20000m3 LNG運輸加注船結構設計特點

溫保華，劉文華，陳彥希

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

上海船舶研究設計院為挪威船東設計的20000m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）運輸加注船是目前世界上最大的TYPE C型LNG燃料加注船。該船設有3個獨立C型雙體罐，具有安全、節能和環保等特點，既能運輸LNG，又能為其他船舶和終端加注LNG。

該船在結構上很像帶有封閉甲板的散貨船，設置有雙層底、底邊艙、頂邊艙、單殼舷側、單甲板和水密底凳結構，橫艙壁為平面結構，底墩與兩側壓載艙相連。船首區域和機艙區域各安裝1臺側推器，其中：船首區域的側推器為伸縮推；機艙區域的側推器為常規側推。船中區域設有高位和低位集管區，貨艙前端設有低位集管區，便于操作，加氣系統的接口為預留設置。

1 船型概述

該20000m3LNG運輸加注船是一艘國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）2G船型（見圖1），其獨立液貨罐封頭為球型，貨物圍護系統設計溫度為-163℃，設計蒸氣壓力為0.45MPa，最大貨物密度為0.5t/m3。該船的主要參數為：總長約159.90m；型寬24.00m；型深16.75m；設計吃水8.00m；結構吃水8.20m；液貨艙容積約20000m3；航速約15.5kn。

圖1 20 000 m3 LNG運輸加注船總布置視圖

2 典型結構設計

2.1 靜水彎矩設計

液化氣體船一般呈中拱狀態，控制船體結構重量主要是通過降低中拱靜水彎矩實現的，尤其是要控制中和軸以上結構的重量，盡量降低結構的重心，有利于保證整船的穩性。本文所述LNG運輸加注船的中拱彎矩值主要取決于隔艙裝載工況，因而在配載時考慮將壓載水放置在船體中部壓載艙，從而有效減小中拱彎矩。此外，船東對該船的最大靜水彎矩有特殊要求，要求其在典型工況下航行時的設計彎矩和剪力包絡值有20%的余量，因此有效減小船中的最大中拱彎矩值是非常必要的。

在計算結構的總縱強度時，根據航行工況和港口工況的彎矩和剪力值分別進行包絡，其中航行工況應區分典型工況（主要指正常航行和操作工況，如滿載、隔艙和正常壓載等）和非典型工況（指進塢、檢查螺旋槳等）。典型工況的包絡值根據船東的要求考慮20%余量，非典型工況的包絡值考慮10%余量，由此確定該船的設計彎矩和剪力值。在確定船中的設計彎矩的取值范圍時，不必在整個船中0.4L（L為船長）范圍內都保持不變，而是根據實際包絡值范圍進行必要的調整，這樣貨艙結構的尺寸不需要保持不變，而是逐步向兩端過渡，在滿足規范和船東要求的情況下，盡可能地減小構件的尺寸，控制結構重量。

一般液化氣體船在實際運行工況下的中垂靜水彎矩值都比較小，本文所述LNG運輸加注船也不例外。

2.2 結構布置與規范設計

與典型散貨船的結構型式類似，LNG運輸船的雙層底結構、底邊艙、頂邊艙和主甲板通常采用縱骨架形式布置，頂邊艙與底邊艙之間的單舷側結構通常采用橫骨架式布置，這樣既能較好地滿足總強度要求，又方便船廠建造。對于貨艙前后端結構，尤其是貨艙前端，由于其線型的變化，在空間變得較為狹窄之后，可將骨架形式改為橫骨架式，但應注意縱骨架式結構向橫骨架式結構的過渡。通常情況下強框間距可采用3檔或4檔肋骨間距。

在進行結構布置時，需滿足《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》（簡稱《IGC規則》）中有關結構構件與液罐絕緣之間絕緣檢查的間隙要求[1]。對于液化氣體船而言，液貨艙的艙容是船型的重要指標，為提高艙容，在船體尺度確定的情況下，需綜合平衡結構與液艙絕緣之間的通道要求，尤其是在貨艙前后兩端液罐體還未發生收縮的區域，需兼顧船體線型與結構布置之間的優化設計，并提前考慮到位。

通過第2.1節初步確定設計彎矩和剪力之后，采用挪威船級社新一代NAUTICUS HULL軟件建立規范模型并進行相關計算，使其滿足規范要求，如總強度、極限強度、局部強度、連接面積和縱骨疲勞等。典型中橫剖面結構示意見圖2。

