冰区双燃料平台供应船结构设计与总体强度评估

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(中远船务工程集团有限公司， 辽宁 大连 116600)

冰区双燃料平台供应船结构设计与总体强度评估

曹凯，刘仁昌，王永刚，王金峰，朱光伟，张利军，黄金林

(中远船务工程集团有限公司，辽宁大连116600)

对目标冰区双燃料平台供应船展开整船结构设计与总纵强度评估，将液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料罐装载与常规平台供应船装载工况组合，计算静水剪力、弯矩，分析在设计剪力、弯矩下平台供应船的弯曲、剪切和屈曲强度以及冰带区域内结构对总纵强度的影响，给出适于此类船舶静水载荷的计算方法以及危险剖面位置的选取原则，并基于分析结果完善和优化结构设计。

冰区；平台供应船；结构设计；强度

0 引 言

高纬度冰区海域蕴藏着丰富的石油和天然气资源，冰区作业需要保证在恶劣环境下的结构安全，同时也要满足欧洲、北美和极地排放控制区域越来越高的排放标准，常规的平台供应船已不能满足冰区作业的需要，满足以上要求的高度专业化的冰区双燃料平台供应船逐渐受到市场的关注。

文中目标船采用波罗的海1A冰级[1]进行加强以满足冰区航行的要求，同时采用液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)作为清洁燃料以满足排放控制区域的要求。然而，LNG燃料液灌的布置以及冰级加强设计增加了总纵强度不满足要求的概率，现有的海洋工程支援船规范并没有给出针对双燃料装载工况的选取原则，同时冰区加强型的船舶外板的骨材系统与常规船舶也有较大差异。针对上述问题，在满足LNG液罐布置要求的前提下对总纵强度进行评估并提出适于此类船舶的装载工况的确定原则，完成目标船的总纵强度校核和结构优化的建议以及整船的结构设计。

1 结构布置和设计特点

结构的合理布置直接影响船体结构的刚度、重量和工艺性。双燃料平台供应船属于布置型船舶，其LNG燃料储罐[2]占据很大空间，需要在有限空间内实现多种功能。因此，对于该型船的布置与设计具有较大的挑战性。

本平台供应船为单甲板、双壳、双底全焊接钢质结构，综合考虑规格书、总布置以及美国船级社OSV规范[3]对防撞舱壁和水密舱壁等结构的要求[4]，根据结构布置的整体性、连续性、受力均匀性和载荷有效传递性等原则，将全船沿船长方向共分为8个部分，如图1所示。

图1 结构中纵剖面布置图

该船从艉向艏分别为：尾部压载舱区、尾推进器舱区、减摇水舱和特殊货物舱区、散料罐舱区、燃料罐舱&燃油舱&泥浆/盐水舱区、机舱区、艏推进器舱区和艏压载舱区，由7道水密横舱壁分隔，其中最前方FR134肋位的横舱壁作为防撞舱壁，同时支撑生活区结构。在纵向强构件穿过横舱壁的位置设置垂向扶强材，纵骨穿过横舱壁的位置设置垂向扶强材。

1.1冰带区域结构布置和设计特点

常规船舶外板骨材一般要求在船中0.4倍船长范围内保持连续[5-7]，同时两端骨材渐进停止于横舱壁上，以保证船体的总纵强度。冰区航行的平台供应船，必须考虑在冰载荷作用下的局部结构强度。本船参考ABS船级社规范中波罗的海1A冰级[1]要求进行加强。按照冰级规范要求，根据外板平边线位置以及最小、最大吃水，船体外板冰带区划分为艏部、中部和艉部3个部分。与常规船舶外板骨材的布置原则不同，冰带区域内的外板板厚以及骨材系统要严格按照冰级规范中艏、中、艉3个区域进行划分和布置。根据冰载荷作用特点艏部外板结构采用横骨架式，其他冰带区域采用纵骨架式。冰带区域划分如图2所示。

图2 冰带区域划分

冰区加强结构设计应注意以下事项：(1)纵骨跨距应沿纵骨方向量取两端支撑结构的腹板间距，忽略肘板对跨距的折减，如果是曲形型材，则量取两点间的直线距离。(2)骨材穿过强框架或水平桁等支撑结构时，骨材腹板两面直接与支撑结构焊接，或者在穿越孔处增加补板连接，本船设计中使用落地非水密补板形式。(3)在计算骨材或桁材腹板厚度时，其板厚不得小于该处外板的一半，且不能小于9 mm。如果计算的骨材或桁材与外板屈服强度不同，参照的外板板厚应由骨材或桁材的屈服强度计算得到，通过该计算得到的外板板厚不包含腐蚀裕量。当用板材代替骨材时，他们的板材板厚在其相邻骨材的高度范围内也应符合此要求。(4)骨材与外板的连接应采用双面连续角焊，除了外板对接焊缝位置的过焊孔外，骨材上不允许开孔。(5)可以适当调整在冰区航行时的最小压载吃水来减小外板冰区加强区域的范围，从而减小结构重量和冰带特殊涂料的成本。

