中小型LNG船货罐鞍座及附近船体材料分布研究

杨青松 陆丛红 纪卓尚

大连理工大学船舶工程学院船舶CAD工程中心，辽宁大连 116085

中小型LNG船货罐鞍座及附近船体材料分布研究

杨青松 陆丛红 纪卓尚

大连理工大学船舶工程学院船舶CAD工程中心，辽宁大连 116085

C型独立液货罐是中小型LNG船的主要液舱形式，属于半冷半压式容器。由于贮存LNG的液货罐处于低温状态，且因与船体相连的鞍座支撑，在鞍座及附近船体上就会形成温度梯度，故有必要对鞍座及附近船体结构进行温度场分析，以确定其材料分布。提出了对该C型独立液货罐鞍座及其附近船体结构热分析的方法，认为鞍座及其附近船体处在低温液货、海水与空气3种流体介质中，通过船体与3种流体的对流换热及其与层压木之间的热传导达到热平衡。借助ANSYS有限元软件，给出有限元热分析模型的简化和对流载荷的施加方法，以确定鞍座及其附近船体结构的温度场分布，结合材料的最低许用设计温度确定鞍座及附近船体结构材料的合理分布，以防止材料发生低温脆性破坏，并给出具体实例。

LNG船；C型独立液货罐；鞍座；有限元热分析；材料分布

1 引言

中小型LNG运输船是LNG船型发展至今的一个新概念［1］。在中小型LNG船上，贮存液体的货罐处于低温状态且由与船体相连的鞍座支撑，这样在鞍座及附近船体上就会形成温度梯度。这种温度梯度导致结构出现热应力，又会在低温部位影响材料的材料特性。为此，计算鞍座附近船体结构温度场确定其材料分布具有重要意义，然而对鞍座附近船体材料分布确定方法研究的相关文献甚少。本文参考了文献［2］应用有限元分析软件ANSYS对某一母型船滑动鞍座及附近船体结构进行了稳态热分析，得到了相应工况温度场；参照材料许用设计温度，对鞍座及其附近船体材料进行了合理的布置，以适应低温环境，避免材料发生低温脆性破坏，为此种船型的鞍座及附近船体结构材料的选择提供有益参考。

2 C型独立液货舱及支撑鞍座

C型独立液货舱常用于LPG船、乙烯船等，新近几年制造的中小型LNG船也部分采用C型独立液货舱，如2009年刚投入营运的挪威“诺杰创新”号便采用了这种液货舱。C型独立液货舱属半冷半压式容器，通常采用圆筒形式，且无需设置次屏壁。由于载运的货物温度达－163℃，故液罐钢壳采用耐低温且具有较低热膨胀系数的奥氏体钢［3］，如可选用 AISI304L。罐体外部粘结聚苯乙烯泡沫和镀锌钢板作为绝缘层，起绝热保温作用［4］。罐体由与船体相连的滑动鞍座和固定鞍座支撑，如图1所示。由于罐体其它部位已有绝缘保温层包裹，故低温液货罐体与船体之间的热传递主要发生在鞍座处。

3 材料的许用设计温度

按照中国船级社 《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》规定：如果所运载货品温度在－10℃以下，则应设置适当的绝缘层，以确保船体温度不会降低到有关钢级规定的最低许用设计温度。”表1为中国船级社《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》对材料与钢级的要求［5］。

表1 船体结构最低设计温度表

从表1可以看出低温情况下各钢级的允许使用范围，如A级钢最低许用设计温度－5℃，厚度不超过15 mm，D级钢最低许用设计温度－20℃，最大厚度不超过20mm。

4 热分析模型及温度场

有限元热分析的基本原理是所处理的对象首先划分成有限个单元 （每个单元包含若干个节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程，由此计算出各节点处温度，继而进一步求解其它相关量［6］。

自然界存在3种基本热量传递方式：热传导、热对流和热辐射。当物体内部存在温度差时，就会发生热传导现象，同时如果流体与不同温度壁面接触时会发生热量交换情况，称为“对流换热”［7］。中小型LNG船货罐鞍座及附近船体处于罐体内低温液体、舱外空气和舱外海水3种流体介质中，因此，认为模型的边界条件是液货舱罐体板与低温液体对流换热，液货舱罐体板通过层压木与船体鞍座之间发生热传导，设计水线以上船体与空气发在对流换热，设计水线以下船体与海水发生对流换热［8］，由于船体舱室空间封闭，船体结构与舱内空气的对流换热相对较小，为简化计算，忽略舱室内的对流换热［9］。

