21000m3乙烯（LEG）運輸船結構設計

鄭 凡，李小靈，鄭 雷

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

針對目前嚴峻的市場形勢，散貨船、油船和集裝箱等三大主力船型接單形勢低迷，利潤空間狹小的現狀，“江南造船”充分發(fā)揮自身技術優(yōu)勢，提升市場競爭能力，大力開展高技術、高難度、高附加值的“三高”船型研發(fā)，液化氣船就是“江南造船”民品生產線的主打產品之一。

想要在當前競爭激烈的市場中分一杯羹，與日韓的國際一流船廠在液化氣船領域展開面對面的直接競爭，開發(fā)創(chuàng)新、優(yōu)化設計、達到安全及環(huán)保的需求，取得技術指標領先，贏得船東的青睞，是一個必要途徑?；谶@一指導方針，“江南造船”研發(fā)并推出的21000m3LEG系列船型，以其先進的指標，領先的設計，成功獲得13艘建造訂單，創(chuàng)造了良好的經濟效益和社會效益。

1 船型簡介

21000m3LEG（乙烯）運輸船是江南造船為Navigator所建造的第二批液化氣船。經過優(yōu)化改進，船長較上一代22000m3LPG（液化石油氣）系列船型縮短10m，艙容相當。各項主要船型技術指標上均處于領先地位。入GL船級，能同時裝運兩種品位的貨物，貨品清單包括乙烯和一些石化產品，設計溫度為-104℃。

表1 21000m3 LEG船主要參數對比

從表1可知，21000m3LEG系列較22000m3LPG系列船長縮短10m，船寬增加≈0.6m，型深不變，而艙容大體相當，緊湊的船型布置給結構設計帶來難度，尤其是要保持船體結構與液罐之間的間隙，滿足相關的法規(guī)要求。

2 結構布置設計

該船為單層連續(xù)甲板，艉機艙，設艏樓。

由于貨艙內布置緊湊，空間緊張，特別是貨艙區(qū)的艏艉端，由于線型瘦削和液罐艙容需求，無法布置底邊艙，為單舷側結構，這給結構布置設計帶來很多技術難點。

通過對貨艙舷側結構形式的對比、論證，從“質量”控制和建造環(huán)境舒適的角度出發(fā)，貨艙舷側采用縱骨架式，由舷側強肋骨提供有效支撐。在貨艙艏艉端線型變化劇烈的區(qū)域，通過增密加強框，防止結構突變帶來的問題。

對于艏艉燃油艙，由于采用確定性燃油艙保護設計方案，從艙容最優(yōu)化和建造便利兩方面進行綜合平衡，采用了曲面內殼和平面內殼混用的方式。

每個液罐設一個固定支座和一個滑動支座，在支座區(qū)域，采用加密橫向肋板的方法來承受液罐及其裝載貨物引起的靜、動載荷。

3 規(guī)范設計及總縱強度分析

對于21000m3液化氣船，需要按照規(guī)范要求或說明書指定的裝載工況算出彎矩，提取最大中垂中拱設計彎矩和設計剪力，用來校核設計初期船體梁的抗彎力和抗剪力，確定船體梁的剖面模數。

根據GL規(guī)范[1]，使用船級社相關軟件，進行了規(guī)范強度校核。該船為單層連續(xù)甲板，但在主甲板上，每個貨艙左右各設有一個液罐氣室（Dome）開孔，這對于船體梁總縱強度影響明顯，在船體梁強度校核中需要予以考慮，并在其前后投影面（見圖1）內按照規(guī)范要求進行相應折減后再評估總縱強度。

圖1 氣室投影

該船在貨艙區(qū)內仍然采用平面艙壁設計方案，橫艙壁上布置有進出貨倉的通道。在壓縮機房區(qū)域，受壓縮機房的影響，該類通道圍井需要穿過頂邊壓載水倉，在結構設計時需要特別考慮該類特殊布置的影響。

4 直接強度分析

由于C型獨立液艙液支座區(qū)域內結構受力情況較特殊，液罐支座及船體區(qū)域相關主要支撐構件尺寸無法用規(guī)范計算方法校核，根據IGC[2]及船級社規(guī)范的要求需開展直接強度計算與分析[3]。