圖2 典型中橫剖面結構示意

2.3 船體溫度場計算與材料鋼級選擇

根據《IGC規則》的要求，采用獨立C型艙的液化氣體船需計算其貨艙區的溫度場分布，目的是根據溫度場計算結果選取貨艙區船體鋼板的鋼級，以防止船體結構在低溫情況下發生脆性破壞[1,3]。對于本文所述LNG運輸加注船而言，由于船東無特殊外部環境溫度要求，在計算時，外部環境溫度按《IGC規則》定義的環境溫度選取，即：空氣溫度為5℃；海水溫度為0℃。當然，若船東、港口國主管機構或船旗國有特殊的設計溫度要求，則需按特殊要求下的最低環境溫度分析。對于C型艙而言，液貨溫度-163℃作用于主屏壁罐體上[1]。

溫度場分析可采用簡化計算方法或有限元方法。目前工程上采用較多的方法是簡化計算方法，即將船體和液罐系統的三維傳熱簡化為一維傳熱方式進行溫度場計算。計算中結合具體布置，考慮熱的傳導、對流和輻射等。對于液罐鞍座處的溫度場分析計算，主要考慮熱傳導作用。若計算得到的基座結構溫度接近于-30℃，建議采用有限元方法進行溫度場分析，以便得到更準確的鞍座處溫度場分析結果；在進行有限元分析過程中，可考慮空氣中的輻射和對流作用[4]。

本文所述LNG運輸加注船的船東無特殊外部環境溫度要求，因此基于《IGC規則》定義的環境溫度，采用簡化方法進行溫度場分析。貨艙區結構構件除了滿足規范本身定義的材料鋼級選擇要求以外，還根據溫度場計算結果滿足《IGC規則》定義的低溫下材料鋼級選擇（見表1）的要求。通常情況下，《IGC規則》的鋼級選擇要求比各船級社的要求高。基于《IGC規則》環境溫度下該船的溫度場計算，除了鞍座區域溫度接近于-29℃以外，其余內殼位置的溫度都在-5℃以上，都可采用船用常規鋼板，無需采用低溫鋼。

表1 《IGC規則》要求下貨艙區材料鋼級選擇

此外，該船還需考慮美國航線，根據USCG（United States Coast Guard）的要求，在選擇C型氣體船的船體鋼級時，還需滿足USCG對甲板邊板、舷頂列板和舭部板鋼級的特殊要求。

2.4 船體典型鞍座結構和止浮結構設計

采用C型艙的液化氣船的每個貨艙內都設置有2個獨立的鞍座結構，以支撐液罐自身（見圖3），前端的鞍座設置為滑動型式，后端的鞍座設置為固定型式。每個鞍座都由鞍座面板、鞍座腹板和沿著徑向布置的縱向肘板構成，能有效地將液罐的動載荷和靜載荷傳遞至船體結構上，鞍座面板與液罐之間通過硬木和環氧有效連接。在鞍座下面的雙層底中至少設置3檔實肋板，以有效承擔鞍座傳遞過來的較大載荷和增大鞍座附近的剛度。固定鞍座還應設置縱向止擋肘板，以承受船體碰撞時向前慣性力0.50g（g為重力加速度）和向后慣性力0.25g。

圖3 典型鞍座結構圖

每個鞍座上方的頂邊艙位置都設置有止浮裝置，采用額外的加強結構形式，以有效抵抗船舶發生意外時，貨艙空艙進水情況下，獨立液罐上浮產生的載荷，保證此處船體結構的安全性。最大載荷為破艙水線下罐體排開體積引起的海水重量與罐體結構重量之間的差值。鞍座處船體結構和止浮結構的強度通常采用直接計算的方法得到。

3 有限元強度計算

根據挪威船級社的規范和指南進行結構強度校核分析；在進行有限元建模時，采用軟件MSC.Patran進行網格劃分，材料特性、單元屬性和構件分組均在該軟件中進行。將所得信息以bdf文件的形式導入到船級社的軟件Genie中，創建自重工況進行試算。模型無誤之后，導出艙室信息，通過Nauticus Hull V.20生成載荷文件。最后，在Genie中進行剪力彎矩調整、屈服強度計算、拉壓計算、屈服和屈曲強度評估等工作[2-3]。

3.1 有限元模型

根據規范的要求，對于有3個及3個以上貨艙的船型，艙段分析模型范圍為3個貨艙長度（1+1+1），其中中間貨艙為屈服和屈曲強度評估區域。主船體的建模要求與常規船型一致，不同之處在于其鞍座區域需考慮木塊的模擬，以便正確傳遞液罐上的載荷。

