小型液化气船结构设计.doc

小型液化气船结构设计研究
[摘 要] 本文通过分析讨论IGC及船级社对液气船的设计要求，以22000M3 C型双耳罐液化气船为载体，从五个主要方面讨论该船的结构设计，为同类船型提供参考。
[关键词] 液化气船 C型罐 温度场 简化 参考
1 前言
小型液化气船一般指载货量在40000 M3以下的气体船，根据运输货物品种的不同分为LNG船、LPG船、LEG/LPG多用途船等。其中LNG船以运输货物沸点温度为-163℃的液化天然气（LNG）为主，LPG船以运输货物沸点温度为-54℃的液化石油气（LPG）为主，LEG/LPG多用途船所运输货物除了LPG外，还可以运输乙烯、氨水、氯乙烯单体、烷烯类氯化物或氧化物等化工用品，沸点温度最低可达-104℃。对于这三类船型除了沸点温度，及设计压力等不同外，在结构设计方面十分相似，因此可以通过研究某一种船型的结构设计来类推其他船型。
液气船由于载运货物的特殊性，除满足国际海事组织（简称IMO）的“国际散装运输液化气体船舶建造与设备规则”（简称IGC）的规定，还需满足船级社对强度，安全，布置等方面的要求。
本文以公司研发的22000M3的LEG/LPG船为载体，通过分析C型双耳罐液化气船的结构设计，可引申到所有小型液化气船的结构设计，为未来我公司在该类船型的设计上做好技术储备。
2 主船体及C型独立液货舱布置
2.1 IGC的布置要求
2.1.1 根据IGC规定本船属于C型独立液货舱2G型船舶, IGC对于此类型液货舱的破损残余能力有以下要求：
1），横向保护要求：当5,000 m3≤ Vc < 30,000 m3， d = 0.8 + Vc/25,000 m；
2），垂向保护要求：d=min(B/15,2)m;
3），其他位置保护：d不小于0.76m；（其中Vc为单个液货船舱容积，为左右舱之和，
d为外板的理论线到罐体的理论线的距离）。
2.1.2 IGC对此类型液货舱的检验通道也有明确的要求，有以下要求：
1），检修通道处，液货舱绝热层的表面（平面或曲面）与结构件自由边之间的距离至
少为380mm如甲板横梁、扶强材、肋骨、桁材；
2），当验船师不要求在结构件及绝缘表面通过，仅通过目视检查时，结构件的自由边
缘与所检查的表面之间距离至少为50mm,或者为构件面板的半宽，取大者
2.2 货舱布置
如上述要求, 22000M3的LEG/LPG沿船长布置了四个C型双耳罐液货舱，其中一号液货舱由于受船体线型的限制，设置为锥形双耳罐。二号液货舱在考虑了横舱壁扶强材的尺寸及建造误差后，沿船长方向，C型罐绝缘表面距离水密横舱壁构件面为1130mm，距离非构件面为430mm（见图1）。

图1
沿横向距离外板的距离，及垂向距离甲板及内底板的距离跟纵向类似，都需满足IGC的要求，一般情况下，绝缘表面距离外板的距离容易受到型宽的限制，此时可以通过调节C型罐两圆心的间距解决。甲板下构件到绝缘的距离，通常可以通过加大梁拱的高度解决通道问题，此处不再详述。总的来说检验通道的要求对结构设计影响较大，应该在方案设计时充分考虑，避免设计后期的改动。
2.4 强框架确定
当每个舱的长度确定后，再从结构强度的角度考虑要尽量等分强框架的间距；但从与C型罐的连接上讲要布置在C型罐平行中体部分，每个C型罐对应两个基座，靠船尾侧为固定基座，靠船首侧为滑动基座。当液罐装满货物后，它可看成受均布载荷的简支梁，根据材料力学的原理，若平行罐体的长度为L，则当外伸长度A=0.207L时，两个支座中间的最大弯矩和支座截面处弯矩绝对值相等，另外考虑到封头其抗弯能力强于筒体的抗弯能力，故越靠近封头，对基座处筒体截面的加强作用越有效，所以基座一般设置尽量靠近平行中体的端部。
此外当船舶横倾30℃时，对C型罐必须有合理的支撑，基座处的高应力值，一般将基座的包角角度加大，鞍座靠船中心线部分留出施工空间，并尽量向中心延伸。同时，在基座档的前后肋位处，同样需要设置强档，一方面保证此处的强度和刚度，另一方面增加此处温度场的传递通道。
3 主船体结构强度计算
3.1设计弯矩剪力确定
针对该类液气船，船级社没有强制规定最小弯矩剪力值，只要求了最小的剖面模数和最小惯性矩，故包络值一般取决于装载手册。该船在设计时发现，实船装载中拱弯矩值较大，
根据设计经验，在中垂弯矩选取时，有取中拱数值的1/2 ，1/3，或1/10等不同取法。法国船级社BV就该问题认为，虽然液气船在使用过程中不会产生大的中垂弯矩，但随着规则规范的修改，从安全的角度讲，对此类船的要求会逐渐加强，未来规范在此处的定义会提高，

