符合冰区要求的LNG船结构加强研究

司 昭，耿元伟，江克进

（沪东中华造船（集团）有限公司开发研究所，上海 200129）

规范与标准

符合冰区要求的LNG船结构加强研究

司 昭，耿元伟，江克进

（沪东中华造船（集团）有限公司开发研究所，上海 200129）

由于冰区航行的特殊要求，为保证船舶的安全运营及人员生命财产安全，冰区航行的船舶设计较普通船舶而言需要考虑更多问题。基于俄罗斯船级社规范，选取 Arc4冰级，进行船体结构设计研究，分析了船体板材与骨材加强后结构质量变化情况。选取与Arc4冰级要求相近的PC7、IA冰级进行对比，对不同规范下相近冰级的计算结果进行比较。比较结果可为开展冰区航行的LNG船设计研发提供参考，具有现实意义。

船舶；冰区航行；冰级；液化天然气船；结构设计

0　引言

随着极地航线运营条件的不断改善和提高，极地航线的货运量呈井喷式增长，世界各国对具有极地航行能力的船舶需求与日俱增，相应的研发工作也迎来了空前的机遇。为保障人员生命和财产安全，极地冰区船舶对船体结构设计提出一系列更为严格的要求和全新的挑战，船舶结构需要进行符合规范要求的冰区加强，同时要具备破冰、抗寒能力，从而满足在冰区航线运营的要求［1］。

冰区航线的运营会带来很可观的经济效益，其发展也非常迅速。目前，国外针对冰区航行船舶的设计开发已经取得了成果，并积累了丰富的技术和经验。各大船级社也根据冰区航行的特点制定了相关的规范，应用较多的是俄罗斯船级社冰级规范、芬兰-瑞典冰级规则（FSICR）以及IACS冰级规范等。

就国内而言，目前已经有符合冰区加强要求的油船、散货船等投入运营，广船国际已经建造交付的51800t原油船已经投入运营，大连船舶重工与挪威船级社（DNV）合作研发设计的满足IA要求的阿芙拉型原油船等［2］。中国船级社也制定了冰区加强的相关规范，但针对LNG船的冰区加强研究较少。

1　俄罗斯规范计算分析

选取一型正在研发船型，根据俄罗斯船级社规范要求［3］，针对Arc4冰级进行结构冰区加强设计。根据规范要求，在进行冰区加强计算时将船体划分为16个区域，沿船长方向划分为A、A1、B以及C 4个区域，其垂向又划分为I、II、III和IV 4个区域。不同的冰级，需要加强的区域也不同。所选取的冰级为Arc4，参照规范选取的加强区域见表1。具体的区域划分见图1。

表1　Arc4所需计算区域

图1　冰区加强区域划分示意

冰载荷计算时，首先计算沿船长方向各区域垂向Ⅰ区域的载荷，Ⅱ区域、Ⅲ区域和Ⅳ区域的载荷可以基于Ⅰ区域的载荷计算。根据规范可计算AI区域载荷：

式中：a1——系数，根据规范要求，在进行Arc4冰级计算时，其取值为0.79。

vm——在A区域里系数v的最大值，系数v的取值依照0.05L的间距选取剖面进行计算：

式中：x——计算剖面距艏柱的纵向距离，＜0.58b；b——冰载重线与船艏的交点到冰载荷线最宽处的距离，b＜0.4L。

α、β见图2。

图2　α、β角测量示意

各区域计算剖面α、β角度的测量以及v的计算结果见表2。

表2　载荷计算相关参数

根据下列规范公式，计算A1I区域、BI区域以及CI区域的载荷：

式中：2a、3a、4a——系数，根据规范要求取值，分别为0.8、0.5、0.75。在计算A1I区域载荷时，当，此时v值最大，由此可计算得到的大小，分别为 2166.03kPa、 1361.78kPa、1021.34kPa。

规范认为可以基于Ⅰ区域载荷计算Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区域载荷，其大小可以通过式（7）计算：

式中：k=A，A1，B，C ；Ⅰ=Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ；akl可通过查表得到。

各区域载荷计算结果见表3。

表3　各区域载荷计算结果

根据规范要求，在加强区域范围内，板材的最小厚度值应不小于式（8）～式（10）的计算结果：

式中：P——各区域载荷的计算值；T——设计船舶寿命，本文取24a；u——每年的腐蚀和磨损余量，u的取值可从规范中查表取得；a0——取值见规范3.10.4.1。

分析Arc4冰级加强后各区域板厚变化情况，文中给出加强后外板质量增量与原有外板质量的百分比，设未加强前外板质量为m，加强后质量增量为Δm，外板质量变化百分比见表5。

表4　Arc4加强后外板质量变化　单位：%

所选船型采用纵骨架式，纵骨间距为0.88m，通过计算骨材最小剖面模数来确定骨材规格，其最小剖面模数Wl应不小于式（11）～式（13）的计算结果：

式中：a——纵骨间距，为0.88m；l——肋骨间距，为2.4m；b1、c、γ1等参数的取值见规范3.10.4.6.1。

分析加强后各区域骨材规格的变化情况，给出加强后各区域骨材质量增量与原有骨材质量的百分比，设未加强骨材质量为m，加强后的骨材增量为Δm，全船骨材质量变化百分比见表5。

表5　全船骨材质量变化　单位：%

根据上述表格可知，针对所选船型，A、B、C、D 4个区域的骨材质量都有所增加，在靠近船首的位置增加较明显，百分比为0的区域表示现有骨材规格已满足冰区加强的要求。

2　Arc4　与PC7　冰级结构加强对比

ABS对冰况的描述采用世界气象组织关于海冰的专业术语。其中PC7与俄罗斯Arc4冰级较为接近，对于冰况的描述为“夏季/秋季在当年薄冰状况下，可以包括旧夹冰”。针对所选船型，对Arc4冰级与PC7冰级加强后船体结构质量的变化情况进行对比［4］。

