C型独立液货罐焊接接头的疲劳载荷研究

沈秋彬吴剑国,3洪 英牛 松

（1. 浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310014； 2. 中国船级社技术中心 上海200135；3.杭州弘能船舶设计有限公司 杭州310023）

C型独立液货罐焊接接头的疲劳载荷研究

沈秋彬1吴剑国1,3洪 英2牛 松2

（1. 浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310014； 2. 中国船级社技术中心 上海200135；3.杭州弘能船舶设计有限公司 杭州310023）

针对C型独立液货罐的特点，提炼出C型独立液货罐的疲劳计算工况；按照IGC规则推导了高周疲劳动压力计算公式，并且与中国船级社《船舶结构疲劳强度指南》中的等效设计波法计算的疲劳载荷作了对比；此外，还讨论了蒸汽压力、温度变化等低周疲劳载荷，解决了C型独立液货罐疲劳计算的关键问题。

气体运输船；C型独立液货罐；焊接接头；疲劳载荷

引 言

为充分利用气体运输船的舱容，装载LNG、LPG的C型独立液货罐常采用双联圆筒独立液货罐形式（即双体罐），近年来又提出星形三体罐。由于受船舶摇晃、蒸汽内压、温度变化等交变载荷的作用，双体罐和三体罐罐体之间焊接接头（见下页图1）的疲劳损伤越来越受到业界的重视，也成为C型舱气体运输船大型化必须解决的有关结构安全的关键问题之一。IGC规则中对此提出要求，但未具体规定［1］，中国船级社《船体结构疲劳指南》［2］（以下简称《疲劳指南》）主要是针对各类船体结构，对C型独立液货罐不能完全适用，尤其是疲劳载荷方面。

C型液货罐的疲劳载荷主要为液货动压力、液货罐温度作用和蒸气压力。按照载荷的循环次数，液货动压力为高周载荷，温度作用、蒸气压力的变化为低周载荷，其中高周载荷因C型罐的液货动压力需满足IGC规则（不同于普通液货船），而低周疲劳载荷则是LNG船和LPG船特有的。

本文给出了C型独立液货罐的计算工况，推导出其高周动压力计算公式，讨论了蒸汽压力、温度变化等低周疲劳载荷，为C型独立液货罐的疲劳计算打下坚实基础。

1 工 况

1.1 装载工况

参照CCS《疲劳指南》的LNG 船相关规定，拟设定C型独立液货罐疲劳评估装载工况为满罐工况和空罐工况，具体要求见表1。

表1 C型液货罐疲劳评估的装载工况

1.2 计算工况

计算工况按CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》［3］（以下简称《散液船规范》）取用，由于静横倾工况是用于静强度校核的静横倾工况，与疲劳载荷无关；碰撞意外工况很少发生；试验工况也是偶然发生。而且C型独立液货罐一般晃荡不严重（对于少数晃荡严重的则可加装制荡舱壁［4］来减轻），因此，这些工况在疲劳计算时均可忽略不计。这样，C型独立液货罐的计算工况仅剩下直接计算工况的垂荡工况和横摇工况。

2 高周载荷——船舶运动载荷

2.1 船舶运动加速度

参照新的散货船、油船协调共同规范［5］，选取载荷长期值概率水平为10-2，此时形状参数从0.8～1.2时，疲劳损伤的变化最小［6］。CCS《散液船规范》规定船长超过50 m，并以（或接近）营运速度航行的船舶，对应于北大西洋10-8概率水平船舶运动而产生的加速度分量指导公式。本文通过航区系数fr和概率水平系数fp换算出相应航区10-2概率水平的加速度分量计算公式。由于C型液货罐直接计算仅虑考垂荡和横摇的作用，故纵向加速度不再列出。

