双燃料船舶LNG 球罐鞍座设计及其安装研究

瞿荣泽 智广信 薛国良 王海玉 万冬冬

（1.大连中远海运川崎船舶工程有限公司 大连116052；2.南通中远海运川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

随着船舶行业的快速发展，以及国际公约法规的不断严格。LNG 双燃料船已成为造船市场的焦点，也受到船东的高度关注。相比常规燃料船，LNG 双燃料船设计时需特别注意燃料罐的鞍座及其周边船体结构的强度问题。船舶在海上航行时受动载荷、静载荷以及突发载荷（如碰撞载荷）的综合作用，LNG 燃料罐鞍座的受力分布比较复杂，鞍座及其周边船体结构的应力分布情况直接关系到LNG 燃料罐的可靠性和安全性。同时因LNG 超低温的特性，为避免材料发生低温脆性破坏，必须根据温度场分布为鞍座及附近船体结构选择合适的钢材等级［1］。本文将对双燃料船C 型独立燃料罐与鞍座之间的受力情况进行研究，解决鞍座及周边结构的设计问题，并给出球罐安装的注意要点。

1 LNG 燃料罐及其鞍座的结构特点

LNG 燃料罐一般为单圆筒型的C 型独立燃料罐，罐体由2 个鞍座支撑。C型独立燃料罐属于半冷半压式容器，由于装载的LNG 液体温度达-163℃，燃料罐钢壳一般采用耐超低温且具有较低膨胀系数的材料制成［2］。本文研究的燃料罐钢壳使用温度最低可达-196℃的9%Ni 钢板制成，罐体外部粘结保温材料并使用镀锌钢板覆盖作为保护层。装载低温液化天然气时燃料罐由于热胀冷缩会产生变形，所以鞍座设置成1 个固定鞍座和1个滑动鞍座，用以吸收沿罐体长度方向的变形，如图1 所示。

图1 双燃料船LNG燃料罐

鞍座结构由鞍座腹板、鞍座面板、肘板及键板等结构组成，主要起到支撑罐体和防止罐体移动及转动的作用。为有效阻隔热传导，鞍座与罐体之间由层压木连接，层压木的上下表面分别使用填充料（mastic）固定在鞍座面板与筒体钢板上，两者的连接形式如图2 所示。

图2 双燃料船LNG燃料罐鞍座示意图

2 鞍座载荷分布及设计要点

2.1 鞍座所承受载荷及其分布

鞍座结构承受的载荷主要有：

（1）货物载荷，即LNG 燃料罐（包括LNG燃料）的质量，还应考虑船舶运动引起的动载荷；

（2）结构自重；

（3）海水压力；

（4）LNG 燃料罐（包括LNG 燃料）在碰撞工况下的动载荷；

（5）压力试验时候所施加的试验载荷；

（6）破舱工况下LNG 燃料罐所受浮力［3］。

由于鞍座受力极为复杂，因此能够合理地模拟LNG 燃料罐对鞍座的作用力成为设计校核的关键所在。

2.1.1 纵向载荷分布

船舶纵摇或者在碰撞工况下，由于层压木和鞍座面板之间摩擦力的存在，纵向动载荷由鞍座面板及面板键板（包括键板肘板）来承受。在鞍座设计时，可以偏保守假定纵向动载荷全部由固定鞍座的键板及键板肘板承担，并认为纵向载荷在鞍座包角范围内均匀分布。

2.1.2 径向载荷分布

本文根据CCS 规范描述，鞍座处所承受的LNG 燃料罐载荷可使用正弦（余弦）函数的分布形式来模拟，如图3 所示。其中，Pz和Py分别为燃料罐的垂向力分量和横向力分量，考虑动载荷，加速度按照二维椭圆原则合成。

图3 鞍座处受力模拟示意图

由图3 可知，垂向载荷分量Pz所引起的分布力可按照正弦函数模拟，横向载荷分量Py引起的分布载荷可按照余弦函数模拟，对于鞍座圆弧上某处点A的压力线密度函数可写成：

式中：a，b为修正系数，可根据层压木支撑范围按式（3）和式（4）确定

式中：α为A点与水平面之间的夹角，°；x为层压木支撑的起始角，°；R为鞍座圆弧半径，mm；如图4 所示。

图4 计算参数示意图

垂向载荷和横向载荷分量可以按照式（5）和式（6）计算：

式中：β为合成角度，需要考虑0°、10°、20°、30°、40°（如存在）；aβ为在β方向上由重力和动载荷的无因次合成加速度；W为LNG 燃料罐质量（包括燃料罐为满时的LNG 燃料质量），t 。

将垂向载荷（Z向）线密度压力和横向（Y向）载荷线密度压力，分别沿鞍座圆环径向和切向进行分解后叠加。对于鞍座设计及关联结构补强时候，仅需要考虑径向载荷。因LNG 燃料罐和层压木之间通过填充料粘合，且设有燃料罐止摇装置，可以不考虑切向载荷作用。

对圆环上点A处的径向载荷可由下式求得：

2.1.3 鞍座径向载荷分布图

根据上述推导所得径向载荷压力线密度函数，结合本船横摇角度，分别计算在β= 0°、10°、20°、30°，鞍座的径向载荷分布，如图5 -图8 所示。

图5 β=0°时鞍座载荷分布

图6 β=10°时鞍座载荷分布

图7 β=20°时鞍座载荷分布

图8 β=30°时鞍座载荷分布

图9 LNG燃料罐鞍座结构图

2.2 鞍座设计

本文研究的LNG 燃料罐为单圆筒型，鞍座面板的形状相应设计为圆弧型。为保证船舶在横摇角达到30°时仍能够对燃料罐有效支撑，鞍座对燃料罐的支撑范围取为圆周角150°。［4］考虑到燃料罐径向力的分布特点，鞍座肘板以燃料罐中心为圆心呈发散形布置，如图9 所示。

