LNG海工装备薄膜型液货舱晃荡周期与晃荡载荷研究

李 科，江克进，张汇平

（沪东中华造船（集团）有限公司 开发研究所，上海 201209）

LNG海工装备薄膜型液货舱晃荡周期与晃荡载荷研究

李 科，江克进，张汇平

（沪东中华造船（集团）有限公司 开发研究所，上海 201209）

针对液化天然气（Liquefied Natural Gas， LNG）海工装备的薄膜型液货舱晃荡问题，按照挪威船级社（Det Norske Veritas， DNV）的规范，以4#液货舱为研究对象进行规范计算，由此得到各装载深度下的船体自身固有周期、舱内液体运动固有周期和液货舱晃荡载荷。比较船体自身固有周期与舱内液体运动固有周期，检验其是否符合规范要求；比较规范计算和模型试验所得液货舱晃荡载荷，检验模型试验是否可靠。经过这些比较发现：在某些装载深度下，船体自身固有周期与舱内液体运动固有周期比较接近，有引起液货舱内液体共振和砰击的风险；模型试验所得结果与砰击压力规范值较接近，是比较可靠的；考虑到共振和砰击的风险，后续的校核工作应重点关注砰击压力，并对液货舱结构作相应的加强。为今后改进建造LNG海工装备，建议针对液货舱内液体的共振和砰击进行更多、更细致的模型试验。

液化天然气海工装备；薄膜型液货舱；晃荡；规范计算

0 引 言

发展海洋经济、建设海洋强国，海洋工程装备必须先行［1］。近年来，随着我国经济和社会的不断发展，海上液化天然气（Liquefied Natural Gas， LNG）用途日益广泛，是船用燃料市场的一种重要新兴燃料［2］，其生产和运输对国民经济运行和国家能源安全的重大意义日益凸显。据统计，我国LNG的进口量早在2011年即已突破1000万t大关，此后亦逐年递增，2014年达到1989万t。南海等海域的海上气田开发也逐渐步入正轨。LNG进口量的猛增和海上气田的开发带来了对穿梭LNG运输船、浮式液化天然气系统（Floating Liquefied Nature Gas，FLNG）等相关LNG海工装备的巨大需求。我国造船企业应力争在LNG产业链的关键装备配套生产方面有所作为［3］。为此，国家将“穿梭LNG船关键技术研究”及“海上天然气液化存储关键技术研究”等项目列入了国家高技术研究发展计划（863计划），沪东中华造船（集团）有限公司（以下简称沪东中华造船）承担了这2个项目的研发工作。

沪东中华造船为上述2个项目研发的LNG海工装备的货舱为薄膜型液货舱。该货舱的宽度和装载深度都较大，尤其是在作业状态下，若不限制装载深度，则舱内液货可能会产生剧烈晃荡、带来冲击载荷，将给液货舱壁结构带来安全隐患。

分析认为，最危险的情况是舱内液体晃荡固有周期与船体自身固有周期接近，由此引起共振。为明确是否存在这种危险，需要对船体自身固有周期和舱内液体晃荡固有周期进行计算与核对。

中国船舶工业集团公司第七〇八研究所制作了LNG海工装备4#液货舱的模型，进行了晃荡试验，得到了一些监测点处的晃荡载荷等数据。为验证试验数据的可靠性，通过对试验结果进行计算、验算及分析，得到液货舱的晃荡载荷。

按照挪威船级社（Det Norske Veritas， DNV）的规范，对该海工装备4#液货舱晃荡问题进行计算，得到不同装载工况下的船体自身固有周期、舱内液体晃荡固有周期和液货舱晃荡载荷，继而比较舱内液体晃荡固有周期与船体自身固有周期，并将计算所得晃荡载荷与模型试验所得结果进行比较。

1 研究对象

研究的对象是LNG海工装备4#薄膜型液货舱，见图1。

图1 LNG海工装备薄膜型液货舱布置图

2 计算方法

按照DNV规范，对船体自身固有周期、舱内液体晃荡固有周期和液货舱晃荡载荷进行计算。LNG海工装备处于作业状态时，由于其液货装载深度没有限制，因此需要对不同装载深度下的液货晃荡进行分析研究。

