3万m3 LNG船结构设计

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(中海油能源发展采油服务公司 天津，300457)

3万m3LNG船主要用于沿海液化气站之间的调峰，适用于国际航区，船舶总长184.7 m，船宽28.1 m，型深18.7 m，#-6～#7肋位和#-210～#230肋位的肋距为0.7 m，中间肋距为0.8 m，结构吃水为7.6 m，设计吃水为7.4 m，设计航速为16.5 kn，有4个TYPE C型双联筒独立液货舱，货物围护系统设计温度为-164 ℃，液货舱舱顶设计压力为350 kPa，设有球鼻艏，单舷侧双底结构，艉楼艉机型。全船有3台双燃料发电主机，360°全回转舵桨，双桨电力推进，艏部1个首侧推。船中部两舷按照OCIMF规范布置了液货装卸管汇。本船入ABS和CCS双船级(dual class)，满足最新的船舶设计法规、规范以及公约[1-6]。

1 构件布置原则

1)荷重的有效传递。构件的布置应按一定的空间秩序进行，务使船体所有主要构件构成空间体系，以保证任一承载构件及结构的纵深进行荷重的有效传递，使得外力作用下结构具有连锁反应的能力。例如肋板、强肋骨、强横梁要求布置在同一横剖面内，以形成横向框架。

2)构件连续性。结构形式或某一构件不能突然中断或尺寸突变，以免破坏内力传递和引起严重的应力集中。例如，中部0.4L内所有纵向构件应连续贯通；凡前后不能在同一延伸线上的纵向构件在中断处应彼此交错延伸两档以上；中部纵骨架式向艏、艉横骨架式过渡时，纵骨不能同时中断在同一剖面处，而应逐渐消失等。

3)等间距性。支承构件应尽可能等间距布置，使彼此支承骨材可按等强度条件决定尺寸。以充分利用材料，降低结构重量。

4)节点连接。船体构件在舭部、舷边及舱壁等处，一般要间断过渡，从而出现许多节点，节点处构件一般采用肘板连接，肘板可以保证刚性连接、传递内力、减少应力集中。应从强度、工艺、使用等方面合理进行节点结构设计，如强肘板端部应进行软化处理，构件的端部应按规范削斜处理等，延长船舶寿命、简化建造工艺。

1 货舱区结构

3万m3LNG船的总图见图1。

三道水密横舱壁将货舱区域分为4个货舱处所，每个货舱处所为一个由船体结构封闭的区域，独立液货舱安装在货舱处所内。货舱区为双层底，在双层底沿船长中心线布置管弄，管弄以外的双层底区域为压载水舱；双层底与舷侧通过底边舱连接，底边舱用作压载水舱且与双层底压载水舱连通。共设8对双层底压载水舱。货舱区舷侧和上甲板间设连续顶边舱；货舱区前端两舷的顶边舱作为一对淡水舱和一对压载水舱，压载水舱位于淡水舱前面。淡水舱后的两对顶边舱作为压载水舱，最后的一对顶边舱作为空舱。

图1 3万m3 LNG船总布置

1)甲板。对于较大的船，从总纵强度考虑，上甲板和船底结构宜用纵骨架式，因为纵骨架式有较多的连续纵向构件可计入船体梁的剖面模数计算，同时能够提高板的稳定性，本船甲板承受总纵弯曲应力以及甲板上货物、人员、设备和上浪等横向载荷，故采用纵骨架式，其甲板由纵骨支持，间距800 mm，每3档肋位设强横梁，甲板纵桁主要是支撑横梁，同时也承受总纵弯曲。上甲板为连续甲板，具有直线型梁拱，为了保证纵向强度，纵向骨材遇到横舱壁保持连续，并用补板加强。为防止甲板污水溢出，舷顶列板设计在货舱区高出甲板边板100 mm处。在船体外板处按规范设置舭龙骨，舭龙骨位置由船模试验流线确定。

