新型LNG IMO A型液貨圍護(hù)系統(tǒng)

上海福建國航遠(yuǎn)洋船舶管理有限公司 張慶勝

1959年1 月，Methane Pioneer 從美國路易斯安那州的查爾斯湖（Lake Charles）到英國坎維島（Canvey Island）運(yùn)載了世界上第一船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸LNG，證明了LNG的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸是可行的。時(shí)至今日，在滿足世界對(duì)清潔能源的需求、助力經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長方面，LNG海上運(yùn)輸依然至關(guān)重要。

液化氣體船貨物圍護(hù)系統(tǒng)發(fā)展沿革

液化氣體運(yùn)輸船是專門設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)洋船，是專門運(yùn)輸LNG、LPG以及其他烷烯烴類液化氣體等的專用船舶。

1931年，第一艘專門建造的能夠運(yùn)輸LPG的AGNITA交付使用。LPG儲(chǔ)罐采用大型圓柱形壓力容器。

1956年，第一艘新建的Methane內(nèi)河駁船開始測試LNG水上運(yùn)輸技術(shù)。其裝載5個(gè)內(nèi)部襯有巴爾沙輕木的立式圓桶。

1959年，第一艘改裝的Methane Pioneer開始首次商業(yè)運(yùn)輸LNG。棱柱形貨艙為鋁合金材質(zhì)。

1964年,專門建造的Methane Princess開始運(yùn)輸LNG。該船貨艙為5083鋁合金材質(zhì)，貨艙絕緣主要是巴爾沙輕木。

1964年，第一艘Technigaz薄膜技術(shù)Mark I型試驗(yàn)船Pythagore建造。貨艙材料為不銹鋼。

圖1 1959年2月28日，Methane Pioneer號(hào)在Calcasieu河碼頭裝載歷史上第一船LNG貨物

圖2 2019年，第一艘LNT-A型罐LNG船SAGA DAWN交付。貨艙材質(zhì)為304不銹鋼

1969年,第一艘Gaztransport殷瓦薄膜型NO技術(shù)LNG船Polar Alaska建造。貨艙材料為殷瓦鋼。

1973年，第一艘MOSS球型LNG 船Norman Lady建造。貨艙材料為9%鎳鋼。

1981年，第一艘SPB型LPG船GENKAI MARU建造。貨艙材質(zhì)為鋁合金。

1983年，IGC規(guī)則通過生效，對(duì)液化氣體運(yùn)輸船技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范化約束。

1988年，第一艘SPB型LNG船KAYOH MARU建造。貨艙材質(zhì)為鋁合金。

2019年，第一艘LNT-A型罐LNG船SAGA DAWN交付。貨艙材質(zhì)為304不銹鋼。

目前，液化氣體運(yùn)輸船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)日臻成熟，已呈現(xiàn)體系化、大型化、專業(yè)化的發(fā)展格局。其中,LPG船舶以C型壓力式儲(chǔ)罐和IMO A型貨艙為主；而LNG運(yùn)輸船市場則以GTT薄膜型、MOSS球罐型和SPB型為主，LNT-A型貨艙技術(shù)在LNG運(yùn)輸船市場上剛剛開始嶄露頭角。

液化氣體船貨物圍護(hù)系統(tǒng)分類

根據(jù)IGC的分類，液化氣體船貨物圍護(hù)系統(tǒng)共分為五大類型：整體液貨艙、薄膜液貨艙、半薄膜液貨艙、獨(dú)立液貨艙（分為A型、B型、C型3類，A型貨艙按傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；B型貨艙經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)確保其應(yīng)力、疲勞和裂紋特性；C型貨艙按壓容器標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)）、內(nèi)部絕熱液貨艙。

獨(dú)立IMO A型貨物圍護(hù)系統(tǒng)演變過程

圖3 IGC對(duì)液化氣體船貨物圍護(hù)系統(tǒng)分類

圖4 1970年代后期El Paso項(xiàng)目的CONCH棱柱貨艙在Avondale船廠整體吊裝

圖5 LNT-A型貨艙結(jié)構(gòu)

