小型液化气船结构设计.doc
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1、小型液化气船结构设计研究 摘 要 本文通过分析讨论IGC及船级社对液气船的设计要求,以22000M3 C型双耳罐液化气船为载体,从五个主要方面讨论该船的结构设计,为同类船型提供参考。关键词 液化气船 C型罐 温度场 简化 参考1 前言 小型液化气船一般指载货量在40000 M3以下的气体船,根据运输货物品种的不同分为LNG船、LPG船、LEG/LPG多用途船等。其中LNG船以运输货物沸点温度为-163的液化天然气(LNG)为主,LPG船以运输货物沸点温度为-54的液化石油气(LPG)为主,LEG/LPG多用途船所运输货物除了LPG外,还可以运输乙烯、氨水、氯乙烯单体、烷烯类氯化物或氧化物等化工
2、用品,沸点温度最低可达-104。对于这三类船型除了沸点温度,及设计压力等不同外,在结构设计方面十分相似,因此可以通过研究某一种船型的结构设计来类推其他船型。 液气船由于载运货物的特殊性,除满足国际海事组织(简称IMO)的“国际散装运输液化气体船舶建造与设备规则”(简称IGC)的规定,还需满足船级社对强度,安全,布置等方面的要求。 本文以公司研发的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,可引申到所有小型液化气船的结构设计,为未来我公司在该类船型的设计上做好技术储备。2 主船体及C型独立液货舱布置2.1 IGC的布置要求2.1.1 根据IGC规定本船属于C型独
3、立液货舱2G型船舶, IGC对于此类型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, d = 0.8 + Vc/25,000 m;2),垂向保护要求:d=min(B/15,2)m;3),其他位置保护:d不小于0.76m;(其中Vc为单个液货船舱容积,为左右舱之和,d为外板的理论线到罐体的理论线的距离)。2.1.2 IGC对此类型液货舱的检验通道也有明确的要求,有以下要求: 1),检修通道处,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至 少为380mm如甲板横梁、扶强材、肋骨、桁材; 2),当验船师不要求在结构件及绝缘表面通过,仅
4、通过目视检查时,结构件的自由边缘与所检查的表面之间距离至少为50mm,或者为构件面板的半宽,取大者2.2 货舱布置如上述要求, 22000M3的LEG/LPG沿船长布置了四个C型双耳罐液货舱,其中一号液货舱由于受船体线型的限制,设置为锥形双耳罐。二号液货舱在考虑了横舱壁扶强材的尺寸及建造误差后,沿船长方向,C型罐绝缘表面距离水密横舱壁构件面为1130mm,距离非构件面为430mm(见图1)。图1沿横向距离外板的距离,及垂向距离甲板及内底板的距离跟纵向类似,都需满足IGC的要求,一般情况下,绝缘表面距离外板的距离容易受到型宽的限制,此时可以通过调节C型罐两圆心的间距解决。甲板下构件到绝缘的距离,
5、通常可以通过加大梁拱的高度解决通道问题,此处不再详述。总的来说检验通道的要求对结构设计影响较大,应该在方案设计时充分考虑,避免设计后期的改动。2.4 强框架确定当每个舱的长度确定后,再从结构强度的角度考虑要尽量等分强框架的间距;但从与C型罐的连接上讲要布置在C型罐平行中体部分,每个C型罐对应两个基座,靠船尾侧为固定基座,靠船首侧为滑动基座。当液罐装满货物后,它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,两个支座中间的最大弯矩和支座截面处弯矩绝对值相等,另外考虑到封头其抗弯能力强于筒体的抗弯能力,故越靠近封头,对基座处筒体截面的加强作用越有
6、效,所以基座一般设置尽量靠近平行中体的端部。 此外当船舶横倾30时,对C型罐必须有合理的支撑,基座处的高应力值,一般将基座的包角角度加大,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,在基座档的前后肋位处,同样需要设置强档,一方面保证此处的强度和刚度,另一方面增加此处温度场的传递通道。3 主船体结构强度计算 3.1设计弯矩剪力确定 针对该类液气船,船级社没有强制规定最小弯矩剪力值,只要求了最小的剖面模数和最小惯性矩,故包络值一般取决于装载手册。该船在设计时发现,实船装载中拱弯矩值较大, 根据设计经验,在中垂弯矩选取时,有取中拱数值的1/2 ,1/3,或1/10等不同取法。法国船级社B
7、V就该问题认为,虽然液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,对此类船的要求会逐渐加强,未来规范在此处的定义会提高,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相差太大;同时从船体梁的结构强度计算结果上看,提高一定的中垂值并不会带来构件的增加;从使用的角度来说,也增加了装卸的便利性,因此该船最终选择了加大中垂值到1/2中拱值。对于设计剪力,规范也没有要求最小值,实际装载中,隔舱装载的也情况不多,即使隔舱装载,由于货物密度较小,船体梁承受的剪力也不大,所以根据实际装载情况设计即可。3.2 规范计算 在确定结构布置及设计弯
8、矩剪力等输入条件后,展开规范强度校核。以三号舱中间位置处横剖面为例,利用BV规范软件MARS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、规范要求的屈曲强度都容易满足。从计算结果来看,大多数结构尺寸由局部强度决定,只有甲板板及纵骨由船体梁中拱强度决定,特别是底部压载舱周界结构尺寸对于船体梁富裕较大。在设计初始阶段,总体将上下压载舱联通为一体,这就造成内底板,外底板等底部压载舱周界的水压头很大,液舱的动压力也比较大,验算表明,如果改为上下压载舱不连通,则液舱的动压力可减少30%;经过对比不同装载工况,压载舱修改对船舶稳性也无影响,综合考虑,最后将上下压载舱设置为不
9、连通,从而明显的节省了结构重量。对于横向构件尺寸,除横舱壁由破损工况的压头决定外,其他部位一般由最小厚度决定。3.3 有限元计算对于C型舱的液气船,不同船级社的规定略有差异,本船以BV的规定为例计算。根据 BV Guidelines for structural analysis of LPG carriers type A with prismatic independent tanks(2012 V3)的要求利用Veristar计算软件分析。根据要求,该类船型一般至少对两个结构形式不同的舱段进行分析,作为研究,本船选取三号舱作为目标进行粗网格分析。在建立模型时需要注意,对于固定基座需采用S
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