液化气运输船温度场分布研究及钢材匹配

2012-05-07 07:43王凡超

船舶与海洋工程 2012年4期

顾俊，王凡超

（708研究所，上海 200011）

0 引言

液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，简称LPG）船主要运输以丙烷和丁烷为主要成分的石油碳氢化合物或两者混合气，包括丙烯和丁烯，还有一些化工产品，近年来乙烯也列入其运输范围。依据载运各种气体的不同液化条件而分为全压式(装载量较小)、半冷半压式（装载量较大）和全冷式（装载量大）。液化气船因其特殊用途而需具备各方面的特殊要求，其技术难度大，船价为同吨位常规运输船的 2～3倍，是一种代表当今世界的造船技术水平的高技术、高附加值的船舶。

1 LPG船分类

LPG船按货物运输方式分为全压式、半冷半压式（冷压式）和全冷式3种船型。

1)全压式运输又称常温压力式，是把货物置于常温条件下加压超过蒸发气压的压力，使货物变成液化状态。少数气体诸如乙烷、乙烯、甲烷在高于临界温度下再加压也不液化。全压运输船的船舱不需设置隔热与低温冷却设备。通常最高设计温度为45℃，最高设计压力为1.75～2.0MPa之间。江南造船厂建造的我国第一艘3000m3LPG船，其设计工作压力为1.75MPa，通常全压式LPG船的舱容量都在5000m3以下。

2)半冷半压式运输又称低温加压式。该型第一艘船建于 1959年，容积为 2100m3。该类船早期冷却工作温度为-5℃左右，压力0.8MPa左右，运载液化气接近于全压式LPG船。该类船分为两类，较多的冷却温度为-48℃，少数运载乙烯的为-104℃，工作压力为 0.5～0.8MPa，江南造船厂建造的 4200m3和16500m3LPG船分别属于该两种船型。通常该类船最大舱容量不超过 25000m3，新研制的 30000m3LPG船可谓是该型船之最。

3)全冷式运输又称为低温常压型，液化气贮存于不耐压的液舱内，处于常压下的沸腾状态。液舱设计压力一般为0.025MPa，单个液舱容积很少受限制，适宜建造大型船舶，容量大都为50000m3～100000m3。

2 计算原理

2.1 热传递的分类[1]

热量的传递过程常以3种方式进行：热传导（导热）、对流换热以及辐射换热。

1)热传导。热传导是不同温度的物体直接接触或物体内部不同温度的各部分间能量交换的现象，即物体的高温部分传向低温部分。在没有相对运动的介质中，由于温度梯度引起介质之间的能量传递，即热传导对某一截面的热流密度以及热量分别为[2]：

式中：Q˙——热量；λ——导热系数；TΔ——温度梯度；t——板厚；A——热量传导的表面面积。

2)热对流。对流换热是流动的流体与其相接触的固体表面之间，在二者具有不同温度时所发生的热量传递过程。按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流；按流动性质分又有层流和湍流之别。对流换热是一个复杂的换热过程，流体的物性、换热表面的几何条件、流体物态的改变以及换热面的边界条件等对对流换热过程都有影响。通常以牛顿冷却公式作为对流换热的基本计算公式[3]：

3)热辐射。物体内部的微观粒子由热运动而激发出来的电磁波称为热辐射。在辐射过程中，物体不断把热能转变为热辐射能，这个热辐射能的大小是随物体温度大小而变化的。物体以辐射或吸收的形式进行换热过程，称为辐射换热，简称辐射。辐射换热量通常按下式给出：

式中：C1,2——辐射交换系数，对于两块相同尺寸大小的平行板，可表示为：

σ——波尔兹曼辐射系数；,ε1ε2——表面发射率；T1,T2——两块板的表面温度。

2.2 热传递的方式

传热方式[4]有以下几种：

1)船体水线以上外板与外界空气之间的对流传热，伴有太阳辐射；

2)船体水线以下外板与外界海水之间的对流传热；

3)船体外板与船体内液体（燃油、压载水）之间的对流传热；

4)船体各种板与舱室内空气之间的对流传热；

5)船体外板与内板之间的辐射传热；

6)低温液货罐体板与鞍座之间通过层压木发生热传导。

2.3 计算模型及主要参数选取

通过MSC.Patran/Nastran可进行的热分析有以下内容：一维、二维和三维热传导；基本对流；一维平流；封闭空间辐射热交换；给定温度；面或体积热载荷；热控制系统单元。以6500m3LPG船为例，相关计算参数如表1所示。

表1 有关参数

热传导分析的建模可分为以下几步：

1)定义有限元网格。把几何模型划分成节点和单元。分析时，温度在节点上计算，热传导发生在单元内。例如对一艘6500m3LPG船的一个鞍座结构进行了温度场分析，在该模型中，绝热层和层压木用实体单元模拟，加筋板格或者非加筋板格均用壳单元模拟，板格上的加强筋用梁单元模拟，并且考虑梁单元的偏心。为了更准确地模拟鞍座结构的几何形状，所要分析的鞍座结构及其附近船体区域网格尺寸取为 1/6纵骨间距，NO.1货舱纵骨间距为700mm，故所要分析的鞍座结构及其附近船体区域网格尺寸取为116mm左右，远离所关心区域的网格划分按照骨材间距实际排列方式，为700mm左右。

2)定义材料属性。在稳态热传导分析中，必须定义材料的热传导率。参考文献[2]、[4]、[5]，各个构件的热传导系数如表2。

表2 材料热物理特性

3)定义单元属性。单元热传导方向，按照几何特性可分为一维、二维、三维和轴对称4种。本文应用的单元主要特点见表3。

表3 单元类型

4)定义载荷和边界条件。在热分析的建模中，定义载荷和边界条件是最困难的。为了尽量减少边界条件对鞍座结构温度场的影响，应采用足够大的计算模型，局部模型范围以考察鞍座为中心，在船长方向向前（+X）向后（-X）取5个强框距离，沿船宽方向取全宽范围，型深方向（+Z）高度从基线到最上层箱盖甲板。模型边界条件的选取为，模型沿X方向的两个端面的边界条件取为铰支，即限制X、Y、Z 3个方向的线位移，中纵剖面上的边界条件取为：Y向位移为0，X向和Z向转角为0。在稳态分析中，固定温度可以加在结构节点或环境节点上。此外，还可以施加几种对流和热辐射边界条件。参考文献[1]、[2]、[3]，对流和热辐射相关计算参数见表4。

表4 材料热物理特性

2.4 环境温度及绝热条件

参考国际上权威机构IGC（国际散装运输液化气体船舶构造和设备）和USCG（美国海岸警卫队）对LNG（液化天然气）船温度计算的环境条件规定，对 LPG船计算温度场时选取的环境温度，可运载的货物（乙烯）最低温度为-104℃，海水温度取0℃，空气温度取5℃[5]。

热分析的运行方法：选择求解类型，有静态和瞬态2种；定义与求解相关的输入数据；定义子工况数据；选择当前计算子工况；提交作业。稳态分析解题参数窗口：对模型的歧义性自动进行约束，是否将输入文件写在NASTRAN输出（f06）文件上，NASTRAN输出（f06）文件最大行数，最大运行时间，定义所有在边界条件中未曾定义的初始温度（默认为0）。

模型共有13987个单元，26098个节点。温度场分析的模型如图1、2所示。温度计算结果见表5，温度场分布云图见图3～5。