薄膜型液化天然气船结构规范计算的比较和研究

吴嘉蒙 吕立伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

液化天然气（LNG）船是高技术、高难度、高附加值船舶，也是我国“十二五”规划纲要中明确重点发展的主力船型。

根据国际海事组织（IMO）《国际散装运输液化天然气体船舶构造和设备准则》（International Code for the Construction an Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，以下简称“IGC 规则”）的定义［1］，以装载LNG的液货舱类型划分，LNG船主要分为两类：

（1）薄膜型（Membrane Tank）LNG 船，其货舱围护系统主要有GTT的NO.96型、MarkIII型以及CS1型；

（2）独立型（Independent Tank）LNG 船 B 型，主要有Moss球罐型和日本IHI公司的SPB型。

目前，大型LNG船较多采用薄膜型液舱。

不同于国际船级社协会（IACS）统一要求的油船和散货船共同结构规范（CSR），针对薄膜型LNG船，各主要船级社都有各自的结构规范［2-5］，虽然存在一定的差异性，但同时也具有共同点，如都需要满足IGC规则等。

本文将以某型22万m3薄膜型LNG船为研究对象（采用GTT的NO.96型货舱围护系统），比较研究ABS、DNV和LR船级社对薄膜型LNG船的结构规范，研究重点集中在腐蚀厚度、规范计算等。

1 液货舱周界腐蚀厚度的比较

各船级社规范对薄膜型LNG船的腐蚀厚度要求各不相同。

ABS 规范［2］基于所谓“净厚度”概念，但此“净厚度”不同于CSR要求的净厚度理念：前者的“净厚度”不考虑船舶的设计营运寿命，仅对应满足ABS针对压载舱涂装要求和规范强度要求的最小厚度/尺寸，且不作为换新厚度的依据；后者则基于北大西洋25年设计营运寿命和涂装要求，与实际营运和换新厚度相关联，针对不同强度要求对应有不同的腐蚀厚度比例。

DNV规范［3］对于板的腐蚀厚度要求有明确的规定，对于型材的腐蚀则通过在剖面模数计算中乘以腐蚀因子wk加以考虑。通常，压载舱内，对于T型材或角钢，有wk=1.15；对于球扁钢，有wk=1.09；对于扁钢，不考虑腐蚀因子，而是按板的腐蚀厚度要求考虑。对于空舱内的骨材，不考虑腐蚀，即有wk=1.0。

LR 规范［4］则基于“总厚度”，不单独考虑腐蚀厚度。但从其规范公式体系看，对于型材的计算基于总厚度，对板的计算采用“计算值+附加厚度”的形式。因此，也可将其中的附加厚度等效为腐蚀厚度。

经研究，发现上述3家船级社对薄膜型LNG船液货舱周界的腐蚀厚度要求几乎相同，如表1所示。其中，双层甲板以及双层横舱壁之间按空舱考虑。

表1 各主要船级社对薄膜型LNG船液货舱周界的腐蚀厚度要求

从表1中可以看到，ABS要求的腐蚀厚度和LR的等效腐蚀厚度完全相同，而DNV要求的腐蚀厚度与另两家的主要差异在于空舱和液货舱的交接面，即DNV不考虑这些区域的腐蚀厚度，之间的差异为1.0 mm。

对比研究上述关于薄膜型LNG船液货舱边界的腐蚀厚度要求后，可进一步研究不同船级社关于薄膜型液货舱周界构件尺寸的差异。

2 液货舱周界局部支撑构件的规范计算比较

LNG船液货舱内部压力统一按IGC规则的要求进行计算，文献［6］编制了IGC载荷的电子计算表格。基于IGC载荷Peq，各主要船级社都给出了薄膜型LNG船液货舱周界局部支撑构件（板和骨材）的计算公式。以下作简单分析。其中，板厚的单位均为mm，骨材剖面模数的单位均为cm3。