2.1 船体自身固有周期计算

船体自身固有周期的计算采用＜DNV Rules for Classification of Ships＞ Pt.3 Ch.1 Sec.4→B。1） 横摇周期为

式（1）中： kr为横摇回转半径，m，这里取0.39B（ kr=0.39B为船体质量横向均匀分布的船舶； kr=0.35B为压载状态下的液货船；kr=B0.25为纵向舱壁之间装载矿石的船舶）；GM为初稳心高度，这里根据装载手册中所给0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h和0.9h等9个液货舱装载深度的GM值进行计算。

2） 纵摇周期为

式（2）中：L为船长； g0为标准重力加速度，g0=9.81 m/s2。

计算结果见表1。

2.2 舱内液体晃荡固有周期计算

舱内液体晃荡固有周期参考DNV＜Strength Analysis of Liquefied Gas Carriers with Independent Type B Prismatic Tanks ＞ Section 7进行计算。

舱内液体晃荡固有周期为

规范要求液体晃荡固有周期需偏离船体自身运动固有周期20%。

计算结果见表2。

2.3 液货舱晃荡载荷计算

液货舱晃荡载荷参照＜DNV Rules for Classification of Ships＞ Pt.3 Ch.1 Sec.4→C的要求进行计算。

对于距离横向制荡舱壁或端部舱壁0.25ls范围内的构件，晃荡压力满足

对于距离纵向制荡舱壁或舱边舱壁0.25bs范围内的构件，晃荡压力满足

液货舱上半部：

距离横向制荡舱壁或端部横舱壁0.15ls范围内，砰击压力满足

距离纵向制荡舱壁或舱边舱壁0.15bs范围内，砰击压力满足

对于纵向舱壁，高度0.2bs以下，砰击压力满足

式（8）和式（9）中：k =1.4-0.002L ，L＞200；δ为校核板与水平面的夹角。最外端横舱壁 0.15bs内角隅砰击压力≥pi（纵摇）+0.4pi（横摇）。

液货舱晃荡压力与砰击压力分布见图2。计算结果见表3。

图2 液货舱晃荡压力与砰击压力分布

3 计算结果

3.1 船体运动参数

为考察船体，取0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h，0.9h和0.985h等10个液货舱装载深度，参照前述的式（1）和式（2）得到各装载深度下的横摇周期、纵摇周期等船体运动参数（见表1）。

表1 船体运动参数

3.2 舱内液体晃荡固有周期

为考察液体晃荡固有周期，取0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h，0.9h和0.985h等10个液货舱装载深度，根据前述的式（3），计算得到横摇和纵摇运动下舱内液体晃荡固有周期（见表2）。

表2 舱内液体晃荡固有周期

3.3 液货舱晃荡载荷

由式（4）～式（9），得到液货舱横摇运动和纵摇运动下晃荡载荷的规范值（见表3）。

表3 液货舱横摇运动和纵摇运动下晃荡载荷规范值

4 比较液货舱晃荡固有周期与船体自身固有周期

对表1和表2进行比较，可以得到表4和表5。规范要求舱内液体晃荡固有周期偏离船体自身运动固有周期20%。

表4 舱内液体晃荡横摇固有周期与船体横摇固有周期比较

表5 舱内液体晃荡纵摇固有周期与船体纵摇固有周期比较

由表4可知：横摇时，各装载深度大多满足规范中“舱内液体晃荡固有周期偏离船体自身运动固有周期20%”的要求，但接近压载工况（即装载深度很低，≤0.1h）时不满足规范要求。由表5可知：纵摇时，只有接近压载工况的装载深度满足规范中“舱内液体晃荡固有周期偏离船体自身运动固有周期20%”的要求，一旦装载深度＞0.2h就不再满足规范要求。

也就是说，只有当装载深度≈0.2h时才能完全满足规范要求。而在实际运营中，与装载深度较为固定的一般LNG船不同，LNG海工装备的装载深度显然不能总是0.2h，从空舱到满舱皆有可能。这也就意味着LNG海工装备在各装载深度的实际工况（尤其是纵摇工况）下，很可能出现液货舱内液体与船体固有周期接近，从而引发共振的情况。在这些可能出现共振的工况下，液货舱内也就会发生剧烈的砰击现象。因此，第3.3节表3中所列的数据中，“砰击压力”也就应当得到重点关注，后续的结构校核和加强工作也应以此为前提展开。

