小型液化气船结构设计

常世伟，娄春景，张 伟，王智远

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

小型液化气船一般指载货量在40000m3以下的液化气运输船，根据运输货物品种的不同分为液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）船、液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）船和液化乙烯（Liquefied Ethylene Gas, LEG）/LPG多用途船等，其中：LNG船以运输沸点温度为-163℃的LNG为主；LPG船以运输沸点温度为-54℃的LPG为主；LEG/LPG多用途船不仅能运输LPG，而且可运输乙烯、氨水、氯乙烯单体、烷烯类氯化物或氧化物等化工用品[1]，沸点温度最低可达-104℃。对于这3类船型，除了所载运货物的沸点温度和设计压力等不同以外，在结构设计方面十分相似，因此可通过研究其中某种船型的结构设计来类推另外2种船型。

液化气船由于载运货物的特殊性，除了应满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（IGC Code）的规定，还需满足船级社对强度、安全和布置等方面的要求。

本文以22000m3的LEG/LPG船为载体，通过分析C型双耳罐液化气船的结构设计，引申到所有小型液化气船的结构设计，为该类船型的设计提供参考。

1 主船体及C型独立液货舱布置

1.1 IGC Code的布置要求[2]

1) 根据IGC Code的规定，该船属于C型独立液货舱2G型，IGC Code对该类型船液货舱的破损残余能力有以下要求。

(1) 横向保护要求：当 5 000 m3≤VC＜30 000 m3时，d= 0 .8 +VC/25000 m。

(2) 垂向保护要求：d最小值为B/15 m，或者2m，取小者。

(3) 其他位置保护：d≥0.76m。

VC为单个液货船舱容积，为左右舱之和；d为外板的理论线与罐体的理论线之间的距离。

2) IGC Code对该类型液货舱的检验通道也有明确的要求：

(1) 在检验通道处，液货舱绝热层的表面（平面或曲面）与结构件自由边之间的距离大于等于380mm，如甲板横梁、扶强材、肋骨和桁材；

(2) 当验船师不需要在结构件及绝缘表面通过，仅做目视检查时，结构件的自由边缘与所检查的表面之间的距离大于等于50mm，或为构件面板的半宽，取大者。

1.2 货舱布置

根据上述要求，22000m3的LEG/LPG船沿船长方向布置有4个C型双耳罐液货舱，其中：一号液货舱受船体线型的限制，设置为锥形双耳罐；二号液货舱在考虑横舱壁扶强材的尺寸和建造误差之后，沿船长方向，绝缘表面距离水密横舱壁构件面1130mm，距离非构件面430mm（见图1）。

图1 液罐位置

沿横向与外板的距离及沿垂向与甲板和内底板的距离都与纵向类似，都需满足IGC Code的要求。一般情况下，绝缘表面与外板的距离容易受到型宽的限制，此时可通过调节C型罐两圆心的间距来解决。对于甲板下构件与绝缘的距离，通常可通过加大梁拱的高度来解决通道问题，此处不再详述。总体而言，检验通道的要求对结构设计的影响较大，应在方案设计时充分考虑，避免在设计后期出现改动。

1.3 强框架确定

在每个舱的长度确定之后，从结构强度的角度考虑尽量等分强框架的间距；但从与C型罐的连接上讲，强框架要布置在C型罐平行中体部分，每个C型罐对应2个鞍座，靠船尾侧为固定鞍座，靠船首侧为滑动鞍座。液罐装满货物之后可看成受均布载荷的简支梁，根据材料力学的原理，若平行罐体的长度为L，则当外伸长度A=0.207L时，2个支座中间的最大弯矩与支座截面处弯矩绝对值相等。另外，考虑到封头的抗弯能力强于筒体的抗弯能力，越靠近封头对鞍座处筒体截面的加强作用越有效。因此，鞍座尽量设置在靠近平行中体的端部。

此外，当船舶横倾30°时，必须对C型罐有合理的支撑；由于鞍座处的应力值较高，一般将鞍座的包角角度加大，在鞍座靠船中心线部分留出施工空间，并尽量向中心延伸。同时，需在鞍座档的前后肋位处设置强档，一方面保证此处的强度和刚度满足要求，另一方面增加此处温度场的传递通道。

2 主船体结构强度计算

2.1 设计弯矩剪力确定

针对该类液化气船，船级社没有强制规定最小弯矩剪力值，只要求最小的剖面模数和最小惯性矩，包络值一般根据装载手册确定。在设计时发现，该船实船装载情况下的中拱弯矩值较大，根据设计经验，在选取中垂弯矩时，有取中拱数值的1/2、1/3和1/10等不同取法。法国船级社（Bureau Veritas, BV）就该问题认为，虽然液化气船在使用过程中不会产生大的中垂弯矩，但随着规则规范的修改，从安全的角度讲，对该类船的要求会越来越高，对其定义会越来越严格，推荐中垂取中拱的1/2；另外，从船舶的实际抗弯能力上讲，船舶可承受的中垂弯矩不会与中拱弯矩相差太大；同时，从船体梁的结构强度计算结果上看，在一定程度上提高中垂值不会带来构件的增加，却能提高装卸的便利性，因此该船最终选择加大中垂值到1/2中拱值。对于设计剪力，规范没有要求最小值，在实际装载中隔舱装载的情况不多，即使隔舱装载，由于货物的密度较小，船体梁承受的剪力不大，因此根据实际装载情况设计即可。

