沥青船独立货罐支承结构优化设计

芮晓松 朱 刚 刁海兵

（1.中航鼎衡造船有限公司 扬州225217；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院 镇江212003）

沥青船独立货罐支承结构优化设计

芮晓松1朱 刚1刁海兵2

（1.中航鼎衡造船有限公司 扬州225217；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院 镇江212003）

以4 900 t沥青船为研究对象，采用BV的VeriSTAR-Hull软件建立有限元模型，基于装载两种不同温度沥青情况下，对独立货罐支承结构的相对位移进行计算与分析，并对其结构形式以及差位量进行研讨，为相似船型的货罐支承结构优化设计提供了依据。热膨胀分析研究结果可用于同类型船的结构设计参考。

沥青船；独立货罐；有限元分析；热应力

引 言

目前世界上较多发展中国家基础道路设施的发展迅猛，沥青运输船的国际市场需求量逐渐扩大，尤其以我国“十三五期间”中西部公路建设的巨大需求，国内所需的沥青需从外部进口，因此沥青进口运输量需求加大。全球沥青船主要是整体式和独立式两种，而它们的区分在于装载沥青的货舱形式不同［1］。全球独立式沥青船的订单占主体地位，因为各大船东公司都偏爱具有其热量损失少、腐蚀小、施工方便等独特优势［2］。

沥青船的独立货罐装载高温液态沥青的情况下，在热应力作用下，船体结构将产生膨胀变形。普通高温沥清船的货物温度一般控制在120~180℃［3］。本文以4 900 t沥青船为例，其所装载的沥青温度最高为250℃远超普通沥青船的装载温度。

国内学者研究热应力问题所用DNV规范软件SESAM对化学品船运载高温液货时的温度场及热应力进行分析［4］。该软件主要用于梁、板系结构分析；结构静态载荷、惯性和动态荷载的施加；结构拉压分析、荷载组合、完整的结构非线性分析。包括风浪流载荷，结构的静力以及动力分析，管节点和板架结构的疲劳分析，梁和板的规范校核等。但对于点支承的货罐结构热应力分析并不全面。本船利用BV船级社提供的专用于热应力膨胀的VeriSTAR-Hull软件，采用GAP接触单元建立独立罐舱有限元模型。对沥青船独立货罐在热应力作用下的纵向膨胀位移进行计算，基于此计算结果，对独立货罐的支承结构设计进行优化设计。

1 船舶概况

1.1 用 途

本船可航行于无限航区，货品闪点＞60℃，用途广泛，可满足装运常规沥青的要求，又可装运归类为化学品的沥青质货物，诸如煤焦油、木馏油、煤焦油沥青等。

1.2 主要参数

船舶总长108 m、型宽17.2 m、型深9 m、设计吃水6 m，泵舱在货舱区域中部，前后两个独立货罐。该船设计总舱容为4 853 m3，最大承载密度为1.33 t/m3，最高货物温度为250℃，保温性能强（24小时温降不超过5℃）。

2 沥青货罐支承结构特点

本船在货舱区设置两个独立悬浮式货罐，每个货罐由4个分隔的货舱组成，共计8个货舱。本文以尾部独立货罐作为分析对象。尾部货罐的主要参数：总长33.4 m ，最大宽度12.9 m，高度6.6 m，肋距0.7 m。货罐由纵舱壁以及模舱壁进行分隔。

货罐钢结构因热膨胀系数与船体结构不同，需与船体结构分开，因而采用悬浮式支撑形式。尾货罐采用32只200 mm×200 mm规格以及98只350 mm×350 mm规格的ULEPSI高分子橡胶垫块支撑于船体内底的T型梁结构上。在装载高温货物时高分子垫块材料具有优良的抗压性能（见表1），其安装形式参见图1所示，最上一层为高度调整钢垫块。高分子垫块材料还起到温度隔离作用，第一层材料可使温度从250℃降至175℃，第二层材料可以使温度从175℃降至100℃，第二层材料可以使温度从100℃降至70℃。选用该高分子材料，可很容易解决在船体结构上产生的温度应力问题。徐宜兵［5］等人曾对37 000 t沥青船垫块材料进行过隔热抗压性能试验，结果表明使用高分子材料垫块基本无需维护，有效降低了货舱结构的维护费用，而高性能的材料保障了更长时间的使用寿命，其性能优于其他诸如硬木等材质的垫块。

