中小型LNG船C型罐温度场分析及鞍座设计选择

周伟

中小型LNG船C型罐温度场分析及鞍座设计选择

周伟1,2

以启元号28 000 m3LNG运输船为研究对象，基于ANSYS有限元软件，建立该船三维有限元模型，计算分析该船C型独立液货罐鞍座及其附近船体结构的稳态温度场；结合实船运营基准以及船级社、IGC标准要求，确定鞍座的形式与船体结构的钢板等级和厚度。

LNG船；C型独立液货罐；鞍座设计；温度场计算；材料选择

经过近年的迅速发展以及LNG(液化天然气)作为基本能源的大量开发，中小型LNG运输船(日本、韩国将其定义为Mini LNG)已逐渐成为主流建造船型之一。C型罐属于半冷半压式独立储罐，既能够达到-163 ℃的载运环境，同时又能承受一定的压力；采用9%镍钢焊接制造的C型罐，适用于载运量小，营运周期短的中小型运输船，不必采用再液化装置，制造工艺简单，价格低廉，安全性高。储存液体的货罐处于低温状态，下方由鞍形基座支撑，并通过层压木与结构相连。这样，罐体、鞍座、层压木以及船体结构上就会形成温度梯度；进而产生热应力，同时影响低温部分的材料特性。为此，以实际船型应用有限元计算软件ANSYS进行鞍座及其附近船体结构的温度场分析，得到相应工况的温度场，参照船级社的材料许用设计温度，对鞍座和附近船体结构材料进行合理选择，避免低温脆性破坏。

1 LNG船基本情况

28 000 m3LNG运输船是首艘由国内设计并经CCS(中国船级社)认可的LNG运输船，单机单桨，由双燃料主机驱动，带PTO功能，2G型船，运营于国际航线；运载的液化天然气主要成分为甲烷，本船设计货物密度0.50 t/m3，最小设计温度为-164 ℃，设计压力为0.35 MPa。

2 鞍座形式

独立的C型罐属半冷半压式压力容器，采用的是圆筒形筒体，长圆形的筒体承受压力最好，且无需设“次屏蔽”。根据本船的装载容量和航行海域，为更好地提高船型的舱容利用率，采用双圆筒罐(又称双耳型筒罐)。罐体采用9%镍钢[1]，最小设计压力为3.5 MPa，远大于储罐设计压力；且许用应力为213 MPa[2]，也超过了低温铝镇静钢和AISI 304L两种耐低温材料。因此设计壁厚得以降低，不仅减少了罐体重量，增大了储存空间，也增加了储备浮力。罐体外部采用0.095 W/(m2·K)的聚氨酯绝缘材料包裹，厚度经过计算决定至少为340 mm(拱顶除外)，使用年限可以达到30年，满足DIN4102标准；最外层采用最小0.5 mm厚度的镀锌钢板包覆，避免水蒸气结露或结霜，保护聚氨酯材料[3]。

液货罐通过鞍形支座与船体结构相连，简称鞍座。货罐及其所装载LNG的重量集中在鞍座上，各种冲击力也作用在鞍座上，因此鞍座的形式和强度需要特别考虑。而且，为了防止热膨胀，以及由于罐体及其液货重力使罐体弯曲等原因对货罐引起附加应力，货罐一般只设计2只鞍座，分别布置在艏和艉，其中一个鞍座为固定式，另外一个为滑动式。

鞍座与船体的连接形式有2种。第1种，鞍座直接与船体连接，与液货罐采用层压木相连，见图1；第2种鞍座与液货罐直接相连，与船体通过层压木连接[4]，见图2。参考以往LPG、LEG船成熟设计，采用第1种方式设计，因此本船考虑采用层压木作为第1道绝缘绝热层，并根据某5 000 m3LPG船鞍座处层压木的厚度计算简化方法[5]对层压木厚度进行选择。设定层压木下鞍座温度-30 ℃，鞍座周向长度12.15 m，货物温度-164 ℃，初步计算得出所需层压木厚度518 mm，远超一般LPG、LEG船舶层压木250～400 mm的厚度；由于本船船型已经确定，如果LNG层压木设计此高度，而钢质鞍座的设计高度是无法改变的，那么包括整个外板、船型等均需重新设计，以满足罐体的整体抬高量；而且层压木厚度过大，其宽度也需要相应增加，以保证相对滑动摩擦受力面积，加大了设计难度和建造成本。

因此考虑是否能采用第2种方案进行设计；经查询，暂未找到鞍座通过层压木与船体相连的形式所做的温度场分析，因此通过有限元方法对第2种设计方案进行温度场分析。

2 温度场分析

有限元温度场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)，然后根据能量守恒定律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，继而进一步求解其他相关量[6]。

船舶的热量传递主要包括船体水线上结构与外界空气间的对流传热，水线下结构与外界海水间的对流传热，船内结构与压载水、燃油等之间的对流传热，船内结构与舱内空气间的对流传热，船体外板与内板之间的辐射传热。根据实际经验，最低的温度将会产生在绝缘最薄且冷热区域间隔最大的地方；因此对于LNG运输船来讲，最重要的热传递还是货舱区域，液货罐(液货)与鞍座，鞍座与层压木，层压木与内底板，以及他们与货舱区域空气之间的热传导。这种热传导而产生的温度传递最终决定了鞍座及其附近船体结构的钢板等级和厚度。