1.2各舱室结构布置与设计

1.2.1 LNG燃料储罐舱

LNG燃料储罐属于独立C型罐[2]，相比燃油所占体积大。根据美国船级社规范对密闭空间储罐布置的要求，储罐应尽量布置在靠近船舶重心的位置。该船将LNG储罐舱室布置在船体中线处，如图3所示。LNG储罐舱室与机舱尾部相连，舱室之间由A-60等级舱壁隔离，LNG储罐布置靠近舱室尾部，并且保证储罐与机舱以及其他舱壁至少900 mm隔离空间，该布置既有利于燃料管线布置，又能减小因船体运动而作用到储罐上的惯性力[8]。

图3 燃料罐舱&燃油舱&泥浆/盐水舱区甲板结构布置图(仅左舷，右舷对称布置)

1.2.2 泥浆/盐水舱

泥浆/盐水舱对称布置于LNG罐舱两侧，中间各有1条宽度为900 mm的通道。单侧各有5个泥浆/盐水舱。泥浆黏性大容易沉积吸附到舱壁结构上，为了便于舱室内泥浆的搅拌和洗舱，减少装卸货时泥浆在舱室内的残留，该舱结构设计采用以下策略：(1)将泥浆/盐水舱设计成椭圆状(如图3所示)，充分利用薄壁筒形结构的力学特性；(2)扶强材位于舱室外部，泥浆舱内壁为光滑的板材结构，减小特涂面积；(3)甲板纵骨位于泥浆舱室内部的跨距较大，达到4.9 m，本设计中间不设置横向强横梁减小跨距，而是采用比较大的球扁钢，减少舱室内结构连接；(4)内底板在距船中1 150 mm处设置水平向上约3°的倾斜角度，以保证泥浆的排空。

1.2.3 燃油舱

燃油舱布置在LNG储罐舱后方，位于中间甲板以上，其下部为泵舱，属于其他类机械处所，中间无需添加隔离舱。由于该燃油舱悬空布置，设计时使用立柱支撑其底板结构。

1.2.4 特殊货物舱室

特殊货物包括甲醇以及其他有毒或有害的化学货物，其舱内属于“0”类危险区域。根据IGF Code[9]的要求，应该将装有该类货物或货物残余物的液货舱与起居处所、服务处所、机器处所、饮用水舱和生活用品储藏室分隔开。本平台供应船配有2个独立的特殊货物舱，其布置如图1所示。隔离舱四周采用肋板加强，从舱室外部对其不锈钢舱壁进行支撑以免受特殊货物的腐蚀。

2 总纵强度分析

2.1总纵强度计算方法简述

2.1.1 波浪弯矩与波浪剪力

美国船级社OSV规范[3]中规定的船中波浪弯矩计算公式为

式中：Mws为中垂波浪弯距；Mwh为中拱波浪弯矩；L为规范船长；B为船宽；Cb为方形系数；C1=0.044L+3.75(61≤L≤90 m)；k1=110；k2=190。

波浪诱导弯矩的包络线可由船中弯矩乘以分布系数M得到，其中分布系数如图4所示：

图4 弯矩分布系数M沿船长的分布

美国船级社OSV规范[3]中规定的船中波浪剪力计算公式为

式中：Fwp为最大波浪诱导剪力的正值；Fwn为最大波浪诱导剪力的负值；F1，F2为分布系数。

2.1.2 弯曲强度与剪切强度

规范中通过最小剖面模数校核船体梁的弯曲应力，剖面模数计算方法为

式中：Mt为总弯矩和，包括静水弯矩与波浪弯矩；fp名义许用弯曲力,取17.5 kN/cm2。

对于没有有效纵向连续舱壁的船舶来说，外壳板处的名义剪切应力计算方法为

式中：I为船体梁剖面惯性矩；m为剖面关于中和轴的一阶矩；ts为外壳板厚度；Fsw为静水剪力；Fw为波浪剪力。

2.2总纵强度实例分析

2.2.1 装载工况的确定

平台供应船典型的装载工况见表1。由于双燃料的平台供应船在船中布置有C型LNG燃料罐，根据作业情况以及船级社规范[3]要求，所有典型的平台供应船装载工况都需要考虑LNG燃料罐的装载情况。本文将所有常规的平台供应船工况与LNG燃料罐装载情况进行组合[8]，最后筛选出静水弯矩与剪力最大的10个工况，对应的静水弯矩和剪力曲线如图5和图6所示。

表1 平台供应船标准装载工况

图5 静水弯矩曲线

图6 静水剪力曲线

2.2.2 总纵强度外载荷计算

根据美国船级社 OSV规范要求，总纵强度外载荷由波浪载荷与静水载荷2部分组成。计算得波浪弯矩与剪力沿船长的分布如图7和图8所示。

图7 波浪弯矩曲线图

图8 波浪剪力曲线

通过上节中所有双燃料工况的计算，最后选取所有有计算工况下计算结果的包络线作为总纵强度计算中的设计静水载荷。静水剪力弯矩包络线如图9和图10所示。

图9 静水弯矩包络曲线

图10 静水剪力包络曲线

2.2.3 计算剖面位置选取

计算剖面位置的选取兼顾常规船舶选取要求，同时考虑C型LNG燃料液灌布置特点[8]和抗冰结构布置的特点。本文计算剖面位置的选取见表2。船中典型计算剖面如图11所示。本船艉垂线为0号肋位，肋间距为0.6 m。