2.1 板

对于板厚，在IGC载荷作用下，ABS、DNV和LR的规范公式如下：

式中：Pgc、Peq均为 IGC 载荷。 Peq在（1）式中单位为 N/cm2，在（2）式中单位为 kN/m2，在（3）式中单位为bar。在LR规范中，板的IGC载荷计算点取在该列板距下缘1/3处，而在ABS和DNV规范中，板的IGC载荷计算点均取在该列板的下缘处。

s为纵骨间距，在（1）式和（3）式中单位均为 mm，在（2）式中单位为 m；k、ka、cf为板的长宽比系数，通常取1；tk为内壳腐蚀厚度，按表1取；k2为0.5。

σ=0.8σf，普通钢 σf=235 N/mm2；

f=0.75fy，普通钢 fy=23 500 N/cm2；

kf为高强度钢系数，普通钢kf=1。

将式（1）、（2）、（3）统一取为净厚度（扣除腐蚀厚度）并统一单位，得：

于是，当Peq一致时，得：

考虑IGC载荷计算点的差异，对于同一列板，LR要求的Peq将小于ABS和DNV的要求值。以3 m板宽为例，LR要求的Peq将减小约3%，故得：

2.2 纵 骨

对于纵骨剖面模数，在IGC载荷作用下，ABS、DNV和LR的规范公式如下：

式中：cgc为腐蚀系数，液舱内的纵骨取cgc=0.9，空舱内的纵骨取cgc=0.94；

K1为 0.9；

l、le为纵骨的有效长度，m；

fb为许用弯曲应力，对于普通钢，有：

k，m 为 12，对于纵骨；

wk为纵骨的腐蚀系数，对于液舱内的T型材，通常wk=1.2；

F1为参与总强度的系数，对于中和轴附近F1=0.12；

σ=0.75σf，但不必大于 σf-σL-σD/H，对于中和轴附近采用普通钢的纵骨：

σL为总纵弯曲应力；

σD/H为双壳内的弯曲应力；

Peq为除按IGC规则计算外，LR规定还应不小于0.001L1+0.07或L1/571的大者。

因部分船级社的规范公式中需考虑总纵应力的影响（如LR和DNV），以及双壳内弯曲应力的影响（如DNV），因此选取中和轴附近的纵骨作为比较对象（压载舱内），将公式（6）、（7）、（8）统一单位后，得：

其中，对于ABS规范要求的纵骨，考虑压载舱腐蚀的影响，假定：

2.3 隔离舱扶强材

对于隔离舱内的扶强材剖面模数，在IGC载荷作用下，ABS、DNV和LR的规范公式如下：

式中：γ为对于型材或组合型材或双层舱壁，γ=1.4；对于扁钢，γ=1.6；

ω1，ω2为端部系数，可都取为 1.0；

对于横向扶强材，m取为10。ABS规范中此处k仍取为12；

wk为扶强材的腐蚀系数，空舱wk=1.0。

将公式（10）、（11）、（12）统一单位后，有：

其中，对于ABS规范要求的扶强材，在空舱内仍需考虑腐蚀影响，假定：

对于隔离舱横舱壁板和扶强材，除上述要求以外，LR船级社还要求按IGC规则的规定考核在LNG冲击压力Pcoll（向前的冲击压力为单个货舱重量的1/2；向后的冲击压力为单个货舱重量的1/4）下的构件强度。对于板厚，LR要求：

对于扶强材剖面模数，LR要求：

其中参数说明如前所述。

经计算发现，公式（14）和（15）对隔离舱构件的影响不大，仅对隔离舱顶部区域的部分构件有决定作用。

2.4 数值计算结果及分析

除IGC载荷以外，对薄膜型LNG船液货舱的周界结构而言，规范计算时还要满足船级社规范的其他强度要求，如最小尺寸、压载深舱/试验压力、最小剖面模数等，不同船级社规范在这些方面的差异更大，很难进行简化分析。

现以某型22万m3薄膜型LNG船为目标船，给出其液货舱周界典型构件尺寸，按3家船级社规范计算结果的大致差异以及相关主导作用的规范要求，见表2。其中，以DNV船级社规范的计算结果为标准值，取为1.0。

