中小型LNG船货舱段温度场计算

曾庆谦

摘 要：中小型LNG运输船近年来发展迅速，该类型船的液罐处于低温状态且依靠与船体结构相连的鞍座支撑，这样整个货舱区域，尤其是鞍座及其附近船体上就会形成低温区及温度梯度，这种温度梯度必将导致船体结构出现应力，又会在低温部位影响材料的特性。因此，进行温度场计算和应力分析，对其材料的选择和分布具有十分重要的意义。本文通过建立传热模型，对货舱段稳态温度场的关键点进行了计算。

关键词：LNG；温度场；运输船；液罐

中图分类号：U674.16 文献标识码：A

Temperature Field Calculation for Cargo Hold of Small

and Medium LNG Carrier

ZENG Qingqian

（ Bestway Marine & Energy Technology Co.， Ltd，Shanghai 201612 ）

Abstract： The small and medium-sized LNG carriers are an important part of LNG ship development， especially in recent years. On small and medium-sized LNG vessels， the liquid cargo tank is in a low temperature and is supported by a saddle connected to the hull so that a low temperature zone and a temperature gradient are formed on the entire cargo area， especially the saddle and its nearby hull. This temperature gradient will lead to stress in the structure and will affect the material properties of the material at low temperature. For this reason， the calculation of temperature field and stress analysis， to determine the distribution of its material is of great significance. In this paper， the key points of the steady temperature field of the cargo section are calculated by establishing the heat transfer model.

Key words： LNG； Temperature Field； Carrier； Liquid tank

1 前言

航行于海洋中的各类船舶， 受海水、大气和太阳辐射等诸多因素的影响，受热和传热的过程非常复雜，使得船体各构件处于不同温度中。这种温度分布的不均匀性，使得构件不能自由膨胀或收缩，导致应力得不到有效补偿，使船体构件产生热应力。从一般设计角度来说， 通常已将温度差引起的热应力作为不确定因素包含在结构安全系数中， 因此在普通船型的结构计算中， 船级社不要求做专门的温度场计算和应力分析。但是LNG运输船不同于常规船舶， 它所装载的货物是-164 ℃的液化天然气。LNG船在运营时液货罐内的LNG和外界大气环境的温差可高达200℃以上， 液货系统的维护系统及其船体结构的温度场分布非常复杂。在对LNG 船的结构计算和分析中， 温度场及其热应力的分析具有举足轻重的作用，然而目前对LNG船船体材料的温度场分布研究的相关文献和参考资料甚少。

本文以公司自主研发设计并已交付的28 000 m3LNG运输船为工程依托，基于传热学基本理论的传统方法，对该船型温度场分析作一简单介绍。

2 基础理论

本文研究和计算的基础理论是传热学。众所周知，凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。传热的基本形式包括：热传导、对流换热和热辐射。热传导研究的是物质的微观热运动，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递，不考虑宏观移动；热对流研究的是流体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递；热辐射则不依赖介质的存在，以电磁波的形式在空间中传递热量。

在实际的传热过程中，这三种形式是同时存在的，不同的情形决定了具体以哪种传热方式为主。在本文传热模型的建立中，忽略传热占比小的换热过程，同时对船舶结构及热传导方式进行合理简化，大大降低了计算复杂度，提高了计算的快速性。