在船体横摇情况下，横摇产生的周向载荷将由设置在位于鞍座面板中心的止摇结构承受，止摇结构细节如下页图10 所示。

此外，燃料罐前后鞍座处左右两侧会设置止浮装置，止浮装置细节如图11 所示。止浮装置必须能承受燃料舱破舱进水时，空燃料罐浮力引起的向上载荷。鞍座两侧上方需布置相应的止浮支撑结构。止浮装置中的层压木与支撑结构之间应留有一定的空隙，正常情况下燃料罐止浮装置与支撑结构是不接触。当燃料舱破损进水后，空燃料罐上浮时，止浮装置才与支撑结构啮合，发挥止浮作用。

图10 LNG燃料罐止摇装置

2.3 鞍座周边船体结构补强

鞍座周边的船体结构，除了需要按照规范单独进行强度校核外，还应该考虑鞍座在燃料罐作用下对附近船体结构的影响［5］。本文设计时充分考虑鞍座的周围补强，将鞍座布置在船体结构大骨上，对双层底肋板及燃料间垂向大骨上的龙筋贯穿孔增加了补板，并根据本文提出的方法对载荷进行了叠加计算，最终通过有限元模型计算验证了其强度。

图11 LNG燃料罐止浮装置

通过FEMAP 有限元软件将鞍座进行建模，并放入全船有限元模型中检讨鞍座及周边的船体结构强度。 参照LR 滚装船强度校核规范，各工况下计算结果汇总结果，如图12 所示。计算云图和计算结果表明，鞍座及其周边结构满足强度要求。

图12 鞍座合成应力各计算工况汇总云图

2.4 鞍座及其周边船体结构的材质选择

LNG 燃料罐通常处于超低温状态（-163℃）因其与船体相连的鞍座支撑，虽然燃料罐采取了很好的保温措施，但是并不能完全隔绝热量传递，传递的方式包括热传导、热对流、热辐射。［6］热传递在鞍座及附近船体结构中形成低温，低温条件下钢材的力学性能会变差。为避免材料发生低温脆性破坏，IGF 规范和LR 规范都对低温下钢材等级的选择有详细规定。

本文通过ANSYS 有限元软件对LNG 燃料罐鞍座及周围结构进行稳态热分析，得到相应的温度场分布；参照材料许用设计温度，对鞍座及附近船体结构材料进行合理布置，以适应低温环境，避免材料发生低温脆性破坏。本文设计过程中根据《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（IGC 规则）完成对鞍座及其附近结构的温度场计算，温度场分布如图13 所示。根据计算结果，结合规范要求和经验给出了鞍座及其附近结构的钢材等级建议，其中鞍座腹板在靠近鞍座面板侧使用D 级钢材、鞍座腹板其余钢材使用E 级钢材。

图13 LNG燃料罐鞍座及附近船体结构的温度场分布

3 LNG 燃料罐的安装注意点

LNG 球罐一般由辅机台支座支撑并安装在球罐室双层底上，本文按照燃料罐厂家提供的安装要领图进行安装施工。燃料罐安装时要严格满足精度要求，以便鞍座的精度控制到位，避免出现燃料罐集中受力情况。因此准确的燃料罐安装以及控制安装精度非常重要，本文根据厂家安装要领图和厂家精度要求进行了总结。

安装时应关注燃料罐集液井处的保温材与双层底和鞍座的肘板是否干涉；检查燃料罐固定支撑处的防摇装置是否与鞍座干涉；检查燃料罐固定支撑处，鞍座顶面处的肘板与球罐的保温材料是否干涉。燃料罐搬运和搭载时，不拆除捆绑固定层压木的铁皮条。搭载后铁皮条可以保留，仅割断上端铁皮条的捆扎点，但要注意铁皮条与鞍座的匹配，铁皮条可以保存在填充料中。填充料加热和干燥设备要在安装前提前准备，以确保填充料施工所需的工作环境。施工前，准备足够量填充料放置于船上。

4 结 语

本文在LNG 球罐鞍座设计及其安装研究过程中，通过对规范及相关设计资料的研究，应用规范及商业软件、结合生产实际经验，解决了鞍座及周边结构的设计问题，并给出安装的注意要点，为此类球罐鞍座设计及安装提供一定的技术参考。

规范对于鞍座所受的燃料罐作用力仅简单指出可使用正弦（余弦）函数模拟，并未给出相应的分布函数公式。本文设计过程中，通过对规范及相关资料的研究，提出一种新的载荷叠加方法并解决了鞍座下结构补强时载荷问题。设计燃料罐鞍座时，根据鞍座的受力特点，选择合适的结构形式；鞍座补强计算时，根据不同的计算对象，选择相应的简化模型，并在整体有限元模型中检验鞍座及周边结构的强度。由于LNG 燃料罐超低温的影响，故进行温度场稳态分析；取得温度场分布后，根据规范要求为鞍座及附近船体结构选择合适的钢材等级，避免材料发生低温脆性破坏。本文还总结描述了燃料罐安装期间的注意点，包括燃料罐的要领注意点，燃料罐的安装精度要求，以及填充料的安装要领等。