7 500 m3 LNG 加注船结构设计要点

赵家蛟，崔兵兵，庄科挺

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前 言

自国际海事组织（IMO）实施限硫令以来，航运业正式步入低硫时代。 LNG 作为清洁高效的燃料受到船舶运输市场的青睐，中小型LNG 加注兼运输船订单量也不断攀升。 7 500 m3LNG 加注船是上海船舶研究设计院为国外船东设计的一型液化天然气加注/运输船，拥有自主知识产权，悬挂马耳他旗，入级DNV 船级社。

7 500 m3LNG 加注船，总布置图如图1 所示，总长约115.80 m、型宽19.00 m、型深11.80 m、设计吃水5.95 m、结构吃水6.20 m、肋骨间距700 mm，满足1B 级冰区加强要求。采用双底、双壳、单凸起甲板结构形式，船体中部设有前后2 个C 型独立液罐货舱区，既可满足LNG 运输又可为其他船舶或岸上终端提供加注服务。C 型液罐设计压力为0.45 MPa、最大货物密度500 kg/m3，货舱区配备高低位集管区。 机舱紧邻货舱后端壁，船尾设置2 台全回转定螺距导管推进器作为动力源，推进器前方设置呆木并作为船舶进坞后主要支撑结构。 船首区域配备1 台隧道式首侧推器，提高船舶LNG 加注靠、离泊机动能力。

图1 7 500 m3 LNG 加注船总布置示意图

1 结构设计要点

1.1 货舱骨架形式

该船需满足1B 级冰区加强要求， 货舱区采用纵横混合骨架形式，舷侧外板冰区加强区域采用横骨架式并设区域中间肋骨，货舱单凸起甲板、顶边舱、双层底、内纵壁均为纵骨架式，详见图2、图3，既满足总纵强度要求， 又便于船体施工。 该船首尾及机舱区域采用横骨架式。 双层底为倾斜式内底，船中高度取900 mm，逐步升高至底边舱桁材高1 100 mm， 满足船东设置双层底的特殊需求，最大限度降低液罐及双层底结构重心高度。

图2 外板展开图（货舱区）

图3 典型横剖面

强框的布置需考虑货舱长度、鞍座、气室及压缩机间布置等因素，还需考虑船体纵骨尺寸与强肋骨腹板最小高度匹配、船体横向强度、最小强框间距（规范通常要求不超过4 档肋骨间距）等要求。 通过计算不同强框架间距（3 档和4 档肋骨间距）结构强度与构件重量， 在不影响船体结构重量的前提下，实船强框架取3 档肋骨间距。

1.2 大跨度凸起甲板

货舱区域凸起甲板刚度较弱，当船体受到总纵强度或其他外载荷的作用时，刚度较弱的区域可能会出现较大的局部变形或振动。 采用大跨度单跨强横梁作为主要支撑结构，满足规范要求。

凸起甲板气室开孔及压缩机间等局部区域，设计初期应考虑压缩机引起的局部振动、变形、应力集中等因素，适当增加局部加强构件、提高局部板厚和钢级等措施。 后续还要通过舱段有限元计算校验气室开孔处局部变形量是否满足船体结构与气室间隙要求和整体强度评估，既要确保该区域结构具有足够强度与刚度，又要避免过度加强。

1.3 鞍座和止浮结构

C 型独立液罐采用常规双鞍座结构形式与船体相连，液罐及液货的载荷集中通过鞍座传递至相邻船体结构上。 受低温收缩影响，为保证液罐沿罐体纵向可以小范围移动， 前端鞍座设计为滑动式，仅对液罐提供法向支撑； 后端鞍座设计为固定式，不仅可以对液罐提供法向支撑，还可以限制其纵向位移。 鞍座主要由鞍座面板、鞍座腹板以及若干沿径向布置的纵向肘板等组成， 能够有效将液罐的动、静载荷传递至船体结构。 鞍座面板与液罐间通过垫木和环氧等有效连接，每个鞍座下方至少布置3 道实肋板以便有效承担鞍座传递的载荷，纵向肘板尽可能跨过3 道实肋板进而有效增加鞍座区域局部刚度。

