A型液舱超大型全冷式液化气船结构设计研究

李海洲，李小灵，陈建平

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

A型液舱超大型全冷式液化气船结构设计研究

李海洲，李小灵，陈建平

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

超大型全冷式液化气船（VLGC）是液化气船中结构最为复杂的船型，其结构设计是该高附加值船型的关键点和难点。从VLGC结构设计的角度，阐述了中横剖面设计、温度场计算、菱形液舱设计、支承系统设计、结构布置、低温钢焊接、晃荡分析及有限元强度和振动分析等，通过近600项工艺评定，攻克了关键技术。这些研究为该型船舶的成功研制和实船建造打下了坚实基础。

超大型全冷式液化气船；结构设计；独立菱形液舱；载荷；强度

1 船型概述

超大型全冷式液化气船（Very Large Gas Carrier，VLGC）一般装载包括液态丙烷、丙烯、丁烷、丁烯及其他石化制品等液货，其舱容一般在78000～85000m3，该船型承担了全球大部分LPG的运输业务，见图1。

图1　中国第一艘超大型全冷式液化气船

VLGC具有连续主甲板，机舱和上层建筑位于艉端，方艉，艉部采用下沉甲板，艏部无艏楼。再液化装置和甲板罐布置在主甲板上，根据相关要求主甲板以上布置了前后通道。VLGC具有一般液货船的特点，设连续主甲板，菱形液舱气室位置设有甲板开孔，宽度约为船宽的1/5。

2 基本结构设计

VLGC设计采用TYPE A型独立菱形液舱作为货物维护系统主屏壁，独立菱形液舱与主船体之间采用特殊设计的支承座系统连接，这也是VLGC船型设计的一大特点。

船体的中横剖面与散货船相似，单层甲板，双层底，单舷侧，带有顶边舱和底边舱，单舷侧为横骨架式，其余采用纵骨架式。

VLGC的液舱形式按IGC划分为TYPE A型液舱，其设计温度一般为-50℃，根据IGC要求必须设置完整次屏壁，即独立菱形液舱外侧的船体结构，包括主甲板、斜顶板、舷侧外板、斜底板和内底板。

VLGC中横剖面的设计特点主要有：

1） 在船体与液舱之间布置有不同功能的支承座；

2） 船体钢板和型材的钢级种类多样，由温度场计算结果决定；

3） 纵桁的布置跟一般船型的传统布置不同，根据支承座的布置而定，主要考虑有利于独立菱形液舱载荷的有效传递；

4） 根据TYPE A型独立菱形液舱船舶的受力特点，底边舱的设计采用实肋板形式，以有效承担外侧垂向支承座带来的较大载荷；

5） 顶边舱在止浮装置对应位置也采用额外加强的强框形式，以有效抵抗船舶发生意外时大舱进水情况下独立菱形液舱上浮所产生的载荷，达到保护船体此处结构安全的目的。

3 温度场分布计算

根据设计要求，VLGC装载低温货品处于营运状态时，独立菱形液舱（亦称作主屏壁）需满足设计温度（≈-50℃）的要求。由于环境温度远远高于此温度，根据热力学的原理，热量将从温度高的物体向温度低的物体传递，在平衡状态时，将在外界环境和主屏壁之间的温度呈现-50℃至常温的梯度分布。同时，A型舱的设计需要考虑主屏壁破损后，次屏壁容纳低温液货的情况，即次屏壁处于设计温度的状态。

船舶上钢板和型材的工作温度＜-30℃时，必须使用符合相应要求的低温钢（IGC和船级社对低温钢材料有具体的规定和要求）；在0～-30℃选用对应级别的钢材，材料的选择同时还跟板厚有关。

要确定钢材等级，则首先要确定各个位置钢材的温度分布情况，必须进行温度场计算。需要注意的是，基于A型独立菱形液舱的设计理念，IGC对温度场分析要求为，温度场计算的假定前提为直接接触泄漏液货次屏壁处处于设计温度，而不是主屏壁处。温度场计算IGC或船级社规范并没有规定或推荐的具体方法，一般需要考虑热传导和对流，随着计算理论和相关技术的发展，也可考虑热辐射和翼翅效应（fin effects），计算区域包括顶边舱、底边舱和双层底，以及与货舱相邻的艏部区域和机舱区域。当然，最终的计算结果需要得到船级社的认可。

