LNG运输船C型罐低温场计算分析

刘 辉，王任众，李宝鑫，纪宏源

（1.中远海运重工有限公司 技术研发中心，辽宁大连 116600；2.大连辽南船厂，辽宁大连 116041；3.必维船级社（中国）有限公司，上海 200011）

LNG运输船C型罐低温场计算分析

刘 辉1，王任众2，李宝鑫3，纪宏源1

（1.中远海运重工有限公司 技术研发中心，辽宁大连 116600；2.大连辽南船厂，辽宁大连 116041；3.必维船级社（中国）有限公司，上海 200011）

文章提出了对C型罐周围低温场的理论计算方法，认为船体外部的温度向内部传递热量，使得罐体周围低温场达到热平衡。低温场的确定决定了钢制材料等级的选择，从而有效防止结构低温脆性破坏。

LNG船；C型罐；低温场计算；低温脆性

0 引言

LNG（液化天然气，Liquefied Natural Gas）是天然气经压缩、冷却至其沸点温度后变成液体，通常液化天然气储存在-164℃、0.1 MPa左右的低温储存罐内。

中小型LNG运输船多采用低温常压式（又称液冷式）C型货罐装载天然气。货罐处于低温状态，且在货罐周围形成低温梯度场（又称低温场），从而影响了货罐基座加强结构、货罐周围船体结构的强度及材料特性，因此对货罐周围低温场进行计算分析，可有效避免因低温脆性的破坏而造成的船体结构失效，以及可有效提高材料分布使用率。货罐低温场计算分析为类似船型货罐基座及附近船体结构材料的选择提供有益参考。

1 C型罐布置分析

为防止船舶碰撞搁浅，C型货罐通常布置在独立的密闭舱室里，双舷侧、双层底、单甲板结构。舱室内部布置低温隔热绝缘层，可有效保护船体结构。罐体与舱壁、甲板之间保留相当的操作空间，此空间同时起到阻碍温度传导的作用，有效降低罐体低温对结构的影响。罐体通过基座与船舶内底相连，基座的位置尽量布置在双层底肋板处。为防止因舱室进水而导致罐体上浮，通常在甲板靠近两舷位置布置止浮装置。

2 环境及结构材料的设计温度

船舶外部环境温度分为空气温度和海水（淡水）温度。内外温差很大，所选取的外部环境温度直接影响材料钢级的选取。根据IGC（《国际散装运输液化气体规则》）、USCG（《美国海岸警卫队 结构设计规则》及《美国海岸警卫队 航行于阿拉斯加海域规则》）、赤道航行等，对环境设计温度的要求不同。表1为根据需要选取的环境温度设计值。如无特殊要求，则按照IGC选取空气温度为5℃，海水温度为0℃，作为环境设计温度。

表1 环境设计温度

美国船级社规范[1]中，船体结构最低设计温度与材料钢级的选取有明确规定，如表2所示。

表2 船体结构最低设计温度

3 低温场分布计算

3.1 对流及传导

LNG罐内部温度为-164℃，外部空气温度为5℃，海水温度为0℃，因此热由船体外部向内部传导。

钢板将内外两个独立空间分隔开，热在两个独立舱内分别形成对流，舱之间的热通过钢板，由高温区向低温区进行传导。图1为热传递示意图。

假设船体外部空气温度为Tair，空气对流系数为Hair-out；船体内部舱室温度为Ttank，空气对流系数为Hair-in；钢板厚度为t，钢板热传导系数为λ，钢板内、外表面温度分别为T1、T2。可得出下述两个公式[2]：

图1 热传递图

由外部空气到钢板外表面（热对流）：

由钢板内表面到内部舱室（热传导）：

解式(1)和式(2)，得出下述式(3)：

式(3)可以简化为：

即：

式(5)适用于所有独立舱室之间的热传导。

得出各舱室之间的热传导系数后，对各舱室分别编写热传导公式并求解公式矩阵，从而求得各舱室的温度。

对于某LNG船，列出公式并求解，剖面形式如图2所示。

1）第二层气密舱

2）舷顶舱

3）舷侧舱

4）舷侧底部舱水线下

5）舭部舱

6）双层底舱

7）货舱水线上

8）货舱水线下

9）LNG舱

得出矩阵方程：

板所传导的热计算公式为：

3.2 翼翅效应

板上的梁、筋，对热传递同样具有非常重要的辐射作用，称之为“翼翅效应”。

图2 LNG船横剖面图

对式(5)的hair进行修正，即考虑翼翅效应后的对流系数。

4 结论

本文通过对中小型LNG运输船通常采用的C型货罐的低温场进行计算分析，将热力学中的热传递理论应用到实际工作中，提出了一种简化算法，为快速确定结构强度及钢料等级提供了一条捷径。本文充分考虑到了“翼翅效应”对热传递的影响，比较贴近实际，可推广到实际工程运用中。

[1]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

[2]岳丹婷.工程热力学和传热学[M].大连： 大连海事大学出版社,2002.

[3]余祥虎.LNG船液货舱温度及应力场有限元分析研究[D].武汉： 武汉理工大学,2009.

[4]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].中国舰船研究,2010,5(4)：40-43.

[5]李学军,高占峰,刘辉.小型LNG运输加气船的经济性分析研究[J].船舶标准化工程师,2014(4)： 46-48.

Computational Analysis of Low Temperature Field of LNG Carrier C-shape Tank

LIU Hui1,WANG Renzhong2,LI Baoxin3,JI Hongyuan1
(1.Technology R&D Center,COSCO Shipping Heavy Industry Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116600,China; 2.Dalian Liaonan Shipyard,Liaoning Dalian 116041,China; 3.Bureau Veritas,Shanghai 200011,China)

The theoretical method calculation of low temperature field around the C-shape tank is proposed.It is considered that heat balance could be achieved by transferring from outside to inside.With the heat balance around the C-shape tank,the steel material shall be determined,which can avoid the failure of low temperature brittleness on structure.

LNG carrier; C-shape tank; low temperature field calculation; low temperature brittleness

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.008

刘辉（1982—），男，硕士，工程师，研究方向：船舶结构及有限元分析。