推荐中垂取中拱的1/2；另外从船舶的实际抗弯能力上讲，船舶可承受的中垂弯矩不会与中拱相差太大；同时从船体梁的结构强度计算结果上看，提高一定的中垂值并不会带来构件的增加；从使用的角度来说，也增加了装卸的便利性，因此该船最终选择了加大中垂值到1/2中拱值。
对于设计剪力，规范也没有要求最小值，实际装载中，隔舱装载的也情况不多，即使隔舱装载，由于货物密度较小，船体梁承受的剪力也不大，所以根据实际装载情况设计即可。
3.2 规范计算
在确定结构布置及设计弯矩剪力等输入条件后，展开规范强度校核。以三号舱中间位置处横剖面为例，利用BV规范软件MARS计算。计算结果表明，在满足结构屈服强度的前提下，船体梁极限强度、纵骨疲劳强度、规范要求的屈曲强度都容易满足。
从计算结果来看，大多数结构尺寸由局部强度决定，只有甲板板及纵骨由船体梁中拱强度决定，特别是底部压载舱周界结构尺寸对于船体梁富裕较大。在设计初始阶段，总体将上下压载舱联通为一体，这就造成内底板，外底板等底部压载舱周界的水压头很大，液舱的动压力也比较大，验算表明，如果改为上下压载舱不连通，则液舱的动压力可减少30%；经过对比不同装载工况，压载舱修改对船舶稳性也无影响，综合考虑，最后将上下压载舱设置为不连通，从而明显的节省了结构重量。
对于横向构件尺寸，除横舱壁由破损工况的压头决定外，其他部位一般由最小厚度决定。
3.3 有限元计算
对于C型舱的液气船，不同船级社的规定略有差异，本船以BV的规定为例计算。根据 BV Guidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks（2012 V3）的要求利用Veristar计算软件分析。根据要求，该类船型一般至少对两个结构形式不同的舱段进行分析，作为研究，本船选取三号舱作为目标进行粗网格分析。
在建立模型时需要注意，对于固定基座需采用SOLID（体）单元模拟，对于滑动基座需采用GAP（弹簧）单元模拟，其他结构用板或梁单元模拟。粗网格大小采用骨材间距。针对主船体结构，指导手册要求的典型装载工况如表1及图2，计算结果见图3。
N°
描述
吃水
SWBM
正浮状态
倾斜状态
港口
A1
A2
B
C
D

LC1
均匀装载
T
MSW,S
X
X
X
X
X

LC2
压载
TB
MSW,H
X

X

LC3
隔舱装载
0.9 T
0.7 MSW,H
X

X

LC4
隔舱装载
0.8 T
0.7 MSW,S

X
X

X

LC5
港口装载

0.5 MSW,H

X

X*
LC6
破舱进水 (0.8D)
T
0.5 MSW,H

X
表1

图2 

图3
有限元计算结果表明，在屈服强度方面：只有在甲板气室开孔处以及止浮处应力超出要求，其他位置基本满足屈服强度。这两处需要增加板厚或通过细网格进一步分析。在屈曲强度方面：外底板的屈曲问题特别严重；底边斜板、水线下外板及横舱壁也有屈曲问题。
4 C型罐设计
C 型罐作为压力容器，IGC对它的各项设计指标有明确的要求，主要有以下七个方面。

4.1设计蒸气压力P0
对于设计蒸气压力值应从三个方面考虑：
1) ，罐体形状尺寸、货物密度、罐体材料、及IGC强制的最小要求；
2) ，满足船东使用的最小要求，并不得小于释放阀的最大调定值（MARVS）；
3) ，P0是组成C型罐内部总压力的重要部分，其大小直接影响到筒体的厚度，P0的取值应与筒体强度余量做好平衡；
4.2 内部总压力
内部总压力，Peq= P0+ Pgd ，Pgd为内部液体压力；P0已在上面阐述，这里只讨论 Pgd的计算。内部液体压力是由船舶运动引起的货物重心加速度和动力加速度的联合作用，公式由IGC给出：
Mpa
αβ—在任意横倾和纵倾方向上由重力和动载荷引起的无因次加速度（相对于重力加速度）；
Zβ—从所确定的压力点沿横倾和纵倾方向向上量至液货舱壳板的最大液柱高度；
对于αβ的计算，以前一般仅同时考虑两个方向的加速度分量即（X-Z）或（Y-Z）方向的二维椭圆合成法，但用这种方法的计算结果在横舱壁及横舱壁与纵向构件交接区域存在明显误差。NEW-IGC对于αβ的计算要求必须采用三维加速度椭球合成法，同时经过实船计算表明，三维椭球合成法比二维椭圆合成法精度高，计算结果更可靠。
4.3 材料许用应力
常见的低温材料有铝合金、奥氏体钢、镍钢和碳锰钢四种，根据不同的材料，IGC规定，跟C型舱相关的所有低温构件包括法兰的最大许用膜应力K不得超过Rm/A与Re/B中的较小者（Rm与Re分别为室温下的抗拉强度下限值和屈服应力下限值），A与B的取值至少应为附表二中所列的最小值。其中对于A和B的规定，美国海岸警卫队（USCG）与IGC略有差异，具体见表2。
IGC
镍钢和碳锰钢
奥氏体钢
铝合金
A
3
3.5
4
B
2
1.6
1.5
USCG
镍钢和碳锰钢
奥氏体钢
铝合金
A
4
4
4
B
2
1.6
1.5
表2
4.4 筒体设计
筒体即C型罐的平行中间部分，不包括两端的封头。关于筒体厚度计算，各家船级社的公式之间在焊接系数和腐蚀方面略有差异，但计算结果大致相当。本文以BV船级社的要求为例。筒体板厚的计算公式为：

