新IGC规则下液罐鞍座强度衡准研究

刘文华,戴志远

(1.上海船舶研究设计院,上海 201203;2.浙江省海洋开发研究院,浙江 舟山 316021)

0 引言

独立液罐在中小型LNG运输船、LNG加注船、LPG船等气体运输船中为主流配置。液罐与船体间的连接通过鞍座或垫块等支撑构件实现载荷的传递及保冷隔热。相关文献对该区域结构强度也进行过分析[1]。《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(2016)(下文简称“新《IGC规则》”)重新改写支撑构件要求,调整了工况描述,删除了许用应力的描述[2]。各船级社由此也有了不同的补充规定。有的船级社对于A型和C型独立舱的支撑构件在静横倾工况下许用应力描述不同,由此造成设计者的困扰。

本文根据20 000 m3LNG运输加注船[3]的实船经验,总结了各主要船级社在舱段结构强度分析中液罐支撑结构的许用应力,并推荐了最合理的评估标准。

1 美国船级社指南要求

美国船级社(ABS)指南[4]第4节第3条指出,支撑构件和垫块的事故工况为碰撞、静横倾30°和破舱进水。其指南第6节第5.11条给出支撑构件和垫块的评价标准,舱段结构强度三维有限元分析中,一般采用纵骨间距模型。本文为便于比较分析,给出普通钢、H32高强度钢(屈服强度为315 MPa)和H36高强度钢(屈服强度为355 MPa)3种材料在事故工况和静横倾30°工况下的许用应力,见表1。ABS船级社对液罐、船体和支撑构件的强度要求一直以来都是很明确的,从未变动。

表1 ABS支撑构件和垫块许用应力 单位:MPa

2 法国船级社规范要求

法国船级社(BV)规范[5]D部分第9章第4节第8小节给出了支撑构件的规范要求,该小节包含了A型舱和C型舱垫块。对于A型舱的防横摇垫块,第8.3.5条明确指出常规静横倾工况下许用应力为235/kMPa,其中k为材料系数;事故工况下许用应力与静横倾工况相同,常规工况下许用应力为230/kMPa。对于C型舱,静横倾工况下支撑构件许用应力未给出,事故工况参考了A型舱。表2给出了网格为普通肋骨间距时,不同材料下支撑构件的许用应力。

表2 BV支撑构件许用应力 单位:MPa

3 中国船级社规范要求

中国船级社(CCS)规范[6]在第2篇第A4章附录1的第4.3.6条明确了有限元分析对A型舱的工况要求,静横倾独立舱及支撑构件的强度校核分为工况6和工况7。许用应力值在第4.5.1条给出。需要指出的是,CCS在此处明确了支撑构件与液舱的许用应力是相同的,这点比较保守。破舱和碰撞工况许用应力可以放大1.1倍。

在附录2的第4.3.6条中明确了舱段有限元分析对C型舱的工况要求,静横倾船体强度校核分为工况6和工况7。船体许用应力为235/kMPa。

C型独立液货舱鞍座结构强度在附录第4.6小节给出,明确可采用简化的“鞍座/支撑构件+相邻船体结构”的三维局部模型。第4.7.1条指出静横倾工况为承载极限状态(ULS)。第4.8.1条明确给出了许用应力为220/kMPa。不同材料许用应力汇总见表3。从表中可以看出,A型舱垫块在静横倾工况的许用应力较C型舱低。

表3 CCS支撑构件许用应力 单位:MPa

4 挪威与德国船级社指南要求

在挪威船级社(DNV)和德国船级社(GL)合并前,DNV液化气船独立A型舱指南[7]第4节明确静横倾工况为静态分析工况(S);指南表格4明确支撑构件许用应力为215/kMPa(不考虑船体梁载荷)或225/kMPa(考虑船体梁载荷),事故工况则为225/kMPa(不考虑船体梁载荷)或235/kMPa(考虑船体梁载荷)。

合并后的DNV·GL开始了规范的统一协调工作,然后分别出版了液化气船独立A型舱和C型舱的指南。

对于独立A型舱,指南[8]第4节第3.4条明确指出静横倾工况LC8和LC9为事故工况,支撑构件许用应力与碰撞和止浮工况相同,均为235/kMPa。

对于独立C型舱,指南[9]第3节第3.3条明确指出静横倾工况LC4和LC5为静态工况,许用应力为0.72×235/kMPa。

不同材料许用应力汇总,见表4。

表4 DNV·GL支撑构件许用应力 单位:MPa

A型舱和C型舱都为独立舱。同一个船级社,对静横倾工况分类差异明显,许用应力有较大差距,这给设计者带来困惑。通过比较A型舱的许用应力,可以看出DNV·GL新规范在静横倾工况中明确考虑了船体梁载荷,许用应力也是一脉相承。C型舱的描述与船级社沟通后,独立C型舱指南[10]在2020年迎来修改,将静横倾工况归类为事故工况,许用应力直接提高到材料的屈服强度,有利于轻量化设计。

5 日本船级社指南要求

日本船级社(NK)指南[11]在第3节指出了静横倾工况下校核液舱和支撑构件的结构强度,指南表3.2给出了工况中载荷的成分,表3.5给出了工况的标识为LT9。但是在第7节屈服评价标准中,仅给出了船体和液舱的评价标准,明确指出支撑构件不适用该评价体系。

在指南第10节指出:支撑构件单独用细化网格模型进行分析评价。

总体看,NK船级社的指南仅给出工况却没有明确许用应力标准值。

6 实船分析

以目前全球最大的20 000 m3LNG运输加注船为例,根据DNV·GL对C型独立舱指南的要求,进行了舱段模型分析。舱段模型见图1,液货舱模型见图2,鞍座模型见图3。有限元分析重点在于鞍座结构的应力。鞍座中心开孔处在静横倾工况下应力为285 MPa,见图4。

图1 舱段模型

图2 液罐模型

图3 鞍座模型

图4 鞍座静横倾工况下相当应力云图(粗网格)

根据表4可知,鞍座材料为H36时,许用应力为235 MPa,鞍座开孔处强度不满足要求。为此,需要进行细化分析,进一步研究应力分布情况。图5给出了细化后的相当应力云图,最大应力为223 MPa,结果满足规范要求。分析原因,一方面是构件在粗网格下存在应力集中现象,另一方面则是由于静横倾工况,此处位置承受载荷较大。

图5 鞍座静横倾工况下相当应力云图(细化网格)

从计算结果看,如果指南将静横倾工况归类于事故工况的评价标准,根据表4,则许用应力为326 MPa,鞍座在粗网格模型下就能满足要求,无需进行细化分析,减少了设计人员工作量。

7 结论

实船计算表明,20 000 m3LNG运输加注船鞍座区域受力较大,在静态衡准下不能满足规范要求,DNV·GL船级社建议增加板厚,或建立细化模型,通过细化分析考虑加强方案。本船实际计算结果表明,静态衡准不适合,需要调整为动态衡准,归类为事故工况。通过比较其他船级社相关要求,以及本船计算结果,DNV·GL船级社对其指南进行了修订,横倾30°工况归类为事故工况。这样通过提高鞍座许用应力,简化设计过程,充分发挥了材料的性能,有利于船舶轻量化设计。

目前,针对此类工况,各船级社还没有统一指南建议,为此希望各船级社对规范或指南进行完善统一,从而避免设计人员、船东与审图人员对规范理解的差异,导致设计延误。