垂向加速度：

横向加速度：

式中：αz和αy为相应方向上的最大无因次加速度（即相对于重力加速度），计算时，可以认为它们是分别作用的，αz不包括静重力分量，αy包括横摇在横方向上引起静重力分量；L0为计算船长，m；Cb为方形系数；B为船舶最大型宽，m；x为船舯到装货的液货罐重心之间的纵向距离（船舯前，x为正值；船舯后，x为负值），m；y为中纵线到装货的液货罐重心之间的横向距离，m；z为船舶的实际水线到装货的液货罐重心之间的垂向距离（水线以上，z为正值；水线以下，z为负值），m；K通常为1。对于特殊的装载工况和船型，K值可按下式确定：K=12GM/B（其中：K≥1，GM为静稳心高度，m）；V为营运速度，kn；fr为航区系数，按照CCS《疲劳指南》的航区系数fr定义，见表2；fp为概率水平系数，按照CCS《疲劳指南》对应10-2概率的航区系数fp定义如下：

表2 航区系数取值

表3 载荷组合因子LCF

2.2 液货罐疲劳动压力计算

CCS《散液船规范》给出了内部液体压力Pgd的计算公式：

式中：αβ为在任意的β方向上，由重力和动载荷引起的无因次加速度（即相对于重力加速度），见下页图2 。对于大型液货船，建议使用计及横向、垂直和纵向加速度的加速度椭球；Zβ为从所决定的压力点沿β方向向上量至液货舱壳板的最大液柱高度（见下页图3），m；ρ为设计温度时的最大货物密度，kg/m3。

2.2.1 αβ的计算

加速度椭圆如图2所示，液罐重心到左半椭圆上一点的的距离表示横摇角为负值时的无因次加速度，液罐重心到右半椭圆上一点的的距离表示横摇角为正值时的无因次加速度。

对于y-z平面，平面椭圆方程与液罐重心到左半椭圆上一点的直线方程见式（6）：

平面椭圆方程与液罐重心到右半椭圆上一点的直线方程见式（7）：

通过求解以上两个方程组和几何关系，可得如图2所示无因次加速度

2.2.2 Zβ的计算

由图3（a）可得双体罐的Zβ：

2.2.3 双体罐动压力计算公式

对于指定的β1，将式（8）和式（11）带入式（5），得罐体上坐标为（y，z）的压力点的压力为：

对于指定的β2，将式（9）和式（10）式带入式（5），得罐体上坐标为（y，z）的压力点的压力为：

2.2.4 三体罐动压力计算公式

对于指定的β1和β2，由动压力计算公式可得罐体上坐标为（y，z）的压力点的压力：

2.3 疲劳动压力对比

以70 000 m3双体罐为例，罐体编号如图4所示，按照IGC规则计算的疲劳动压力与按照《疲劳指南》计算的疲劳动压力对比如下页图5所示。结果表明，按IGC规则计算的疲劳动压力明显大于按照《疲劳指南》计算的疲劳动压力。

3 低周载荷

蒸汽压力为液货罐的内外气压差，温度作用为液货罐的温差。根据调研和《散液船规范》的规定，低周疲劳载荷以液货船一个往返航次为一个循环，期间罐体所经历的最大作用为：

满罐 罐体最大操作压力为设计蒸气压力P0，罐体最低操作温度为-163℃。

空罐 罐体最小操作压力为0 MPa，罐体最高操作温度为20℃。

由此便可确定蒸汽循环压力和循环温差作用，见表4和下页图6。

表4 蒸汽循环压力和循环温差作用

低周疲劳载荷循环次数取20年设计寿命期间实际发生的装卸货次数，但不小于《IGC》关于20年使用期的装卸货次数不少于103的要求。因此，交变载荷循环时序示意图见下页图6，每7.3天一次循环，每次循环中压力与温度的变化关系是同时变化的。

4 结 论

本文针对C型独立液货罐的特点，推导其高周动压力计算公式。由计算可知，本文给出的疲劳载荷比《疲劳指南》中的等效设计波法计算的疲劳载荷更加合理，符合IGC规则的要求，且计算过程比等效设计波法更简便，还论述了蒸汽压力、温度变化等低周疲劳载荷。本文工作及成果对C型独立液货罐疲劳载荷要求的制定具有重要意义。

［1］IMO. MSC-93/3. Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk （IGC Code）［S］. 2013.

