冰区双燃料平台供应船结构设计要点

赵志坚，刘仁昌，李连亮，何佳琦，朱光伟，齐东周，黄金林

冰区双燃料平台供应船结构设计要点

赵志坚，刘仁昌，李连亮，何佳琦，朱光伟，齐东周，黄金林

结合目标冰区双燃料平台供应船的技术特点，针对其冰区结构轻量化设计及LNG燃料罐舱布置和设计方法问题，根据船级社规范要求，明确冰带区域范围，计算和确定结构构件尺寸，讨论该船型设计中结构轻量化的问题；参考IGF规则，结合平台供应船的特点给出罐舱区域布置设计方案。

冰区双燃料平台供应船；结构轻量化设计；LNG燃料罐；冰带区域

同时满足冰区航行和双燃料技术要求的平台供应船是适应未来市场需求的海工发展方向之一。该型船舶符合波罗地海1A冰级[1]要求，此冰级符号要求船舶有能力在高冰情海况下行驶(必要时破冰船辅助)，其遭遇冰载荷冰层厚度不超过0.8 m，载荷作用高度设计值为0.3 m。其动力系统采用包括常规燃料和LNG清洁燃料的双燃料技术，其中LNG燃料由安装在船上的LNG燃料液罐提供，该液罐为 C型双真空绝热形式[2]的独立液罐，具有不必设计复杂的再液化系统，不需要次级屏蔽、无半载装运限制等优点。针对目标平台供应船冰区航行和双燃料2个技术特点，对该船型冰带区域结构设计及LNG燃料罐舱的布置和设计等要点进行探讨。

1 冰带区域结构轻量化设计

1.1 冰带区域划分

目标船主要参数见表1。

表1 目标船主要参数

对于冰区船舶的设计，首先要确定其舷侧结构的冰带区域。沿船长方向根据不同区域遭受冰载荷烈度的差异性来确定划分范围，通常划分为首部区域、中部区域和尾部区域。垂向范围则为船舶舷侧结构可能遭遇冰载荷的区域，一般利用高位冰区水线(UIWL)与低位冰区水线(LIWL)来界定[3]，二者分别为船舶在冰区航行时预定水线最高点与最低点的包络线。目标船入级美国船级社，该船级社规范[4]中分别针对板和骨材给出了相应区域延伸范围要求，参照该规范要求可初步确定冰带区域范围，见表2。

表2 冰带区域垂向范围

考虑应将作用在骨材的冰载荷传递到水平强力结构构件上，结合平台供应船的特点(型深不高，主甲板距基线7 900 mm,内底板高度在1 000～1 450 mm范围内)，最终骨材结构冰带区域向上延伸至主甲板，向下延伸至内底板。见图1。

1.2 冰带区域结构形式设计与构件尺寸规范计算

设计之初，需根据实际船型总体和结构布置选取合适的结构形式。通常将冰带区域结构拆分为多个加筋板板架，根据具体要求选取每种板架结构形式。板架的结构形式主要为横骨架式与纵骨架式[5]，2种结构形式各有优势。横骨架式结构对于横向载荷承载能力较强，因为在同样的冰载荷面积下可以将载荷分布到更多的肋骨上，可以较好地保证结构的局部强度。因此，在不考虑总纵强度的情况下采用横骨架式更占优势。纵骨架式结构则对船体总纵强度有一定贡献。考虑到船体中部区域结构参与总纵弯曲程度较大，因此将该部分设置为纵骨架式，以保证整个船体结构抵抗总纵弯曲的能力。

充分考虑本船型结构布置特征，将冰带加强区域划分为9个典型板架区域，见表3。

表3 冰带区域板格划分结果

利用规范计算方法指导结构设计。基于不同规范计算得到的规范要求尺寸值会略有差异[6], 本船入级ABS船级社，故参照该船级社相关规范[4]开展规范计算。

首先对冰带区域每一个板格的设计冰压力值进行计算，计算结果见表4。

由表4可见，对于相同区域不同骨架形式板结构的设计冰压只是骨材间距的函数，即当骨材间距一样时，相同区域不同骨架形式板结构的设计冰压是相同的；相同区域、相同骨材间距，横骨架式体系骨材的设计冰压大于纵骨架式体系骨材的设计冰压；相同板格横骨架式体系板与骨材的设计冰压相同，纵骨架式板的设计冰压要大于骨材的设计冰压。沿船长范围；艏部区域设计冰压最大，舯部区域次之，艉部区域最小。