1959年的Methane Pioneer號(hào)驗(yàn)證了LNG海運(yùn)技術(shù)的可行性。其貨艙技術(shù)為CONCH型A型貨艙。船上安裝了5個(gè)鋁合金棱柱形貨艙，0.3米厚的液體密封的巴爾沙輕木板敷設(shè)在船殼內(nèi)板上作為熱絕緣。然而，巴爾沙輕木造價(jià)過于昂貴，經(jīng)濟(jì)上不劃算。

1962年建造的Methane Princess號(hào)和Methane Progress號(hào)從阿爾及利亞向英國運(yùn)輸進(jìn)口的LNG。其貨艙基本延續(xù)了CONCH 公司在Methane Pioneer 號(hào)上采用的貨艙技術(shù)。

1970年代后期，CONCH公司在El Paso項(xiàng)目三艘12.5萬方LNG船上對(duì)巴爾沙輕木絕緣進(jìn)行了改進(jìn)。用噴涂PUF泡沫層加玻璃纖維替代了昂貴的巴爾沙輕木絕緣。然而氣試過程中發(fā)現(xiàn)噴涂在船體內(nèi)甲板上的PUF泡沫絕緣發(fā)生廣泛的破裂跟分層現(xiàn)象。最終該項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施被證明是失敗的。

2015年,挪威LNGN ew Technologies公司開發(fā)新型LNG船用液貨罐系統(tǒng)A型罐獲得船級(jí)社認(rèn)證和全球國際專利。

在結(jié)構(gòu)上，LNT-A BOX貨物圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)與早期的CONCH型液貨艙同屬IMO A型液貨艙。早期的A型貨艙技術(shù)應(yīng)用在大型LPG運(yùn)輸船（VLGC）上。LNT-A型液貨艙可以用在LNG和LPG運(yùn)輸船上。

新型LNT-A Box貨物圍護(hù)系統(tǒng)

近幾十年大型LNG運(yùn)輸船市場逐漸被法國GTT公司的薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)所壟斷。采用薄膜型貨物圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的韓國、中國船廠需要向?qū)＠街Ц洞罅康膶＠M(fèi)用。因此，包括韓國、中國在內(nèi)的許多船廠、科研機(jī)構(gòu)都在尋找薄膜型專利技術(shù)的替代方案。LNT-A Box新型液貨艙技術(shù)就是其中新發(fā)展的技術(shù)方案之一。

LNTA-BOX是由LNT Marine公司開發(fā)的新型貨物圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)，屬于IMO A型液貨艙。該技術(shù)發(fā)展自數(shù)十年來在LPG船上廣泛使用的A型獨(dú)立貨艙技術(shù)，采用堅(jiān)固的自支撐式棱柱形貨艙，配置有專門設(shè)計(jì)的次層絕緣及次層屏蔽。該液貨艙放置在隔熱貨艙之中，隔熱的熱絕緣表面覆蓋有完整的次層屏蔽。該技術(shù)原理簡單，可以較低的門檻使更多造船廠掌握LNG船建造技術(shù)。

新型LNT-A 貨艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖6 LNT-A型貨艙絕緣

圖7 LNT-A型貨艙絕緣導(dǎo)熱性與薄膜型貨艙絕緣導(dǎo)熱性對(duì)比（數(shù)據(jù)來源：LNT Marine）

LNT-A 型貨艙屬于IMO A型獨(dú)立貨艙。貨艙主屏蔽為內(nèi)部加強(qiáng)的自支撐棱柱形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)可以是304 不銹鋼、9%鎳鋼或者鋁合金。貨艙最大允許設(shè)計(jì)壓力為0.7 barg。貨艙按照傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主屏蔽材料不是抗裂紋擴(kuò)展的，建造成本低。貨艙內(nèi)部有縱向制蕩艙壁，貨艙裝載高度不受限制。船體內(nèi)甲板敷設(shè)PUF 泡沫板熱絕緣。絕緣層表面覆蓋完整的液體密封次層屏蔽。主次層屏蔽之間的空間叫做屏蔽間空隙IBS（Inter-Barrier Space）,此區(qū)域平時(shí)充注惰性氣體，以防止在主層屏蔽LNG 泄漏時(shí)產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)以及保持干燥。在必要時(shí)人員可以進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行檢查維修工作。貨艙支撐系統(tǒng)由垂直方向基座、縱向限位基座、防止橫搖基座以及止浮裝置組成?；显O(shè)置層壓木既保證熱絕緣又能保證支撐強(qiáng)度。此外，A 型貨艙對(duì)船體線型適應(yīng)性好，船體內(nèi)部空間利用率高，能夠裝載更多液貨。

