LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)則研究

1、LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范規(guī)則研究天然氣是清潔、方便、高效的優(yōu)質(zhì)能源，液化天然氣（LNG）是由天然氣經(jīng)精練后液化得到的。世界上天然氣資源豐富，常規(guī)天然氣資源量估計(jì)為400600萬億m3。按現(xiàn)在的年產(chǎn)量水平，可供開發(fā)二、三百年。21世紀(jì)天然氣的產(chǎn)量和消費(fèi)量，將要超過煤炭和石油而躍居世界能源的首位。但目前開發(fā)利用的產(chǎn)量較低，只有2.2萬億m3，約為石油年產(chǎn)量的60%，所以從全球看，天然氣市場(chǎng)的前景更為樂觀。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，對(duì)能源的需求越來越大，改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，提高能源利用率，已迫在眉睫。天然氣作為一種清潔、高效、廉價(jià)的能源，已成為我國21世紀(jì)初開發(fā)利用的重點(diǎn)目標(biāo)，天然氣的開發(fā)利用，離不

2、開船舶運(yùn)輸。隨著我國進(jìn)口天然氣的迅速發(fā)展，不僅為我國航運(yùn)業(yè)發(fā)展帶來了商機(jī)，而且，也為我國造船工業(yè)提供了極為難得的歷史機(jī)遇。本文希望通過對(duì)LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足的規(guī)范規(guī)則研究，進(jìn)一步提高我們對(duì)LNG船結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)的能力，以達(dá)到自主完成LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。一 LNG船簡(jiǎn)介LNG船是一種國際上公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值、高可靠性的復(fù)雜船型，主要用于海上運(yùn)輸常壓低溫液化天然氣（LNG）的船只，由于受到港口碼頭和接收站條件的限制，這類船舶目前的標(biāo)準(zhǔn)載貨量在1215萬立方米之間。LNG船幾類貨艙維護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)的分類比較：目前，全球營運(yùn)中的大約140艘LNG船舶，主要是Membrane(薄膜型貨艙)和MOS

3、S型(球形貨艙)等兩種。其中，MOSS型船舶，由于在早期的LNG海運(yùn)中占有較大優(yōu)勢(shì)，而且具有貨物裝載限制較少等使用操作上的優(yōu)點(diǎn)，目前處于優(yōu)勢(shì)地位，總數(shù)居第一位，占到一半以上。但是，新的LNG船舶訂單，薄膜型占據(jù)了三分之二強(qiáng)。從總體上看，薄膜型LNG船舶，在船型性能方面優(yōu)于MOSS型，是LNG船型的發(fā)展方向。因此本次研究主要是針對(duì)No.96薄膜型貨艙維護(hù)系統(tǒng)的LNG船進(jìn)行研究。二NO.96型LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足的規(guī)范規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)n 國際海事組織IMO的IGC Code (International Code for the Construction and Equipment of Ships

4、 Carrying Liquefied Gas in Bulk)n 船級(jí)社規(guī)范，如DNV、ABS、LR、BV等船級(jí)社規(guī)范LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的基本要求與普通的鋼制海船相同，均需要滿足船級(jí)社基本結(jié)構(gòu)規(guī)范,例如:DNV船級(jí)社COMMON REQUIREMENTS Pt.3 Ch.1 ; LR 船級(jí)社 RULES AND REQULATIONS FOR THE CLASSIFICATION OF SHIPS Pt.3 ; ABS船級(jí)社 RULES FOR BUILDING AND CLASSING STEEL VESSELS Pt3.但是由于LNG船在航行、裝卸等方面有其特殊的要求，因此各個(gè)船級(jí)社又

5、有專門針對(duì)LNG船的單獨(dú)規(guī)范，例如:DNV船級(jí)社 TANKER FOR LIQUEFIED GAS Pt.5 Ch.5 ; LR 船級(jí)社 RULES FOR THE CARRIAGE OF LIQUEFIED GASES IN BULK ; ABS船級(jí)社 Pt.5C SPECIFIC VESSEL TYPES Ch.8 VESSELS INTENDED TO CARRY LIQUEFIED GASES IN BULK.n GTT RULES （NO.96和MARKIII型均需滿足）n 法規(guī)檢驗(yàn)，如SOLAS等n USCG的要求 (如果去美國營運(yùn))n SIGGTO （國際氣體船和岸站經(jīng)營者協(xié)會(huì)）