2.2 规范计算

在确定结构布置和设计弯矩剪力等输入条件之后，进行规范强度校核。以三号舱中间位置处的横剖面为例，利用BV规范软件MARS进行计算。计算结果表明，在满足结构屈服强度的前提下，船体梁极限强度、纵骨疲劳强度和规范要求的屈曲强度都容易满足。

从计算结果来看，大多数结构尺寸都由局部强度决定，只有甲板板和纵骨的尺寸由船体梁中拱强度决定，特别是底部压载舱周界结构尺寸相对船体梁而言富余较大。在设计初始阶段，总体上将上下压载舱联通为一体，这就造成内底板和外底板等底部压载舱周界的水压很大，液舱的动压力也比较大。验算结果表明，若上下压载舱不连通，则液舱的动压力可减小30%。经过对比不同装载工况，发现将上下压载舱设置为不连通对船舶稳性无影响。综合考虑，最后做此修改，从而明显地节省了结构重量。

2.3 有限元计算

对于采用C型舱的液化气船，不同船级社的规定略有差异，该船以BV的规定为例进行计算。根据 BVGuidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks（2012 V3）的要求，利用VERISTAR计算软件进行分析。根据要求，一般至少对2种不同结构形式的舱段进行分析，该船以三号舱为目标进行粗网格分析。

在建立模型时需注意，固定鞍座需采用 SOLID（体）单元模拟，滑动鞍座需采用 GAP（弹簧）单元模拟，其他结构采用板或梁单元模拟[3]。粗网格的大小根据骨材间距确定。针对主船体结构，指导手册要求的典型装载工况见表1和图2，计算结果见图3。

表1 典型装载工况

图2 典型装载工况

图3 主船体屈曲计算结果

有限元计算结果表明：在屈服强度方面，只有在甲板气室开孔处和止浮处的应力超出要求，其他位置基本上满足屈服强度要求，这2处需增加板厚或通过细网格做进一步分析；在屈曲强度方面，外底板的屈曲问题特别严重，底边斜板、水线下外板和横舱壁也有屈曲问题。

3 C型罐设计

C型罐作为压力容器，IGC Code对其各项设计指标有明确的要求，主要包括以下7个方面。

3.1 设计蒸气压力P0

对于设计蒸气压力值，应从以下3个方面进行考虑：

1) 罐体的形状尺寸、货物密度、罐体材料和IGC Code强制的最低限度要求；2) 满足船东的最低限度要求，并不得小于释放阀的最大调定值（MARVS）；3)P0是C型罐内部总压力的重要组成部分，其大小直接影响到筒体的厚度，P0的取值应与筒体强度余量做好平衡。

3.2 内部总压力

内部总压力Peq=P0+Pgd，其中Pgd为内部液体压力。P0已在上面阐述，这里只讨论Pgd的计算。Pgd是由船舶运动引起的货物重心加速度与动力加速度的联合作用，IGC Code给出其计算式为

式(1)中：αβ为在任意横倾和纵倾方向上由重力和动载荷引起的无因次加速度（相对于重力加速度）；Zβ为从所确定的压力点沿横倾和纵倾方向向上量至液货舱壳板的最大液柱高度。

对于αβ的计算，以往一般采用仅同时考虑2个方向的加速度分量（即（x-z）或（y-z）方向）的二维椭圆合成法，由此得到的计算结果在横舱壁和横舱壁与纵向构件交接区域存在明显的误差。新版IGC Code要求αβ的计算必须采用三维加速度椭球合成法。实船计算结果表明，三维椭球合成法比二维椭圆合成法精度高，计算结果更可靠。

3.3 材料许用应力

常见的低温材料有铝合金、奥氏体钢、镍钢和碳锰钢等4种，IGC Code规定，与C型舱相关的所有低温构件（包括法兰）的最大许用膜应力K不得超过Rm/A与Re/B中的较小者（Rm和Re分别为室温下的抗拉强度下限值和屈服应力下限值），A和B的取值见表2[4]。

表2 IGC Code规定的A和B的取值

3.4 筒体的设计

筒体即C型罐的平行中间部分，不包括两端的封头。关于筒体厚度的计算，各船级社的计算式在焊接系数和腐蚀方面略有差异，但计算结果大致相同。本文以BV的要求为例，得到筒体板厚的计算式为