LNT-A 貨艙絕緣特點(diǎn)

LNT-A型貨艙的聚氨酯絕緣板敷設(shè)在船體內(nèi)甲板上，分暖板和冷板兩層。暖板直接安裝在船體內(nèi)甲板，冷板在暖板上面面對(duì)低溫貨艙。冷板外表面覆蓋有一層完整的次層屏蔽層CAC（Cloth-Aluminum Cloth）。CAC次 層 屏蔽由兩層玻璃絲布中間夾一層鋁箔構(gòu)成，具有液體密封效果。一旦貨艙主層屏蔽意外破損失效產(chǎn)生泄漏時(shí)，按照IGC code要求，可以允許15天的泄漏LNG存留，對(duì)船體鋼板形成保護(hù)。絕緣由安裝有雙頭螺栓的PUF面板組成。面板之間的緩沖接縫膠帶吸收了貨艙與絕緣層之間由于貨艙熱脹冷縮而產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。膨脹聚苯乙烯(EPS)墊板在必要時(shí)用于補(bǔ)償暖板和船體下面的膠合板之間的間隙。冷暖絕緣板均在車間預(yù)制成1200mm×1200mm×175mm的 絕緣板，現(xiàn)場安裝可以單人操作，安裝方便。錨固雙頭螺栓從每個(gè)絕緣板中心穿過，將絕緣板固定在船體內(nèi)甲板上，對(duì)船體內(nèi)板平整度要求不高，可以節(jié)省平整度校正工時(shí)。冷暖絕緣板因?yàn)椴槐爻惺芤贺浀膭?dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)荷，密度可以做得很低，因而材料簡單價(jià)格低廉。同時(shí)，更容易通過絕緣層的厚度來控制貨艙BOR。

相對(duì)比于薄膜型液貨艙的熱絕緣，LNT-A貨艙絕緣的密度可以做到40kg/cm3，而薄膜型絕緣因?yàn)樾枰疹櫟絹碜砸贺浀膽?yīng)力必須做到140kg/cm3（MARK III型）。因此，LNT-A型貨艙絕緣層重量輕，其成本比薄膜型更低，也更容易控制貨艙BOR。

LNT-A 貨艙與傳統(tǒng)全冷式LPG船A型貨艙區(qū)別

根據(jù)IGC CODE，獨(dú)立A型艙的次層屏蔽必須是完整的。在液貨艙主層屏蔽破損失效時(shí)，次層屏蔽必須能夠直接容納低溫液貨。

對(duì)于全冷式LPG運(yùn)輸船，以液貨艙外圍的船體內(nèi)甲板作為完整的次層屏蔽（液貨溫度在–55℃攝氏以上）。因此，次層屏蔽在主層屏蔽破損失效后，處于液貨低溫設(shè)計(jì)溫度。同時(shí)，IGC規(guī)定次層屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮30°的橫傾角時(shí)的狀態(tài)。所以船體的次層屏蔽結(jié)構(gòu)由能夠承受低溫的特殊鋼制成。在LNT-A型貨艙技術(shù)中，完整的次層屏蔽是敷設(shè)在熱絕緣層向船內(nèi)方向的表面，具有液體密封效果。在貨艙主層屏蔽失效泄漏情況下，該液體密封的次層屏蔽（CAC）能夠有效容納15天LNG的泄漏量。

現(xiàn)代全冷式LPG船的貨艙絕緣均是噴涂在液貨艙外表面的PUF泡沫絕緣，絕緣表面噴涂一層保護(hù)涂層，提供機(jī)械防護(hù)和防水保護(hù)。船體內(nèi)甲板沒有絕緣。而LNT-A型貨艙絕緣直接敷設(shè)在船體內(nèi)甲板表面，采用預(yù)制PUF泡沫絕緣板的形式安裝。絕緣表面覆蓋CAC作為完整的次層屏蔽。液貨艙主層屏蔽外表面不敷設(shè)任何絕緣，便于今后的故障檢查和維修保養(yǎng)。