3 温度场计算流程

本文温度场计算的基本流程，如图1所示。

4 传热学基本计算公式

4.1 热传导

热传导基本理论很成熟，关键是要准确确定材料的导热系数，其计算公式如下：

P=λ/s*ΔT （1）式中：ΔT—温差（K）；

λ—热传导系数（W/mK）：340 mm聚氨酯，λ=0.032 3；空气λ=0.023 5；镍九钢λ=29；船级板λ=60.6；

s—导热层厚度（m）

4.2 对流换热

本文仅考虑对流换热为自然对流，不考虑风力较强时对船体外壳板的强制对流。自然对流热流密度计算公式如下：

P=α*（?T）5/4 （2）式中：?T—钢板和空气的温差（K），空气的温度取船体结构之间或者船体结构与绝热层之间的算术平均温度；

α—换热系数（W/m2K5/4）：对于立式平板，α=1.6；卧式平板向上对流换热α=2.49；卧式平板向下对流换热α=1.31。

4.3 热辐射

根据斯忒潘-玻尔兹曼定律，灰色表面热辐射计算公式如下：

P=C1， 2*（T14-T24） （3）式中：对于两块平行钢板，C1， 2=σ/ （1/ε1 +1/ε2 -1）；

对于两个圆筒型表面，C1， 2 =σ/（1/ε1 +A1/A2 *（1/ε2 -1）；

σ—玻尔兹曼辐射常数（W/m2K4）；

ε1，ε2—发射率，钢板ε=0.7，空气ε=1.0；

T1，T2—温度（K）。

5 温度场计算及实例

LNG液货舱需要维持一定的温度， 船体构件温度波动较小， 可认为温度场属于稳态温度场。研究LNG船的船体结构稳态温度场：首先建立LNG 船货舱段温度场的简化结构模型；研究各个环节的热交换规律，对换热量占比很小的传热过程忽略不计以简化计算量；列出各个环节的传热方程式；最后根据边界条件，用计算机求解方程组的有效解，得到所选取的多个关键点的温度，从而建立货舱段的温度场，为船体结构强度设计计算和材料选择提供参考。

5.1 简化的计算模型

各部位简化后的计算模型见图2～图6。

5.2 计算实例

因篇幅有限，仅以主甲板-货舱液罐的传热模型为例介绍计算方法和过程，其余模型计算类似。

主甲板-货舱液罐传热模型中（图2）：P1表示大气和主甲板钢板的换热功率，主要换热过程为自然对流换热，忽略辐射换热；P2表示主甲板钢板和液罐绝热层之间的换热功率，此环节对流换热和辐射换热数量级相当；P3表示绝热层内外层之间的换热功率，主要为热传导过程。

根据传热学基本公式，分别得到带未知变量的P1、P2、P3的表达式：

P1= α*（TL-T1）5/4 （ 4 ）

P2= α*（T1-TH）5/4 +C1， 2*（T14-T24） （ 5 ）

P3=λ/s*（T2-Tc） （ 6 ）

TH=（T1+T2）/2 （ 7 ）

式中：TL—大气环境温度；T1—主甲板钢板温度；T2—液罐绝热层外表面温度；TC—液货温度；TH—主甲板和液罐之间气体的平均温度。

当达到动态的稳定温度场时，各个环节的换热功率达到平衡，即

P1=P2=P3 （ 8 ）

依据中国船级社和IGC等相关规范，LNG运输船温度场边界条件为：环境空气温度TL取5 ℃，海水温度取0 ℃，液货温度TC取-164 ℃；液罐绝热层厚度s初选为340 mm；绝缘材料和其他各种材料的物理性质和传热参数由专业设备厂商提供。

联立方程组（ 4 ）～（ 8 ），通过计算机求得多元高次方程组的收敛解：P1=P2=P3=15.3 W/m2，T1=1.3℃，T2=-3.4℃，TH=-1.0 ℃。

如果需要增加计算点，则需要相应增加方程组，计算点越多，计算精度越高，但是计算量也相应增加。同样方法可以求得其他部位简化模型的关键点温度，见图6。

6 结 语

本文对货舱区域船体结构进行了稳态热分析，得到了相应工况温度场；参照材料许用设计温度，对船体材料的选用和布置提供理论依据，以适应低温环境，避免材料发生低温脆性破坏，在满足规范的前提下尽可能降低建造成本，为中小型LNG船的船体结构材料的选择提供有益参考，并且是进行全船温度场有限元分析的不可或缺的输入条件和约束条件。

本文计算方法原理简单，计算速度快，理论计算的精度能满足工程设计的实际需要，可适用于LNG船、LPG船等项目的温度场计算。

通过计算和分析，总结出以下几点，可供其他类似项目的设计参考：

（1）鋼板的传热系数相比空气和绝热层大很多，计算过程中可近似认为钢板的上下表面温度是一样的，关键点的最终计算结果相差不超过0.1 ℃，故可以忽略钢板的传热环节，加快计算的速度；

（2）在甲板下和货罐之间的货舱区域，自然对流和热辐射的热流密度处于同一量级，必须同时考虑对流和辐射；

（3）整个传热环节中，绝热层的热传导环节影响最大，因此选择理想的绝缘材料和适当地增加绝缘层的厚度，是控制温度场最有效的方法，也是今后设计和优化的重要方向之一。

参考文献

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