5 比较规范计算所得晃荡载荷与模型试验所得晃荡载荷

模型试验对单自由度摇荡（横摇、纵摇、横荡及纵荡）和六自由度耦合运动（艉斜浪60°，艏斜浪130°）进行研究，得出“液货舱做六自由度耦合运动，各监测点上的砰击压力都远小于单自由度摇荡情况”的结论，并给出装载深度为0.6h时六自由度耦合运动下模型试验数据换算成实船的结果，但未给出单自由度摇荡情况下模型试验数据换算成实船的结果。

为便于比较，选取模型试验装载深度为 0.6h时各监测点晃荡载荷中的最大值（横摇工况摇荡周期为1.20s时是8.842kN/m2，纵摇工况摇荡周期为1.40s时是6.338kN/m2），依据相似理论，得到对应的实船结果（横摇工况摇荡周期为7.59s时是177.16kN/m2，纵摇工况摇荡周期为8.85s时是126.99kN/m2），并与规范计算所得结果进行比较，结果见表6。

表6 模型试验所得晃荡载荷与规范值

由表6可知，无论是横摇还是纵摇，模型试验所得结果均远远超过“规范计算晃荡压力”而略小于“规范计算液货舱上半部砰击压力”，可见所取的模型试验工况确实接近规范计算所得的共振工况，模型试验所得结果是可靠的。

6 结 语

按照DNV规范要求，对某LNG海工装备4#液货舱晃荡问题进行计算，得到其船体自身固有周期、舱内液体晃荡固有周期和液货舱晃荡载荷；继而比较舱内液体晃荡固有周期与船体自身固有周期，发现有引发共振和砰击现象的风险；进一步比较规范计算所得晃荡载荷与模型试验所得晃荡载荷，发现两者数值接近，由此推测模型试验比较可靠。

考虑到共振工况和砰击现象，后续进行校核工作时应重点关注砰击压力，并针对砰击压力作相应的结构加强。为了今后改进LNG海工装备，若条件允许，可针对共振工况和砰击现象进行更多、更细致的模型试验。

［1］ 周国平. 对接国家战略 推进上海海洋工程产业创新发展［J］. 船舶与海洋工程，2014， 30 （2）： 1-8.

［2］ 蒋玮，朱新礼. 液化天然气作为船用燃料的可行性研究［J］. 船舶与海洋工程，2013， 29 （3）： 74-78.

［3］ 袁超. 全球LNG产业发展前景及我国造船企业发展策略研究［J］. 船舶与海洋工程，2015， 31 （2）： 1-7.

Study on the Sloshing Period and Sloshing Load of Membrane Liquid Cargo Tank on LNG Offshore Equipment

LI Ke， JIANG Ke-jin， ZHANG Hui-ping
（R&D Institute，Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 201209， China）

To solve the sloshing problem of membrane liquid cargo tank onboard a Liquefied Natural Gas （LNG） offshore equipment， its NO.4 tank is taken as the example to perform the regulation calculation according to the Det Norske Veritas （DNV） rules to obtain the natural period of the ship under different loading depth， the natural period of the liquid inside tank and the sloshing load. The ship natural period and the liquid motion period are checked to make sure they meet the regulation then the sloshing loads obtained from regulation calculation and model experiment are compared to see if the model test is reliable. Through these comparisons， it discovers that the ship natural period is close to the liquid natural period under certain loading depth， which might cause liquid resonance and slamming impact inside the tank. The results of model test are close to the slamming pressure value specified by the rules， and are considered reliable. As there is the risk of resonance and slamming impact， subsequent work should focus on the slamming pressure and the structural reinforcement of the liquid tank. It is suggested to carry out more refined model tests to study the resonance and slamming inside liquid tanks for the future construction of LNG offshore equipment.

LNG offshore equipment； membrane liquid tank； sloshing； regulation calculation

U663.85； U661

A

2095-4069 （2016） 05-0015-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.003

2015-10-15

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2013AA09A216）

李科，男，工学学士，助理工程师，1991年生。2014年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶结构力学方面的工作。