超大型液化气船结构设计要点

2019-05-09

船海工程 2019年2期

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

超大型液化气船(VLGC)因用途特殊,在各方面都有特殊要求，设计和建造技术难度大，代表当今世界造船技术水平，是以高难度、高技术、高附加值著称的“三高”船舶[1]。按照国际《散装运输液化气体船舶构造和设备规则》[2](简称《IGC规则》)和美国船级社(简称《ABS》)对液化石油气船要求，对一艘84 000 m3全冷式、A型独立舱液化石油气运输船(总长237.6 m、垂线间长216 m、型宽37.2 m型深22 m)进行结构设计，使目标船型在满足规范、规则要求的前提下，确定材料形式与选取范围，优化结构布置形式。

1 结构材料

目标船装运货物设计温度是-50 ℃，货舱区结构材料与常规船结构材料相差较大，以下讨论主要针对货舱区主船体、A型独立舱结构材料。

1.1 货舱区主船体结构材料

货舱区主船体结构材料等级选用及其应用范围应从4个方面综合考虑。

1)《 IGC规则》对液化石油气船次屏壁设置要求见表1。

A型独立液货舱主要是平板结构，用全冷冻方式装低于-10°C的液化石油气，主船体可以作为次屏蔽。次屏壁设置范围不得小于液货舱破裂时液面在船静横倾角为30°时所包围的范围。次屏壁设置范围(粗线代表整个次屏壁)见图1。

表1 IGC规则对液化石油气船次屏壁设置要求

注：1经主管机关特别考虑，允许大气压力下货物的温度低于·10 ℃，则通常应要求设完整的次屏壁；2如半薄膜液货舱在各方面均能适合于B型独立液货舱的要求(支持方式除外)，经主管机关特别考虑可以同意设置部分的次屏壁。

图1 次屏壁设置范围示意

2) 环境温度。结构材料等级选用应根据液化石油气船航行路线中的海水温度、外部空气温度及货物温度进行温度场计算确定温度分布。在计算时需要提供下列数据，分别是：次屏壁处最冷货物温度；横倾30°时舱内液面高度；规则规定的空气及海水温度，见表2。

表2 规则规定的空气及海水温度 ℃

注：①.美国海岸警卫队[3]对航行于美国海域非美国旗船只额外的设计和结构要求；②.计算时应计及5 kn风的对流影响。

3)船级社要求。根据ABS要求，对于纵向构件如甲板、内底板、内壳等处的低温材料应超出次屏壁400 mm，同时与低温材料相邻的板材其材质必须为E级钢或DH级钢且宽度不小于400 mm[4]。

4)USCG要求。材料选用还需符合USCG要求，如USCG一般要求整个货舱区的甲板边板和舷顶列板至少为E级钢，舭列板为至少D级钢。

在计算出船体结构的温度场分布后，需要综合考虑结构材料温度分布、拼板工艺和安装方便等因素，再结合IGC规则的要求形成结构材料等级分布。IGC规则对结构材料等级与船体结构设计温度、建造厚度要求见表3。

表3 结构材料与结构设计温度、建造厚度 mm

备注：①适用于除了次屏壁、液货舱以外的因货物影响而需经受降低温度且不构成次屏壁部分船体结构材料，该船体结构包括内底板、纵舱壁、横舱壁板、肋板、强肋骨、桁材以及所有相连的扶强材构件；②适用于船体的外板和甲板以及所有相连的扶强材均应符合公认标准的要求，除非由于低温货物的影响使设计条件下的材料计算温度是在-5℃ 以下

根据以上要求可最终确定货舱区主船体低温材料的运用范围，见图2。

图2 货舱区主船体低温材料运用范围

1.2 A型独立舱结构材料

目标船装运的货物设计温度是-50℃，整个A型独立舱选用材料为低温材料，在考虑成本和设计货物温度两因素后选用的低温材料为碳锰钢。

1)低温材料。低温材料一般分为碳锰钢、镍钢、奥氏体钢、铝合金和奥氏体铁-镍合金。IGC规则有关低温材料见表4。

2)低温材料碳锰钢。常用常温船体结构用钢对于不同的船级社，其化学成分、机械性能是相同的，而低温材料碳锰钢(设计温度在0～-55 ℃)对于不同的船级社，其化学成分、机械性能是有差异的，因此在设计初期需要明确船舶的入级符号。中国船级社(CCS)、美国船级社、日本船级社(NK)、挪威船级社(DNV)、英国船级社(LR)、法国船级社(简称BV)六个船级社低温材料碳锰钢(设计温度在45～-55 ℃)化学成分汇总于表5；表6是上述6个船级社低温材料碳锰钢(设计温度在45～-55 ℃)力学性能汇总。

表4 低温材料 ℃

注：①为经同意可以省去冲击试验。

2 结构布置

2.1 检修通道

根据IMCO CODE[10]对散装运输液化气体船的要求，货舱区主船体与A型独立舱间检修通道必须满足以下要求。

1)两平面表面之间的最小距离为600 mm(如A型舱)，平面与曲面表面之间的最小距离为450 mm(如C型舱)。

2)构件自由边与平面表面的最小距离为380 mm。

3)当不需要穿过构件检查时，构件自由边与液舱绝缘层表面的最小距离为半个翼板宽度或50 mm中的大值，如图3所示。根据以上要求，结合液舱绝缘层的厚度和A型独立舱舱壁板厚、主船体舱壁板厚，主船体与A型独立舱之间的布置见图4。

图3 检修通道要求

表5 低温材料碳锰钢主要化学成分及其质量分数[5-9] %

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX，XX为冲击试验温度。

2.2 A型独立舱结构布置

目标船货舱区主船体结构布置与散货船结构形式比较相似，在此不做详细描述，主要分析下A型独立舱的结构布置。

1)A型独立舱结构布置。A型独立舱是完全独立支持的，对船体总纵强度不起作用，它主要由独立舱边界、制荡舱壁、中纵舱壁组成。独立舱边界为纵骨架式结构，由横向强框架和纵骨构成。

表6 低温材料碳锰钢机械性能汇总

注：AB/V-OXX和AB/VH-OXX ，XX为冲击试验温度；A-比设计温度低5 ℃或-20 ℃，取其低；B-比设计温度低10 ℃或-20 ℃，取其低；C-比设计温度低15 ℃或-20 ℃，取其低；D-比设计温度低20 ℃；1-最低设计温度为-45 ℃；2-最低设计温度为-50 ℃。

为了防止A型独立舱受到静、动载荷作用产生液货舱本体移动而设置支承装置、防纵摇装置、防横摇装置和止浮装置。由于支承件的存在使A型独立舱与主船体间产生相互作用。为使应力有效传递，与支承件相连舱壁处的纵骨应与主船体纵骨布置一致，其他纵舱壁如中纵舱壁、侧壁以及底边舱相邻舱壁的纵骨间距是可调整变化的。在排列这3个舱壁纵骨时需充分考虑中纵舱壁与侧壁间水平桁的布置、施工方便、板格间距统一等因素确定纵骨布置，其结构形式见图5。

图5 A型独立舱纵舱壁纵骨布置

2)A型独立舱液舱内结构检修通道。由于A型独立舱装载货物是石油碳氢化合物，下舱检验是较危险的工作，一般在年检时要下舱检查。为了优化结构，结构布置考虑设置纵向结构检修通道，将与横舱壁水平桁相连的纵骨尺寸加大以兼作结构检修通道，一方面保证了结构连续性，使横舱壁水平桁应力有效传递，另一方面可与横舱壁水平桁形成完整检修通道。