表4 冰载荷设计值

根据设计冰压及结构形式选取艏部典型横骨架式板格3与船中纵骨架式板格5为算例阐述构件尺寸规范计算及相应结构设计方法，具体位置见图2。

结构构件尺寸规范计算结果见表5。

本船中平行中体部分舷侧为双层壳结构，双层壳中间设有强肋骨。由于船型功能性原因，其强肋骨上开有很多孔，其典型剖面形式见图3。

表5 冰带区域外板和骨材尺度规范要求值

鉴于冰带区域内舷侧强肋骨结构形式的特殊性，已不能采用规范计算方法对其进行校核，故参照规范[7]结合直接计算的方法校核该构件结构强度。计算模型见图4，对于从双层底延伸到甲板的强肋骨。与内底相连端部做刚性固定，与甲板相连的端部做简支处理。

根据规范载荷F为

F=1 800phs

(1)

根据式(1)计算出设计冰压为495.9 kN。压力作用点应选取为使结构获得最大的剪力值的载荷施加位置。规范给出最大剪力值的计算公式为：

(2)

(3)

由式(2)，(3)可以看出，载荷施加位置越靠近2端，则剪力规范计算值Q越大。故选取2种载荷施加工况见图5。

计算结果见表6，强度校核衡准参照ABS规范。由强度评估结果可知，原强肋骨设计已满足冰区要求，不需要对其进行加强处理。

表6 有限元计算结果

1.3 冰带区域结构轻量化设计

定义材料利用率因子为

(4)

尽可能提高材料利用率，冰带区域结构(以板格3与板格5为例)具体设计尺寸见表7。

表7 冰带区域外板和骨材尺度设计值

由表7可见，对于横骨架式板格，其有效剪切面积的材料利用率很低，在设计过程中，剖面模数的要求占主导地位。而纵骨架式板格对抗剪切面积的要求则很高。这是因为纵骨架式结构，冰载荷均布作用在纵骨上，致使纵骨架式纵骨在冰压作用下应具备一定的抗剪切能力。

平台供应船这类船型对于重量的控制要求相对较高，在保证结构满足冰区航行强度要求的前提下,对典型板架进行设计轻量化分析。针对相同基础舷侧冰带外板形式，对其板厚和骨材(基于欧洲型材库)选择不同设计方案，在满足规范的前提下，计算每种方案的设计重量。该重量为板格单位长度重量，包括板及焊接在板上的所有骨材。具体情况如表8、9与图6、7。

序号设计方案板厚/mm间距/m骨材数量型材类型利用率/%板厚腹板厚有效剪切面积剖面模数板格重量/kg180．1276HP180×10．098．7590．0011．4295．98522．242100．1525HP200×9．091．00100．0013．0588．46518．503110．1904HP200×11．595．4578．2613．4694．65529．044130．2533HP220×11．598．0090．0015．8894．59522．245180．3802HP260×10．091．7890．0021．3393．12557．606240．7601HP300×12．099．29100．0027．5799．93619．48

表9 纵骨架式板格5轻量化研究

型材库对型材尺寸类型的限制及腹板厚度的要求制约了骨材尺寸的选取。对比以上设计方案可以看出，对于本船型，若不考虑建造工艺，适当减小骨材间距，有利于结构轻量化设计。

2 罐舱设计

2.1 LNG储罐形式的选择及适用性

C型独立气罐的主流形式分别为双层真空绝热储罐和单层外包绝缘储罐[8]。双层真空罐在以下3方面具有优势：首先在发生火灾时，双层真空罐的外壳奥氏体不锈钢[9]耐火能力比绝缘材料强很多，双层不锈钢的防撞性能也好于单层罐。其次单壳外包绝缘罐的接口全部在上面，需在主甲板上开孔为罐上的穹顶留出空间，将会影响载货甲板空间，而双层真空绝热罐的接口布置在下面，相关的阀门封闭在冷箱中，不影响载货甲板的布置燃料。最后双层真空罐燃料系统采用储罐蓄压的形式供给燃料，而单层罐燃料系统则需要增加LNG泵设备来供给燃料，在可靠性和成本方面双层真空罐更有优势。因此冰区双燃料平台供应船选用双层真空绝热储罐。