表1 ULEPSI（ULTEM聚醚酰亚胺）高分子材料与其他材料性能对比

图1 垫块典型节点图

但该材料也有其极限承压能力的限制，其中200 mm×200 mm规格的极限承压为32 t， 350 mm×350 mm规格的极限承压为98 t；当局部压载大于极限承压力时，其承压能力失效；并且当垫块的承受面积小于总面积的70%时，其承压能力失效。因此，如何使整个货罐与垫块保持良好的接触，确保垫块充分均匀受力接触，是沥青船货罐支承结构设计的最大课题。在设计货罐支承时，货罐装载各种温度货物在热应力的作用下，罐体结构受热产生各个方向的膨胀，膨胀量根据装载货物温度不同而产生变化。

货罐独立于船体结构，必须要对其限位，否则船舶在海上航行中的摇晃会导致整个货罐位移。在货罐顶部与甲板反面结构设置止浮装置，对货罐的垂向运动方向进行限制。为对货罐的膨胀方向进行有效控制，在货罐底部与船体结构之间设置若干限位的凹凸构件（见图2）。构件之间的预留间隙约2-3 mm。底部的限位分为纵向以及横向限位，纵向限位装置一般布置在独立货舱一端，横向限位装置一般布置在船舯位置，限位装置不在此赘述［6］。

图2 甲板以及底部的限位装置

货罐横向的变形在横向限位结构的作用下，从船舯向左右两舷方向膨胀，膨胀量相对较小，垂向膨胀因高度相对较小并受止浮装置作用，膨胀量也相对较小。本文分析货罐的支承结构，重点考虑热应力作用下的货罐纵向膨胀。通过对货舱的纵向膨胀分析，优化支承结构设计以达到各种工况下，支承结构与船体基座垫块全接触［7］。本文采用VeriSTAR-Hull的GAP接触单元对独立罐舱进行建模，考虑在两种装载货物温度下的货罐膨胀量。

在安装货罐垫片时，考虑到下水后因船体浮态变化，或温度变化的不同，垫块的间隙值会处于动态变化中。为保证报检的状态不变，建议在船坞内水平状态（未下水，压载舱空载状态下）进行测量和报检工作，根据每个垫块的间隙测量值加工相匹配的不同厚度的钢质调整垫块。

3 不同热应力作用下独立货罐的膨胀

货罐装载不同温度沥青时，因热应力的作用产生膨胀。本文分析尾部独立货罐在两种货物温度下的各位置膨胀量，得出不同位置支承结构的设计特点。在货物极限温度250℃和常规货物温度170℃条件下，通过VeriSTAR-Hull软件建立有限元模型。在纵向方向上，整个货罐受热时的膨胀量，因受限位装置的作用，在纵向方向上，尾货罐限位块位于罐体首部，控制货罐结构朝尾膨胀（见下页图3）。

图3 尾货罐的膨胀方向

3.1 尾部货罐结构有限元模型

采用VeriSTAR-Hull软件建立有限元模型，模型范围为尾部货罐，模型从肋位F35+100到肋位F83-100；垂向范围为货罐高度；采用货罐全宽模型；坐标系统采用右手坐标系。原点位于肋位F77，货罐中心线处，X轴向首为正方向，Y轴向左舷为正方向，Z轴向上为正方向（如图4）。

图4 典型横剖面图

3.2 边界条件及工况

软件自动定义边界条件，以限位位置为固定点，肋位F77 为纵向固定位置，船舯为横向固定位置。本文分析装载两种温度条件下的货罐膨胀情况，一种为常规货物温度170℃，另一种为极限货物温度250℃。

