船用LNG燃料罐的關(guān)鍵技術(shù)研究及分析

顧華，劉東進，徐小艷

船用LNG燃料罐的關(guān)鍵技術(shù)研究及分析

顧華，劉東進，徐小艷

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

研究目前被廣泛使用的雙層船用LNG燃料罐應(yīng)用領(lǐng)域，分析船用LNG燃料罐關(guān)鍵技術(shù)。針對雙層LNG燃料罐內(nèi)外層之間的支撐處高應(yīng)力區(qū)域進行分析，采取模型簡化、受力分析和失效模式分析等手段，形成計算理論， 輔助分析軟件WORKBENCH進行驗證，形成適用于解決船用LNG燃料罐支撐結(jié)構(gòu)強度及剛度的通用理論和計算公式，從而簡化分析手段的單一性和復(fù)雜性，同時保證船用LNG燃料罐可靠安全運行。

船用LNG燃料罐；玻璃鋼支撐；受力分析

使用LNG作為船舶燃料，相對于常規(guī)燃料柴油，LNG的綜合排放降低約85%，其中碳化物減少97%，氮化物減少30%～40%，微粒排放減少40%，噪聲減少40%，無鉛、苯等致癌物質(zhì)，基本不含硫化物。可見，LNG作為船舶燃料，可以產(chǎn)生顯著的環(huán)境和經(jīng)濟效益。目前世界上的天然氣蘊藏量豐富，估計可以使用250年。顯然，LNG將是未來航運業(yè)非常有前途的燃油替代品。

1 船用LNG燃料罐結(jié)構(gòu)特點

船用LNG燃料罐即是儲存低溫液化天然氣的容器（圖1），其由兩大容器構(gòu)成：

1）內(nèi)容器。盛裝低溫液化天然氣和承載壓力載荷。

2）外容器。對內(nèi)容器實現(xiàn)保冷和保護。

兩大受力構(gòu)件組成：

1）玻璃鋼支撐。內(nèi)外容器之間的連接。

2）鞍式支座。船用LNG燃料罐對外連接。

圖1 船用LNG燃料罐結(jié)構(gòu)

2 內(nèi)容器技術(shù)研究及分析

內(nèi)容器主要儲存低溫液化天然氣，同時承受低溫LNG汽化所產(chǎn)生的壓力，承載船舶運動引起的慣性力載荷和船舶晃動引發(fā)的晃蕩載荷以及液體LNG所存在的重力載荷。此部分載荷最終轉(zhuǎn)化成設(shè)計壓力，完成內(nèi)容器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，可采用第一強度理論。針對以上晃蕩載荷引發(fā)的共振，內(nèi)容器內(nèi)部設(shè)有防波板。

內(nèi)容器承載的所有載荷最終將通過內(nèi)外容器支撐進行傳遞，導(dǎo)致內(nèi)容器在玻璃鋼支撐處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，因此內(nèi)容器在支撐部位增加加強圈設(shè)置，提高抗彎能力（圖2）。

圖2 船用LNG燃料罐支撐結(jié)構(gòu)

該部位屬于應(yīng)力集中區(qū)域，因此存在幾點難題：①此部分支撐處屬于應(yīng)力集中區(qū)域，常規(guī)臥式容器計算公式不再適用，僅能借助之前項目經(jīng)驗，可靠性較差；②此部分支撐結(jié)構(gòu)的合理性需通過分析軟件進行校核，消耗較多的人力進行建模、劃分網(wǎng)格、求解結(jié)果，最終結(jié)果分析期間耗時較長；③此部分支撐結(jié)構(gòu)一旦確認后，分析結(jié)果不通過，圖紙及分析文件均需修改，耗時較長；分析結(jié)果通過，圖紙和分析資料均不會做優(yōu)化設(shè)計，產(chǎn)生過多的設(shè)計冗余，導(dǎo)致資源浪費及成本的增加。鑒于以上，確定和優(yōu)化內(nèi)容器支撐部位的布置及計算尤其重要。

2.1 支撐部位模型簡化

內(nèi)容器內(nèi)盛裝低溫液化天然氣，為均勻分布載荷，簡化考慮成集中載荷G。底部玻璃鋼相對內(nèi)筒體尺寸較小，底部支撐處載荷均勻受載，簡化成集中載荷F，見圖3。

圖3 船用LNG燃料罐支撐結(jié)構(gòu)受力示意

2.2 單支撐局部受力

結(jié)合上圖，受力計算公式如下：

=(×COS 30°)/4 。 （1）

2.3 失效模式分析

內(nèi)筒體支撐部位受外部玻璃鋼反作用壓應(yīng)力，主要失效模式為在集中力作用下，產(chǎn)生筒體和支撐處加強圈失穩(wěn)。模型截面分析見圖4。