本节对某10 000m3LNG船的其中一个6 000 m3C型独立液货罐的鞍座及附近船体结构进行了热分析，并给出分析结果和材料分布。本模型筒体板、层压木及鞍座面板采用solid90单元，其它板材采用shell57单元，为简化模型，未建立纵骨及加强筋，但通过增大板材的热传导系数k对传热的影响进行弥补［10-11］。由于没有相关规范对热分析模型范围提供建议，故参照中国船级社C型独立液货舱支座及其支承构件结构强度评估细则建模要求，模型沿船长前后各6个肋位距离，高度至船舶甲板顶部，考虑船体沿中纵剖面左右对称，建立1／2模型即可，网格模型如图2和图3所示。

材料传热系数，钢板 48 W／mk，层压木 0.25 W／mk（层压木厚度370 mm），空气与船体对流换热系数16.27W／m2k，海水与船体对流换热系数139.5 W／m2k，LNG 与 液 罐 筒 体 板 对 流 换 热 系139.5W ／m2k［12］。边界流体温度，液货舱低温 LNG－163℃，海水温度0℃，空气温度5℃。

通过以上条件定义有限元模型边界条件和对流载荷，计算得到模型的温度场分布云图，如图4～图7所示：

从图中可以看出，鞍座面板温度接近－15℃，鞍座腹板－14℃，鞍座肘板－14℃，水线以下船体结构在0℃以下，水线以上船体结构在－6℃～5℃之间（本模型设计水线距基线6 700 mm），详细温度数据见表2。结合材料许用设计温度和最大厚度要求，给出材料分布建议，见表3。

5 结论

通过对中小型LNG船鞍座及附近船体进行有限元热分析，得到模型的温度分布云图，并得出以下结论：

1）鞍座层压木对低温的阻隔作用是很在效的，设置层压木后，本例的鞍座面板及附近船体结构温度已控制在－15℃附近，但还须参考材料的最低设计温度对钢级进行选择，以防止材料低温脆性破坏。

表2 鞍座及附近船体结构各部分温度分布

表3 材料分布建议表

2）从1）可以推论，通过调节层压木厚度可以实现鞍座及附近船体温度场控制和优化，层压木厚度的设计和优化将是后续的主要研究内容之一。

3）本文借助有限元热分析的温度场数据，结合中国船级社的有关规定，给出了合理材料分布，避免了材料发生低温脆性破坏。此方法具有一定的工程实用性，为解决相关工程问题提供了有益的参考。

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M aterials Distribution of Cargo Tank Saddle and Nearby Hull Structure of Small and M edium LNG Carrier

Yang Qing-song Lu Cong-hong Ji Zhuo-shang
Ship CAD Engineering Center， Da l ian University of Technology，Da l ian 116085，China

The C－shape independent liquid cargo tank， the main liquid tank form of the small and medium LNG carrier，is a semi－chilled and semi－compressed container.Because of the low temperature around the liquid tank， which loads LNG and is supported by the saddle connected with hull structure，temperature gradientwill be formed on the saddle and nearby hull structure.So it is necessary to analyze the temperature field about the saddle and nearby hull structure so as to determine thematerial distribution.The thermal analysismethod for the saddle of the C－shape independent liquid cargo tank and nearby hull structure is proposed.It is considered that the bearing of the cargo tank and the nearby hull structure is surrounded by the three mediums， low－temperature liquid cargo， seawater and air， and achieves heat balance by convective heat transfer between hull and the threemediums and the heat conduction between hull and laminated wood.With the FEM software ANSYS， a simplified model for thermal analysis and the approach to applying convection load is given to determine the temperature field layout of the saddle and nearby hull structure.Meanwhile，combiningwith the allowable design temperature of thematerials， the suitablematerials distribution is given， which can prevent thematerial from the low－temperature break.An instance is given which is ameaningful attempt to solving the problem of the material distribution for the bearing and nearby hull structure surrounded by the low temperature.

LNG carrier； C－shape independent tank； saddle； finite element thermal analysis； material distribution

U663.7

A

1673－3185（2010）04－40－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.009

2010－02-02

杨青松（1984－），男，硕士研究生。研究方向：船舶设计及结构。E-mail：qingsongyp@163.com

陆丛红（1972－），女，讲师。研究方向：智能船舶CAD与信息集成系统

纪卓尚（1938－），男，教授。研究方向：船舶设计制造及船型开发