符合冰區(qū)要求的LNG船結構加強研究

司 昭，耿元偉，江克進

（滬東中華造船（集團）有限公司開發(fā)研究所，上海 200129）

規(guī)范與標準

符合冰區(qū)要求的LNG船結構加強研究

司 昭，耿元偉，江克進

（滬東中華造船（集團）有限公司開發(fā)研究所，上海 200129）

由于冰區(qū)航行的特殊要求，為保證船舶的安全運營及人員生命財產(chǎn)安全，冰區(qū)航行的船舶設計較普通船舶而言需要考慮更多問題?；诙砹_斯船級社規(guī)范，選取 Arc4冰級，進行船體結構設計研究，分析了船體板材與骨材加強后結構質量變化情況。選取與Arc4冰級要求相近的PC7、IA冰級進行對比，對不同規(guī)范下相近冰級的計算結果進行比較。比較結果可為開展冰區(qū)航行的LNG船設計研發(fā)提供參考，具有現(xiàn)實意義。

船舶；冰區(qū)航行；冰級；液化天然氣船；結構設計

0　引言

隨著極地航線運營條件的不斷改善和提高，極地航線的貨運量呈井噴式增長，世界各國對具有極地航行能力的船舶需求與日俱增，相應的研發(fā)工作也迎來了空前的機遇。為保障人員生命和財產(chǎn)安全，極地冰區(qū)船舶對船體結構設計提出一系列更為嚴格的要求和全新的挑戰(zhàn)，船舶結構需要進行符合規(guī)范要求的冰區(qū)加強，同時要具備破冰、抗寒能力，從而滿足在冰區(qū)航線運營的要求［1］。

冰區(qū)航線的運營會帶來很可觀的經(jīng)濟效益，其發(fā)展也非常迅速。目前，國外針對冰區(qū)航行船舶的設計開發(fā)已經(jīng)取得了成果，并積累了豐富的技術和經(jīng)驗。各大船級社也根據(jù)冰區(qū)航行的特點制定了相關的規(guī)范，應用較多的是俄羅斯船級社冰級規(guī)范、芬蘭-瑞典冰級規(guī)則（FSICR）以及IACS冰級規(guī)范等。

就國內而言，目前已經(jīng)有符合冰區(qū)加強要求的油船、散貨船等投入運營，廣船國際已經(jīng)建造交付的51800t原油船已經(jīng)投入運營，大連船舶重工與挪威船級社（DNV）合作研發(fā)設計的滿足IA要求的阿芙拉型原油船等［2］。中國船級社也制定了冰區(qū)加強的相關規(guī)范，但針對LNG船的冰區(qū)加強研究較少。

1　俄羅斯規(guī)范計算分析

選取一型正在研發(fā)船型，根據(jù)俄羅斯船級社規(guī)范要求［3］，針對Arc4冰級進行結構冰區(qū)加強設計。根據(jù)規(guī)范要求，在進行冰區(qū)加強計算時將船體劃分為16個區(qū)域，沿船長方向劃分為A、A1、B以及C 4個區(qū)域，其垂向又劃分為I、II、III和IV 4個區(qū)域。不同的冰級，需要加強的區(qū)域也不同。所選取的冰級為Arc4，參照規(guī)范選取的加強區(qū)域見表1。具體的區(qū)域劃分見圖1。

表1　Arc4所需計算區(qū)域

圖1　冰區(qū)加強區(qū)域劃分示意

冰載荷計算時，首先計算沿船長方向各區(qū)域垂向Ⅰ區(qū)域的載荷，Ⅱ區(qū)域、Ⅲ區(qū)域和Ⅳ區(qū)域的載荷可以基于Ⅰ區(qū)域的載荷計算。根據(jù)規(guī)范可計算AI區(qū)域載荷：

式中：a1——系數(shù)，根據(jù)規(guī)范要求，在進行Arc4冰級計算時，其取值為0.79。

vm——在A區(qū)域里系數(shù)v的最大值，系數(shù)v的取值依照0.05L的間距選取剖面進行計算：

式中：x——計算剖面距艏柱的縱向距離，＜0.58b；b——冰載重線與船艏的交點到冰載荷線最寬處的距離，b＜0.4L。

α、β見圖2。

圖2　α、β角測量示意

各區(qū)域計算剖面α、β角度的測量以及v的計算結果見表2。

表2　載荷計算相關參數(shù)