根据IGC的要求，环境温度为空气5℃，海水0℃，考虑平浮和横倾两种情况，图2所示为船舶横倾30°时的温度场分布情况。

另外，根据VLGC的实际航线，一般还需要满足USCG的相关要求，所以还需要考虑USCG规定的环境温度下温度场计算结果对其要求位置钢级选择的影响。

图2　IMO的横倾30°的温度场分布

4 结构布置

IGC对船体结构与液舱之间的通道或检查的距离有明确的要求（见图3、4），图中所标的要求尺寸都为净空。对于液化气船，液货舱的舱容是该船型重要的指标，为了提高舱容，在船体尺度固定的前提下，就只能尽量放大液舱；这样通道本身的要求和舱容指标对船体与液舱之间距离的要求就成了一对矛盾体，必须进行综合权衡。

图3　通道要求

图4　通道和检查距离要求

因此，在结构布置时，必须着重考虑这两方面对通道和检查距离的要求，进行综合评估和设计。尤其是位于艏部货舱区域船体舷侧大肋骨与独立菱形液舱的间距，鉴于其对后期设计的影响巨大，于是在前期的时候就必须布置到位，到详细设计时再精细化考虑，可能会对实际的结构研发设计造成非常大的影响。

5 独立菱形液舱设计

IGC定义，A型独立菱形液货舱应按照结构分析程序的公认标准进行设计。

对液舱进行设计和结构校核时，必须考虑以下载荷的合理组合：

内部压力，外部压力，船舶运动引起的动载荷，热应力，动载荷，支承系统处由液舱和货物重量引起的反作用力等。

规范计算用的载荷主要为液货的静载荷及在船舶运动时所引起的液货加速度所产生的压力，而其中的加速度按照IGC推荐的经典椭圆法或椭球法。各个船级社针对液货舱结构的板材和型材的尺寸都有对应的船级社规范要求，这样就可以计算液货舱的结构尺寸从而可以进行结构设计（见图5）。

图5　独立菱形液舱典型横剖面

液货舱是通过支承系统与船体连接，上述校核液货舱结构尺寸的方法针对支承系统附近的结构是不适用的。支承系统及其附近的结构不但承受液货舱和船体之间载荷的传递，而且还必须考虑在船舶运动中这些接触位置的变形所带来的影响，一般采取直接计算方法。

6 液舱晃荡载荷分析

IGC规定，当液货舱准备部分装载时，应考虑船舶运动引起的晃荡会产生较大载荷的风险。针对A型独立液舱的设计，由于其一般无装载限制，所以需要进行晃荡计算。

在船舶营运中，未装满的液舱液体会发生晃荡，它是非常复杂的流体运动现象，必须要用高级别的非线性方法进行计算分析，评估由于晃荡引起的冲击载荷。由于其即使在很小的外部激励下，亦可能产生激烈的晃荡现象和破坏作用，所以晃荡载荷评估和结构强度分析就显得尤为必要（见图6）。

图6　晃荡压力计算结果

7 支承系统设计

独立菱形液舱与船体间通过支承系统有效连接。独立菱形液舱的支承系统一般由以下支座组成：1） 垂向支座（Vertical Support）；2） 防横摇支座（Anti Rolling）；3） 纵向限位支座（Longitudinal Fixation）；4） 止浮装置（Anti-Floating Device）。

独立菱形液舱整体放置于船体大舱中，其垂直方向向下的重力及加速度引起的载荷由垂向支承座承担；在液舱的顶部和底部中间设置有防横摇支座，用来限制液舱相对船舶左右方向的运动和位移；液舱相对船舶纵向方向的运动和位移则由纵向限位装置来限制；当发生意外船舶大舱破舱进水时，独立菱形液舱由于浮力上浮，止浮装置的作用就是防止该浮力对船体结构造成损伤。