2)船底。与甲板相同，考虑总纵强度，船底选择纵骨架式。纵骨架式双层底结构由内外底纵骨、肋板和底纵桁组成，内外底板由密集的纵骨支持，增加了板的刚性和稳定性，因此，纵骨架式的内外底板厚度可比横骨架式薄些，这样可减轻结构重量。另外，当船底在触礁和搁浅等意外情况下遭到破损时，双层底能保证船舶的安全，同时满足了IGC规范对于货罐距船外板最小0.76 m的要求。故本船选择纵骨架式双层底结构，双层底高1.9 m，纵骨间距0.8 m。双层底内外底板、舭部以及底边舱斜板均由纵骨支持，每3档肋位设实肋板。

底边舱在肋板处有支持纵骨的开孔横向强框架，开孔边缘用扁钢加强，扁钢与纵骨之间设置适量肘板，以提高横向强框架腹板的稳定性。

如图2，本船在双层底中线面处设置箱型中桁材(管弄)，是一道沿船长方向水密的内部通道，从防撞舱壁通向机舱前端壁，艏艉端开有水密装置的人孔以便人员进出，其主要作用一是充当中纵桁承担纵向载荷;另外用于集中布管，避免管子穿过货舱而妨碍装货。管弄由两道水密纵桁及其纵向加强筋、内外底板、上下横骨及防倾肘板、纵骨和纵桁外侧肘板组成，宽2.7 m。中桁材和旁桁材以及管弄的侧板纵向加强筋是为了增强稳定性。由于肋板在管弄处开口，削弱了横向强度，为了补强，在每1.5肋位处增设环形框架。

图2 管弄

3)舷侧。舷侧对总纵弯曲贡献不大，从局部强度考虑，舷侧骨架主要承受局部弯曲及横向弯曲，宜采用横骨架式，能有效地抵御横向载荷，而且横向骨架高度较小，不会占据太大舱容。该船为单舷侧，舷侧骨架间距0.8 m。

4)独立液货舱。液货舱是不与船体结构直接连接的独立结构，与船体结构间有一定的隔离空间，由前后鞍座支撑，货罐层压木与船艉的鞍座连接是固定的，与船艏方向的鞍座是通过液罐上的层压木与鞍座上的层压木间2 mm的不锈钢动态滑动实现连接的。

5)中横剖面。船舶的构件尺度主要取决于强度和稳定性要求，还需考虑一定的腐蚀余量要求。中横剖面的特征值(剖面模数、剖面惯性矩)是船体总纵强度和刚度的表征。该船中横剖面设计的基本要求如下。

①满足总纵强度要求。

②组成中横剖面的任何构件尺度应满足局部强度及其稳定性要求。

③考虑构件厚度应计及腐蚀余量。

该船中横剖面构件尺寸按照《CCS国际航行海船建造规范2009》计算，由于载货为-164 ℃的LNG，需要考虑到低温对钢材的不利影响。为此，通过专门软件对船体结构温度场进行计算，舷侧使用B级钢，低温构件如鞍座采用E级钢。

6)横舱壁。该船货舱区设有水密平面横舱壁，由扶强材与舱壁板组成。现有C型独立货舱LNG船在货舱区的横舱壁多采用单一骨架形式，即垂直扶强材加强的平面横舱壁。其优点是结构简单，但是现有技术也存在不足，特别是当船型变大，船舶型深增加后，该型横舱壁扶强材尺度迅速增加，一方面横舱壁的重量增加，另一方面扶强材尺度增加造成了液货舱布置尺寸的下降，引起舱容下降，影响船舶的经济性。另外，采用单一骨架形式，横舱壁的横向抗屈曲能力不强，刚度较弱。考虑到该船型深较大，在横舱壁上设垂直桁，底边舱顶板和顶边舱底板处增设水平桁的布置方案，较好地解决这一问题。

3 机舱结构

货舱区甲板结构向机舱延伸，机舱甲板和机舱平台甲板结构为纵骨架式，甲板纵骨由强横梁支撑，甲板纵骨间距为0.8 m，平台由舷侧结构和支柱支撑。支柱设在平台开口角隅强构件处以防止有害振动的产生，其上端设置在甲板纵桁与横梁的交叉节点上，下端设置在底纵桁和主肋板等刚性较大的构件上，并在底纵桁和主肋板上设置垂直加强筋。机舱结构两侧设有舱柜。

