此處不再詳述。總體而言，檢驗通道的要求對結構設計的影響較大，應在方案設計時充分考慮，避免在設計后期出現改動。

1.3 強框架確定

在每個艙的長度確定之后，從結構強度的角度考慮盡量等分強框架的間距；但從與C型罐的連接上講，強框架要布置在C型罐平行中體部分，每個C型罐對應2個鞍座，靠船尾側為固定鞍座，靠船首側為滑動鞍座。液罐裝滿貨物之后可看成受均布載荷的簡支梁，根據材料力學的原理，若平行罐體的長度為L，則當外伸長度A=0.207L時，2個支座中間的最大彎矩與支座截面處彎矩絕對值相等。另外，考慮到封頭的抗彎能力強于筒體的抗彎能力，越靠近封頭對鞍座處筒體截面的加強作用越有效。因此，鞍座盡量設置在靠近平行中體的端部。

此外，當船舶橫傾30°時，必須對C型罐有合理的支撐；由于鞍座處的應力值較高，一般將鞍座的包角角度加大，在鞍座靠船中心線部分留出施工空間，并盡量向中心延伸。同時，需在鞍座檔的前后肋位處設置強檔，一方面保證此處的強度和剛度滿足要求，另一方面增加此處溫度場的傳遞通道。

2 主船體結構強度計算

2.1 設計彎矩剪力確定

針對該類液化氣船，船級社沒有強制規定最小彎矩剪力值，只要求最小的剖面模數和最小慣性矩，包絡值一般根據裝載手冊確定。在設計時發現，該船實船裝載情況下的中拱彎矩值較大，根據設計經驗，在選取中垂彎矩時，有取中拱數值的1/2、1/3和1/10等不同取法。法國船級社（Bureau Veritas, BV）就該問題認為，雖然液化氣船在使用過程中不會產生大的中垂彎矩，但隨著規則規范的修改，從安全的角度講，對該類船的要求會越來越高，對其定義會越來越嚴格，推薦中垂取中拱的1/2；另外，從船舶的實際抗彎能力上講，船舶可承受的中垂彎矩不會與中拱彎矩相差太大；同時，從船體梁的結構強度計算結果上看，在一定程度上提高中垂值不會帶來構件的增加，卻能提高裝卸的便利性，因此該船最終選擇加大中垂值到1/2中拱值。對于設計剪力，規范沒有要求最小值，在實際裝載中隔艙裝載的情況不多，即使隔艙裝載，由于貨物的密度較小，船體梁承受的剪力不大，因此根據實際裝載情況設計即可。

2.2 規范計算

在確定結構布置和設計彎矩剪力等輸入條件之后，進行規范強度校核。以三號艙中間位置處的橫剖面為例，利用BV規范軟件MARS進行計算。計算結果表明，在滿足結構屈服強度的前提下，船體梁極限強度、縱骨疲勞強度和規范要求的屈曲強度都容易滿足。

從計算結果來看，大多數結構尺寸都由局部強度決定，只有甲板板和縱骨的尺寸由船體梁中拱強度決定，特別是底部壓載艙周界結構尺寸相對船體梁而言富余較大。在設計初始階段，總體上將上下壓載艙聯通為一體，這就造成內底板和外底板等底部壓載艙周界的水壓很大，液艙的動壓力也比較大。驗算結果表明，若上下壓載艙不連通，則液艙的動壓力可減小30%。經過對比不同裝載工況，發現將上下壓載艙設置為不連通對船舶穩性無影響。綜合考慮，最后做此修改，從而明顯地節省了結構重量。

2.3 有限元計算

對于采用C型艙的液化氣船，不同船級社的規定略有差異，該船以BV的規定為例進行計算。根據 BVGuidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks（2012 V3）的要求，利用VERISTAR計算軟件進行分析。根據要求，一般至少對2種不同結構形式的艙段進行分析，該船以三號艙為目標進行粗網格分析。

