LNG SPB型獨(dú)立液貨艙設(shè)計(jì)分析

劉東進(jìn)，甘少煒，顧華，金全洲，程康

(1.張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司,江蘇 張家港 215632;2.中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

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LNG SPB型獨(dú)立液貨艙設(shè)計(jì)分析

劉東進(jìn)1，甘少煒2，顧華1，金全洲2，程康2

(1.張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司,江蘇 張家港 215632;2.中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

為實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)自主建造，對(duì)現(xiàn)有主要LNG液貨艙型進(jìn)行對(duì)比，從市場(chǎng)前景、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)要點(diǎn)和國(guó)內(nèi)適應(yīng)性等方面分析，考慮選擇SPB型艙為未來(lái)國(guó)產(chǎn)化的主選。以一艘6 000 m3LNG運(yùn)輸船為目標(biāo)船型進(jìn)行SPB型艙設(shè)計(jì)，依據(jù)國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)規(guī)范，采用有限元軟件ANSYS和Abaqus對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，以確定設(shè)計(jì)樣艙的應(yīng)力水平、疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展特性，為樣艙制造提供技術(shù)參考。

LNG；SPB型獨(dú)立液貨艙；國(guó)產(chǎn)化；裂紋擴(kuò)展特性

液化天然氣(LNG)儲(chǔ)存溫度為-163 ℃，且粘度極低，存儲(chǔ)難度大[1]。最初誕生的艙型是MOSS型B型液貨艙，近年來(lái)，MOSS型艙由于其球形的體積占用的艙室空間較大，突出甲板部分較高，影響駕駛視野等缺陷[2]，逐步被淘汰。

IHI(日本石川島播磨重工公司)和日立公司依據(jù)B型液貨艙標(biāo)準(zhǔn)和要求設(shè)計(jì)出了SPB型液貨艙。但該型貨艙沒(méi)有持續(xù)發(fā)展，目前世界僅2艘船舶采用SPB型液貨艙。由于MOSS型艙自身的缺點(diǎn)和SPB型艙專利技術(shù)保護(hù)，使得GTT的薄膜型液貨艙得到了迅速發(fā)展，目前全球LNG船舶約90%采用薄膜型貨艙。隨著技術(shù)的發(fā)展和IMO MSC370(93)決議的通過(guò)，液貨艙詳細(xì)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求被寫(xiě)入了IGC規(guī)則[3]，為更多公司參與到LNG前沿液貨艙的設(shè)計(jì)制造提供了契機(jī)。

1 LNG液貨艙型及對(duì)比

依據(jù)國(guó)際公約的分類，LNG液貨艙分為5種類型：①獨(dú)立式液貨艙(A、B、C型)；②薄膜式液貨艙；③半薄膜式液貨艙；④整體式液貨艙和內(nèi)部絕熱式液貨艙[3]。目前，常見(jiàn)的LNG液貨艙形式主要有獨(dú)立式液貨艙和薄膜式液貨艙2種，其中獨(dú)立式液貨艙常見(jiàn)的形式有A型液貨艙、B型液貨艙(MOSS型和SPB型)和C型液貨艙；薄膜式液貨艙常見(jiàn)的形式有NO96薄膜型、MK-III薄膜型和CS-1薄膜型[4-6]。艙型對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各種液貨艙對(duì)比

對(duì)比表明，B型艙具有其余艙型無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，也是LNG圍護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

B型艙又分為MOSS型和SPB型。MOSS型由于其球形的體積占用的艙室空間較大，突出甲板部分較高，影響駕駛視野等缺陷，逐步被淘汰。

SPB型液貨艙的主體材料由高強(qiáng)度的鋁合金(5083)或9%鎳鋼的加筋板構(gòu)成，其形狀沒(méi)有限定，通常為棱柱形，也可以根據(jù)船舶艙型進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也使得甲板保持傳統(tǒng)的平坦形式[6]。SPB型液貨艙通過(guò)相應(yīng)基座和膠合板楔子予以支撐。SPB型液貨艙最大的特點(diǎn)是通過(guò)在內(nèi)部設(shè)置液密緩沖艙壁、扶強(qiáng)材和橫向邊板，對(duì)艙內(nèi)空間進(jìn)行分隔，減小自由液面，將液體晃蕩頻率提升到遠(yuǎn)離于船體晃動(dòng)的頻率，避免產(chǎn)生共振。SPB型液貨艙對(duì)充裝率沒(méi)有限制要求，因此適用范圍更廣，例如LNG加注船和LNG浮式裝置均可采用。SPB型液貨艙的外型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 SPB型艙技術(shù)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)

SPB型獨(dú)立液貨艙的主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)安全性，按照B型艙的概念，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確模擬分析。

