83 000 m3超大型液化气船液货舱整体吊装强度分析

邵逸峰，郑　雷（. 上海江南长兴重工有限责任公司，上海 093；. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 093）

83 000 m3超大型液化气船液货舱整体吊装强度分析

邵逸峰1，郑雷2
（1. 上海江南长兴重工有限责任公司，上海 201913；2. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

83 000 m3超大型液化气船（VLGC）是国内首次接单的该类船型，其建造难度非常大，能否安全、高效、精确的进行液货舱吊装定位，将直接影响到整船的建造效率和安装精度。本文对液货舱整体吊装方案进行有限元校核计算，分析，评估整吊方案的可行性，并给出结构补强建议，确保整吊安全，对该类型的独立液货舱的吊装方案设计具有重要参考意义和指导作用。

VLGC；A 型独立液货舱；有限元计算

0　引　言

随着石化工业的发展，液化石油气（LPG）作为天然气生产和原油精炼的衍生产品，愈来愈受到市场的重视。全球气候变暖，使 LPG 等清洁能源的需求不断攀升，从而为 LPG 运输市场的繁荣提供了机遇。通常而言，LPG 运输船，分为全压式、半冷半压式和全冷式 3 种。由于 LPG 海运量的增加，航运经济性要求的增长，使得中长距离干线运输的 LPG 船正朝着超大型全冷式（VLGC）方向发展。

83 000 m3VLGC 是上海江南长兴重工有限责任公司完全自主研发、设计和建造的国内首型超大型液化气船，一举打破了日、韩等国家的技术垄断。其液货围护系统为 4 个 A 型独立液货舱，其设计、建造和安装工艺是该船型的核心技术。为了提高建造效率和安装精度，首制船采用整体吊装工艺对液货舱进行安装定位。如何准确地预报和控制结构变形，评估关键区域应力水平，成为整吊方案可行与否的关键。本文以NO.1 液货舱为例，采用有限元方法对整吊方案的结构强度和变形进行可行性评估，并给出结构补强建议，为现场施工提供理论依据。

1　NO.1 液货舱整体吊装方案

NO.1 液货舱采用 2 台 800 t 龙门吊联吊的形式进行整体吊装，如图 1 所示。

为减少吊装完成后的切割、打磨工作量，本次吊装将液货舱上的止浮支座用作结构吊马，布置如图 2所示。

2　模型简化

参考 NO.1 液货舱图纸，建立结构有限元模型（见图 3），主要有以下几个方面的要求：

1） 全部板件与主要支撑构件都采用板单元模拟，普通扶强材采用梁单元模拟；

2） 钢丝绳采用杆单元模拟；

3） 模型不包括绝缘材料、管系与舾装件等，这部分质量平均分摊到模型中。

图 1　No.1 液货舱整吊示意图Fig. 1　No.1 Cargo tank lifting state

图 2　吊马布置图（1）Fig. 2　Lifting arrangement （1）

图 3　吊马布置图（2）Fig. 3　Lifting arrangement （2）

由于有限元模型对实际结构进行了一系列的简化和近似，所以质量和重心位置与实际有所偏差。NO.1液货舱长度为 43.711 m，宽度为 32.0 m，高度为 21.967 m，有限元模型质量、重心统计数据与实际数据进行对比如表 1 所示。

通过数据对比可知，模型重心分布与实际基本一致；质量误差较大，主要是绝缘材料、管系与舾装件的质量，可以通过调整重量加速度来弥补该部分质量误差。

表 1　No.1 液货舱质量、重心对比Tab. 1　Quality、center of gravity of No.1 cargo

对于某些高应力区域，应进行模型网格细化，真实模拟结构几何形状，进一步准确评估该区域的结构强度，细化后的结构模型如图 4 所示。

图 4　No.1液货舱有限元模型Fig. 4　No.1 cargo

3　计算流程与校核衡准

计算分 2 步进行：第 1 步是整体结构初步分析（粗网格分析），目的是初步判断吊装方案的可行性，并计算液舱整体变形及应力分布；第 2 步是局部详细应力分析（细网格分析），目的是精确评估结构吊马及其连接区域的详细应力。