圖8 LNT-A型貨艙與全冷式LPG船貨艙對(duì)比

LNT-A 貨艙與SPB型貨艙區(qū)別

根據(jù)IGC Code，SPB型貨艙結(jié)構(gòu)屬于IMO獨(dú)立B型。SPB型貨艙是需要經(jīng)過模型試驗(yàn)，進(jìn)行嚴(yán)密的船舶運(yùn)動(dòng)分析，液艙和船體的FEM（有限元方法）分析，疲勞分析和裂紋擴(kuò)展分析。而LNT-A型貨艙結(jié)構(gòu)，只需要按照常規(guī)的船體進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而具有設(shè)計(jì)簡單、成本低廉的特點(diǎn)。

SPB型貨艙需要設(shè)置部分次屏蔽。SPB型液貨艙主屏蔽層外面的船體結(jié)構(gòu)沒有能力直接接觸低溫LNG液貨。因此其貨艙底部必須設(shè)置防滴盤，且在貨艙破損失效的情況下能夠承接15天的LNG泄漏量。SPB型液艙的隔熱絕緣直接敷設(shè)在主層屏蔽液貨艙結(jié)構(gòu)的外表面。而LNT-A型貨艙外表面是裸露的（方便對(duì)液貨艙進(jìn)行檢查），隔熱絕緣則敷設(shè)在船體內(nèi)甲板上。

圖9 LNT-A型貨艙與SPB型貨艙對(duì)比

采用LNT-A型艙技術(shù)首制LNG船SAGA DAWN情況

2019年6月16日，江蘇招商局重工船廠為新加坡船東Saga LNG Shipping建造的首艘45000立方米LNG運(yùn)輸船SAGA DAWN成功完成氣體試航。該船是世界首艘采用LNT A-BOX專利貨物圍護(hù)系統(tǒng)的IMO A型LNG船，由挪威LNT Marine 公司（LNT）設(shè)計(jì)。該型LNG船舶具船體艙容利用率高以及船體線型設(shè)計(jì)合理的特點(diǎn)，特別適用于LNG區(qū)域性運(yùn)輸和沿海LNG運(yùn)輸，也可用于裝載LPG、乙烯、乙烷等貨種。LNT Marine公司在招商局重工（江蘇）船廠建造的LNG船Saga Dawn成功完成氣體試航并交付使用。2020年4月29日，該船從新加坡LNG接收站裝載45000方LNG運(yùn)輸?shù)綇V東東莞九豐碼頭交付，成功完成首航。目前該船服務(wù)于東南亞至廣東之間的航線，為廣東九豐運(yùn)輸進(jìn)口LNG，執(zhí)行為期一年的期租合約。

圖10 LNT Marine的Saga Dawn氣體試航

LNT-A 貨艙用在LNG燃料儲(chǔ)罐上的前景

在應(yīng)對(duì)船舶大氣排放控制的大形勢下，LNG作為船用燃料已然成為一個(gè)主要技術(shù)措施。相應(yīng)地，對(duì)LNG在船上存儲(chǔ)的要求成為一個(gè)挑戰(zhàn)——在有限的LNG儲(chǔ)罐安裝空間內(nèi)既要求有高的存儲(chǔ)量，又要求有高的可靠性和低的建造維護(hù)成本。根據(jù)LNT-A Box液貨艙技術(shù)在這方面因其獨(dú)特的特點(diǎn)，LNT Marine成功開發(fā)出船用帶有2barg壓力的LNG燃料艙系統(tǒng)（LNT Fuel-Box），成為解決這種需求的一個(gè)有效的解決方案。對(duì)于需要大容量的LNG儲(chǔ)罐且船體內(nèi)空間有限的雙燃料船，例如大型集裝箱船、大型礦砂船（VLOC）和豪華游輪等特別適合采用LNT Fuel-Box技術(shù)。在相同的安裝空間內(nèi)，LNT-A Box型儲(chǔ)罐相比C型壓力式儲(chǔ)罐，其LNG儲(chǔ)存容積可提高25%～50%。