P—内部总压力；D-罐体直径；K-许用膜应力；e-焊接系数；
本文中目标船计算结果表明，在C型罐底部及靠底部45℃范围内厚度最大，沿垂向向上依次减小。一般筒体的厚度由该计算公式决定，有限元计算不会增加尺寸。
4.5 封头、气室、集液槽设计
封头的设计种类较多，各家船级社都有相应的计算公式。常见的有椭球形、扁球形和球形三种

。虽然球形相对于椭球或扁球形的空间利用率略低，但它具有抗压能力强，厚度要求较低，施工简单等优点，在船舶上应用球形设计较多，本文目标船也采用球形设计。这里需要提醒的是，根据有限元强度分析结果，在封头与筒体的过渡区域需要加强。
气室的设计与筒体类似，注意开孔的补强，集液槽的设计也比较简单，这里不再赘述。
4.6 加强环、制荡舱壁设计
加强环按功能划分为鞍座加强环和真空环两种。在C型罐固定及滑动鞍座平面内应分别设置加强环，以抵御鞍座处的弯矩和剪力。当罐体处卸货状态时，随着罐内货物的减少，罐内压力明显降低，内外压力差会使筒体受压，为保证筒体的稳定性，应在筒体中间的合适位置设置真空加强环。
C型舱存在部分装载工况，应验证不同充装高度时的晃荡载荷，特别是当液体晃荡的自然频率接近船舶的纵摇周期时，液体的晃动和纵摇运动发生共振，对液罐的封头产生很大的冲击力，若设置了制荡舱壁就可以改变晃动频率，避免产生共振,从而减小晃荡载荷。一般利用下面公式考察制荡舱壁的必要性。
4.7 C型罐有限元计算
对于C型罐来说，有限元分析除考虑主船体的装载工况外，还要考虑0.5F大小的前冲力和0.25F大小的后冲力（F为液罐及货物总重量）、船舶横倾30℃、以及码头实验工况等。
分析结果（见图4）发现有四处不满足强度要求：罐内加强环左右相交处、加强环30℃转角处、气室与罐体开孔处、封头与筒体过渡处。

图4

5 温度场计算
根据船级社规定，当船舶运输货物温度在-20.C以下时，需要提交船体结构温度场计算书，以掌握船体及液货舱的温度分布状态，并通过温度场分布状态为低温钢材料等级的选取提供理论支持。对于C型独立液舱来说，温度场计算主要针对液货舱鞍座和液货船相邻的船体结构，计算出温度分布，依此确定钢材等级，同时按照温度梯度分布进行热应力分析，把热应力作为附加值加入在液舱强度计算中去。
计算方法主要有两种：a),数值计算法；b),有限元分析法。其中数值计算法，利用EXCEL表格先假定各层初始温度，然后通过迭代达到设定的精度，从而计算出各层的实际温度，进而

确定钢材等级。有限元计算法，即通过建立有限元模型，设置热系数，利用有限元软件计算温度分布。数值计算法其优点是工作量小、计算速度快、图纸完整度要求低；其缺点是计算精度稍差，计算范围有限制。有限元计算法其优点是计算精度高、计算范围广（可计算任何区域）；其缺点是，工作量大、硬件配置要求高、图纸完整度要求高。
本船先采用数值法估算，在初步设计完成以后又采用有限元计进行验算，计算结果如图5。

图5
6 结语
总之，小型液化气船由于其装载货物的特殊性，其设计与散货船、油船有很大的不同，特别是在安全的角度，它的要求更高，IGC也从不同的角度做了规定。本文以开发的22000M3LEG船为载体，从船型分类、货舱布置、结构强度计算、C型罐设计、温度场计算等方面做了分析和探讨，为以后在该船型上的设计做了指引和参考，同时为A型、B型、液化气船的设计做了借鉴。
【参考文献】
[1] 杨世铭、陶文铨，《传热学》..北京：高等教育出版社，1998.
[2] 中国船舶工业、船舶重工、中国造船工程协会 《船舶设计实用手册》..北京：国防工业出版社，2013.
[3] 李小灵、谷云飞，计及热辐射及翼展效应的VLGC温度场计算，《船舶与海洋工程》2013，（2）：15-22.
[4] 北京太阳谷经济信息中心，《中小型LNG船舶关键技术研发与市场前景预测报告》2013.
[5] International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk
(IGC Code 1993)
[6] Guidelines for Structural Analysis of LPG Carriers Type A with Prismatic Independent Tanks ND n0 350 DTO
(September 2012)

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