为了简化计算，选择实际温度最低的区域进行有限元分析。根据28 000 m3LNG运输船的总体布置，鞍座与船体外板即冷热区域间隔最大的部分是处于船中平行中体区域；另外，考虑到固定式鞍座层压木附近的绝缘不可能全部包在层压木上，此部分的绝缘厚度最薄，因此选择FR.98～FR.105这部分液货舱区域作为有限元分析模型。层压木的厚度选择船型所允许的极值400 mm。

参考《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》和USCG(美国海岸警卫队)对LNG船温度计算的环境条件规定，可运载的货物最低温度为-164 ℃，取海水温度为0 ℃，取空气温度为5 ℃。货舱区域温度场有限元计算的边界条件见图3。其中，不带框的数据代表货舱区域内部空气的预期最低平均温度，带框的数据代表货舱区域钢结构的预期最低温度。

材料导热系数见表1。

表1 材料导热系数 W/(m·k)

[7]，对流和热辐射相关计算参数见表2。

表2 材料热物理特性

通过以上条件定义有限元模型边界条件和对流系数，温度场分布见图4～6。

鞍座及其附近结构、层压木的最低温度结果见表3。

表3 温度场计算结果

由表3可见，采用第2种鞍座与液货罐直接相连，与船体通过层压木连接的设计形式，在船型不变、环境温度和层压木均为极值的情况下，船体结构内底板温度可提高到-25.4 ℃，采用E级船用板可满足设计要求。

3 船体结构钢板等级和厚度确定

根据CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》关于低温用钢等级规定，对照以上的ANSYS模型分析计算结果，确认鞍座结构仍需使用9%镍钢。

计算得到鞍座附近实际船体结构用钢等级及厚度见表4。其中板材的厚度考虑了鞍座局部强度。

表4 船体结构用钢的等级与厚度

4 结论

通过对鞍座附近温度场进行有限元分析计算，决定采用第2种C型罐与甲板的连接方式，即罐体-鞍座-层压木-内底板型，将鞍座直接焊接在LNG液货罐上，鞍座仍旧是半圆弧形[8]，以保证支撑稳定性，下端则是一个平面，层压木直接粘结在平面上，方便施工和安装，也降低了鞍座和船体内底结构的精度要求。鞍座使用9%镍钢，下方粘结层压木，粘结剂采用常规LPG船所使用的产品，止挡板、内底板等采用E级船用钢板即可，无需使用9%镍钢，合理降低成本并满足实际使用需求。

通过强度计算，鞍座附近止挡板厚度需达到35 mm，内底板厚度需要达到22 mm，内底肋板需达到25 mm才能满足要求，而即便是采用以上结论进行设计，鞍座附近船体结构的钢板等级也需要达到E级；越厚的钢板等级越高，价格也越高；进一步的优化设计，降低钢板选用等级和厚度是后续的主要研究内容之一。

通过实船有限元温度场分析，结合CCS、IGC和USCG的有关规定，给出了实船的材料分布，并选定了LNG船C型液货罐鞍座设计形式，避免了

材料发生低温脆性破坏，为后续的LNG设计提供了工程实例和解决方案。

参考文献

[1] 中国船级社．散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 丁玲．中小型LNG船C型独立液货罐设计关键技术研究[D]．大连：大连理工大学，2009．

[3] 杨青松，陆丛红，纪卓尚．中小型LNG船货罐鞍座及附近船体材料分布研究[J].中国造船，2011，52(1)：61-68.

[4] 刘文华，蒋秋申，陆晟．中小型液化天然气船C型独立液货舱鞍座温度场分布[J]．船舶设计通讯，2014(3)：35-39.

[5] 刘健奕．LPG船液罐设计及其支撑结构温度场分析[D]．大连：大连理工大学，2012.

[6] 顾俊，王凡超．液化气运输船温度场分析研究及钢材匹配[J].船舶与海洋工程，2012(4)：1-5．

[7] BATHE K J，WILSON E L.有限元分析中的数值方法[M]．北京：科学出版社，1991．

[8] 刘伟．LNG运输船液货罐底座安装方法及液货罐底座结构:ZL201510959396.7[P]．2016-03-23．

(1.大连中远船务工程有限公司，辽宁 大连 116113;2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

Temperature Distribution and Cradle Design of Mini LNG Carrier with Type C Independent Liquid Cargo Tank

ZHOU Wei1，2

(1.COSCO Dalian Shipyard, Dalian Liaoning 116113, China；2.Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024, China)

Taking QIYUAN LNG 28 000 m3LNG carrier as the research object, a 3D FE model was established in ANSYS to study the steady state temperature field of the cradle and surrounding hull structures of the type C independent liquid cargo tank. According to the operating norm for LNG ship, regulation requirements of the classification society and the IGC standard, the structural configuration of cradle, the steel grade and thickness of the hull structure were determined.

LNG carrier; type C independent liquid cargo tank; cradle design; temperature field calculation; choose material

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.006

2016-05-03

周伟(1985—)，男，学士，工程师研究方向:船舶与海洋工程结构

U674.13

A

1671-7953(2017)01-0023-04

修回日期：2016-07-09