6、n ISO 8309-1991（Refrigerated light hydrocarbon fluid measurement of liquid levels in tanks containing liquefied gases）n ISO standard 13398 for LNG ship cargo tank level gauging systemsn Swedish Standard SS 780726 （Engine room ventilation on turbine vessels）三. No.96型LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：·貨艙全雙殼結(jié)構(gòu)（雙層底、雙殼、雙甲

7、板）；· GTT RULES對(duì)薄膜艙內(nèi)的形狀有著特殊的比例要求，而對(duì)雙層底高度和邊壓載艙的寬度要求則需要參考具體選擇船級(jí)社規(guī)范以及IGC CODE上的相關(guān)要求。·貨艙間設(shè)置雙層隔離艙壁；對(duì)于雙層隔離艙之間的距離GTT RULE 以及船級(jí)社規(guī)范均有最小的寬度要求，但是該區(qū)間設(shè)有貨艙的加熱系統(tǒng)因此實(shí)際選取的時(shí)候更多的是考慮設(shè)備布置方面的需要。·裝載液位要求特殊；考慮液貨晃動(dòng)對(duì)艙內(nèi)絕緣層的影響，GTT RULES 對(duì)容積在60,000155,000立方米以內(nèi)的LNG船貨艙的裝載液位高度有相應(yīng)的要求（據(jù)GTT要求，超過155,000立方米的薄膜型LNG船貨艙將進(jìn)行額外的貨

8、艙晃動(dòng)方面的計(jì)算。）·貨艙區(qū)溫度場(chǎng)分布特殊由于貨艙的貨物必須保持在-163的超低溫狀態(tài)，盡管采用了雙重屏蔽的隔溫絕緣措施，但位于液貨艙的船體結(jié)構(gòu)不可避免地受到長期低溫的影響。而且根據(jù)規(guī)范、規(guī)則要求，必須考慮主屏蔽破損情況后超低溫的液貨直接作用在次屏蔽上時(shí)，貨艙結(jié)構(gòu)不同部位受低溫貨物的影響程度，使得船體結(jié)構(gòu)不至于由于低溫貨物的影響而造成嚴(yán)重破壞，繼而產(chǎn)生液體的泄漏。對(duì)此不同規(guī)范有著相應(yīng)的要求：IGC: Air Temperature 5 and sea temperature 0,applicable for all hull structure in cargo area.USCG:

9、 Air temperature-18and sea temperature 0,applicable for inner hull and members connected to inner hull.USCG Alaska: Air temperature -29 and sea temperature -2,applicable for inner hull and members connected to inner hull.因此根據(jù)各船級(jí)社規(guī)范要求貨艙區(qū)的材質(zhì)選取在不同的區(qū)域也不相同，具體如下：材質(zhì)選?。海?）除雙層橫艙壁垂直桁高應(yīng)力區(qū)域外，不采用高強(qiáng)鋼；（2）內(nèi)殼根據(jù)溫度分布，

10、采用低溫鋼（B,D,E級(jí)）；（3）液穹、氣穹、泵塔位置采用不銹鋼。（4）外殼鋼級(jí)和常規(guī)油船一樣，不受貨艙低溫影響。除通道甲板外，都采用A級(jí)別板。（5）通道甲板應(yīng)貨艙內(nèi)殼疲勞需求，厚度大，需采用B級(jí)鋼。若厚度大于25，需采用D級(jí)鋼。（20萬 m3級(jí)別的達(dá)到D級(jí)）·貨艙內(nèi)殼全部鋪設(shè)兩層耐低溫保護(hù)絕緣層。薄膜：殷鋼 Invar 含鎳36，厚0.7mm，兩層相同絕緣：木箱1m x 1m, 兩層總厚度530mm, 木箱內(nèi)充填膨脹珍珠巖PerliteSecondary barrier(Invar)PrimaryinsulationSecondaryinsulationInner hull(ste

