LNG船結構設計規(guī)范規(guī)則研究

1、LNG船結構設計的規(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世紀天然氣的產(chǎn)量和消費量，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，天然氣市場的前景更為樂觀。隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對能源的需求越來越大，改善能源結構，保護環(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、廉價的能源，已成為我國21世紀初開發(fā)利用的重點目標，天然氣的開發(fā)利用，離不

2、開船舶運輸。隨著我國進口天然氣的迅速發(fā)展，不僅為我國航運業(yè)發(fā)展帶來了商機，而且，也為我國造船工業(yè)提供了極為難得的歷史機遇。本文希望通過對LNG船結構設計需滿足的規(guī)范規(guī)則研究，進一步提高我們對LNG船結構的開發(fā)設計的能力，以達到自主完成LNG船結構設計的水平。一 LNG船簡介LNG船是一種國際上公認的高技術、高附加值、高可靠性的復雜船型，主要用于海上運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，這類船舶目前的標準載貨量在1215萬立方米之間。LNG船幾類貨艙維護系統(tǒng)特點的分類比較：目前，全球營運中的大約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海運中占有較大優(yōu)勢，而且具有貨物裝載限制較少等使用操作上的優(yōu)點，目前處于優(yōu)勢地位，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。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No.96薄膜型貨艙維護系統(tǒng)的LNG船進行研究。二NO.96型LNG船結構設計需要滿足的規(guī)范規(guī)則和標準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 船級社規(guī)范，如DNV、ABS、LR、BV等船級社規(guī)范LNG船結構設計方面的基本要求與普通的鋼制海船相同，均需要滿足船級社基本結構規(guī)范,例如:DNV船級社COMMON REQUIREMENTS Pt.3 Ch.1 ; LR 船級社 RULES AND REQULATIONS FOR THE CLASSIFICATION OF SHIPS Pt.3 ; ABS船級社 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，因此各個船級社又

5、有專門針對LNG船的單獨規(guī)范，例如:DNV船級社 TANKER FOR LIQUEFIED GAS Pt.5 Ch.5 ; LR 船級社 RULES FOR THE CARRIAGE OF LIQUEFIED GASES IN BULK ; ABS船級社 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，如SOLAS等n USCG的要求 (如果去美國營運)n SIGGTO （國際氣體船和岸站經(jīng)營者協(xié)會）

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船結構設計特點：·貨艙全雙殼結構（雙層底、雙殼、雙甲

7、板）；· GTT RULES對薄膜艙內(nèi)的形狀有著特殊的比例要求，而對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社規(guī)范以及IGC CODE上的相關要求。·貨艙間設置雙層隔離艙壁；對于雙層隔離艙之間的距離GTT RULE 以及船級社規(guī)范均有最小的寬度要求，但是該區(qū)間設有貨艙的加熱系統(tǒng)因此實際選取的時候更多的是考慮設備布置方面的需要。·裝載液位要求特殊；考慮液貨晃動對艙內(nèi)絕緣層的影響，GTT RULES 對容積在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船貨艙將進行額外的貨

8、艙晃動方面的計算。）·貨艙區(qū)溫度場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構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，貨艙結構不同部位受低溫貨物的影響程度，使得船體結構不至于由于低溫貨物的影響而造成嚴重破壞，繼而產(chǎn)生液體的泄漏。對此不同規(guī)范有著相應的要求：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力區(qū)域外，不采用高強鋼；（2）內(nèi)殼根據(jù)溫度分布，

10、采用低溫鋼（B,D,E級）；（3）液穹、氣穹、泵塔位置采用不銹鋼。（4）外殼鋼級和常規(guī)油船一樣，不受貨艙低溫影響。除通道甲板外，都采用A級別板。（5）通道甲板應貨艙內(nèi)殼疲勞需求，厚度大，需采用B級鋼。若厚度大于25，需采用D級鋼。（20萬 m3級別的達到D級）·貨艙內(nèi)殼全部鋪設兩層耐低溫保護絕緣層。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 船有關分析 n 主船體結構強度分析所有的LNG船在進行結構設計時均需要滿足相應船級社的規(guī)范要求（例如DNV規(guī)范的Pt3,Ch.1），同時對貨艙區(qū)的載荷又需要根據(jù)IGC CODE

12、和相應船級社的液化氣船規(guī)范來確定(如Pt.5 Ch.5)n 疲勞分析疲勞是由動載荷引起的，對于LNG船各種規(guī)范對于其疲勞壽命方面均有相關的要求，GTT對內(nèi)殼20年和40年疲勞壽命的均提出了要求，而目前進行設計時疲勞分析也作為重點項目來做，各個船級社均有大量的規(guī)范專門針對疲勞方面的分析，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，將會使水滲入到絕緣層中導致其發(fā)生腐蝕破壞。3. LNG船的維修花費巨大，而且耗時很長。4. LNG船通常設計年限比較長，為保障船只常年運行不用進塢維修，因此對疲勞設計格外重視。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分析的目的是計算出沿船長方向上總縱載荷的分布狀況以及計算貨艙區(qū)的極限加速度，通常進行兩種波浪載荷的分析ULS(Ultimate Limit State)分析；計算出船體梁載荷、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：計算出疲勞分析用的動載荷。在進行FLS分析時通常采用線性波浪載荷進行分析，而在進行ULS分析時則需要將線性和非線性相結合。常用的三維非線性計算軟件如WAMIX等具體內(nèi)容可以參見各船級社的專屬內(nèi)容，例如DNV船級社的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算該部分內(nèi)容可以參考各船級社結構規(guī)范中的相關要求，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 晃動載荷是由于液貨艙部分裝載時液貨自由液面劇烈拍擊貨艙內(nèi)表面引起的，晃動載荷的大小與貨艙的形狀、裝載高度、以及航行狀態(tài)下船舶的運動有關。對于晃動載荷的分析各船級社均有相關的專業(yè)軟件，例如 DNV: SESAM-HydroD LR: ShipRightSloshing BV: Fluid-3D等。 同時GTT對于所有NO.96型LNG船的貨艙區(qū)還將進行晃動載荷的模型試驗。對于液艙晃動基本的分析流程可以參考下圖：五 小結從前面的研究內(nèi)容可以看出，LNG結構設計與普通船舶產(chǎn)品結構設計所需要