根據(jù)下列規(guī)范公式，計算A1I區(qū)域、BI區(qū)域以及CI區(qū)域的載荷：

式中：2a、3a、4a——系數(shù)，根據(jù)規(guī)范要求取值，分別為0.8、0.5、0.75。在計算A1I區(qū)域載荷時，當，此時v值最大，由此可計算得到的大小，分別為 2166.03kPa、 1361.78kPa、1021.34kPa。

規(guī)范認為可以基于Ⅰ區(qū)域載荷計算Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)域載荷，其大小可以通過式（7）計算：

式中：k=A，A1，B，C ；Ⅰ=Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ；akl可通過查表得到。

各區(qū)域載荷計算結果見表3。

表3　各區(qū)域載荷計算結果

根據(jù)規(guī)范要求，在加強區(qū)域范圍內，板材的最小厚度值應不小于式（8）～式（10）的計算結果：

式中：P——各區(qū)域載荷的計算值；T——設計船舶壽命，本文取24a；u——每年的腐蝕和磨損余量，u的取值可從規(guī)范中查表取得；a0——取值見規(guī)范3.10.4.1。

分析Arc4冰級加強后各區(qū)域板厚變化情況，文中給出加強后外板質量增量與原有外板質量的百分比，設未加強前外板質量為m，加強后質量增量為Δm，外板質量變化百分比見表5。

表4　Arc4加強后外板質量變化　單位：%

所選船型采用縱骨架式，縱骨間距為0.88m，通過計算骨材最小剖面模數(shù)來確定骨材規(guī)格，其最小剖面模數(shù)Wl應不小于式（11）～式（13）的計算結果：

式中：a——縱骨間距，為0.88m；l——肋骨間距，為2.4m；b1、c、γ1等參數(shù)的取值見規(guī)范3.10.4.6.1。

分析加強后各區(qū)域骨材規(guī)格的變化情況，給出加強后各區(qū)域骨材質量增量與原有骨材質量的百分比，設未加強骨材質量為m，加強后的骨材增量為Δm，全船骨材質量變化百分比見表5。

表5　全船骨材質量變化　單位：%

根據(jù)上述表格可知，針對所選船型，A、B、C、D 4個區(qū)域的骨材質量都有所增加，在靠近船首的位置增加較明顯，百分比為0的區(qū)域表示現(xiàn)有骨材規(guī)格已滿足冰區(qū)加強的要求。

2　Arc4　與PC7　冰級結構加強對比

ABS對冰況的描述采用世界氣象組織關于海冰的專業(yè)術語。其中PC7與俄羅斯Arc4冰級較為接近，對于冰況的描述為“夏季/秋季在當年薄冰狀況下，可以包括舊夾冰”。針對所選船型，對Arc4冰級與PC7冰級加強后船體結構質量的變化情況進行對比［4］。

圖4中，陰影部分區(qū)域為PC7要求加強的區(qū)域，根據(jù)初步計算的構件尺寸進行粗估，可以得到進行冰區(qū)加強后結構質量變化規(guī)律，設未加強質量為m，加強后增量為Δm，質量增量與加強前質量的百分比見表6。

圖4　PC7冰級加強范圍示意

表6　PC7加強后全船結構質量變化　單位：%

Arc4與PC7加強后外板質量增加的對比，假設AA、AP分別表示Arc4、PC7冰級下加強區(qū)域的分布面積，MA1、MP1分別表示Arc4、PC7冰級結構加強后船體外板的增重，具體對比情況見表7。

表7　Arc4、PC7冰區(qū)加強外板增重比較

從表7可知，針對所選船型進行對比，隨著冰區(qū)加強的區(qū)域面積A的增大，外板增重M也相應有所增加，文中所選船型計算后PC7加強區(qū)域面積大于Arc4加強區(qū)域面積，外板增重也大于Arc4。由于Arc4進行艉部加強時，只有CI一個區(qū)域，PC7則包含si、sl兩個區(qū)域，外板增重在艉部相差較大。

Arc4與PC7加強后骨材質量增量對比如下表所示。在進行骨材質量增量對比時，假設MA2、MP2分別表示Arc4、PC7冰級結構加強后骨材的增重，對比結果見表8所示。