图4中，阴影部分区域为PC7要求加强的区域，根据初步计算的构件尺寸进行粗估，可以得到进行冰区加强后结构质量变化规律，设未加强质量为m，加强后增量为Δm，质量增量与加强前质量的百分比见表6。

图4　PC7冰级加强范围示意

表6　PC7加强后全船结构质量变化　单位：%

Arc4与PC7加强后外板质量增加的对比，假设AA、AP分别表示Arc4、PC7冰级下加强区域的分布面积，MA1、MP1分别表示Arc4、PC7冰级结构加强后船体外板的增重，具体对比情况见表7。

表7　Arc4、PC7冰区加强外板增重比较

从表7可知，针对所选船型进行对比，随着冰区加强的区域面积A的增大，外板增重M也相应有所增加，文中所选船型计算后PC7加强区域面积大于Arc4加强区域面积，外板增重也大于Arc4。由于Arc4进行艉部加强时，只有CI一个区域，PC7则包含si、sl两个区域，外板增重在艉部相差较大。

Arc4与PC7加强后骨材质量增量对比如下表所示。在进行骨材质量增量对比时，假设MA2、MP2分别表示Arc4、PC7冰级结构加强后骨材的增重，对比结果见表8所示。

表8　Arc4、PC7冰区加强骨材增重比较

3　Arc4　冰级与IA冰级对比

在进行 IA冰级的分析时，将船体分为艏部、舯部和艉部三个区域，分别计算其受力载荷以及外板、骨材规格。冰区的设计冰厚取0.3m，层冰厚度取0.8m，其冰载荷的大小与船舶尺度及主机输出功率有关，不能小于式（14）、（15）计算结果［5］。

式中：dc——表示船舶尺度和主机功率的影响系数；pc在船首、船中以及在船尾的取值分别为1、0.85以及0.65；ac取值见规范4.2.4.2；0p为名义冰压，取值为5.6MPa。

计算后船体各区域冰载荷见表9。

进行外板厚度和骨材剖面模数的计算，纵骨架式的外板厚度不应小于式（16）的计算结果。

式中：s——骨材间距，m；tc——腐蚀余量，一般取2mm；ReH——材料屈服应力，取235N/mm2；f2的取值如下：

假设采用Arc4冰级加强后的板材厚度为tA，采用IA冰级加强后板材厚度为tI，Arc4冰级与IA冰级加强后板材厚度变化的对比见表10。

表10　Arc4、IA冰区加强板材厚度变化比较　单位：%

从表10可知，就所选船来看，在不考虑腐蚀余量影响的情况下，利用IA冰级的要求加强后的板厚要大于按照Arc4冰级要求加强后的板厚，但在考虑到腐蚀余量的影响后，Arc4冰级加强后的板厚会大于IA的值。

纵骨架式纵骨的最小剖面模数应不小于式（18）的计算结果：

纵骨的有效剪切面积A应不小于式（19）的计算结果。

依据上述流程可计算IA冰级骨材的剖面模数和剪切面积。假设采用Arc4冰级加强后的骨材最小剖面模数为WA，最小剪切面积为AA，采用IA冰级加强后的骨材最小剖面模数为WI，最小剪切面积为AI，则加强后两种冰级骨材剖面模数和剪切面积对比见表11。

表11　Arc4、IA冰区加强骨材剖面模数、剪切面积对比　单位：%

从表11可知，针对所选船型，利用Arc4要求加强后骨材的剖面模数以及剖面面积都较IA有显著增加。

4　结语

基于一型正在研发LNG船型进行了冰区加强的相关研究。按船级社规范要求计算冰区加强船舶的载荷值，进而确定其板材及骨材尺寸规格，并且对Arc4冰级、PC7冰级以及IA冰级加强后的结果进行了对比分析，从而对冰区航行的LNG船设计提供参考。

［1］ 张东江. 北极航区分析及极区船舶总体性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［2］ 钱静，王景洋. 1A冰区（FS规范）船体结构加强方案研究——阿芙拉型原油船［C］//第十六届全国海事科学技术研讨会论文集，2011: 18-23.

［3］ RUSSIAN. 2-020101-077-E（T1）Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships［S］. 2014.

［4］ 王燕舞，张达勋. 冰级定义的有关建议和分析［J］. 上海造船，2010 （4）: 54-55.

［5］ ABS. ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels 2014［S］. 2014.

Study on Structure Strengthening of Ice-Class LNG Carrier

SI Zhao，GENG Yuan-wei，JIANG Ke-jin
（Hudong-zhonghua Shipbuilding （Group） Co. Ltd.，Shanghai 200129）

Special requirements for navigation in ice covered waters bring more considerations to ice-class vessels than conventional ships to ensure safe operation as well as the safety of crew and the property on board. Based on Russian classification society’s rules and regulations concerning Arc4 class vessels，this study carried out the hull structure design investigation，and analyzed the weight change when hull plate and frame were strengthened. Moreover，PC7 and IA class vessels with similar requirements as Arc4 were chosen to compare the calculation results corresponding to different rules. The result provides reference for the design and development of ice-class LNG carriers，which has some practical significance.

ship； ice navigation； ice-class； arc4； LNG carrier； structure design

U674.13+3.3.03+1

A

2095-4069 （2016） 03-0049-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.009

2015-06-03

工信部高技术船舶科研项目（工信部联装（2012）534号）

司昭，男，工学学士，工程师，1993年生。2014年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶结构力学方面的工作。