LNG船货物机械室穿舱件温度场研究

王 磊，山 巍，王国平，刘 涛，徐达圣

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

LNG船货物机械室穿舱件温度场研究

王 磊，山 巍，王国平，刘 涛，徐达圣

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

货物机械室是大型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船液货系统的重要组成部分，是维持货舱及管路稳定压力、液货输送及驳运的核心区域。对某大型LNG船货物机械室的穿舱件及其周围的温度场进行研究，使用有限元法计算不同材料以及环境因素下的温度场，分析各影响因素的重要性及温度场状态形成原因。通过分析计算不同材料在低温下的性能及温度场分布，确定温度场中材料较脆弱、需要加强的区域，根据计算结果综合评估需要加强的材料面积。通过研究发现，越靠近低温管，温度梯度越大，温度下降得也越快，如果采用普通碳钢，低温面积约为管子截面积的4倍，而不锈钢材料可有效地减小低温面积。研究结果可为施工和甲板的稳定性设计提供理论依据，是设计优化的有效支撑。

液化天然气；液货系统；穿舱件；温度场；有限元法

0 引 言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船被誉为船舶行业中皇冠上的明珠。在大型LNG船的液货系统中，货物机械室负责对LNG液货装载管系的控制，包含干燥、惰化、驱气及预冷等过程，保持LNG液货管系的压力是其十分重要的功能。货物机械室与泵房中，有不少穿舱件穿过舱壁横跨甲板，在这些穿舱件中装载的是低温液货或气货，由于热传导的作用，将会使穿舱件周围的甲板温度急剧下降，由于材料在低温环境下各种性能都不同，将会使舱壁周围甲板结构不稳定。船级社在规范中对甲板结构在低温环境下使用的材料有明确的要求，秉承规范，需对穿舱件周围的温度场在设计阶段进行预测，并对一定温度范围内的区域材料进行加强。

采用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）法对该舱在实际情况下穿舱件周围甲板的温度场进行研究。通过对模型试验进行分析，给予穿舱件温度场的评估；对不同钢材进行分析比较，结合传热学基本原理说明设计的合理性，为船舶低温穿舱件周围结构设计提供参考。

1 穿舱件设计和规范校核

低温液货的存放与运输是LNG船的一大技术难关，其中包含许多交叉学科专业的研究和经验积累。货物机械室中遍布着低温管系，且某些低温管只有穿舱才能完成其管道系统所需的功能。图1为穿舱件的局部结构示意，穿舱件以套管和低温管段焊接的形式焊在船体结构上，即穿舱件处管子无绝缘，将导致此处的温度极低，引起局部强度在低温环境下下降。因此，对穿舱件周围温度场的研究是保证其周围甲板在低温环境下的结构强度的重要环节。为尽可能地保证低温管周围材料的特性，需要用导热系数更低、低温下强度更好的钢材，但费用昂贵，于是评估这个低温区域并合理进行设计是非常必要的。

图1 穿舱件局部结构示意

原甲板采用的碳钢导热系数较大，对于甲板低碳钢，根据船级社规范［1］及钢级化学成分组成［2］，该船在穿舱件处甲板钢的传热系数为45～60W/（m·K）。该数值的导热系数较大，故热传导更容易发生，将导致低温区域扩散得更快。根据船级社的规定，低温情况下使用钢级的材料导热系数应该较低，因此周围的低温不会扩散得较快，需对局部低温区域进行耐冷材料的加强。

结合LNG船货物机械室的设计，根据船级社规范及GTT设计公司的报告，可确定货物机械室的温度边界条件、材料导热系数、对流传热系数及穿舱件的大小等，据此进行有限元建模及边界条件的加载。

2 穿舱件温度场有限元计算

2.1 有限元计算温度场［3］

计算物体的温度场相当于求解初始条件和边界条件下的热传导微分方程，其数学表达式为

当 0τ= 时：

边界条件是物体表面与周围介质之间的温度相互作用的规律。在温度场计算中，常用以下3种边界类型。

1） 在边界条件1C上：

2） 在边界条件2C上：

3） 在边界条件3C上：

根据变积分原理，上述求解偏微分方程的问题可转化为下列反函数的极值问题。

式（8）中：Ie为单元e内的积分值。对式（7）求偏微分，得

由泛函数实现极值条件，应有

将式（9）代入（10）即可求出各节点的温度Ti。

2.2 有限元模型

穿舱件周围的温度场决定了材料加强区域的范围大小，根据规范要求，在穿舱件周围甲板的设计中必须进行温度场的有限元计算。通过穿舱件温度场的有限元计算，可根据穿舱件周围的低温对材料加强区域进行合理的评估。既要保持甲板结构的安全性，又要保证建造成本最小化。

图2为货物机械室的三维设计图，在图中标出了不同管径大小的管子通过穿舱件横跨两舱的情况，基于此尺寸，建立图3所示的有限元模型。

图2 穿舱件管系布置

图3 穿舱件管系有限元网格

图4为该舱四周的温度边界条件定义，是基于GTT公司依据IGC（International Gas Carrier Code）给出的货物机械室甲板周围的温度分布情况确定的。

基于传热学的材料物性手册［4］，依据一般介质的对流传热系数，对材料进行导热系数定义，该船在穿舱件处甲板钢的导热系数为 45～60W/（m·K）。出于保守的原则，由于传热系数大则扩散面积大，因此选取60W/（m·K）作为材料的导热系数。根据传热学理论，对流传热的散热作用对此结构的效果次于热传导，在此有限元分析过程中，取为5W/（m2·K）。穿舱件处所加的温度载荷与管内流体一致，根据实际情况有-150℃，-163℃及-196℃ 3种温度的载荷。