Von. Mises 相当应力按下式计算：

计算不考虑应力集中因素，

结构应力应满足：

4　边界条件及载荷

每个吊钩处加位移约束条件，约束 3 个平动自由度，即 X = Y = Z = 0。

图 5　细化区域有限元模型Fig. 5　Fine mesh area

图 6　No.1 液货舱整体应力分布云图Fig. 6　Stress distributing fringe of No.1 cargo

图 7　No.1 液货舱整体变形云图Fig. 7　Displacement fringe of No.1 cargo

图 8　止浮装置详细应力Fig. 8　Anti-floatation area detail stress

另外，为保证计算，在液货舱底部中心线处，选取前后 2 个端点，约束 Y 向平动自由度，即 Y = 0。

模型所受载荷为重力，通过加载惯性力来加载重力加速度，同时考虑 1.2 倍的起升系数。

5　结果分析

由计算结果可知，最大应力出现在吊马端部结构空挡位置，建议纵骨贯穿孔添加嵌入式补板，如图 9所示。最大变形约 2.67 mm，出现在液货舱的顶部和底部，对液货舱安装定位无显著影响。结果表明，#1液货舱整体吊装方案可行。

图 9　吊马区域详细应力Fig. 9　Lifting area detail stress

6　结　语

不同于日、韩船厂采取的半罐吊装工艺，我们充分利用吊车起重能力，开创性的使用整体吊装形式，这对提高建造效率和控制安装精度具有重要意义，同时也减少了大量的船上焊接作业，有效地降低了火灾等事故的发生率。本文以 #1 液货舱为例，对整吊过程进行有限元校核计算，全面评估结构应力与变形，为现场施工提供技术支持。目前，现场已完成多个液货舱的整体吊装，实测数据与计算高度吻合。

［1］胡可一，李小灵. 中国首艘VLGC的设计和建造［J］. 中国造船，2014，55（4）：132-139.

［2］HU Ke-yi，LI Xiao-ling. The first VLGC designed and constructed in China［C］//Proceedings of the 6th Pan Asian Association of Maritime Engineering Societies/Advanced Maritime Engineering Conference 2014. Hangzhou：Shanghai Society of Naval Architects and Ocean Engineers，2014.

［3］HU Ke-yi，LI Xiao-ling. Big challenge- designing and constructing a VLGC，ocean engineering equipment & ship type development and design［C］//Proceedings of the International Maritime Conference & Exhibition，marintec China. Shanghai：Shanghai New International Expo Centre，2013.

［4］GU Jin-lan，LI Xiao-ling，LI Hai-zhou，et al. Strength and plastic deformation evaluation of liquefied carrier under floating ice impact［C］//Proceedings of the 6th Pan Asian Association of Maritime Engineering Societies/Advanced Maritime Engineering Conference 2014. Hangzhou：Shanghai Society of Naval Architects and Ocean Engineers，2014.

［5］Lloyd's Register. Rules and regulations for the construction and classification of ships for the carriage of liquefied gases in bulk［S］. London：Lloyd's Register，2010.

［6］张晗，符道，闫大海，等. 船舶建造工艺发展现状分析及对策［J］. 舰船科学技术，2013，35（2）：9-12.

［7］王亮，李小灵. 超大型全冷式液化气船液货管吊支撑结构FEM分析［J］. 江南舰船技术，2013（5）：12-14.

［8］李小灵，谷运飞. 计及热辐射及翼翅效应的VLGC温度场计算［J］. 船舶与海洋工程，2013（2）：15-22.

［9］孙丽萍. 船舶结构有限元分析［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013.

Lifting analysis on independent cargo tank of 83 000 m3very large gas carrier

SHAO Yi-feng1，ZHENG Lei2
（1. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co.，Ltd，Shanghai 201913，China；2. Jiangnan Shipyard （Group） Co.，Ltd，Shanghai 201913，China）

83 000 m3very large gas carrier，which is first of this type ships interiorly，the design and construction of ships are more complicated. Lifting and positioning independent cargo tank in safe and efficient accurate is direct impact the whole installation and construction progress. In this paper，FEA for the whole cargo tank lifting plan，analysis and evaluate feasibility，and get suggestion on structure reinforcement. Which can be taken as guidance for lifting Type-A independent cargo tank.

VLGC；type-A independent cargo tank；FEA

U671

A

1672 - 7619（2016）08 - 0076 - 03

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.016

2016 - 06 - 15

邵逸峰（1982 - ），男，工程师，从事船舶建造管理工作。