（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）lng船结构特性与疲劳分析.pdf

摘要 l n g 是英文l i q u e f i e dn a t u r eg a s 即液化天然气的缩写。l n g 船是进行国际间天然 气贸易最重要的运输工具，是国际上公认的高技术、高附加值船舶，被喻为造船皇冠上 的“明珠”。l n g 船集所有技术难题和特殊工艺于一体，除了具有先进船舶所有的优点外， 还必须对液化天然气进行安全、高效、稳定的运输。目前中国虽然已经建造了第一条 l n g 船，但是由于涉及到关键技术方面都是依靠进口外国专利，所以在设计和建造l n g 船方面中国仍存在很多难点有待分析解决。因此，此时对该领域进行研究具有很强的现 实意义。 目前关于l n g 船的关键技术主要被欧洲所垄断，所以国内对l n g 船结构方面的研究 开发相对较少，而且主要依据普通油船的规范和标准。但由于l n g 船与油船结构上的差 异，使其在强度方面有所不同。 在本文中以l n g 船的现状为基础。详缨分析了中国设计建造l n g 船所面临的难点闯 题。深入探讨了a b s 关于薄膜型天然气船的规范，并以一条实船为例，分别应用该规范 和j t p 规范对其进行疲劳强度分析，将结果进行比较，分析异同点。 首先，对l n g 船的现状及研究价值进行分析论述。 其次详细分析了中国l n g 船的技术特点和关键技术提出拟解决方案。 再次，本文针对美国船级社于2 0 0 2 年提出的薄膜型l n g 船规范进行了详细分析。 最后，针对关键技术和解决的方法，依话a b s 关于l n g 船的规范以一条l n g 实船 进行结构分析。 为了体现l n g 船规范与普通油船规范的不同，依据f r p 规范对同一艘实船进行结 构分析，并将两种规范结果进行比较。 关键词：关键技术；薄膜型天然气船规范；j t p 规范；有限元分析；疲劳 s t u d yo np r o t e c t i n gt e c h n i q u e f o r t h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n n cs t r a yc u r r e n tc o r r o s i o nh a sp u z z l e ds h i p b u i l d i n gi n d u s t r yf o ral o n gt i m eo v e rt h e w o r l d t h e r e f o r e ，t os t u d yc a o s e so ft h es 缸a yc u r r e n tc o r r o s i o n , p u tf o r w a r das o l v i n gs o l u t i o n a n da v o i du n n e c e s s a r yl o s s e s ，h a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p h c a f i o nv a l u e 4 6 0 0 0 d w tv e s s e l si nd a l i n ns h i py a r ds u f f e r e ds t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n b a s e do i lt h i s e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em e c h a n i s mo fs t r a yc u r r e n tc o r r o s i o na n d e l e c t r o s t a t i c 丘e l dt h e o r e t i c a l l y , a n df i n d so u tt h ec a u s e so ft h ec o r r o s i o nb yo n - s i t e o b s e r v a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h i c ha r ec u r r e n tl e a ka n dp o t e n t i a lg r a d i e n t a c c o r d i n g t ot h ec a u s w ep r o p o s em e t h o d sb yi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fs a c r i f i c i a la n o d e sa n du s i n g m e t a lf i e l dp l a t er e s p e c t i v e l yt op r o t e c tv e s s e l sa n do f f s b o r es t r u c t u r e sf z o ms t r a yc u r r e n t c o r r o s i o n s a c r i f i c i a la n o d ec a t h o d i cp r o t e c t i o nh a sb e e na p 叫c dw i d e l yi ne n g i n e e r i n g ，s o t h i st h e s i sd o e s n ts t u d yi ta n ym o r e b yu s i n gt h em o d e lt e s ta n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ( b e m ) 。