液罐主要靠自身重量坐落在鞍座上，当发生意外情况导致货舱进水时，受浮力影响液罐会慢慢浮起，需在各鞍座上方设置止浮结构，保证船体结构不遭受损害。 止浮结构通常与鞍座设置在同一横剖面内，其结构形式和大小基于液罐止浮结构布置位置及舱内空间等因素确定。

鞍座与止浮结构的构件尺寸、钢级等依据温度场计算结果确定，并按照规范要求进行局部强度评估。

1.4 横舱壁

货舱区横舱壁为平面舱壁，舱壁水平桁与舷侧平台对齐，垂直桁与凸起甲板纵桁、内底桁材对齐，垂直扶强材与凸起甲板纵骨、内底纵骨对齐，形成纵横交错的强力支撑结构，有利于提高横舱壁结构在货舱进水状态下的刚度和强度。 舱壁水平桁布置要注意避开液罐球头结构，同时可兼做检修通道使用，充分利用货舱空间，有效控制货舱长度。

机舱前端壁采用阶梯型水密横舱壁结构形式，在距基线3 100 mm 与6 400 mm 两处各形成一条折角线，3 100 mm 以下部分舱壁整体前移两个肋位，既解决了机舱区设备布置和检修通道难题，也充分利用货舱区C 型液罐下方空间。

2 计算分析

2.1 温度场计算

根据IMO《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（IGC Code，2016）要求：“所承载的液货温度低于-10 ℃时，一般应进行船体温度场分析；当液货温度低于-55 ℃时， 一般应进行船体热应力分析。 ”该船货物系统设计温度为-163 ℃，罐体外设置适当的绝热层，以确保船体结构不会因温度过低发生脆性断裂。 温度场分析可以采用有限元分析法或船级社认可的简化计算方法。 工程设计上以采用简化计算方法为主，即采用将船体及液罐系统的三维传热简化为一维传热方式进行温度场计算，计算评估时考虑的传热方式仅包括传导、对流和辐射。 从设计和建造角度看，将船体结构温度控制在-30 ℃以内，对材料选择较为有利。

基于船东特殊要求的环境温度（即空气温度-5 ℃、海水温度0 ℃），采用简化计算方法进行温度场分析。 考察对象主要有两个区域： 一是与液灌隔离的货舱处所结构， 如凸起甲板、 内壳板及内底板等； 二是与液罐直接连接的特殊结构， 如鞍座结构等。 计算结果表明：各计算区域船体温度均低于-30 ℃，如表1 所示。

表1 温度场计算结果

2.2 强度计算

2.2.1 货舱区强度计算

该船有前后两个货舱，计算仅选取后货舱作为屈服、屈曲强度评估对象，前货舱等同加强。 采用DNV 的Genie 软件建立有限元计算模型，模型范围自机舱后端壁至前货舱前端壁，并包含液罐及支撑结构。 鞍座与止浮结构等均需正确模拟，保证液罐载荷能够通过鞍座传递至船体。 计算模型如图4 所示。 计算工况分为静态工况、海上航行工况及事故工况等3 类，每一类工况根据不同装载情况分为若干子工况。 计算载荷主要考虑船体梁总纵弯矩、液舱内部压力（包括液体静动压力和液罐蒸汽压力）、船体外水压力、船舶运动惯性力及船体（含液罐）自重等。 载荷计算加载通过DNV 的Nauticus Hull 软件自动生成，典型计算工况载荷如图5 所示。 模型边界条件及衡准按照DNV 规范要求确定。

图4 舱段有限元计算模型

图5 载荷示意图

计算结果表明：船体结构屈服及屈曲强度基本可以满足规范要求，应力较高的区域主要在气室开孔及其周围甲板过渡区域、货舱区内壳端部过渡区域等结构，如图6 所示。 上述高应力区域主要是应力集中引起，设计时在气室开孔、内壳等主要构件端部，需合理设计过渡结构形式。