由于要單獨對液罐進行建模分析，在艙段模型中，液罐僅用來傳遞載荷。鞍座中的木塊只能承受壓力，不能承受拉力，不同的船級社對此采用不同的方法。挪威船級社采用Truss單元，開發了專門的拉壓分析程序[3-5]。

3.2 計算工況

挪威船級社的指南對計算工況做出了明確的描述，分別為靜態工況、海上航行工況和事故工況。工況中給出了評估范圍，有的適用于船體，有的適用于鞍座，后續分析時需注意區分。DNV GL新規范向散貨船和油輪共同結構規范（Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers, CSR）靠攏，工況復雜，有的裝載模式考慮浪向包有11個子工況，若考慮到剪力彎矩調整位置不同，子工況還要增加。有限元分析的工況共有48種，故以往的手工加載方式難以實現。挪威船級社的Nauticus Hull V.20軟件為新一代規范計算軟件，能自動將上述工況生成單獨的載荷文件，方便后續調用。

3.3 計算結果

不同結構部位和工況的評價標準不同，粗網格屈服利用因子和船體粗網格許用屈服利用因子分別見表2和表3。根據規范許用的屈曲強度利用因子，取與許用的屈服強度利用因子相同。在對有限元結果進行評估時，結構構件的實際屈服強度利用因子應滿足

同理，結構構件的實際屈曲強度利用因子應滿足

式(2)中：ηact為結構實際屈曲強度利用因子；ηall為許用的屈曲強度利用因子。

表2 粗網格屈服強度利用因子

表3 船體粗網格許用屈服強度利用因子

由表2和表3可知：待評估的構件分為船體和鞍座2類；材料可分為普通鋼、H32高強度鋼和H36高強度鋼等3類；工況可分為靜態工況（AC-I）、靜+動工況（AC-II）和事故工況（AC-III）等3類，基于上述組合工況，構件的屈服和屈曲評價將非常復雜。為簡化評估，Genie軟件采用名義利用因子Uf，即實際屈服/屈曲強度利用因子與對應的許用屈服/屈曲強度利用因子的比值。這樣在進行有限元后處理時只需考慮構件類型、工況大類、屈服強度名義利用因子和屈曲強度名義利用因子。只要構件的名義利用因子小于1.0，就可滿足規范的要求。

計算結果表明：船體結構屈服和屈曲強度均能滿足要求，但甲板氣室開口區域的應力相對較高，屈服強度名義利用因子達到0.9。對此，根據船級社和船東的要求，采用子模型方法，單獨細化氣室周邊的結構，細化分析規范要求和細網格大小描述參照規范[2]。細化后其利用因子約為1.31，小于挪威船級社規范要求的1.5，滿足規范要求。氣室開孔處細化后的有限元屈服應力見圖4。

圖4 氣室開孔處細化后有限元屈服應力

4 振動和噪聲分析

隨著船東對船舶舒適性的要求越來越高，該船還需滿足挪威船級社規范中舒適性符號COMF(V-3)的要求。COMF(V-3)對船體振動的要求遠高于ISO 6954—2000(E)標準，其艙室、集控室等位置處振動速度的最大幅值應小于3.5mm/s r.m.s。COMF(V-3)對船體噪聲的要求與MSC337(91)標準相近。該船典型的振型（二階垂向振型，f=2.47Hz）見圖5。

該船采用統計能量法與經驗性公式相結合的方法對各艙室的噪聲進行預報。結果表明，全船的噪聲情況較好，所有艙室都滿足挪威船級社COMF(V-3)的要求。該船的煙道與生活區域分開布置，極大地避免了機艙內噪聲經由機艙棚和煙道傳至上層建筑中，同時對機艙風機的噪聲實現了有效隔離。該船主甲板面上浮動地板的使用有效降低了主甲板艙室和上層艙室的噪聲水平。

圖5 二階垂向振型（f=2.47 Hz）

5 結 語

LNG運輸加注船是一種設計和建造難度大、附加值和市場需求高的船型。在設計20000m3LNG運輸加注船過程中，通過與船廠、船東和船級社積極溝通，優化了結構布置，嚴格控制了空船重量。本文通過對20000m3LNG運輸加注船的結構典型設計特點（包括靜水彎矩設計、結構布置與規范設計、船體溫度場計算與材料鋼級選擇、典型鞍座結構設計和止浮結構設計）等進行闡述，并對其進行有限元強度分析、全船振動分析和艙室噪聲分析等，梳理了液化氣船船設計的關鍵技術特點和基本設計過程，對今后液化氣船的設計有一定的參考意義。