LNG SPB型独立液货舱设计分析
2017-08-09刘东进甘少炜顾华金全洲程康
刘东进,甘少炜,顾华,金全洲,程康
(1.张家港中集圣达因低温装备有限公司,江苏 张家港 215632;2.中国船级社 武汉规范研究所,武汉 430022)
LNG SPB型独立液货舱设计分析
刘东进1,甘少炜2,顾华1,金全洲2,程康2
(1.张家港中集圣达因低温装备有限公司,江苏 张家港 215632;2.中国船级社 武汉规范研究所,武汉 430022)
为实现LNG储存系统的国内自主建造,对现有主要LNG液货舱型进行对比,从市场前景、经济性、技术要点和国内适应性等方面分析,考虑选择SPB型舱为未来国产化的主选。以一艘6 000 m3LNG运输船为目标船型进行SPB型舱设计,依据国际公约和国内规范,采用有限元软件ANSYS和Abaqus对设计方案进行计算分析,以确定设计样舱的应力水平、疲劳寿命和裂纹扩展特性,为样舱制造提供技术参考。
LNG;SPB型独立液货舱;国产化;裂纹扩展特性
液化天然气(LNG)储存温度为-163 ℃,且粘度极低,存储难度大[1]。最初诞生的舱型是MOSS型B型液货舱,近年来,MOSS型舱由于其球形的体积占用的舱室空间较大,突出甲板部分较高,影响驾驶视野等缺陷[2],逐步被淘汰。
IHI(日本石川岛播磨重工公司)和日立公司依据B型液货舱标准和要求设计出了SPB型液货舱。但该型货舱没有持续发展,目前世界仅2艘船舶采用SPB型液货舱。由于MOSS型舱自身的缺点和SPB型舱专利技术保护,使得GTT的薄膜型液货舱得到了迅速发展,目前全球LNG船舶约90%采用薄膜型货舱。随着技术的发展和IMO MSC370(93)决议的通过,液货舱详细设计的技术要求被写入了IGC规则[3],为更多公司参与到LNG前沿液货舱的设计制造提供了契机。
1 LNG液货舱型及对比
依据国际公约的分类,LNG液货舱分为5种类型:①独立式液货舱(A、B、C型);②薄膜式液货舱;③半薄膜式液货舱;④整体式液货舱和内部绝热式液货舱[3]。目前,常见的LNG液货舱形式主要有独立式液货舱和薄膜式液货舱2种,其中独立式液货舱常见的形式有A型液货舱、B型液货舱(MOSS型和SPB型)和C型液货舱;薄膜式液货舱常见的形式有NO96薄膜型、MK-III薄膜型和CS-1薄膜型[4-6]。舱型对比见表1。
表1 各种液货舱对比
对比表明,B型舱具有其余舱型无法比拟的优势,也是LNG围护系统发展的大势所趋。
B型舱又分为MOSS型和SPB型。MOSS型由于其球形的体积占用的舱室空间较大,突出甲板部分较高,影响驾驶视野等缺陷,逐步被淘汰。
SPB型液货舱的主体材料由高强度的铝合金(5083)或9%镍钢的加筋板构成,其形状没有限定,通常为棱柱形,也可以根据船舶舱型进行设计,这也使得甲板保持传统的平坦形式[6]。SPB型液货舱通过相应基座和胶合板楔子予以支撑。SPB型液货舱最大的特点是通过在内部设置液密缓冲舱壁、扶强材和横向边板,对舱内空间进行分隔,减小自由液面,将液体晃荡频率提升到远离于船体晃动的频率,避免产生共振。SPB型液货舱对充装率没有限制要求,因此适用范围更广,例如LNG加注船和LNG浮式装置均可采用。SPB型液货舱的外型结构见图1。
2 SPB型舱技术要点及设计
SPB型独立液货舱的主要技术指标体现在其结构安全性,按照B型舱的概念,需对其结构进行精确模拟分析。
图1 SPB型舱
结构安全性设计包括舱体结构承载能力极限设计、疲劳强度设计、意外强度设计和基于裂纹扩展的损伤容限设计等[7],与各种设计状态对应的载荷见表2。
选取6 000 m3独立液货舱的江海直达LNG船作为目标船[8],其布置见图2。
建立舱段有限元模型见图3。
表2 极限状态设计与载荷对应关系
图2 目标船总布置示意
图3 设计的SPB型舱舱段有限元模型
2.1 极限强度分析
参考IGC规则中的设计原则,考虑各种极限设计状态及对应的载荷,选取如表3所示的16个计算工况,对所设计SPB型舱进行极限强度效核。
计算结果见图4。
表3 极限强度计算工况
注:TS-结构吃水;Tmin-实际装载工况下最小吃水;Tmax-结构吃水;TDAM-结构破坏吃水。
图4 各计算工况下液货舱结构最大应力
除意外设计工况LC10,LC11和LC12的最大应力超出了304L不锈钢的屈服极限240 MPa外,其余工况均满足极限设计条件。
2.2 裂纹扩展分析
对设计进行改进,基于通用有限元软件Abaqus和疲劳裂纹扩展程序(FCG-System)[10]对设计样舱的穿透裂纹进行,分析流程见图5。
图5 SPB型舱裂纹扩展分析流程[11]
裂纹扩展计算模型及15 d应力谱[12]见图6和图7。
图6 裂纹扩展计算模型
依据有限元计算结果和帕里森公式[13]得到不同位置在15天周期应力谱作用下裂纹扩展长度结果见表4。
因为液货舱板厚t=11 mm,从计算结果可知15 d周期内没有穿透板厚,不会引起泄漏。
图7 15 d短周期应力谱
表4 裂纹扩展长度 mm
3 结论
1)SPB型舱以其舱容利用率高、建造维护成本相对较低、可靠性能出众等优势将成为未来LNG围护系统发展的主流型式。
2)目前国内已具备设计SPB型舱的基础条件,以一艘6 000 m3LNG运输船为目标船型设计了相应的SPB型舱。
3)从极限强度分析结果来看,除意外设计工况LC10~12外,其余工况均满足极限设计要求,针对该3个工况的计算结果对设计的SPB型舱进行了结构优化。
4)从裂纹扩展分析结果来看,初始裂纹缺陷出现后15天内,裂纹没有发展为穿透裂纹,不会引起泄漏,设计满足国际标准的要求。
本文依据国际公约要求,对设计的目标型SPB型舱开展了一系列仿真模拟分析,依据分析结果对已有设计进行了改进,改进后的货舱结构满足国际公约的技术要求,可为国内后续SPB型舱设计和制造提供参考。
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Design of SPB Type Independent LNG Tank
LIU Dong-jin1,GAN Shao-wei2, GU Hua1, JIN Quan-zhou2, CHENG Kang2
(1.Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China;2.Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)
In order to establish the domestic R&D capability of LNG storage system, the existing types of cargo tanks was studied from the aspects of market prospect, economy, techniques, flexibility and etc. The SPB type of independent cargo tank was chosen as hotspot of domestic researching in the future. A 6,000 m3LNG carrier was selected for the design of SPB type independent cargo tank. Based on the international regulations and domestic technical requirements, the FEM software ANSYS and Abaqus was adopted to analysis the stress level, fatigue lifetime and crack propagation characteristics of the tank, which can be referenced by the actual SPB tank production and its further nationalization.
LNG; SPB type independent cargo tank; nationalization; crack propagation
10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.023
2016-12-14
中国海事局和国家能源局(海事[2012]509号)
刘东进(1981—),男,学士,工程师
研究方向:LNG水上运输技术。
U662
A
1671-7953(2017)04-0102-04
修回日期:2017-02-23