w ev e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h es o l u t i o nw i t ham e t a lf i e l dp l a t e f i r s t , w ed e s i g na n dm a k et h ee q u i p m e n ta n de s t a b l i s he l e c t r i c 丘e l di nt h el a b o r a t o r y , w h i c hi sc a u s e sb yt h es t r a yc u r r e n ta n dh a v ep o t e n t i a lg r a d i e n t , a n dt h e no b s e r v et h e p o t e n t i a lc h a n g e sb e f o r ea n da f t e ru s i n gt h em e t a lp l a t e b yc h a n g i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ， g e o m e t r i cs i z e , g r o u n d i n gm o d eo ft h em e t a lp l a t e ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em e t a lp l a t e a n dp o s i t i v ee l e c t r o d e , w ec o n d u c ts e v e r a lg r o u p so ft e s t si nt h el a b o r a t o r yr e s p e c t i v e l y s e c o n d , w em o d e lt h ee l e c t r i cf i e l d , w h i c hc o i n c i d ee s s e n t i a l l yw i t ht h ea b o v et e s t sb yu s i n g b e m ，v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o du s i n gm e t a ls h i e l dp l a t et oe l i m i n a t et h ep o t e n t i a l g r a d i e n t , a n dq u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n t h er e s u l t so ft h em o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o wt h a t , u s i n gm e t a ls h i e l d p l a t ec a ne l i m i n a t et h ep o t e n t i a lg r a d i e n ta n dp r o t e c tv e s s e l sf r o ms u f f e r i n gs t r a yc u r r e n t c o r r o s i o n a n dt h i st h e s i sa l s om a k e sc l e a rt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es t r a yc u r r e n t c o r r o s i o n , a n dp r o p o s e st h es c h e m e t oa v o i d s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o nf i n a l l y k e yw o r d s ：s t r a yc u r r e n t ；c o r r o s i o n ： m e t a ls h i e l d ： m o d e lt c 吼：n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n - i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人雀导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日期：芝12 ：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： l 年旦月型日 引言 l n g ( l i q u e f i e dn a t u r eg a s 即液化天然气) 船是国际上公认的高技术、高附加值船 舶，被喻为造船皇冠上的“明珠”。