7 500 m3 LNG 加注船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙家蛟，崔兵兵，莊科挺

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

自國際海事組織（IMO）實(shí)施限硫令以來，航運(yùn)業(yè)正式步入低硫時(shí)代。 LNG 作為清潔高效的燃料受到船舶運(yùn)輸市場的青睞，中小型LNG 加注兼運(yùn)輸船訂單量也不斷攀升。 7 500 m3LNG 加注船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院為國外船東設(shè)計(jì)的一型液化天然氣加注/運(yùn)輸船，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，懸掛馬耳他旗，入級DNV 船級社。

7 500 m3LNG 加注船，總布置圖如圖1 所示，總長約115.80 m、型寬19.00 m、型深11.80 m、設(shè)計(jì)吃水5.95 m、結(jié)構(gòu)吃水6.20 m、肋骨間距700 mm，滿足1B 級冰區(qū)加強(qiáng)要求。采用雙底、雙殼、單凸起甲板結(jié)構(gòu)形式，船體中部設(shè)有前后2 個(gè)C 型獨(dú)立液罐貨艙區(qū)，既可滿足LNG 運(yùn)輸又可為其他船舶或岸上終端提供加注服務(wù)。C 型液罐設(shè)計(jì)壓力為0.45 MPa、最大貨物密度500 kg/m3，貨艙區(qū)配備高低位集管區(qū)。 機(jī)艙緊鄰貨艙后端壁，船尾設(shè)置2 臺全回轉(zhuǎn)定螺距導(dǎo)管推進(jìn)器作為動(dòng)力源，推進(jìn)器前方設(shè)置呆木并作為船舶進(jìn)塢后主要支撐結(jié)構(gòu)。 船首區(qū)域配備1 臺隧道式首側(cè)推器，提高船舶LNG 加注靠、離泊機(jī)動(dòng)能力。

圖1 7 500 m3 LNG 加注船總布置示意圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 貨艙骨架形式

該船需滿足1B 級冰區(qū)加強(qiáng)要求， 貨艙區(qū)采用縱橫混合骨架形式，舷側(cè)外板冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域采用橫骨架式并設(shè)區(qū)域中間肋骨，貨艙單凸起甲板、頂邊艙、雙層底、內(nèi)縱壁均為縱骨架式，詳見圖2、圖3，既滿足總縱強(qiáng)度要求， 又便于船體施工。 該船首尾及機(jī)艙區(qū)域采用橫骨架式。 雙層底為傾斜式內(nèi)底，船中高度取900 mm，逐步升高至底邊艙桁材高1 100 mm， 滿足船東設(shè)置雙層底的特殊需求，最大限度降低液罐及雙層底結(jié)構(gòu)重心高度。

圖2 外板展開圖（貨艙區(qū)）

圖3 典型橫剖面

強(qiáng)框的布置需考慮貨艙長度、鞍座、氣室及壓縮機(jī)間布置等因素，還需考慮船體縱骨尺寸與強(qiáng)肋骨腹板最小高度匹配、船體橫向強(qiáng)度、最小強(qiáng)框間距（規(guī)范通常要求不超過4 檔肋骨間距）等要求。 通過計(jì)算不同強(qiáng)框架間距（3 檔和4 檔肋骨間距）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與構(gòu)件重量， 在不影響船體結(jié)構(gòu)重量的前提下，實(shí)船強(qiáng)框架取3 檔肋骨間距。

1.2 大跨度凸起甲板

貨艙區(qū)域凸起甲板剛度較弱，當(dāng)船體受到總縱強(qiáng)度或其他外載荷的作用時(shí)，剛度較弱的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)較大的局部變形或振動(dòng)。 采用大跨度單跨強(qiáng)橫梁作為主要支撐結(jié)構(gòu)，滿足規(guī)范要求。

凸起甲板氣室開孔及壓縮機(jī)間等局部區(qū)域，設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮壓縮機(jī)引起的局部振動(dòng)、變形、應(yīng)力集中等因素，適當(dāng)增加局部加強(qiáng)構(gòu)件、提高局部板厚和鋼級等措施。 后續(xù)還要通過艙段有限元計(jì)算校驗(yàn)氣室開孔處局部變形量是否滿足船體結(jié)構(gòu)與氣室間隙要求和整體強(qiáng)度評估，既要確保該區(qū)域結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度與剛度，又要避免過度加強(qiáng)。

1.3 鞍座和止浮結(jié)構(gòu)