表2 各主要船级社针对目标船液货舱周界上局部支撑构件的规范计算比较

经研究，对于板而言，约3%的差异将导致约0.5 mm的差异。对于扶强材或纵骨，实际选取的构件尺寸与要求的构件尺寸相比，剖面模数通常会有一定的余量，但3%的差异几乎不影响骨材的构件尺寸。另一方面，船级社规范对于骨材的要求还有所谓的“成组”概念，即同一组骨材（尺寸和连接型式相同）的构件尺寸，满足以下的大者（如油船共同结构规范的要求［7］）：

组内骨材要求尺寸的平均值；

组内骨材要求最大尺寸的90%；

综上所述，对于薄膜型LNG船，不同船级社液货舱边界上局部支撑构件的规范计算比较结论如下：

（1）3家船级社得到的LNG船液货舱周界结构构件尺寸大体相当。

（2）液货舱顶部区域的内甲板和Chamfer斜板板厚主要由总强度确定。

（3）由IGC载荷决定的船体内壳板，3家船级社的差异如式（5）所示。其中，LR和ABS的结果较接近，而ABS和DNV的主要差异在于许用应力。

（4）由IGC载荷决定的隔离舱壁板，由于腐蚀厚度的差异（DNV不考虑隔离舱壁板的腐蚀，而ABS和LR均取为1.0 mm），LR和ABS的规范计算结果基本一致，普遍比DNV规范计算结果大2.0 mm。

（5）由IGC载荷决定的船体内壳上的纵骨。由于3家船级社考虑参与总纵强度的方法不同：ABS采用限制许用弯曲应力，LR和DNV采用扣除总纵应力的方法，DNV更考虑双壳间附加弯曲应力的影响，因此，除中和轴区域的差异如式（9）所示外，在远离中和轴区域差异较大，DNV要求最高、LR次之、ABS要求最低。

（6）由IGC载荷决定的隔离舱上的骨材，3家船级社的差异如式（13）所示，DNV要求最高、LR次之、ABS要求最低。

（7）针对内底纵骨以及Hopper斜板上的构件（板和纵骨），3家船级社的决定性要求有所不同。

3 薄膜型LNG船局部支撑构件统一要求的可行性

3.1 可行性及具体建议

薄膜型LNG船货舱区局部支撑构件包括两部分内容：液货舱周界和非液货舱周界。前者包括内底板、Hopper斜板、内壳、Chamfer斜板、内甲板和双层横舱壁，后者则指除此之外的其他货舱结构。

从上述分析可以看到：除内底和局部的Hopper斜板区域由深舱要求主导以外，其余液货舱周界上的局部支撑构件都由IGC载荷或总强度确定。而针对非液货舱周界，虽然各船级社计算结果有所差异，但计算局部支撑构件尺寸的方法是一致的，都可基于力学理论推导得出半解析计算公式，可参照目前IACS正在制订的油船和散货船协调共同结构规范（Harmonized CSR，以下简称 HCSR）。

因此，统一薄膜型LNG船局部支撑构件要求是可行的，建议如下：

（1）非液货舱周界腐蚀厚度tk可统一参照HCSR；液货舱周界在液货（内装LNG）一侧的腐蚀厚度可统一取为0，另一侧的腐蚀厚度统一参照HCSR。

表3给出了建议统一的薄膜型LNG船液货舱周界的腐蚀厚度tcorr。与表1相比可以看到，空舱与液货舱边界（包括Chamfer斜板、内甲板和横舱壁）的腐蚀厚度要求比原船级社要求增加0.5 mm，压载舱与液货舱边界则普遍将比原船级社要求增加1.0 mm，位于压载舱顶以下3 m范围之内的要求增加1.5 mm。