2.2.4 剖面模数校核结果

按照ABS规范中的总纵强度校核准则，该冰区双燃料平台供应船剖面模数计算结果见表3。

表2 计算剖面位置

图11 船中计算剖面

肋位号中和轴高度/m实际甲板剖面模数/(cm2·m)最小甲板剖面模数/(cm2·m)校核结论实际外底剖面模数/(cm2·m)最小外底剖面模数/(cm2·m)校核结论263．9193349010289满足3402210289满足363．8883570812862满足3684312862满足483．5873250015434满足3907815434满足703．7443325515434满足3690915434满足883．7443325615434满足3691015434满足913．4561749315434满足2249515434满足1043．0881337212862满足2083312862满足1123．6321730610289满足2034110289满足1193．561147967717满足180307717满足

2.2.5 许用静水剪力

冰区双燃料平台供应船在各个计算剖面位置处的剪切强度校核结果见表4。

表4 许用静水剪力校核结果 kN

由表4可知设计静水剪力均小于许用静水剪力且有较大余量。冰区加强型船舶由于在中和轴附近进行了抗冰加强，板厚和骨材尺寸都有所增大，而剪流在中和轴附近最大，所以冰带区域的加强有利于船体的剪切强度。

3 计算结果分析与结构改进优化

由总纵强度计算结果可知，冰区双燃料平台供应船总体强度满足美国船级社 OSV 规范要求，同时具有一定的强度储备，与常规的平台供应船相比，冰区双燃料平台供应船可以从以下几个方面进行改进：

(1) 结合计算结果，在原有设计方案基础上，延长了双层舷侧内壳，保证了其在船中范围内的长度与连续性并将其计入船体梁的抗剪切面积与剖面模数的计算中，使得总体强度计算结果满足规范要求。适当增加甲板板厚，减小了甲板处的正应力，通过压载调整降低了LNG燃料液罐装载情况引起的总纵弯矩，改善了船体的总纵强度。

(2) 冰区加强导致的结构尺寸、形式的突变与机舱开口位于同一横剖面，导致此处剖面位置的甲板和底纵桁易发生屈曲失效，结合计算结果在设计中适当增加机舱开口位置处的甲板板厚、骨材尺寸以及底纵桁板厚，以满足规范要求。

(3) LNG燃料储罐虽然占据很大空间，通过增加结构重量的方法可以满足其结构强度的要求。使用椭圆形泥浆舱，兼做溢油回收舱，调整其布置形式，在不影响总纵强度的前提下，满足平台供应、溢油回收和双燃料等多功能要求。

4 结 论

本文采用规范计算方法对冰区双燃料平台供应船的总体强度进行分析计算。由于该船特有的冰区加强和C型LNG燃料罐的设计，使得船中静水弯矩偏大、纵向结构布置困难，对全船结构总纵强度的计算带来了很大挑战。在该船的设计过程中，分别通过调整压载、改善结构布置和增加纵向连续构件，解决了这些问题，并得出以下结论：

(1) 整船冰区加强选择混合骨架式结构，实现冰区骨材的均匀布置，能够抵抗相应等级的冰载荷。

(2) 内有独立C型燃料液罐的平台供应船，受LNG燃料液罐装载工况的影响，静水剪力与静水弯矩包络线与常规平台供应船存在较大不同。本文基于美国船级社OSV规范对常规平台供应船的装载工况要求，补充和完善带有LNG液罐时的装载工况，并对考虑双燃料使用情况下的不同装载工况进行计算，给出适用于双燃料平台供应船静水载荷的计算方法。

(3) 结合冰区航行双燃料平台供应船的整船结构和布置特点，对美国船级社 OSV规范中关于船体梁危险剖面位置选取的原则进行补充，同时结合目标船结构设计特点提出此类船舶危险剖面位置的选取方法。

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HullStructureDesignandLongitudinalStrengthAssessmentforIceClassDualFuelPSV

CAO Kai, LIU Renchang, WANG Yonggang, WANG Jinfeng,ZHU Guangwei , ZHANG Lijun , HUANG Jinlin

(COSCO Shipyard Group Company Limited, Dalian 116600, Liaoning, China)

The calculation object is an ice class dual fuel platform support vessel, the loading condition of LNG fuel tank is considered in the calculation of static water bending moment and shear force envelop. Bending strength, shear strength and buckling strength of hull girder under design bending moment and shear force are assessed. The arrangement of ice belt structure is also considered in the selection of section location. A selected principle of the critical calculation section and a calculation method of static water loads are provided. The ship structure is optimized by the calculation result.

ice zone; Platform Supply Vessel(PSV); structure design; strength

U674

A

2016-05-13

曹 凯(1973-)，男，高级工程师

1001-4500(2017)05-0011-09