C 型獨(dú)立液罐采用常規(guī)雙鞍座結(jié)構(gòu)形式與船體相連，液罐及液貨的載荷集中通過鞍座傳遞至相鄰船體結(jié)構(gòu)上。 受低溫收縮影響，為保證液罐沿罐體縱向可以小范圍移動(dòng)， 前端鞍座設(shè)計(jì)為滑動(dòng)式，僅對液罐提供法向支撐； 后端鞍座設(shè)計(jì)為固定式，不僅可以對液罐提供法向支撐，還可以限制其縱向位移。 鞍座主要由鞍座面板、鞍座腹板以及若干沿徑向布置的縱向肘板等組成， 能夠有效將液罐的動(dòng)、靜載荷傳遞至船體結(jié)構(gòu)。 鞍座面板與液罐間通過墊木和環(huán)氧等有效連接，每個(gè)鞍座下方至少布置3 道實(shí)肋板以便有效承擔(dān)鞍座傳遞的載荷，縱向肘板盡可能跨過3 道實(shí)肋板進(jìn)而有效增加鞍座區(qū)域局部剛度。

液罐主要靠自身重量坐落在鞍座上，當(dāng)發(fā)生意外情況導(dǎo)致貨艙進(jìn)水時(shí)，受浮力影響液罐會(huì)慢慢浮起，需在各鞍座上方設(shè)置止浮結(jié)構(gòu)，保證船體結(jié)構(gòu)不遭受損害。 止浮結(jié)構(gòu)通常與鞍座設(shè)置在同一橫剖面內(nèi)，其結(jié)構(gòu)形式和大小基于液罐止浮結(jié)構(gòu)布置位置及艙內(nèi)空間等因素確定。

鞍座與止浮結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、鋼級等依據(jù)溫度場計(jì)算結(jié)果確定，并按照規(guī)范要求進(jìn)行局部強(qiáng)度評估。

1.4 橫艙壁

貨艙區(qū)橫艙壁為平面艙壁，艙壁水平桁與舷側(cè)平臺對齊，垂直桁與凸起甲板縱桁、內(nèi)底桁材對齊，垂直扶強(qiáng)材與凸起甲板縱骨、內(nèi)底縱骨對齊，形成縱橫交錯(cuò)的強(qiáng)力支撐結(jié)構(gòu)，有利于提高橫艙壁結(jié)構(gòu)在貨艙進(jìn)水狀態(tài)下的剛度和強(qiáng)度。 艙壁水平桁布置要注意避開液罐球頭結(jié)構(gòu)，同時(shí)可兼做檢修通道使用，充分利用貨艙空間，有效控制貨艙長度。

機(jī)艙前端壁采用階梯型水密橫艙壁結(jié)構(gòu)形式，在距基線3 100 mm 與6 400 mm 兩處各形成一條折角線，3 100 mm 以下部分艙壁整體前移兩個(gè)肋位，既解決了機(jī)艙區(qū)設(shè)備布置和檢修通道難題，也充分利用貨艙區(qū)C 型液罐下方空間。

2 計(jì)算分析

2.1 溫度場計(jì)算

根據(jù)IMO《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IGC Code，2016）要求：“所承載的液貨溫度低于-10 ℃時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行船體溫度場分析；當(dāng)液貨溫度低于-55 ℃時(shí)， 一般應(yīng)進(jìn)行船體熱應(yīng)力分析。 ”該船貨物系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為-163 ℃，罐體外設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^熱層，以確保船體結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度過低發(fā)生脆性斷裂。 溫度場分析可以采用有限元分析法或船級社認(rèn)可的簡化計(jì)算方法。 工程設(shè)計(jì)上以采用簡化計(jì)算方法為主，即采用將船體及液罐系統(tǒng)的三維傳熱簡化為一維傳熱方式進(jìn)行溫度場計(jì)算，計(jì)算評估時(shí)考慮的傳熱方式僅包括傳導(dǎo)、對流和輻射。 從設(shè)計(jì)和建造角度看，將船體結(jié)構(gòu)溫度控制在-30 ℃以內(nèi)，對材料選擇較為有利。

基于船東特殊要求的環(huán)境溫度（即空氣溫度-5 ℃、海水溫度0 ℃），采用簡化計(jì)算方法進(jìn)行溫度場分析。 考察對象主要有兩個(gè)區(qū)域： 一是與液灌隔離的貨艙處所結(jié)構(gòu)， 如凸起甲板、 內(nèi)殼板及內(nèi)底板等； 二是與液罐直接連接的特殊結(jié)構(gòu)， 如鞍座結(jié)構(gòu)等。 計(jì)算結(jié)果表明：各計(jì)算區(qū)域船體溫度均低于-30 ℃，如表1 所示。