独立菱形液舱及其所装载货物的重量均通过支承结构传递到主船体结构，同时还需要考虑主船体在波浪中的运动、液舱内部货物运动引起的动载荷。

支承系统是连接船体与菱形液舱的枢纽，三者之间的载荷传递关系非常复杂，利用普通的规范计算难以评估其构件尺寸，必须借助于直接计算法，即建立一个包括主船体、独立菱形液舱和支承系统在内的三维有限元模型，根据相关规范施加一定的边界条件和载荷，考核其在各个装载工况下的变形和受力情况，并依据船级社提供的应力衡准校核支承系统的结构尺寸。设计者需根据其作用和特点选取不同的支座类型，采取相应的设计方案。

一般的支承座分为与液舱连接的部分和与船体连接的部分，它们之间设置了层压木和环氧，以保证刚性支座之间具有一定的弹性连接。同时，由于每个独立菱形液舱底部布置约 40多个支座，在设计支座时就考虑预留用于建造阶段液舱安装调节时工装的位置，以满足整个独立菱形液舱的高精度的吊装要求。

在设计止浮装置时，亦提前考虑到后期的工法策划，比如液舱整吊的吊码做成与止浮装置一体的永久吊码，并同时进行有限元校核。

在设计支承系统时，必须重点考虑工厂实际施工时的精度要求和液舱吊运及安装要求去匹配。比如＞1000t的液舱整吊，其底部40多个支座需要定位安装，如何在保证精度的要求下调整到位，需要在前期研发时就加以考虑；在独立菱形液舱整体定位成功后，并不能即时落位，因为支座之间还需浇注环氧，同时环氧固化时间较长，所以在垂向支承座设计时就要考虑设置吊车落钩后承受液舱重力的顶撑工装的布置和结构形式。

8 液舱强度试验

IGC规定每个独立菱形液舱必须进行强度试验（水压试验或水压气动试验），其试验条件应尽可能模拟液舱及支承座的实际载荷情况。

根据相关规范和船级社要求，液舱强度试验需要尽量模拟在实际营运工况下的载荷，包括静载荷、动载荷，并能验证液舱结构和支承结构的强度。由于项目液舱的设计密度＜1.0，故通过压水压气的方法进行，分左右半舱分别检验中纵舱壁和液舱外壁的强度。

在实际编写强度试验程序时，不但要考虑液舱的结构强度校核，还必须考虑船舶的浮态调整和船体梁的强度校核。

由于TYPE A型独立液舱的单个容积≈20000m3，所以在实际试验时对水的数量和质量都有较高的要求，为保证紧凑的码头周期，必须提前进行策划准备，梳理整个流程。由于一般强度试验在码头阶段进行，所以若水泵、水源等前期没有进行很好的策划准备，那么船舶码头周期必然会受到严重影响。

9 全船结构综合有限元计算分析

对于超大型全冷式液化气船而言，船体的有限元强度分析的方法和目标与一般散货船相似，但是由于菱形液舱通过支承结构与船体相连接，对支承结构及位于支承结构附近的船体和液舱结构而言，分析的方法和衡准是完全不同的。

在该型船舶上，4个独立菱形液舱通过支承结构与船体相连，它们之间的载荷传递是非常复杂的，为了更好地模拟各个液舱的加速度不同及船体变形对支承结构和液舱本身变形分析的影响，一般需要进行全船的有限元分析（见图7）。

图7　全船有限元模型

在有限元建模中，支承结构被模拟成弹簧单元，但在实际情况中，支承结构之间是接触关系，不能承受拉力，所以在有限元分析计算中需通过迭代计算时去除承受拉力的弹簧单元，直到全部弹簧单元都实际承受压力时，才可以进行结构的变形和受力分析。

通过全船的粗网格计算，筛选出需细网格处理的位置，一般包括各个类型的支承座结构、内底板折角处、大舱舷侧的大肋骨上下端肘板、主甲板气室处的开孔角隅等。

由于国际市场运输大宗LPG货品的航线一般相对固定，而且专业船东对该种船型的疲劳寿命比较关注。在船东提供船舶固定航线的基础上，根据相关船级社的软件利用波浪载荷谱分析的方法进行疲劳寿命计算。