根據規(guī)范的要求建立有限元模型，見圖2，包括粗網格，細網格模型用來對應不同的計算階段。選取典型裝載工況進行校核計算，將載荷加載到相應模型中，通過計算，可分別對主要支撐構件強度評估，局部關鍵結構及部分高應力區(qū)域強度評估，開展了縱骨端部連接處的疲勞壽命評估。

在施加載荷時，需要考慮液罐和液貨重量（包括船舶運動引起的慣性力）；船體橫傾角30°時各有效質量沿斜面產生的重力分量等。對于支座結構，還需考慮意外工況下的載荷，包括：

圖2 有限元分析模型

1) 碰撞載荷：液罐和貨物重量0.5g的向前沖力，0.25g的向后沖力；

2) 進水載荷：貨艙進水后，液罐在海水作用下上浮對止浮裝置產生的載荷（見圖3）；

由于液化氣船載荷的特殊性，計算結果表明高應力區(qū)出現在液罐支座附近的雙層底縱桁上（見圖4）。通過關閉縱桁開孔及增加板厚的措施來降低該區(qū)域應力的分布水平。

圖3 液罐支撐及止浮裝置應力分布結果

由于第一液罐外形較特殊，船體結構形式也發(fā)生了顯著變化，加之貨艙首端區(qū)域船體運動加速度較大，為更準確地評估該區(qū)域的結構強度，建立了第一貨艙的直接強度分析模型（見圖5），以評估船體強度，并根據計算結果進行適當的修改。

圖4 雙層底縱桁應力分布

圖5 第一貨艙直接強度評估

5 結構振動分析

對21000m3液化氣船進行局部振動分析和全船振動分析（見圖6），在居住及工作區(qū)域的振動水平進行預估，以確保船員的居住舒適性和船體構件的穩(wěn)定、可靠。局部振動分析無需全船有限元模型而利用經驗公式進行計算，局部振動分析主要針對上層建筑。將所選關鍵結構的固有頻率計算值與相關激振頻率（即主機，螺旋槳產生的激振力）進行比較，以避免產生共振的風險。

全船振動分析則需要有限元模型，用以加載單元的屬性和質量分布。根據不同的工況（滿載或壓載）進行響應分析來得到模型對主機和螺旋槳激振力的響應，船舶各階段的垂向和水平方向的振動頻率須避開主機的激振頻率，上層建筑的縱向振動頻率避開螺旋槳的葉頻和葉倍頻。船舶振動幅值都應滿足ISO規(guī)定的取值。

由于選用了電噴主機，其二次不平衡力矩補償器無法布置在主機內，如需設置主機二階不平衡力矩補償器，則只能選用外置式。

在項目早期進行全船振動分析評估，經過分析，在不設置主機二階不平衡力矩補償器的情況下，船體振動水平仍在可接受范圍內。最終，本系列未選用安裝該補償器，實船試航振動測試結果表明：全船振動情況良好，符合相關標準要求（見圖7）。

圖6 有全船振動分析模型

圖7 全船振動分析結果

6 船體結構溫度場計算[4]

由于液化氣船在實際營運時，液罐內溫度低達-104℃，這會導致周圍船體區(qū)域處于低溫狀態(tài)。為避免鋼材在低溫狀態(tài)下發(fā)生脆性破壞，需要根據IGC和船級社的要求進行溫度場計算分析，以準確選用合適等級的鋼材。

對于液罐、貨艙區(qū)空間、海水、空氣等，主要考慮熱對流，建立熱傳遞分析模型，建立熱平衡方程，并進行求解，可得出各區(qū)域的溫度分布。初始外部計算條件，需要滿足IGC、USCG等的要求。液罐支座溫度場計算：由于液罐支座直接與液罐接觸，熱傳導為主要傳熱方式，液罐支座溫度往往較低。21000m3液化氣船液罐支座溫度場的計算考慮熱傳導（見圖8），根據熱平衡方程得到液罐支座處的溫度分布，即可確定鋼材的等級。該船支座面板溫度≈-30℃，處于 E級板和低溫鋼板的臨界區(qū)域，經過反復計算確認，選用E級鋼板為佳。