表1 溫度場計(jì)算結(jié)果

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1 貨艙區(qū)強(qiáng)度計(jì)算

該船有前后兩個(gè)貨艙，計(jì)算僅選取后貨艙作為屈服、屈曲強(qiáng)度評估對象，前貨艙等同加強(qiáng)。 采用DNV 的Genie 軟件建立有限元計(jì)算模型，模型范圍自機(jī)艙后端壁至前貨艙前端壁，并包含液罐及支撐結(jié)構(gòu)。 鞍座與止浮結(jié)構(gòu)等均需正確模擬，保證液罐載荷能夠通過鞍座傳遞至船體。 計(jì)算模型如圖4 所示。 計(jì)算工況分為靜態(tài)工況、海上航行工況及事故工況等3 類，每一類工況根據(jù)不同裝載情況分為若干子工況。 計(jì)算載荷主要考慮船體梁總縱彎矩、液艙內(nèi)部壓力（包括液體靜動(dòng)壓力和液罐蒸汽壓力）、船體外水壓力、船舶運(yùn)動(dòng)慣性力及船體（含液罐）自重等。 載荷計(jì)算加載通過DNV 的Nauticus Hull 軟件自動(dòng)生成，典型計(jì)算工況載荷如圖5 所示。 模型邊界條件及衡準(zhǔn)按照DNV 規(guī)范要求確定。

圖4 艙段有限元計(jì)算模型

圖5 載荷示意圖

計(jì)算結(jié)果表明：船體結(jié)構(gòu)屈服及屈曲強(qiáng)度基本可以滿足規(guī)范要求，應(yīng)力較高的區(qū)域主要在氣室開孔及其周圍甲板過渡區(qū)域、貨艙區(qū)內(nèi)殼端部過渡區(qū)域等結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。 上述高應(yīng)力區(qū)域主要是應(yīng)力集中引起，設(shè)計(jì)時(shí)在氣室開孔、內(nèi)殼等主要構(gòu)件端部，需合理設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)形式。

圖6 高應(yīng)力區(qū)示意圖

貨艙區(qū)各水密橫艙壁、鞍座及止浮裝置等結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果滿足DNV 規(guī)范要求。

2.2.2 局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

集管區(qū)平臺通過圓管支撐結(jié)構(gòu)與船體甲板相連， 集管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)分別采用φ200、φ300、φ350 等3 種規(guī)格， 建立典型區(qū)域計(jì)算模型并完整模擬圓管支撐結(jié)構(gòu)（含圓管墊板），見圖7。當(dāng)加注作業(yè)時(shí)受船體自身運(yùn)動(dòng)影響，圓管支撐結(jié)構(gòu)會(huì)承受不同方向的力與彎矩， 不僅需要考慮支撐結(jié)構(gòu)向下壓應(yīng)力，還需要考慮其與甲板間焊縫所承受的向上拉應(yīng)力。將圓管支撐與甲板間焊縫簡化模擬為板單元評估其受向上拉應(yīng)力的方式得到船級社的認(rèn)可， 圓管墊板與甲板間保留一定高度并通過板單元連接，高度值取圓管墊板與連接甲板厚度各1/2，連接板單元板厚取支撐甲板的1.25 倍。集管區(qū)平臺強(qiáng)度評估結(jié)果，滿足SIGTTO《液化氣體運(yùn)輸船管匯的技術(shù)要 求》（Recommendations for Liquefied Gas Carrier Manifolds）相關(guān)要求。

圖7 集管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖

呆木呈倒梯形結(jié)構(gòu)， 位于船尾部中心線處，因船舶進(jìn)塢時(shí)尾部大部分重量由呆木結(jié)構(gòu)承擔(dān)并傳遞至相鄰船體結(jié)構(gòu)，船東提出2 倍結(jié)構(gòu)安全因數(shù)要求，需要對呆木及相鄰區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。