表8　Arc4、PC7冰區(qū)加強骨材增重比較

3　Arc4　冰級與IA冰級對比

在進行 IA冰級的分析時，將船體分為艏部、舯部和艉部三個區(qū)域，分別計算其受力載荷以及外板、骨材規(guī)格。冰區(qū)的設計冰厚取0.3m，層冰厚度取0.8m，其冰載荷的大小與船舶尺度及主機輸出功率有關，不能小于式（14）、（15）計算結果［5］。

式中：dc——表示船舶尺度和主機功率的影響系數(shù)；pc在船首、船中以及在船尾的取值分別為1、0.85以及0.65；ac取值見規(guī)范4.2.4.2；0p為名義冰壓，取值為5.6MPa。

計算后船體各區(qū)域冰載荷見表9。

進行外板厚度和骨材剖面模數(shù)的計算，縱骨架式的外板厚度不應小于式（16）的計算結果。

式中：s——骨材間距，m；tc——腐蝕余量，一般取2mm；ReH——材料屈服應力，取235N/mm2；f2的取值如下：

假設采用Arc4冰級加強后的板材厚度為tA，采用IA冰級加強后板材厚度為tI，Arc4冰級與IA冰級加強后板材厚度變化的對比見表10。

表10　Arc4、IA冰區(qū)加強板材厚度變化比較　單位：%

從表10可知，就所選船來看，在不考慮腐蝕余量影響的情況下，利用IA冰級的要求加強后的板厚要大于按照Arc4冰級要求加強后的板厚，但在考慮到腐蝕余量的影響后，Arc4冰級加強后的板厚會大于IA的值。

縱骨架式縱骨的最小剖面模數(shù)應不小于式（18）的計算結果：

縱骨的有效剪切面積A應不小于式（19）的計算結果。

依據(jù)上述流程可計算IA冰級骨材的剖面模數(shù)和剪切面積。假設采用Arc4冰級加強后的骨材最小剖面模數(shù)為WA，最小剪切面積為AA，采用IA冰級加強后的骨材最小剖面模數(shù)為WI，最小剪切面積為AI，則加強后兩種冰級骨材剖面模數(shù)和剪切面積對比見表11。

表11　Arc4、IA冰區(qū)加強骨材剖面模數(shù)、剪切面積對比　單位：%

從表11可知，針對所選船型，利用Arc4要求加強后骨材的剖面模數(shù)以及剖面面積都較IA有顯著增加。

4　結語

基于一型正在研發(fā)LNG船型進行了冰區(qū)加強的相關研究。按船級社規(guī)范要求計算冰區(qū)加強船舶的載荷值，進而確定其板材及骨材尺寸規(guī)格，并且對Arc4冰級、PC7冰級以及IA冰級加強后的結果進行了對比分析，從而對冰區(qū)航行的LNG船設計提供參考。

［1］ 張東江. 北極航區(qū)分析及極區(qū)船舶總體性能研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［2］ 錢靜，王景洋. 1A冰區(qū)（FS規(guī)范）船體結構加強方案研究——阿芙拉型原油船［C］//第十六屆全國海事科學技術研討會論文集，2011: 18-23.

［3］ RUSSIAN. 2-020101-077-E（T1）Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships［S］. 2014.

［4］ 王燕舞，張達勛. 冰級定義的有關建議和分析［J］. 上海造船，2010 （4）: 54-55.

［5］ ABS. ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels 2014［S］. 2014.

Study on Structure Strengthening of Ice-Class LNG Carrier

SI Zhao，GENG Yuan-wei，JIANG Ke-jin
（Hudong-zhonghua Shipbuilding （Group） Co. Ltd.，Shanghai 200129）

Special requirements for navigation in ice covered waters bring more considerations to ice-class vessels than conventional ships to ensure safe operation as well as the safety of crew and the property on board. Based on Russian classification society’s rules and regulations concerning Arc4 class vessels，this study carried out the hull structure design investigation，and analyzed the weight change when hull plate and frame were strengthened. Moreover，PC7 and IA class vessels with similar requirements as Arc4 were chosen to compare the calculation results corresponding to different rules. The result provides reference for the design and development of ice-class LNG carriers，which has some practical significance.

ship； ice navigation； ice-class； arc4； LNG carrier； structure design

U674.13+3.3.03+1

A

2095-4069 （2016） 03-0049-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.009

2015-06-03

工信部高技術船舶科研項目（工信部聯(lián)裝（2012）534號）

司昭，男，工學學士，工程師，1993年生。2014年畢業(yè)于哈爾濱工程大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結構力學方面的工作。