图6 高应力区示意图

货舱区各水密横舱壁、鞍座及止浮装置等结构计算结果满足DNV 规范要求。

2.2.2 局部结构强度计算

集管区平台通过圆管支撑结构与船体甲板相连， 集管区支撑结构分别采用φ200、φ300、φ350 等3 种规格， 建立典型区域计算模型并完整模拟圆管支撑结构（含圆管垫板），见图7。当加注作业时受船体自身运动影响，圆管支撑结构会承受不同方向的力与弯矩， 不仅需要考虑支撑结构向下压应力，还需要考虑其与甲板间焊缝所承受的向上拉应力。将圆管支撑与甲板间焊缝简化模拟为板单元评估其受向上拉应力的方式得到船级社的认可， 圆管垫板与甲板间保留一定高度并通过板单元连接，高度值取圆管垫板与连接甲板厚度各1/2，连接板单元板厚取支撑甲板的1.25 倍。集管区平台强度评估结果，满足SIGTTO《液化气体运输船管汇的技术要 求》（Recommendations for Liquefied Gas Carrier Manifolds）相关要求。

图7 集管区支撑结构计算示意图

呆木呈倒梯形结构， 位于船尾部中心线处，因船舶进坞时尾部大部分重量由呆木结构承担并传递至相邻船体结构，船东提出2 倍结构安全因数要求，需要对呆木及相邻区域进行局部强度校核。

计算模型包括主甲板下整个船体尾部， 如图8所示，上建结构以质量点形式均布在相应主甲板平面；计算载荷除船体结构自重外，还需考虑进坞时燃油舱、压载舱等残余重量；计算载荷以面载荷形式施加在呆木结构底平面。 通过计算，对不满足强度要求的构件如机舱前端壁垂直桁等通过增加构件尺寸、提高钢级等措施予以解决。

图8 呆木结构计算示意图

2.3 振动噪声计算

居住处所布置在机舱上方， 靠近尾推进器、主发电机组等主要设备，且需要满足COMF（V-3）振动要求，因而有必要进行振动和噪声计算评估。

2.3.1 振动计算

采用MSC.Patran 软件建立全船计算模型（见图9），计算主要考察航行和满载两个典型工况下船体总振动，确保在考核范围内船体固有频率与尾推进器、主发电机组等激振源频率完全错开并满足规范频率储备要求。 计算结果表明，船体固有频率完全避开各考察激振源频率，且满足规范要求的频率储备，总振动计算评估结果良好。 图10 为满载工况三阶垂向振型图。

图9 总振动计算模型

图10 满载工况下三阶垂向振型

计算结果见图10，船体固有频率完全避开各考察激振源频率，且满足规范要求的频率储备，总振动计算评估结果良好。

压缩机间置于后货舱单凸起甲板上方，舱室内除压缩机等设备外还布置大量管系，在压缩机间主要结构处选取若干典型位置作为振动响应计算考核点，如图11 所示，压缩机激振力作为激振源，采用与总振动计算相同的全船计算模型，计算结构固有频率。压缩机间考核点振动响应计算结果如图12所示，满足ISO 6954:2000《机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》要求。 首制船海试振动测试结果也进一步验证计算结果， 振动指标优良。

图11 压缩机间振动响应考核点示意图

图12 振动响应计算结果

2.3.2 噪声计算

采用经验公式与统计能量法相结合的方法对上层建筑各舱室噪声进行预报，模型利用全船总振动计算模型，将模型简化处理，保留舱壁等主要结构满足声学预报模型要求， 噪声计算模型如图13所示。 噪声源主要考虑主推进器与主发电机组，其相关参数主要由厂商提供，其他参数通过经验公式计算。

图13 噪声计算模型

噪声预报值与海试实测值较为接近，满足IMO《船上噪声等级规则》要求，预报值与首制船海试实测数据及IMO 标准值对比如图14 所示。

图14 噪声计算结果对比

3 结 语

7 500 m3LNG 加注船货舱区结构采用纵横混合骨架形式，满足1B 级冰区加强要求。 凸形甲板参与总纵强度，结构刚度比常规甲板形式低，中纵剖面液罐气室开口处需特殊加强。 C 型液罐通过鞍座与船体结构连接，鞍座、止浮结构以及周围的船体结构是主要承力构件，根据温度场计算和局部强度评估结果确定。 为了保证结构安全和船员舒适性要求，需进行舱段、局部强度有限元计算分析和振动噪声评估，进一步优化结构设计。 希望以上总结的LNG 加注船结构设计要点能对类似船型设计具有一定的参考作用。