式(2)中：P为内部总压力；D为罐体直径；K为许用膜应力；e为焊接系数。

计算结果表明，在C型罐底部和靠底部45°范围内厚度最大，沿垂向向上依次减小。一般筒体的厚度由该计算式确定，有限元计算不会增加其尺寸。

3.5 封头、气室、集液槽的设计

封头的设计种类较多，各船级社都有相应的计算式，常见的有椭球形、扁球形和球形等3种。球形封头的空间利用率虽然相对于椭球形和扁球形略低，但其具有抗压能力强、厚度要求较低和施工简单等优点，在船舶上应用较多，本文所述目标船也采用球形设计。需注意，根据有限元强度分析结果，在封头与筒体的过渡区域应予以加强。

气室的设计与筒体类似，注意开孔的补强；集液槽的设计也比较简单，这里不再赘述。

3.6 加强环、制荡舱壁的设计

加强环按功能划分为鞍座加强环和真空环2种。分别在C型罐固定鞍座和滑动鞍座平面内设置加强环，以抵御鞍座处的弯矩和剪力。当罐体处于卸货状态时，随着罐内货物的减少，罐内压力明显减小，内外压力差会使筒体受压，为保证筒体的稳定性，应在筒体中间的合适位置处设置真空加强环。

C型舱存在部分装载工况，应验证不同装载高度下的晃荡载荷，特别是当液体晃荡的自然频率接近船舶的纵摇周期时，液体的晃动和纵摇运动会产生共振，对液罐的封头产生很大的冲击力。此时，设置制荡舱壁就可改变晃动频率，减小晃荡载荷，避免产生共振。一般利用下述方法考察设置制荡舱壁的必要性。

3.7 C型罐有限元计算

对于C型罐来说，有限元分析除了考虑主船体的装载工况以外，还要考虑0.5F大小的前冲力和0.25F大小的后冲力（F为液罐和货物总重量）、船舶横倾30°及码头试验工况等。

分析结果表明，有 4处不满足强度要求，分别为罐内加强环左右相交处、加强环30°转角处、气室与罐体开孔处和封头与筒体过渡处（见图 4）。

图4 液罐屈曲计算结果

4 温度场计算

根据船级社的规定，当船舶所运输货物的温度在-20℃以下时，需提交船体结构温度场计算书，以掌握船体和液货舱的温度场分布状态，并根据温度场分布状态为低温钢材料等级的选取提供理论支持。对于C型独立液舱来说，温度场计算主要针对液货舱鞍座和与液货舱相邻的船体结构，以此确定钢材等级；同时，按照温度梯度分布进行热应力分析，将热应力作为附加值加入液舱强度计算中。

计算方法主要有数值计算法和有限元分析法2种，其中：数值计算法首先利用EXCEL表格假定各层初始温度，然后通过迭代达到设定的精度，最后计算出各层的实际温度，以此确定钢材等级；有限元分析法即通过建立有限元模型，设置热系数，利用有限元软件计算温度分布。数值计算法的优点是工作量小、计算速度快和图纸完整度要求低，缺点是计算精度稍差、计算范围有限制。有限元分析法的优点是计算精度高、计算范围广（可计算任何区域），缺点是工作量大、硬件配置要求高和图纸完整度要求高[5-6]。

该船先采用数值计算法估算，计算结果见图5。在初步设计完成以后，又采用有限元分析法进行验算，计算结果见图6。

图5 数值计算法计算结果

图6 有限元分析法计算结果

由图5和图6可知，采用数值计算法所得结果与采用有限元分析法所得结果相差不大，在船舶设计初期可采用数值计算法初步确定船体结构钢级，随着设计的深入，在图纸完善以后再采用有限元分析法计算，从而精确选择船体结构钢级。

5 结 语

小型液化气船由于所装载货物的特殊性，其设计与散货船、油船有很大的不同，特别是在安全方面要求更高，IGC Code从不同的角度做了规定。本文以22000m3LEG/LPG船为载体，从船型分类、货舱布置、结构强度计算、C型罐设计和温度场计算等方面进行了分析和探讨，可为以后该船型的设计提供参考，同时能为A型、B型和液化气船的设计提供借鉴。

【 参 考 文 献 】

[1] 北京太阳谷经济信息中心. 中小型LNG船舶关键技术研发与市场前景预测报告[J]. 2013.

[2] IMO. International code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk[S]. 2016.

[3] BV. Guidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks[S]. 2012.

[4] 中国船舶工业集团有限公司，船舶重工集团有限公司，中国造船工程协会. 船舶设计实用手册[S]. 北京：国防工业出版社，2013.

[5] 李小灵，谷云飞. 计及热辐射及翼展效应的VLGC温度场计算[J]. 船舶与海洋工程2013 (2): 15-22.

[6] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，1998.