表3 建议统一的薄膜型LNG船液货舱周界的腐蚀厚度

（2）总强度按不同货舱围护系统的型式，根据设备商（如GTT）的要求确定，但计算基于总厚度。

对于 NO96 型，有：σst+σdy≤120 MPa

其中：σst对应为经常使用的装载工况（如满载或压载工况）下出现的静水弯矩最大值引起的弯曲应力，但通常不包括隔舱装载、URS11以及压载水置换；

σdy对应北大西洋海况10-8概率水平下的波浪弯矩引起的弯曲应力，可按IACS统一公式计算。

（3）非液货舱周界的局部支撑构件要求统一参照HCSR，但计算基于净尺寸。

（4）液货舱周界除按深舱边界满足HCSR要求以外，还要满足IGC载荷要求。计算基于净尺寸。

（a）对于板，建议满足IGC载荷局部强度的计算公式为：

式中：Peq为IGC载荷，kN/m2。IGC载荷统一按照三维加速度椭球合成法求解［6］，载荷计算点取板的下缘或骨材的跨距中点。

αp为板格修正系数，有

其中，l为板格长度，m；s为骨材间距，mm，但取值不大于1.0。

ReH为材料的最小屈服限，N/mm2。

Ca为板格许用弯曲应力系数，取但取值不大于Ca-max。α，β和Ca-max的取值如表4所示。

表4 参数α，β和Ca-max的定义

σhg为船体梁总纵弯曲应力，N/mm2，取：

Mv-total-p为纵向计算位置处的船体梁垂向总弯矩，kN·m；

IY为纵向计算位置处的船体梁垂向惯性矩，m4；

z为计算点的垂向坐标，m；

zn为纵向计算剖面处的中和轴高度，m。

（b）对于骨材，建议满足IGC载荷局部强度的计算公式为：

式中：Peq和 s的定义与式（16）一致。

lbdg为骨材有效跨距，m；

fbdg为边界系数，通常：

对于连续纵骨，有fbdg=12；

对于有强支撑的垂直扶强材下端，有fbdg=10；

对于一端简支或两端简支的垂直扶强材，有fbdg=7.5；

Cs为骨材的许用弯曲应力系数，因IGC载荷作用在骨材的带板上，因此Cs定义为：船体梁应力σhg为负时，，但取值不大于Cs-max；

船体梁应力σhg为正时：Cs=Cs-max。

αs，βs和 Cs-max的取值如表 5 所示。

表5 参数 αs，βs和 Cs-max的定义

3.2 数值验证计算

以某型22万m3薄膜型LNG船为目标船，按公式（16）和（17）对其液货舱周界典型构件进行验证计算，结果如表6所示。其中，以表2中各船级社的计算结果大者为标准值，取为1.0。

表6 针对目标船液货舱周界上局部支撑构件的统一要求计算结果比较

从表6的计算结果可以看到，按建议的统一要求得到的构件尺寸均不小于按各船级社要求的计算结果，表明了统一要求的安全衡准不低于各船级社的要求。其中部分构件的尺寸增大是由于腐蚀厚度tcorr的影响。

因此可以认为，建议的统一要求可行且合理，将有待相关船级社作进一步的验证分析。

4 结 论

本研究结合某型22万m3薄膜型液化天然气船，细致讨论了不同船级社规范对液货舱周界结构的腐蚀厚度、局部强度计算公式等的异同点，并给出了数值计算结果。在此基础上，归纳了不同船级社规范对薄膜型LNG船的要求，探讨了未来薄膜型LNG船在局部支撑构件尺寸统一要求方面的可行性，并通过数值验证计算评估了建议方法的合理性。

［1］IMO.InternationalCode for the Construction and Equipment of ships Carrying Liquefied Gases in Bulk（IGC Code）［S］.London：IMO，1993.

［2］ABS.Guide for Building and Classing Membrane Tank LNG Vessels［R］.Houston：ABS，2008.

［3］DNV NO.31.9，Strength Analysis of Hull Structure in Liquefied Gas Carriers with Membrane Tanks［S］.Norway：DNV，2008.

［4］LR.Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships for the Carriage of Liquefied Gases in Bulk［S］.London：LR，2008.

［5］中国船级社.薄膜型液化天然气运输船检验指南［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］吴嘉蒙，吕立伟，蔡诗剑.液化天然气船货舱内部压力研究［J］.上海造船，2011，85（1）：37-42.

［7］IACS.CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers［S］.London：［s.n.］，2010.