計(jì)算模型包括主甲板下整個(gè)船體尾部， 如圖8所示，上建結(jié)構(gòu)以質(zhì)量點(diǎn)形式均布在相應(yīng)主甲板平面；計(jì)算載荷除船體結(jié)構(gòu)自重外，還需考慮進(jìn)塢時(shí)燃油艙、壓載艙等殘余重量；計(jì)算載荷以面載荷形式施加在呆木結(jié)構(gòu)底平面。 通過計(jì)算，對不滿足強(qiáng)度要求的構(gòu)件如機(jī)艙前端壁垂直桁等通過增加構(gòu)件尺寸、提高鋼級等措施予以解決。

圖8 呆木結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖

2.3 振動(dòng)噪聲計(jì)算

居住處所布置在機(jī)艙上方， 靠近尾推進(jìn)器、主發(fā)電機(jī)組等主要設(shè)備，且需要滿足COMF（V-3）振動(dòng)要求，因而有必要進(jìn)行振動(dòng)和噪聲計(jì)算評估。

2.3.1 振動(dòng)計(jì)算

采用MSC.Patran 軟件建立全船計(jì)算模型（見圖9），計(jì)算主要考察航行和滿載兩個(gè)典型工況下船體總振動(dòng)，確保在考核范圍內(nèi)船體固有頻率與尾推進(jìn)器、主發(fā)電機(jī)組等激振源頻率完全錯(cuò)開并滿足規(guī)范頻率儲備要求。 計(jì)算結(jié)果表明，船體固有頻率完全避開各考察激振源頻率，且滿足規(guī)范要求的頻率儲備，總振動(dòng)計(jì)算評估結(jié)果良好。 圖10 為滿載工況三階垂向振型圖。

圖9 總振動(dòng)計(jì)算模型

圖10 滿載工況下三階垂向振型

計(jì)算結(jié)果見圖10，船體固有頻率完全避開各考察激振源頻率，且滿足規(guī)范要求的頻率儲備，總振動(dòng)計(jì)算評估結(jié)果良好。

壓縮機(jī)間置于后貨艙單凸起甲板上方，艙室內(nèi)除壓縮機(jī)等設(shè)備外還布置大量管系，在壓縮機(jī)間主要結(jié)構(gòu)處選取若干典型位置作為振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算考核點(diǎn)，如圖11 所示，壓縮機(jī)激振力作為激振源，采用與總振動(dòng)計(jì)算相同的全船計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)固有頻率。壓縮機(jī)間考核點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖12所示，滿足ISO 6954:2000《機(jī)械振動(dòng)客船和商船適居性振動(dòng)測量、報(bào)告和評價(jià)準(zhǔn)則》要求。 首制船海試振動(dòng)測試結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果， 振動(dòng)指標(biāo)優(yōu)良。

圖11 壓縮機(jī)間振動(dòng)響應(yīng)考核點(diǎn)示意圖

圖12 振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

2.3.2 噪聲計(jì)算

采用經(jīng)驗(yàn)公式與統(tǒng)計(jì)能量法相結(jié)合的方法對上層建筑各艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，模型利用全船總振動(dòng)計(jì)算模型，將模型簡化處理，保留艙壁等主要結(jié)構(gòu)滿足聲學(xué)預(yù)報(bào)模型要求， 噪聲計(jì)算模型如圖13所示。 噪聲源主要考慮主推進(jìn)器與主發(fā)電機(jī)組，其相關(guān)參數(shù)主要由廠商提供，其他參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

圖13 噪聲計(jì)算模型

噪聲預(yù)報(bào)值與海試實(shí)測值較為接近，滿足IMO《船上噪聲等級規(guī)則》要求，預(yù)報(bào)值與首制船海試實(shí)測數(shù)據(jù)及IMO 標(biāo)準(zhǔn)值對比如圖14 所示。

圖14 噪聲計(jì)算結(jié)果對比

3 結(jié) 語

7 500 m3LNG 加注船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)采用縱橫混合骨架形式，滿足1B 級冰區(qū)加強(qiáng)要求。 凸形甲板參與總縱強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)剛度比常規(guī)甲板形式低，中縱剖面液罐氣室開口處需特殊加強(qiáng)。 C 型液罐通過鞍座與船體結(jié)構(gòu)連接，鞍座、止浮結(jié)構(gòu)以及周圍的船體結(jié)構(gòu)是主要承力構(gòu)件，根據(jù)溫度場計(jì)算和局部強(qiáng)度評估結(jié)果確定。 為了保證結(jié)構(gòu)安全和船員舒適性要求，需進(jìn)行艙段、局部強(qiáng)度有限元計(jì)算分析和振動(dòng)噪聲評估，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 希望以上總結(jié)的LNG 加注船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)能對類似船型設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。