目前，只有美国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家 具有建造这种船舶的能力。l n g 船单船价格约在1 5 亿美元左右，随着包括中国在内的 世界各国对生活用清洁能源需求的快速增加，l n g 船的市场前景十分看好。 巨大的需求导致i n g 船舶的订单增加。根据“l n g 世界航运2 0 0 5 秋季版”f 见图 1 ，1 ) 提供的数据，从2 0 0 5 年到2 0 0 9 年的五年中，全球l n g 新船订单为1 3 6 条，其中 9 8 条在韩国的大宇、现代和三星建造，占到了总数的7 2 ；3 1 条在日本的日立和三井 建造，占到了总数的2 3 ；其余的7 条为西班牙的i z a r 、法国的大西洋船厂和中国沪 东船厂建造，所占比例很少，可见u 旧船市场几乎被日韩所垄断。 虽然，l n g 船的主要建造市场倾向日、韩，但此类船舶的开发技术基本上一直被 欧洲所垄断。拥有l n g 船设计和建造中所必须的多项专利技术权。 中国对i n g 船的研究起步稍晚，虽着市场发展的需求增加，近年中国逐步加大了 对l n g 船开发的投入，一直努力争取建造属于中国自己的l n g 船队。2 0 0 1 年沪东造 船集团已经承接建造了中国第一艘l n g 船，并已下水交船，但这并不意味着我具备了 建造l n g 船的能力已经达到世界先进水平。因为l n g 船重点部分的设计和建造我国仍 需引进国外专利技术。所以此时开展对d g 船结构特性的研究，具有重大的理论和现 实意义 1 7 4 说。9 80 4 1 0 图1 1l n g 船定单情况 f i g 1 1 o o m a c to fl n gc a i i i h l n g 船结构特性与疲劳分析 本文的主要研究工作 l 对i - , n g 船的经济性及现状进行分析： 2 根据l n g 船的特点，分析l n g 船结构设计和建造的关键技术并尝试提出拟解决方案； 3 重点对a b s 关于薄膜型l n g 船规范进行分析研究； 3 依据a b s 薄膜型l n g 船规范对1 3 8 ，0 0 0 m 3l n g 实船进行结构疲劳特性分析； 4 依据j t p 规范对1 3 8 , 0 0 0 m 3l n g 实船进行结构疲劳特性分析： 5 分析比较两种规范在l n g 结构分析的异同点； 大连理工大学硕士学位论文 1l n g 船现状及研究价值 1 1 天然气能源 天然气是清洁、方便、高效的优质能源，液化天然气( l n g ) 是由天然气经精练后 液化得到的。天然气己广泛地被世界各国应用于发电、钢铁冶炼和城市燃气等领域。世 界天然气的储藏量非常丰富，初步探明已达1 5 1 8 8 万亿一以上。按现在的年产量水平， 可供开发二、三百年。2 0 世纪8 0 年代初以来，世界液化天然气( l n g ) 贸易量年平均 增长速度达到1 5 ，2 0 0 0 年世界l n g 进口量增长到1 3 7 0 亿m ，约合每天2 5 0 万吨石 油当量。2 1 世纪天然气的产量和消费量，将要超过煤炭和石油而跃居世界能源的首位。 但目前开发利用的产量较低，只有2 2 万亿m 3 ，约为石油年产量的6 0 ，所以从全球 看，天然气市场的前景更为乐观i l 】。 1 2 世界l n g 船队概况 在1 9 5 9 年美国用旧船改装出世界第一艘l n g 船之后，英国于1 9 6 4 年率先制造出 l n g 船，法国、瑞典、意大利、西班牙、挪威紧随其后：7 0 年代中期西德、美国和比 利时也造出l n g 船。日本到1 9 8 1 年才建造出第一艘l n g 船( 世界第加艘) 。韩国建 造出第一艘l n g 船是9 0 年代中期( 1 9 9 4 年) 的事。至今建造过l n g 船的国家有1 1 个。 可以认为，在6 0 7 0 年代，l n g 船的开发设计建造和运营完全被欧美发达国家所垄 断：进入8 0 年代后，随着日本在引进欧美技术基础上为本国船东大量建造l n g 船，才 形成欧、美、日三方并存的局面，随着时间的推移，美国逐渐退出了l n g 船的建造，逐 渐演变为欧、日双方争斗的态势。进入9 0 年代，随着韩国船厂大规模进入l n g 船市场， 欧洲船厂逐渐被挤出市场，转为日、韩两方竞争的格局。进入2 1 世纪，韩国在竞争中 领先，夺取了大部分订单，日本退居第二，而欧洲船厂只从欧洲船东那里取得少量订单。 当然，上述n 婚船的转移仅指建造而言，此类船的开发设计基本上一直被欧洲所 垄断。应当指出，导致l n g 船建造中心转移的基本因素是价格竞争力，那些建造成本 低，生产效率高，建造能力大的船厂，在市场竞争中取得主动，占据优势1 2 。 对l n g 消费需求的快速增长，以及海上运输i n g 成本的明显降低，使得近年来 l n g 船队发展相当迅速1 9 9 9 2 0 0 3 年世界l n g 船保有量年均增长速度高达8 ，7 。 