在建立模型時需注意，固定鞍座需采用 SOLID（體）單元模擬，滑動鞍座需采用 GAP（彈簧）單元模擬，其他結構采用板或梁單元模擬[3]。粗網格的大小根據骨材間距確定。針對主船體結構，指導手冊要求的典型裝載工況見表1和圖2，計算結果見圖3。

表1 典型裝載工況

圖2 典型裝載工況

圖3 主船體屈曲計算結果

有限元計算結果表明：在屈服強度方面，只有在甲板氣室開孔處和止浮處的應力超出要求，其他位置基本上滿足屈服強度要求，這2處需增加板厚或通過細網格做進一步分析；在屈曲強度方面，外底板的屈曲問題特別嚴重，底邊斜板、水線下外板和橫艙壁也有屈曲問題。

3 C型罐設計

C型罐作為壓力容器，IGC Code對其各項設計指標有明確的要求，主要包括以下7個方面。

3.1 設計蒸氣壓力P0

對于設計蒸氣壓力值，應從以下3個方面進行考慮：

1) 罐體的形狀尺寸、貨物密度、罐體材料和IGC Code強制的最低限度要求；2) 滿足船東的最低限度要求，并不得小于釋放閥的最大調定值（MARVS）；3)P0是C型罐內部總壓力的重要組成部分，其大小直接影響到筒體的厚度，P0的取值應與筒體強度余量做好平衡。

3.2 內部總壓力

內部總壓力Peq=P0+Pgd，其中Pgd為內部液體壓力。P0已在上面闡述，這里只討論Pgd的計算。Pgd是由船舶運動引起的貨物重心加速度與動力加速度的聯合作用，IGC Code給出其計算式為

式(1)中：αβ為在任意橫傾和縱傾方向上由重力和動載荷引起的無因次加速度（相對于重力加速度）；Zβ為從所確定的壓力點沿橫傾和縱傾方向向上量至液貨艙殼板的最大液柱高度。

對于αβ的計算，以往一般采用僅同時考慮2個方向的加速度分量（即（x-z）或（y-z）方向）的二維橢圓合成法，由此得到的計算結果在橫艙壁和橫艙壁與縱向構件交接區域存在明顯的誤差。新版IGC Code要求αβ的計算必須采用三維加速度橢球合成法。實船計算結果表明，三維橢球合成法比二維橢圓合成法精度高，計算結果更可靠。

3.3 材料許用應力

常見的低溫材料有鋁合金、奧氏體鋼、鎳鋼和碳錳鋼等4種，IGC Code規定，與C型艙相關的所有低溫構件（包括法蘭）的最大許用膜應力K不得超過Rm/A與Re/B中的較小者（Rm和Re分別為室溫下的抗拉強度下限值和屈服應力下限值），A和B的取值見表2[4]。

表2 IGC Code規定的A和B的取值

3.4 筒體的設計

筒體即C型罐的平行中間部分，不包括兩端的封頭。關于筒體厚度的計算，各船級社的計算式在焊接系數和腐蝕方面略有差異，但計算結果大致相同。本文以BV的要求為例，得到筒體板厚的計算式為

式(2)中：P為內部總壓力；D為罐體直徑；K為許用膜應力；e為焊接系數。

計算結果表明，在C型罐底部和靠底部45°范圍內厚度最大，沿垂向向上依次減小。一般筒體的厚度由該計算式確定，有限元計算不會增加其尺寸。

3.5 封頭、氣室、集液槽的設計

封頭的設計種類較多，各船級社都有相應的計算式，常見的有橢球形、扁球形和球形等3種。球形封頭的空間利用率雖然相對于橢球形和扁球形略低，但其具有抗壓能力強、厚度要求較低和施工簡單等優點，在船舶上應用較多，本文所述目標船也采用球形設計。需注意，根據有限元強度分析結果，在封頭與筒體的過渡區域應予以加強。