机舱底部为双层底结构，每档肋位设实肋板，其上开减轻孔供人员通行，设有充足的通焊孔、空气孔和流水孔。

主发电机组底座为焊接结构，基座纵桁由横隔板和外侧肘板加强。重型设备处构件局部加强。机舱舱壁为平面舱壁，带垂直扶强材。机舱棚连接机舱和烟囱，设于居住舱室后部。烟囱位于机舱棚顶端后部，由钢板焊接而成，内部由垂直加强材和水平桁材加强并设通往顶部的梯道。

4 艏部结构

船艏一般采用横骨架式结构，由于船艏的线型狭窄，这种形式适合结构的设置和便于施工，故横骨架式结构被广泛应用于艏部结构。考虑到单舷侧，且有限元分析表明，本船货舱区的纵向强构件适当向艏部延伸较为有利，这既可以提高船的抗纵向弯矩的能力，也可以在一定程度上降低空船的重量。综合考虑，本船艏甲板为混合骨架式结构，由甲板纵桁和强横梁支撑。

艏部上甲板设有舷墙，重型设备下局部加强。艏柱和球鼻艏为钢板焊接结构。艏尖舱为单底结构，设有制荡舱壁以减轻液体晃动，从而减小液体对周围结构的动力冲击，提高船舶稳性。艏侧推及应急消防泵舱为双底结构。舱壁为垂直扶强材加强的平面结构，设置水平桁和垂直桁。

为了防止底部砰击，在艏部砰击加强区每档设置实肋板，并从箱形中桁材处延伸设置中内龙骨至球鼻艏，船底板和平板龙骨增厚至20 mm。

艏部舷侧涉及到冰区加强，其范围纵向从#204肋位至船艏，垂向从3.6 m～9.2 m水线，考虑采用主肋骨加中间肋骨的横骨架形式。原因是当冰块水平划割船体外板时若在纵骨之间则外板板架起不到很好的支撑将导致外板额外加厚， 而中间肋骨可以在任何吃水状态下对外板提供良好的支撑。另外，中间肋骨可以减小骨材的间距，从而达到减小外板板厚减轻外板重量的效果。该船舷侧在冰区加强范围设置了4.2、6.7和9.2 m的3层开孔平台，从而可以利用平台对中间肋骨进行支撑，此举也可减少跨距。所以本船不论从施工工艺还是加强的有效性来讲采用横骨架式的冰区加强形式是合理而有效的方式。

5 艉部结构

艉部形式为方艉，设计具有合适的强度，并根据全回转推进装置的安装使用需求，进行特别的结构加强，以尽量减小振动的传递。为支撑艉部结构并保持纵向连续性，甲板为纵骨架式，沿艉封板到机舱设置纵桁和纵舱壁，横梁由甲板纵桁支持。外板由舷侧纵桁支持的横向骨架支撑。艉封板与舷侧外板连接处焊有半圆钢，以防缆索的磨擦。外板与螺旋桨之间具有足够的间隙，以防止产生有害振动。舱壁为平面舱壁，由垂直扶强材和水平桁支撑。

该船艉部下甲板以上设5层甲板室，其中下甲板和上甲板的延伸部分为第一层甲板室。外围壁为平板型，以适当的间距设垂直扶强材。厨房、卫生间、冷藏室和其他必要的房间设置符合规范要求的带扶强材的钢围壁进行分割。

为增加上层建筑被支撑的刚度，减少上层建筑的整体振动，艉楼前端壁和主甲板下的机舱后壁在同一肋位。此外，从艉楼甲板至船长居住的B甲板中船员居住舱室的纵横向舱壁上下基本对齐，减少了船员舱室的局部振动。

6 典型结构特点

6.1 耐撞性结构设计

1)采用双层底设计。从船舶性能及安全考虑，采用双层底方案。双层底的高度稍高于规范对船底破损的最低要求，船底纵骨间距为0.8 m，肋板间距为2.4 m，这样船底的刚度较大，有利于降低船舶搁浅造成的危害。

2)边舱的设计。该船的顶边舱和底边舱能提高船舶的抗沉性能；空载时可载较多的压载水，保持适当的吃水，提高航行性能；顶边舱与底边舱均为纵骨架式结构，增大了剖面惯性矩，提高了总纵强度；横向结构之间过渡平缓，有利于避免应力集中；减小了上甲板横梁及舷侧肋骨的跨距，有利于减小结构尺寸，减轻结构重量。