选取货物满载工况，仅考虑温度载荷，将计算得到的温度场转化为温度载荷施加到货罐结构模型上。

4 计算结果与分析

4.1 不同货物温度情况下的计算结果

两种不同温度情况下的膨胀有限元计算模型见图5及下页图6，其膨胀的具体数值见下页表2。根据ULEPSI高分子橡胶垫块的特性要求，单个支承的最终接触面积不得少于原始面积的70%，而在支承点数的计算中可知，为有效控制支承点的数量，在货罐满载的情况下，实际支承点的接触总面积不得少于原始面积的80%。如果少于这些指标，会对垫块产生永久性破坏，从而造成支承失效，出现货损情况。由此可见，为保证垫块在任何装载工况下完全接触货罐支承结构，在垫块布局设计时，需要注意每一个支承位置的结构反膨胀布置，加大支承面积。因此在支承结构设计时，采用T形结构形式。考虑到T形结构腹板宽度受限，一般通过在T形结构下增加腹板的方式来加大结构相对移动以后还能保证足够的接触面积，特别需要考虑到纵向膨胀远端的垫块在位移后上下垫块仍能确保全接触，横向则因半船宽累积膨胀位移量有限，一般不予考虑。

图5 常规温度下膨胀量有限元分析模拟图

图6 极限温度下膨胀量有限元分析模拟图

表2 不同货物温度情况下的膨胀量

支承结构及在常温冷态下的反膨胀错位布置（见图7）。

图7 支承结构反膨胀错位布置

4.2 计算结果实船应用

根据下页表3的具体膨胀数值，在实船设计中考虑到在120℃~ 250℃范围的货物温度变化对货罐结构的影响，结合实船的实际情况，基于装载250℃货物的膨胀量，通过在不同肋位位置放置不同的反膨胀错位量，来校核错位量的最优值。

通过实船对装载不同温度货物时，对支承结构错位的观察、测量。冷态安装过程中的错位量为该肋位膨胀量的2/3为佳。实船应用如下页图8所示。实船在高温货物装载时完全达到设计要求。

表3 不同肋位的错位值A

5 结 论

通过货罐在热应力作用下的膨胀计算，可以得出如下结论：

（1）货罐的支承结构，除满足常温冷态下的结构强度要求，需要在除固定点以外的所有支承位置考虑支承结构的反膨胀布置，膨胀错位的具体数值需要通过严格计算得到，经实践证明，错位量为该肋位膨胀量的2/3为佳。

（2）支承结构设计时尽量采用简便实用的腹板式结构。

今后将对货罐的限位装置受力以及与设计合理的货罐联接管路形式展开进一步研究。

图8 实船支承结构反膨胀

［1］ 张延辉，张少雄，曾涛.独立式液货舱沥青船支撑结构的有限元分析［J］.船海工程，2013（1）：14-16.

［2］ 赵彩凤.独立液货舱型式沥青运输船设计特点［J］.船海工程，2006（3）：26-28.

［3］ 丁勇毅. 2 000 t级内河石油沥青船温度场及热应力分析［J］.江苏船舶，2013（4）：8-10.

［4］ 李俊来，张吉萍.基于温度应力场的沥青船货舱结构强度分析［J］.浙江海洋学院学报（自然科学版），2008（1）：5-8.

［5］ 徐宜兵，李中扬.大型沥青船独立液舱强度分析［J］.船舶设计通讯，2016（1）：48-53.

［6］ 向安玉.大型独立液货舱内胆在船舶货舱中的安装方法［J］.交通科技，2010（5）：107-109.

［7］ 孙安林.独立液货舱型式沥青运输船若干设计要求探讨［J］.上海造船， 2003（1）：41-44.

Optimization design of supporting structure of independent cargo tank on asphalt carrier

RUI Xiao-song1ZHU Gang1DIAO Hai-bing2
(1. AVIC Ding Heng Shipbuilding Co., Ltd., Yangzhou 225217,China;2. School of Enemy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

A 4 900 t asphalt carrier is examined through the finite element model that is established by the Veri STAR-Hull software of BV. Based on the asphalt loading at two different temperatures, the relative displacements of the supporting structure of the independent tank are calculated and analyzed, while the structural configuration and the deviation are discussed. It can provide basis for the optimization design of the tank supporting structure for the similar ships. Furthermore, the thermal expansion analysis can provide reference for the structural design of similar ships.

asphalt carrier; independent cargo tank; finite element analysis; thermal stress

U661.4

A

1001-9855（2017）06-0027-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.027

2017-03-29；

2017-06-02

芮晓松（1978-），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶总体性能、高性能船舶设计。

朱 刚（1979-），男，工程师。研究方向：船舶系统、双燃料系统。

刁海兵（1992-），男，硕士。研究方向：船舶轮机设备及系统先进设计与制造。