2.2 罐舱布置要素

罐舱的布置要从避免船舶碰撞或其他意外损坏、防火防爆安全要求、上部载货甲板加强[10]和日常维护维修等方面考虑。

1)气罐位置应尽可能避免在船舶遭到碰撞或者其他意外等外部伤害时，不随之受到损坏。因此气罐位置应尽可能靠近中线，同时还要保证气罐及其附件距离舷侧不少于B/5(B为船宽)或11.5 m,距离船底不少于B/15或2 m，都分别取较小值，并且在任何位置，距离船体外板不少于0.8 m。

2)气罐以及罐舱处所不应与机器处所和其他具有较大失火危险的处所相邻。对于双真空绝热C型气罐，若气罐外壳距舱壁小于900 mm,则气罐处所可以作为隔离舱，单气罐布置在机器处所和其他可能产生火灾的危险区域的上方的情况除外。本船的气罐舱的布置(见图8)，尽可能布置了失火风险较小的泥浆舱和其他机械处所类的泵舱，双层底布置了压载水和钻井水舱。

3)罐舱的上边界为载货甲板，装载向平台供应的钻井、钻管等物资，承受较大的载荷，由于LNG燃料气罐尺寸较大，难以在罐舱中设置立柱加强，这就要求在横向加装较大的主梁，同时考虑到燃料气罐高度，要在LNG燃料气罐和甲板主梁留有一定的间隙，方便日后的检修。

3 结论

1)对于承受冰载荷作用的板架结构，不同板架结构形式中骨材尺寸选取的主导因素不同。对于横骨架式板架的骨材尺寸选取，其主导因素是截面剖面模数，对于纵骨架式板架则取决于截面有效剪切面积。在选择冰区加强结构板架形式时，通常来说，相同重量的横骨架式结构，其抵抗冰载荷的能力优于纵骨架式结构。

2)对于平台供应船类型的船舶，不考虑建造工艺的影响，减小骨材间距，有利于结构轻量化。

3)罐舱的布置方案基本避开具有较大失火危险的处所，但是未能避开失火风险较小的基油舱和泵舱，虽已满足要求，但尚存进一步优化的空间。

[1] ABS. OSV-PART6, Offshore support vessel, optional items and systems[S]. ABS,2015.

[2] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：结构分册[M].北京:国防工业出版社,2000．

[4] ABS. Steel vessels rules[S].ABS,2012.

[5] 谢永和，吴剑国，李俊来.船舶结构设计[M].上海:上海交通大学出版社,2011.

[6] 王靖.某型远洋渔船冰区加强方案分析[J].船海工程,2013，44(2)：24-27.

[7] Finnish-swedish ice class rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration,2010.

[8] 吕志庆.小型LNG运输加气船双燃料动力系统研究[J].船舶标准化工程师,2016，49(1)：73-76.

[9] 中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[S].北京：人民交通出版社，2013.

[10] 杨青松，陆丛红，纪卓尚.中小型LNG船鞍座及附近船体结构强度分析[J].中国造船,2011，52(1)：61-70.

(中远船务工程集团有限公司， 辽宁 大连 116600)

On the Key Points of Structural Design for the Ice Class Dual Fuel PSV

ZHAO Zhi-jian, LIU Ren-chang, LI Lian-liang, HE Jia-qi, ZHU Guang-wei, QI Dong-zhou, HUANG Jin-lin

(COSCO-Shipyard Group Co. Ltd., Dalian Liaoning 116600 China)

Focus on the technical features of an ice class dual fuel platform supply vessel (PSV), the research of ice belt structure light-weight design and LNG fuel tank compartment arrangement was carried out. The ice belt area and structure scantlings were determined based on classification code, and the relationship between design plan and structural lightweight for this type of ship was discussed. The LNG fuel tank compartment area’s layout and key points of structure design was given refers to IGF code based on the characteristics of PSV.

ice class dual fuel PSV; structure light-weight design; LNG fuel tank; ice belt

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.001

2016-05-18

中远集团科研项目(2015-1-H-005)

赵志坚(1974—)，男，硕士，高级工程师

U663

A

1671-7953(2017)01-0001-05

修回日期：2016-06-08

研究方向:船舶与海洋工程