该船剖面结构类似散货船，传统散货船的顶边舱和底边舱斜板与舷侧外板直接相连，成30°或45°角。设计时，在底边舱最高点和顶边舱最低点设置1 m宽平台，然后再与底边舱及顶边舱斜板相连。将传统的锐角形式改为钝角形式，提升了该处的刚度，有利于提高舷侧防撞能力。

3)采用单舷侧。在查阅大量文献，了解TYPE C独立货舱形式LNG船的主流结构布置形式，分析双壳与单壳形式船耐撞性方面的特点，综合考虑选择了单壳，目前使用TYPE C双液罐形式的中小型LPG/LNG船舷侧大都采用单壳形式，如江南厂的22 000 m3LPG以及德国迈尔船厂建造的16 500 m3LNG船。另外，装载量大于15 000 m3的液化气船舶适宜采用双圆筒罐，为了提高舱容利用率，本船采用双圆筒货罐，导致船舶较宽，如果设置双壳，则船更宽，不经济。

从船舶舷侧结构耐撞性的角度分析，薄膜式LNG船采用双舷侧，装运的低温LNG气体与外界海水被双层隔离。在进行碰撞数值计算时，内壳假定不破。TYPE C双液罐形式LNG船，虽然为单舷侧，但是装运的低温LNG气体与外界海水也是被船体外壳和货罐双层隔离。通过比较发现，采用单舷侧结构的Type C型LNG船与采用双舷侧结构的薄膜式LNG船实质上装运的货物与外界环境都是“双层”隔离的。现有LNG船的安全运营记录表明这种“双层隔离”的思想正确可行。

同一船型，发生碰撞时，单舷侧结构在吸收和耗散碰撞能量方面不如双舷侧结构，因此该船在单舷侧部位采取措施以增强抗碰撞能力。①将顶边舱和底边舱的布置向水线位置适当延伸，减小舷侧单壳部位的面积。②每档肋位设置主肋骨，骨材尺寸在满足规范强度要求的基础上，适当提高其刚度，从而增强整体的防撞能力。再次，增加外板的尺寸，外板厚度达16 mm，有利于提高外板的吸能效果。③合理设计货罐尺寸，使外板与货罐主体的最小距离在2 m以上，在碰撞发生时，有利于最大程度地利用主肋骨的吸能效果，从而提升整体的防撞能力。

6.2 下沉式艉楼

初始设计，船舶设有艏楼并适当外飘以防止上浪。该船所有的居住舱室均设在船的艉部，且LNG船液货轻，导致设计艉倾较严重。为此，将生活楼整体下移一层甲板，艉楼采用下沉式设计，即主甲板和艉下甲板构成阶梯状上层甲板，减轻了艉部重量，有效改善了艉倾，同时也降低了该船的总吨位及今后的营运费。驾驶甲板降低，影响了航行视线，为满足规范要求，去掉了艏楼。

6.3 球鼻艏和双艉鳍

球鼻艏对船舶的贡献较多。①若球鼻设计合理，则球鼻与艏柱兴起的波浪能相互抵消，于是艏部兴波降低，兴波阻力变小。②低速船的兴波较小，但船艏附近两侧波浪的平滑与否对阻力有着很大影响，若波浪平滑则阻力小，低速船的球鼻艏能减小破波阻力。③球鼻艏能提高船舶推进效率，因为推力减额越小，船身效率越高，而球鼻艏能降低推力减额，并且能增加船舶的伴流分数。④球鼻艏可以用来调节纵倾，增加船舶浮力。本船佛氏数Fr=0.205，属于中速船，安装球鼻艏有利。设计中主要以球艏几何特征中的长度、高度、横剖面面积为自变量，在保证船舶的排水体积基本不变的情况下，以母型船为参照，根据球艏几何参数变化，通过CFD计算得到阻力最小的球艏特征值。