圖1 SPB型艙

結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)包括艙體結(jié)構(gòu)承載能力極限設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、意外強(qiáng)度設(shè)計(jì)和基于裂紋擴(kuò)展的損傷容限設(shè)計(jì)等[7]，與各種設(shè)計(jì)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的載荷見(jiàn)表2。

選取6 000 m3獨(dú)立液貨艙的江海直達(dá)LNG船作為目標(biāo)船[8]，其布置見(jiàn)圖2。

建立艙段有限元模型見(jiàn)圖3。

表2 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 目標(biāo)船總布置示意

圖3 設(shè)計(jì)的SPB型艙艙段有限元模型

2.1 極限強(qiáng)度分析

參考IGC規(guī)則中的設(shè)計(jì)原則，考慮各種極限設(shè)計(jì)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的載荷，選取如表3所示的16個(gè)計(jì)算工況，對(duì)所設(shè)計(jì)SPB型艙進(jìn)行極限強(qiáng)度效核。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

表3 極限強(qiáng)度計(jì)算工況

注：TS-結(jié)構(gòu)吃水；Tmin-實(shí)際裝載工況下最小吃水；Tmax-結(jié)構(gòu)吃水；TDAM-結(jié)構(gòu)破壞吃水。

圖4 各計(jì)算工況下液貨艙結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

除意外設(shè)計(jì)工況LC10，LC11和LC12的最大應(yīng)力超出了304L不銹鋼的屈服極限240 MPa外，其余工況均滿足極限設(shè)計(jì)條件。

2.2 裂紋擴(kuò)展分析

對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，基于通用有限元軟件Abaqus和疲勞裂紋擴(kuò)展程序(FCG-System)[10]對(duì)設(shè)計(jì)樣艙的穿透裂紋進(jìn)行，分析流程見(jiàn)圖5。

圖5 SPB型艙裂紋擴(kuò)展分析流程[11]

裂紋擴(kuò)展計(jì)算模型及15 d應(yīng)力譜[12]見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 裂紋擴(kuò)展計(jì)算模型

依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和帕里森公式[13]得到不同位置在15天周期應(yīng)力譜作用下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度結(jié)果見(jiàn)表4。

因?yàn)橐贺浥摪搴駎=11 mm，從計(jì)算結(jié)果可知15 d周期內(nèi)沒(méi)有穿透板厚，不會(huì)引起泄漏。

圖7 15 d短周期應(yīng)力譜

表4 裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度 mm

3 結(jié)論

1)SPB型艙以其艙容利用率高、建造維護(hù)成本相對(duì)較低、可靠性能出眾等優(yōu)勢(shì)將成為未來(lái)LNG圍護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的主流型式。

2)目前國(guó)內(nèi)已具備設(shè)計(jì)SPB型艙的基礎(chǔ)條件，以一艘6 000 m3LNG運(yùn)輸船為目標(biāo)船型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的SPB型艙。

3)從極限強(qiáng)度分析結(jié)果來(lái)看，除意外設(shè)計(jì)工況LC10～12外，其余工況均滿足極限設(shè)計(jì)要求，針對(duì)該3個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)的SPB型艙進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4)從裂紋擴(kuò)展分析結(jié)果來(lái)看，初始裂紋缺陷出現(xiàn)后15天內(nèi)，裂紋沒(méi)有發(fā)展為穿透裂紋，不會(huì)引起泄漏，設(shè)計(jì)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文依據(jù)國(guó)際公約要求，對(duì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)型SPB型艙開(kāi)展了一系列仿真模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的貨艙結(jié)構(gòu)滿足國(guó)際公約的技術(shù)要求，可為國(guó)內(nèi)后續(xù)SPB型艙設(shè)計(jì)和制造提供參考。

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Design of SPB Type Independent LNG Tank

LIU Dong-jin1,GAN Shao-wei2, GU Hua1, JIN Quan-zhou2, CHENG Kang2

(1.Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China;2.Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

In order to establish the domestic R&D capability of LNG storage system, the existing types of cargo tanks was studied from the aspects of market prospect, economy, techniques, flexibility and etc. The SPB type of independent cargo tank was chosen as hotspot of domestic researching in the future. A 6,000 m3LNG carrier was selected for the design of SPB type independent cargo tank. Based on the international regulations and domestic technical requirements, the FEM software ANSYS and Abaqus was adopted to analysis the stress level, fatigue lifetime and crack propagation characteristics of the tank, which can be referenced by the actual SPB tank production and its further nationalization.

LNG; SPB type independent cargo tank; nationalization; crack propagation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.023

2016-12-14

中國(guó)海事局和國(guó)家能源局(海事[2012]509號(hào))

劉東進(jìn)(1981—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：LNG水上運(yùn)輸技術(shù)。

U662

A

1671-7953(2017)04-0102-04

修回日期：2017-02-23