2.3 有限元分析结果

穿舱件处的温度有-150℃，-163℃，-196℃ 3种工况，因此若通过热传导到甲板的温度在某个区域内也必然低于船级社所给出的最低温度为-30℃的条件，则使用超低温工况下的船级社规范。英国劳氏船级社（Lloyd's Register of Shipping，LR）第六章的表6.2［5］给出了低温条件。在温度场区域内评估出的危险区域内使用316L（00Cr17Ni12Mo2Ti）不锈钢材料，该材料为一种奥氏体不锈钢，在低温工况下体现出的物理特性十分优秀。

图4 边界条件

在进行温度场有限元分析结果前，定义0℃及以下为低温条件，将对0℃及以下的区域用316L耐低温钢进行加强。计算的重点关注对象即0℃以下的区域范围为多大。根据有限元计算结果得出温度场，并根据各个结点的温度划分出低于0℃的区域进行面积的预估。

图5为货物机械室穿舱件的温度场总体，图6为整个货物机械室＜0℃的低温区域，图7和图8分别为部分穿舱件周围详细的温度场及低温区域的面积范围示意。

图5 货物机械室穿舱件的温度场总体

图6 整个货物机械室＜0℃的低温区域

图7 低温区域1的温度场

图8 低温区域4的温度场

表1为各个穿舱件区域的低温区域的统计表，预估了材料的加强范围。

表1 各个穿舱件低温区域的统计

图9为某穿舱件附近的温度场。由该图可知，温度衰减从最初开始的一段距离时最明显，随后逐次递减。

2.4 材料加强后的模拟结果

经过以上计算，对这些低温区域进行材料更替，用有限元软件进行模拟材料加强后的温度场情况。

图10给出图7低温区域更换材料之后的温度场［6］，其中线框区域为原低温区域的大小，将其改为导热系数较小的材料（即316L）。由温度场可知，低温面积得以减小，甲板结构得以加强。

图9 图7穿舱件附近温度场

图10 图7低温区域加强后的温度场模拟

通过上述计算结果可以得到以下结论：

1） 在与低温管接触的区域，温度快速下降，温度梯度较大，当温度接近0℃以后温度变化趋于缓慢，这是由于温差逐步减少造成的；

2） 采用低温不锈钢材料以后，温度＜0℃的面积比采用碳钢设计时明显减小，低温不锈钢较小的热阻对低温管区域的温度影响较大；

3） 采用普通碳钢时，温度＜0℃的面积大致为低温管面积的4倍，在后续船舶的设计中可以采用该面积进行材料预估。

3 结 语

以某大型LNG船为例，对货物机械室穿舱件设计的一些关键技术进行了探讨。阐述了该船型穿舱件周围甲板低温区域材料加强的设计、面积预估、货物机械室温度场有限元计算和最终方案的模拟等开发设计过程中的一些关键技术，对货物机械室温度场有限元分析进行了概述，可为货物机械室穿舱件周围甲板材料加强的区域面积提供设计参考。

［1］ Rules & Regulations for the Construction & Classification of Liquefied Gases in Bulk［S］. 2012.

［2］ American Bureau of Shipping. Rules for Conditions of Classification 2009［S］.

［3］ 于亚婷，杜平安，王振伟. 有限元法的应用现状研究［J］. 机械科学与技术，2005， 22 （3）： 6-9.

［4］ W. M. 罗森诺. 传热学基础手册［M］. 北京：科学出版社，1992.

［5］ 江克进，戴立，王辉辉，等. 大型薄膜型 LNG 船结构开发设计［J］. 船舶与海洋工程，2014 （3）： 1-5.

［6］ 陈熙，陈康，李小灵. 液化气船支承区域温度场分析计算及对比［J］. 船舶与海洋工程，2014 （4）： 8-12.

Research on the Temperature Field of Penetration Pieces in Cargo Machinery Room of LNG Carrier

WANG Lei， SHAN Wei， WANG Guo-ping， LIU Tao， XU Da-sheng

（Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

Cargo machinery room is an important part of the liquid cargo system on the large liquefied Natural Gas （LNG） carrier. It is the core sector to maintain stable pressure in the pipelines and to carry out liquid cargo delivery and transfer. This paper studies the penetration pieces and its surrounding temperature field of the cargo machinery room on the large LNG carrier， where the finite element method is used to calculate the temperature field corresponding to different material and environmental factors， and to analyze the significance of each influencing factor and the formation of the temperature field. The weak regions that need to be reinforced are identified through analyzing both the performance and the temperature field distribution of different materials， and the size to be reinforced is comprehensively evaluated based on the calculation results. Through the study， it is found that the temperature gradient is larger in the region closer to the low temperature tube where the temperature drop is also faster. If ordinary steel is used， the low temperature area is about 4 times the section of the tube. However， stainless steel material can effectively reduce the low temperature area. This study provides some theoretical basis for construction and deck stability design， and is helpful for design optimization.

LNG； liquid cargo system； penetration piece； temperature field； finite element method

U664.4+3

A

2095-4069 （2016） 04-0013-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.004

2015-07-28

王磊，男，高级工程师，1984年生。2006年毕业于华中科技大学热能与动力工程专业，现主要从事船舶轮机设计工作。