船宽吃水比是确定采用单桨还是双桨的重要船型参数，一般认为船宽吃水比小于2.50，用单桨;在2.50～4.00单双桨皆可;大于4.00宜用双桨。3万m3LNG船的船宽吃水比为3.75，单双桨皆可选。然而，该船靠离港作业频繁，货物密度小，水上受风面积大，靠离泊作业时难度高，若有优秀的机动性则可以大大提高LNG船靠离码头时的安全和便利性。另外，该船属于浅吃水船，若用单桨，会产生如下问题：①由于桨径受到限制，为达服务航速，须保证螺旋桨的有效推力，则桨负荷会很大；②艉部型线设计困难，流场差，舭涡大，导致桨效低，振动和噪音大。所以本船采用双桨。常规双桨在桨盘处的伴流分数较低，船身效率及推进效率亦低，且附体阻力也较大，本船将船艉恰当地改为类似于两个单桨船艉的双艉鳍形状。双艉鳍船型通过将宽度吃水比较大的船舶艉部设计成两个艉部片体，使去流段水流分成两侧水流和船底纵流3个区域，从而使艉部水流畅通，减少了水流分离，降低了船舶的形状阻力。双艉鳍型与常规型双桨船相比有如下特点：双艉船型的单个艉体宽度为整个船宽的40%～60%，因而相当于增大了长宽比，有利于降低粘压阻力；改用双艉后桨径可以增大，敞水效率就有所提高，可获得较高的推进效率；省去了对阻力不利的附体，如轴支架、轴包壳等，充分利用了伴流，可得到较为显著的节能效果。

7 强度校核

本船的设计按照CCS规范，并参考了《ABS独立液货舱液化气体运输船入级与建造指南2011》的相关章节，对3万m3LNG船舱段进行了计算，采用MSC/Patran、MSC/Nastran和ABS Structural Assessment LGC v2.0软件进行建模、计算与分析工作。如图3所示，模型前后端面保持为平面，纵向范围包含2个货舱和2道平面横舱壁。模型从FR96肋位延伸到FR176肋位，在FR116和FR156肋位分别设有平面横舱壁。整个模型包含左右构件，以便分析横向不对称载荷的工况。货舱区域的所有主要板材，如：外壳板、纵桁、横舱壁结构(包括舱壁上的垂向、水平桁材腹板)等，以板单元来模拟。次要构件，如板材上的骨材等用梁单元来模拟，其剖面特性应计入梁与板连接的偏心设置。

图3 货舱半宽有限元模型

有限元网格按以下规定划分。

1)沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元。

2)沿船体纵向以肋位间距为一个单元。

3)沿主要构件(包括横向强框架、双层底纵桁和肋板等)腹板高度方向划分为三个单元。

4)一般双层底肋板上的开孔可以用删除对应位置的单元来表达。

计算包括海上移动工况、港口工况、校核横舱壁的破舱进水工况及校核鞍座和止移装置的事故工况。参照CCS《钢制海船入级规范》和《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》，考虑液货罐内压力和舷外水压力，端面弯矩考虑垂向弯矩和水平弯矩，包括静水弯矩和波浪弯矩，给模型加载。屈服强度计算结果见表1。

表1 水密边界屈服强度利用因子

其中，屈服强度利用因子为实际应力与许用应力的比值，若小于等于1则合格，可见均合格。

主要支撑构件的屈服强度直接给出所有工况最大应力值，见表2。可以看出，主要支撑构件屈服强度均满足要求。

表2 主要支撑构件屈服强度

按规范船长≥90 m的船应作屈曲校核。本船进行屈曲和极限强度考核，屈曲校核公式为

(1)

式中：fLb——由船体梁和加筋板引起的纵向压应力，fLb=fL1+fL2，MPa；

fTb——横向/垂向压应力，fTb=fT1+fT2;

fLT——计算平面内剪切应力;

fcL，fcT，fcLT——纵向，横向/垂向和边缘剪切的临界屈曲应力。

板格极限强度由以下方程决定。

(2)

(3)

(4)

式中：fuL，fuT，fuLT——轴向和边缘剪切的极限强度；

Sm——强度缩减因子，对应于低碳钢，H32高强钢，H36高强钢，H40高强钢分别为1，0.95，0.908，0.875。

计算结果见表3。

表3 屈曲强度利用因子和极限强度

从结果可以看出，水密构件的极限强度是满足要求的。对于加筋板格，如果极限强度满足要求，屈曲强度超过要求值，但只要在弹性范围内，仍认为满足强度要求。

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