船用LNG燃料罐的关键技术研究及分析

顾华，刘东进，徐小艳

船用LNG燃料罐的关键技术研究及分析

顾华，刘东进，徐小艳

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

研究目前被广泛使用的双层船用LNG燃料罐应用领域，分析船用LNG燃料罐关键技术。针对双层LNG燃料罐内外层之间的支撑处高应力区域进行分析，采取模型简化、受力分析和失效模式分析等手段，形成计算理论， 辅助分析软件WORKBENCH进行验证，形成适用于解决船用LNG燃料罐支撑结构强度及刚度的通用理论和计算公式，从而简化分析手段的单一性和复杂性，同时保证船用LNG燃料罐可靠安全运行。

船用LNG燃料罐；玻璃钢支撑；受力分析

使用LNG作为船舶燃料，相对于常规燃料柴油，LNG的综合排放降低约85%，其中碳化物减少97%，氮化物减少30%～40%，微粒排放减少40%，噪声减少40%，无铅、苯等致癌物质，基本不含硫化物。可见，LNG作为船舶燃料，可以产生显著的环境和经济效益。目前世界上的天然气蕴藏量丰富，估计可以使用250年。显然，LNG将是未来航运业非常有前途的燃油替代品。

1 船用LNG燃料罐结构特点

船用LNG燃料罐即是储存低温液化天然气的容器（图1），其由两大容器构成：

1）内容器。盛装低温液化天然气和承载压力载荷。

2）外容器。对内容器实现保冷和保护。

两大受力构件组成：

1）玻璃钢支撑。内外容器之间的连接。

2）鞍式支座。船用LNG燃料罐对外连接。

图1 船用LNG燃料罐结构

2 内容器技术研究及分析

内容器主要储存低温液化天然气，同时承受低温LNG汽化所产生的压力，承载船舶运动引起的惯性力载荷和船舶晃动引发的晃荡载荷以及液体LNG所存在的重力载荷。此部分载荷最终转化成设计压力，完成内容器的主体结构设计，可采用第一强度理论。针对以上晃荡载荷引发的共振，内容器内部设有防波板。

内容器承载的所有载荷最终将通过内外容器支撑进行传递，导致内容器在玻璃钢支撑处产生较大的弯曲应力，因此内容器在支撑部位增加加强圈设置，提高抗弯能力（图2）。

图2 船用LNG燃料罐支撑结构

该部位属于应力集中区域，因此存在几点难题：①此部分支撑处属于应力集中区域，常规卧式容器计算公式不再适用，仅能借助之前项目经验，可靠性较差；②此部分支撑结构的合理性需通过分析软件进行校核，消耗较多的人力进行建模、划分网格、求解结果，最终结果分析期间耗时较长；③此部分支撑结构一旦确认后，分析结果不通过，图纸及分析文件均需修改，耗时较长；分析结果通过，图纸和分析资料均不会做优化设计，产生过多的设计冗余，导致资源浪费及成本的增加。鉴于以上，确定和优化内容器支撑部位的布置及计算尤其重要。

2.1 支撑部位模型简化

内容器内盛装低温液化天然气，为均匀分布载荷，简化考虑成集中载荷G。底部玻璃钢相对内筒体尺寸较小，底部支撑处载荷均匀受载，简化成集中载荷F，见图3。

图3 船用LNG燃料罐支撑结构受力示意

2.2 单支撑局部受力

结合上图，受力计算公式如下：

=(×COS 30°)/4 。 （1）

2.3 失效模式分析

内筒体支撑部位受外部玻璃钢反作用压应力，主要失效模式为在集中力作用下，产生筒体和支撑处加强圈失稳。模型截面分析见图4。

图4 组合抗弯模量

2.4 结果分析

按照DNV GL Part 5 Chapter 7 Section 22 2.4.4条款，有助于惯性矩的壳体长度的限制值为：

式中：—筒体外直径，mm；

—板的净厚度，mm, 不计腐蚀裕量。

最小惯性矩计算（mm4）：

x=(0.18××ed××s2)/E 。 （3）

式中：S—加强圈直径，mm

ed—外部设计压力，MPa。

通过式（2）和式（3）联合计算得出结果如表1所示。

表1 计算结果

注：加强圈尺寸为200×200×20，为所需惯性矩。

2.5 用WORKBENCH分析手段进行验证

WORKBENCH软件是国际上通用的分析设计软件，WORKBENCH是ANSYS公司推出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中存在的异构问题。