11、el)Perlite inplywood boxPerlite inplywood boxSecondary barrier(Invar)Primary barrierPrimary insulationPlywood box(perlite)Secondary barrier (invar)Secondary insulationPlywood box(perlite)Inner hull四、No.96薄膜型 LNG 船有關(guān)分析 n 主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析所有的LNG船在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)均需要滿足相應(yīng)船級(jí)社的規(guī)范要求（例如DNV規(guī)范的Pt3,Ch.1），同時(shí)對(duì)貨艙區(qū)的載荷又需要根據(jù)IGC CODE

12、和相應(yīng)船級(jí)社的液化氣船規(guī)范來確定(如Pt.5 Ch.5)n 疲勞分析疲勞是由動(dòng)載荷引起的，對(duì)于LNG船各種規(guī)范對(duì)于其疲勞壽命方面均有相關(guān)的要求，GTT對(duì)內(nèi)殼20年和40年疲勞壽命的均提出了要求，而目前進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)疲勞分析也作為重點(diǎn)項(xiàng)目來做，各個(gè)船級(jí)社均有大量的規(guī)范專門針對(duì)疲勞方面的分析，究其根本原因：1. LNG船船體破壞形式多為疲勞破壞。2. 破壞影響比較大，將會(huì)使水滲入到絕緣層中導(dǎo)致其發(fā)生腐蝕破壞。3. LNG船的維修花費(fèi)巨大，而且耗時(shí)很長。4. LNG船通常設(shè)計(jì)年限比較長，為保障船只常年運(yùn)行不用進(jìn)塢維修，因此對(duì)疲勞設(shè)計(jì)格外重視。疲勞分析的方法：疲勞分析的流程：具體參考的傳結(jié)社規(guī)范如DNV：

13、NO.30.7 FATIGUE ASSESSMENT OF SHIP STRUCTURE; NO.34.2 PLUS-EXTENDED FATIGUE ANALYSIS OF SHIP DETAILS; NO34.1 CSA DIRECT ANALYSIS OF SHIP STRUCTURE等。n 波浪載荷作用下全船有限元分析此項(xiàng)分析的目的是計(jì)算出沿船長方向上總縱載荷的分布狀況以及計(jì)算貨艙區(qū)的極限加速度，通常進(jìn)行兩種波浪載荷的分析ULS(Ultimate Limit State)分析；計(jì)算出船體梁載荷、貨艙區(qū)的加速度、惡劣環(huán)境下局部的海水壓力和加速度。FLS(Fatigue Limit Sta

14、te)分析：計(jì)算出疲勞分析用的動(dòng)載荷。在進(jìn)行FLS分析時(shí)通常采用線性波浪載荷進(jìn)行分析，而在進(jìn)行ULS分析時(shí)則需要將線性和非線性相結(jié)合。常用的三維非線性計(jì)算軟件如WAMIX等具體內(nèi)容可以參見各船級(jí)社的專屬內(nèi)容，例如DNV船級(jí)社的NO.34.1 CSA-DIRECT ANALYSIS OF SHIP STRUCTURES.n 首部外飄沖擊及底部抨擊引起的彎矩及剪力計(jì)算該部分內(nèi)容可以參考各船級(jí)社結(jié)構(gòu)規(guī)范中的相關(guān)要求，例如；1. DNV：Pt.3.Ch.1.Sec.6,2. ABS: Pt.5C Ch.5 Sec3.113. LR: Pt.3 Ch.5 Sec1.1.6等n 液艙晃蕩力分析 晃動(dòng)載荷是由于液貨艙部分裝載時(shí)液貨自由液面劇烈拍擊貨艙內(nèi)表面引起的，晃動(dòng)載荷的大小與貨艙的形狀、裝載高度、以及航行狀態(tài)下船舶的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。對(duì)于晃動(dòng)載荷的分析各船級(jí)社均有相關(guān)的專業(yè)軟件，例如 DNV: SESAM-HydroD LR: ShipRightSloshing BV: Fluid-3D等。 同時(shí)GTT對(duì)于所有NO.96型LNG船的貨艙區(qū)還將進(jìn)行晃動(dòng)載荷的模型試驗(yàn)。對(duì)于液艙晃動(dòng)基本的分析流程可以參考下圖：五 小結(jié)從前面的研究?jī)?nèi)容可以看出，LNG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通船舶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要