氣室的設計與筒體類似，注意開孔的補強；集液槽的設計也比較簡單，這里不再贅述。

3.6 加強環、制蕩艙壁的設計

加強環按功能劃分為鞍座加強環和真空環2種。分別在C型罐固定鞍座和滑動鞍座平面內設置加強環，以抵御鞍座處的彎矩和剪力。當罐體處于卸貨狀態時，隨著罐內貨物的減少，罐內壓力明顯減小，內外壓力差會使筒體受壓，為保證筒體的穩定性，應在筒體中間的合適位置處設置真空加強環。

C型艙存在部分裝載工況，應驗證不同裝載高度下的晃蕩載荷，特別是當液體晃蕩的自然頻率接近船舶的縱搖周期時，液體的晃動和縱搖運動會產生共振，對液罐的封頭產生很大的沖擊力。此時，設置制蕩艙壁就可改變晃動頻率，減小晃蕩載荷，避免產生共振。一般利用下述方法考察設置制蕩艙壁的必要性。

3.7 C型罐有限元計算

對于C型罐來說，有限元分析除了考慮主船體的裝載工況以外，還要考慮0.5F大小的前沖力和0.25F大小的后沖力（F為液罐和貨物總重量）、船舶橫傾30°及碼頭試驗工況等。

分析結果表明，有 4處不滿足強度要求，分別為罐內加強環左右相交處、加強環30°轉角處、氣室與罐體開孔處和封頭與筒體過渡處（見圖 4）。

圖4 液罐屈曲計算結果

4 溫度場計算

根據船級社的規定，當船舶所運輸貨物的溫度在-20℃以下時，需提交船體結構溫度場計算書，以掌握船體和液貨艙的溫度場分布狀態，并根據溫度場分布狀態為低溫鋼材料等級的選取提供理論支持。對于C型獨立液艙來說，溫度場計算主要針對液貨艙鞍座和與液貨艙相鄰的船體結構，以此確定鋼材等級；同時，按照溫度梯度分布進行熱應力分析，將熱應力作為附加值加入液艙強度計算中。

計算方法主要有數值計算法和有限元分析法2種，其中：數值計算法首先利用EXCEL表格假定各層初始溫度，然后通過迭代達到設定的精度，最后計算出各層的實際溫度，以此確定鋼材等級；有限元分析法即通過建立有限元模型，設置熱系數，利用有限元軟件計算溫度分布。數值計算法的優點是工作量小、計算速度快和圖紙完整度要求低，缺點是計算精度稍差、計算范圍有限制。有限元分析法的優點是計算精度高、計算范圍廣（可計算任何區域），缺點是工作量大、硬件配置要求高和圖紙完整度要求高[5-6]。

該船先采用數值計算法估算，計算結果見圖5。在初步設計完成以后，又采用有限元分析法進行驗算，計算結果見圖6。

圖5 數值計算法計算結果

圖6 有限元分析法計算結果

由圖5和圖6可知，采用數值計算法所得結果與采用有限元分析法所得結果相差不大，在船舶設計初期可采用數值計算法初步確定船體結構鋼級，隨著設計的深入，在圖紙完善以后再采用有限元分析法計算，從而精確選擇船體結構鋼級。

5 結 語

小型液化氣船由于所裝載貨物的特殊性，其設計與散貨船、油船有很大的不同，特別是在安全方面要求更高，IGC Code從不同的角度做了規定。本文以22000m3LEG/LPG船為載體，從船型分類、貨艙布置、結構強度計算、C型罐設計和溫度場計算等方面進行了分析和探討，可為以后該船型的設計提供參考，同時能為A型、B型和液化氣船的設計提供借鑒。

【 參 考 文 獻 】

[1] 北京太陽谷經濟信息中心. 中小型LNG船舶關鍵技術研發與市場前景預測報告[J]. 2013.

[2] IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk[S]. 2016.

[3] BV. Guidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks[S]. 2012.

[4] 中國船舶工業集團有限公司，船舶重工集團有限公司，中國造船工程協會. 船舶設計實用手冊[S]. 北京：國防工業出版社，2013.

[5] 李小靈，谷云飛. 計及熱輻射及翼展效應的VLGC溫度場計算[J]. 船舶與海洋工程2013 (2): 15-22.

[6] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，1998.