模型和计算结果见图4、图5。

图4 船用LNG燃料罐网格划分

图5 船用LNG燃料罐分析结果

2.6 WORKBENCH应力分析结果

应力分析结果见表2。

表2 应力分析结果

2.7 分析概括

1）通过理论和计算公式得出，集中力大小为280 kN时，压应力所需的惯性矩大于T型加强圈和筒体联合惯性矩，判定为不合格。

2）通过WORKBENCH进行计算得出，集中应力大小为320 kPa时，压应力导致T型材超过屈服强度，导致失效。

此两种计算方式采用不同的理论，但计算结果仅相差12.5%，同时公式计算结果较为保守，从而判定理论分析的合理性和正确性，可将推导公式应用于工程实际。

3 外容器技术研究及分析

外容器内部填充保温材料，能够降低热传导及热辐射，同时内部抽取真空，进一步限制热对流，总体实现对内容器进行保冷。外容器主要承受由于抽真空形成的外压失稳及强度问题，通过弹性失稳计算可满足工程使用。

4 玻璃钢技术研究及分析

内容器通过玻璃钢支撑与外容器进行连接，之间形成夹层空间，内容器重量及天然气重量，全由底部4处或8处玻璃钢支撑，玻璃钢具有较好的低温机械性能、较低的导热系数，可满足实际使用要求。

5 鞍座支撑技术研究及分析

船用LNG燃料罐一般采用包角≥140°的鞍式支座，主要用于承载横向载荷，鞍座承受均布载荷，相对于玻璃钢处的集中载荷，弱化内容器载荷对外筒体的影响。载荷直接通过高刚度鞍座传递至船体结构。鞍座设计须同时考虑船体结构属于梁结构，航行过程中船舶中间处于中拱或中垂，鞍座结构型式及数量须充分考虑由此带来的影响。

6 结 论

1）双层LNG燃料罐主要关键技术为内筒体与玻璃钢连接位置处属于高应力区域，同时长期处于疲劳载荷的作用下极易产生疲劳裂纹及破裂。本文对双层LNG燃料罐受力特点进行简化，通过受力分析、理论推导及计算，最终通过分析软件进行论证，解决该高应力区域设计难题。

2）分析其他构件的设计和功能，均有相关设计标准参考或不属于异性结构的集中载荷，一般计算即可保证船用LNG燃料罐的设计安全。

3）深入理解船用LNG燃料罐的关键技术，为船用LNG市场提供优质技术装备，推动行业快速发展。

［1］DNV GL-RU-SHIP，船舶入级规范[S]．

［2］ASME BPVC-VIII-1，ASME Ⅷ 第一册 压力容器建造规则[S]．

Research and Analysis of Key Technology of Marine LNG Fuel Tank

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（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China）

The application field of double marine LNG fuel tank was studied, and the key technology of marine LNG fuel tank was analyzed. In particular, the high stress area of the support between the inner and outer vessel was analyzed. By model simplification, stress analysis and failure mode analysis, the calculation theory was formed, and the analysis software workbench was used for verification, and the general theory and calculation formula for solving the support structure strength and stiffness of marine LNG fuel tank was formed. Thus, the simplicity and complexity of analysis method were simplified, and the reliable and safe operation of marine LNG fuel tank was ensured.

LNG marine fuel tank; Glass steel support; Force analysis

2020-08-03

顾华（1985-），男，工程师，研究方向：液化天然气（LNG）水上产业链技术。

TH49

A

1004-0935（2020）12-1502-03