圖4 組合抗彎模量

2.4 結(jié)果分析

按照DNV GL Part 5 Chapter 7 Section 22 2.4.4條款，有助于慣性矩的殼體長度的限制值為：

式中：—筒體外直徑，mm；

—板的凈厚度，mm, 不計腐蝕裕量。

最小慣性矩計算（mm4）：

x=(0.18××ed××s2)/E 。 （3）

式中：S—加強圈直徑，mm

ed—外部設(shè)計壓力，MPa。

通過式（2）和式（3）聯(lián)合計算得出結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果

注：加強圈尺寸為200×200×20，為所需慣性矩。

2.5 用WORKBENCH分析手段進行驗證

WORKBENCH軟件是國際上通用的分析設(shè)計軟件，WORKBENCH是ANSYS公司推出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中存在的異構(gòu)問題。

模型和計算結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 船用LNG燃料罐網(wǎng)格劃分

圖5 船用LNG燃料罐分析結(jié)果

2.6 WORKBENCH應(yīng)力分析結(jié)果

應(yīng)力分析結(jié)果見表2。

表2 應(yīng)力分析結(jié)果

2.7 分析概括

1）通過理論和計算公式得出，集中力大小為280 kN時，壓應(yīng)力所需的慣性矩大于T型加強圈和筒體聯(lián)合慣性矩，判定為不合格。

2）通過WORKBENCH進行計算得出，集中應(yīng)力大小為320 kPa時，壓應(yīng)力導(dǎo)致T型材超過屈服強度，導(dǎo)致失效。

此兩種計算方式采用不同的理論，但計算結(jié)果僅相差12.5%，同時公式計算結(jié)果較為保守，從而判定理論分析的合理性和正確性，可將推導(dǎo)公式應(yīng)用于工程實際。

3 外容器技術(shù)研究及分析

外容器內(nèi)部填充保溫材料，能夠降低熱傳導(dǎo)及熱輻射，同時內(nèi)部抽取真空，進一步限制熱對流，總體實現(xiàn)對內(nèi)容器進行保冷。外容器主要承受由于抽真空形成的外壓失穩(wěn)及強度問題，通過彈性失穩(wěn)計算可滿足工程使用。

4 玻璃鋼技術(shù)研究及分析

內(nèi)容器通過玻璃鋼支撐與外容器進行連接，之間形成夾層空間，內(nèi)容器重量及天然氣重量，全由底部4處或8處玻璃鋼支撐，玻璃鋼具有較好的低溫機械性能、較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可滿足實際使用要求。

5 鞍座支撐技術(shù)研究及分析

船用LNG燃料罐一般采用包角≥140°的鞍式支座，主要用于承載橫向載荷，鞍座承受均布載荷，相對于玻璃鋼處的集中載荷，弱化內(nèi)容器載荷對外筒體的影響。載荷直接通過高剛度鞍座傳遞至船體結(jié)構(gòu)。鞍座設(shè)計須同時考慮船體結(jié)構(gòu)屬于梁結(jié)構(gòu)，航行過程中船舶中間處于中拱或中垂，鞍座結(jié)構(gòu)型式及數(shù)量須充分考慮由此帶來的影響。

6 結(jié) 論

1）雙層LNG燃料罐主要關(guān)鍵技術(shù)為內(nèi)筒體與玻璃鋼連接位置處屬于高應(yīng)力區(qū)域，同時長期處于疲勞載荷的作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋及破裂。本文對雙層LNG燃料罐受力特點進行簡化，通過受力分析、理論推導(dǎo)及計算，最終通過分析軟件進行論證，解決該高應(yīng)力區(qū)域設(shè)計難題。

2）分析其他構(gòu)件的設(shè)計和功能，均有相關(guān)設(shè)計標準參考或不屬于異性結(jié)構(gòu)的集中載荷，一般計算即可保證船用LNG燃料罐的設(shè)計安全。

3）深入理解船用LNG燃料罐的關(guān)鍵技術(shù)，為船用LNG市場提供優(yōu)質(zhì)技術(shù)裝備，推動行業(yè)快速發(fā)展。

［1］DNV GL-RU-SHIP，船舶入級規(guī)范[S]．

［2］ASME BPVC-VIII-1，ASME Ⅷ 第一冊 壓力容器建造規(guī)則[S]．

Research and Analysis of Key Technology of Marine LNG Fuel Tank

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China）

The application field of double marine LNG fuel tank was studied, and the key technology of marine LNG fuel tank was analyzed. In particular, the high stress area of the support between the inner and outer vessel was analyzed. By model simplification, stress analysis and failure mode analysis, the calculation theory was formed, and the analysis software workbench was used for verification, and the general theory and calculation formula for solving the support structure strength and stiffness of marine LNG fuel tank was formed. Thus, the simplicity and complexity of analysis method were simplified, and the reliable and safe operation of marine LNG fuel tank was ensured.

LNG marine fuel tank; Glass steel support; Force analysis

2020-08-03

顧華（1985-），男，工程師，研究方向：液化天然氣（LNG）水上產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。

TH49

A

1004-0935（2020）12-1502-03