［2］中国船级社. 船体结构疲劳强度指南（2014）［S］. 北京：人民交通出版社， 2014.

［3］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， 2016.

［4］黎志昌，方江敏，付小方. LNG运输船C型独立液货舱载荷及应力分析［J］. 船舶工程，2011（1）：1-4.

［5］IACS. Common structural rules for bulk carriers and oil tankers［S］. 2012.

［6］IACS. Technology background［S］. 2012．

MARIC加入无人货物运输船开发联盟

3月31日，由海航集团旗下的海航智造投资发展有限公司发起的无人货物运输船开发联盟（以下简称联盟）筹备会在上海召开，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）的副院长沈伟平先生作为代表参会并签署了入盟意向书。参会的其他单位包括DNV、ABS、CCS、七一一研究所以及海航科技物流集团有限公司等。

无人货物运输船目前在全球还属于概念设计及实验阶段。随着大数据、互联网+、人工智能及机器人等新兴技术突飞猛进，船舶自动化水平逐步提高，这些都为无人运输船舶的实现提供了技术支撑，无人货物运输船将会成为未来海运发展的新趋势。

此次联盟囊括了船东、船厂、设计院、船级社、设备集成商，覆盖了从设计、建造、营运、监管的全部环节。各成员单位将在欧美航线规划、港口协调、国内政策更新及法规制定、无人船舶总体开发设计、无人船舶动力及控制系统研究、无人船舶操纵软件设计等方面进行共同探索和开发，各方将充分展现自己擅长领域的长板，最大程度发挥集成创新的优势，围绕共同的目标一起努力。

近年来， MARIC逐步进入智能船舶领域的研究，参与了国家工信部课题“智能船舶顶层设计及部分智能系统应用”，并完成了大型集装箱船智能船落地方案的总体设计。通过课题研究，对该领域国内外厂商的技术现状以及国内系统集成的要点等问题有了一定程度的认知。作为联盟发起人中唯一的船舶总体研发单位，MARIC将借助自身雄厚的技术力量和对无人智能船舶的长期跟踪研究经验，在无人货物运输船相关技术的研发、设计、试验等工作方面同各协作单位通力合作，确保在项目实施周期内完成令联盟满意的答卷。

此次联盟的筹建旨在开展无人货物运输船研发和制造并投入营运，计划3个月完成联盟筹建工作，确定目标船型、编制联盟计划，力争在2022年交付并运营全球首艘无人货物运输船，成为未来航运模式的开拓者。

Study of fatigue loads on welded joints of type C independent liquid cargo tank

SHEN Qiu-Bin1WU Jian-guo1,3Hong Ying2Niu Song2
(1.College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Rules and Technical Center, CCS, Shanghai 200135, China; 3. Hangzhou Hongneng Ship Design Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

The work conditions in the fatigue calculation of type C independent cargo tanks are proposed according to the characteristics of type C independent cargo tanks. The calculation formula of the high-cycle fatigue dynamic pressure are deduced according to the IGC rules. The results are compared with the fatigue loads calculated by the equivalent design wave approach in "Guidelines for Fatigue Strength of Ship Structure" of CCS. It also discusses the low-cycle fatigue loads as the steam pressure and the change of temperature, and solves the key problem for the fatigue calculation of type C independent cargo tank.

gas carrier; type C independent liquid cargo tank; welded joint; fatigue load

TG405；U661.4

A

1001-9855（2017）03-0041-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.041

本文的研究内容由中国船级社资助，研究成果将运用于2017版《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》。

2017-02-09；

2017-03-29

沈秋彬（1989-），男，硕士。研究方向：结构工程分析与设计。

吴剑国（1963-），男，博士，教授。研究方向：船舶结构分析和设计。

洪 英（1963-），男，高级工程师。研究方向：船舶结构规范。

牛 松（1982-），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶结构规范。