圖8 液罐支座處熱傳導計算模型

7 船體結構優(yōu)化[5]

7.1 貨艙結構優(yōu)化設計

與母型船相比，為保證關鍵區(qū)域的結構強度，在強框處大開孔設計已進行優(yōu)化，折角型開孔改進為轉圓型，有利于應力分布均勻，減少應力集中，方便結構布置。

船東提出不需要管弄，因此在雙層底中部結構采用無管弄設計，這樣底部結構設計簡單，易于施工建造。但由于壓載總管布置在雙層底壓載艙內，需要重點考慮壓載總管穿過雙層底實肋板時的結構開孔和節(jié)點設計。

在外板縱骨穿過強檔的貫穿孔都增加了補板，以增加連接面積，減少貫穿孔周界和連接的船殼板的應力集中。

7.2 貨艙區(qū)強框設計

預裝LNG罐的結構強度儲備按照船東對甲板LNG罐的需求，主甲板上按照總體布置LNG罐的特定區(qū)域進行結構加強，即在目前強檔布置規(guī)律下，增加FR67，FR69,FR81,FR83號肋位為強框，以作為將來安裝甲板LNG液罐支座的強度要求，并在主甲板上作出標記（見圖9）。

液罐支座的布置為滿足液貨系統所要求液罐的 DOUM 和 SUMP的設計位置，避免結構沖突，在FR159+390的位置設置強檔（見圖10），改變在整檔設置強檔的設計習慣，與液罐結構強檔匹配。

圖9 LNG罐加強檔

圖10 貨艙區(qū)FR51結構

8 建造工藝設計優(yōu)化

為了滿足快速性，艉部線型瘦削，施工空間狹小，在保證結構強度的前提下，為便于施工和安裝，艉軸處設計時充分考慮施工空間以減少單面焊（見圖11）。

圖11 22000m3艉部單面焊

9 根據第一代22000m3 LPG在運營中船東反應的問題進行優(yōu)化改進

增加電纜通道，機艙內總電纜穿過FR45號艙壁和主甲板，因沒有專門通道，腐蝕較明顯，存在安全隱患，為此專門在貨艙區(qū)增設了一個箱狀通道以專供電纜通過，不影響貨艙容積，還可防水防潮，增加安全可靠性。

貨艙區(qū)4號貨艙內液罐罐頂點與機艙前壁FR45號艙壁比較靠近，液罐低溫和機艙內油柜的高溫，產生交變應力，易使艙壁中部區(qū)域產生裂紋。此前通過敷設隔熱絕緣解決該問題，本船通過將橫艙壁結構材質級別調整為B級，增加其耐低溫的能力，避免了低溫脆性裂紋的產生。

圖12 艏部平臺結構

艏部區(qū)域有多層平臺，在考慮到船體結構與液罐間隙要求的前提下，在各層平臺結構末端的位置都增加全倒角的柔性大肘板，以防止因結構突變而造成撕裂，保證有足夠的過渡區(qū)域（見圖12）。

10 結 語

21000m3LEG船是在22000m3LPG船的基礎上，進行了全面的優(yōu)化設計，滿足最新規(guī)范規(guī)則的要求的新一代液化氣船。以21000m3LEG船結構設計為主要研究對象，從結構布置、規(guī)范校核、有限元強度分析、振動分析、結構優(yōu)化、建造工藝等多方面進行了研究，對全船結構進行了大量優(yōu)化改進工作，解決了設計中的難點，得到了一個滿意的設計方案，保證了整個船型設計方案的先進性，提升了船型市場競爭力。

[1] Rules for Classification of Construction (GL 2012) -PART 1 CHARPTER 1 Hull Structure CHARPTER 6 Liquefied Gas Carriers[S].

[2] IMO IGC Code CHARPTER 4 Cargo Containment[S].

[3] 王 峰. 全船有限元簡化方法在總縱強度計算中的應用[J]. 船舶與海洋工程，2014 (1): 24-27.

[4] 楊 振. 溫度場變化對船塢搭載精度控制的影響研究[J]. 船舶與海洋工程，2013 (3): 16-20.

[5] 王國水. 21000dwt多用途貨船結構優(yōu)化設計[J]. 船舶與海洋工程，2012 (2): 12-15.