10 振动分析

VLGC作为高附加值船型，船东对船舶的振动非常关注，所以考虑主机和螺旋桨为激振源的全船的振动分析必不可少。

根据LR的振动分析要求，建立了全船有限元振动分析的模型（见图8）。在具体的振动分析中，发现主机作为激振源时，在6阶H型外力矩作用下，上层建筑驾驶室两翼处的振动超标，经过评估，将该处结构改进为封闭式箱梁，从而有效地避免了振动问题。

图8　全船振动分析模型

11 焊接设计研究

根据IGC的相关要求，VLGC的主屏壁和次屏壁一般采用细晶粒、铝处理、全镇静低温碳锰钢。由于需要保证其在低温环境下的韧性，所以焊接的要求高，难度很大，江南造船投入了大量人力物力攻关。在一年多的时间里，共计通过了近600项工艺评定项目，为实船建造做好了充分的准备。

对低温钢焊接的特殊要求还有：a） 主屏壁与次屏壁的焊缝100%无损射线探伤；b） 主屏壁每50m相同焊接位置的焊缝必须设有焊接试板（见图10），以代替结构焊缝进行破坏性的焊缝试验，包括弯曲试验和夏比V型坡口冲击试验；次屏壁的要求与主屏壁一致，但经船级社同意可减少试验的数量。

在实际建造过程中，对于低温钢焊接的工作必须制定翔实有效的具体计划，严格控制焊接过程的质量，否则一旦焊接试板的冲击试验未通过，将导致对应的50m焊缝的返工，这对整个生产计划影响巨大。

图9　焊接见证试板

12 结 语

超大型全冷式液化气船的结构设计复杂，难度大，技术含量高，需要开展众多高级计算分析，包括温度场计算分析、全船有限元强度分析包括细网格分析，精细网格分析、谱分析疲劳寿命评估、全船振动分析、直接波浪载荷评估、液舱晃荡载荷分析、非线性接触分析等。工作量相当大，项目高级计算分析人员投入大，计算分析周期长，是对船厂研发部门的一个重要挑战。江南造船突破了日韩大船厂的技术垄断，自主攻克了以独立菱形液舱及支撑系统为核心的超大型全冷式液化气船（VLGC）建造关键技术，以此为重要基础，成功研制中国首艘VLGC。

［1］ International Marinetime Organization. International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk［Z］.

［2］ Lloyds Register. Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships for the Carriage of Liquefied Gases in Bulk， October 2012［Z］.

［3］ 李小灵，谷运飞. 计及热辐射及翼翅效应的VLGC温度场计算［J］. 船舶与海洋工程，2013 （2）： 15-22.

［4］ Hu Keyi， Li Xiaoling. The First VLGC Designed and Constructed in China［A］. Proceedings of the 6thPAAMES and AMEC［C］. 2014.

［5］ Hu Keyi， Li Xiaoling， Big Challenge- Designing and Constructing a VLGC， Ocean Engineering Equipment& Ship Type Development and Design［A］. The International Maritime Conference& Exhibition， Marintec China［C］. 2013.

［6］ 陈熙，陈康，李小灵. 液化气船支撑区域温度场分析计算及对比［J］. 船舶与海洋工程，2014 （4）： 8-11.

Study on the Structure Design of Very Large Fully Cooled Liquefied Gas Carrier with Type A Liquid Cargo Tank

LI Hai-zhou， LI Xiao-ling， CHEN Jian-ping
（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913）

Very large fully cooled gas carrier （VLGC） has the most complicated structure among liquefied gas carriers. Among the others， the structural design is the key point and the difficult point of this high added value ship type. From the perspective of VLGC structure design， this paper elaborates the midship section design， temperature field calculation，prismatic liquid cargo tank design， supporting system design， structure layout， cryogenic steel welding， sloshing analysis，finite element strength and vibration analysis， etc. The different important technical difficulties have been surmounted and nearly 600 process evaluations have been made. These researches have laid a solid foundation for the successful development and actual construction of this ship type.

very large fully-cooled gas carrier； structural design； independent prismatic liquid cargo tank； load； strength

U663.85

A

2095-4069 （2016） 01-0023-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.005

2015-01-13

工业和信息化部高技术船舶项目（工信部联装［2012］534号）

李海洲，男，高级工程师，1981年生。2003年毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，长期从事船体设计、研发工作。