预计未来十年世界l n g 海运量将以年平均7 8 的速度增长，而l n g 船船队将以年 均7 5 的速度增长。 2 0 0 4 年l n g 新船订单达到创纪录的6 0 艘据分析，2 0 0 6 2 0 1 0 年五年间世界u 略 新船需求量将为6 1 6 万载重吨，2 0 1 1 2 0 1 5 年五年间将达到9 7 3 万载重吨，2 0 1 6 2 0 2 , 0 年五年间将进一步达到1 2 4 6 万载重吨。 根据日本统计，截止到2 0 0 2 年6 月底，今年世界造船市场上已正式签约的大型l n g 船共6 4 艘。已签订单的主要造船厂为韩、日及欧洲船厂。韩国造船企业获得了3 7 艘确 认订单，其中，大宇造船海洋2 1 艘( - - t - 持订单数位居世界第一) ：三星重工7 艘。日本 造船企业获得了2 1 艘确认订单，其中，三菱重工l o 艘；三井造船5 艘：川崎重工6 艘。 欧洲获得6 艘：西班牙伊萨造船5 艘；法国大西洋造船厂1 艘。就删g 船的液压罐型式 而言，m o s s 型式2 0 艘，g t t 型式4 4 艘。此外，商务洽淡已基本定局的l n g 船约有1 0 艘，其中。卡塔尔的拉斯拉方项目所需6 艘1 3 8 万立方米l n g 船在韩国三星建造，比 利时爱克斯玛公司与日本三家公司联合向三星重工订造一艘选择权船；a p 莫勒向三星 重工订造一艘选择权船等。目前，正在积极进行洽谈的项目还有马来西亚国际航运公司 的2 + 2 艘l n g 船【3 j 据调查报告显示，现代重工业、大宇造船海洋、三星重工业等韩国三大造船公司在 由卡塔尔国营石油公司与埃克森美哥联合的1 2 艘l n g 船舶制造订单项目中，总金额达 2 9 亿美元。此批l n g 船容量达2 1 万立方米，其中大宇造船海洋获5 艘，三星重工业和 现代重工业分别为4 艘和3 艘；l n g 船造价三星重工业最高平均每艘2 亿5 0 0 0 万美元， 大宇造船海洋为2 亿4 0 0 0 万美元，现代重工业为2 亿3 4 0 0 万美元。2 0 0 5 年1 0 月份由 卡塔尔石油公司与埃克森美孚石曲公司组建的l n g 专业运输企业q g t c 要正式招标订购 2 5 万立方米级l n c 船5 - 6 艘，每艘造价估计将达3 亿美元【4 】。 1 3 我国l n g 船现状 虽然中国的大型船厂拥有通用的造船设备和设施，具有设计和建造大型油轮和海洋 工程的经验，但是由于l n g 的设计、建造、管理、材料和设备配套大多为专有技术， 因此我们还不能独立承接一条l n g 船的设计和建造全过程，必须使用专利技术，购买 专用设备和设施，培训专9 a 员，联合另外一家有成功建造l n g 的船厂才能完成项目 的设计和建造，在人力、物力和财力上的难度非常之大阁。 但是我国船在船体质量和价格方面具有无与伦比的优势，我国主要船厂拥有能够进 行钢材预处理、数控切割和水下等离子切割的钢材处理中心具有高自动化程度的平面 分段制作流水线及船体合拢、船舶舾装、船舶涂装等多条生产线的集配、机装、电装、 甲装、居装等完整的配套齐全的、具有国际先进水平的造船基础设施。 另外配合国家“国轮国造”的本地化要求，这对国内船厂来说是一个进入心晒市 场的最佳机遇，并可以通过建造l n g 船舶，必将带动中国船舶企业建造能力迸一步提 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 高。同时，也为中国航运业和造船业开始步入l n g 领域，为中国后续l n g 项目大规模 开发，提高中国船厂参与国际l n g 项目竞争能力莫定坚实的基础嘲。 中国目前是世界第3 大造船国，并一直致力于积极开展l n g 船的技术准备。 上海沪东中华造船集团，已经完成了i , n g 船模拟舱b 的制作，并于2 0 0 1 年 7 月2 5 日完成，得到g ，r r 公司和l r 、b v 、a b s 、d n v 等船级社的认可和高度 评价。在广东l n g 项目目标船招标中，一举成为第l 中标人，承担建造中国第1 艘l n g 船的重任。目前计划建造2 艘运输能力为1 4 5 万m ? 的g t i n o 9 6 型l n g 船舶。 上海江南造船( 集团) 有限责任公司和上海外高桥造船有限公司联合体，已经建造 过2 2 ，0 0 0 m 3 以下各种规格的液化石油气船，积累了丰富的经验。 大连造船重工( 集团) 有限责任公司可以建造3 0 万d w t 原油船，5 6 1 8 t e u 集 装箱船，积累了丰富的经验。 2 0 0 4 年8 月1 1 日，由沪东中华造船( 集团) 有限公司与中远集团、招商局集团、 广东粤电集团超康投资有限公司、深圳航运总公司、澳大利亚天然气有限公司和美国能 源运输集团等6 家中外企业组成的广东液化气运输项目船舶投资方，在北京人民大会堂 正式签定了2 + 1 艘世界级液化天然气( l n g ) 船的建造合同，这是我国设在广东深圳大 鹏湾称头角的国内第一个进口工n g 大型基地的配套项目。 该项目中标船船长2 9 2 0 0 米，船宽4 3 3 5 米，型深2 6 2 5 米，航速1 9 5 0 节，装载 量为1 4 7 万立方米，造价高达1 6 亿美元，几乎等同于5 艘普通巴拿马型散货船的总造 价，相当于一艘2 6 万吨级油轮2 倍，而其钢材消耗量仅相当于1 艘7 万吨级的散货船， 附加值极高。 1 4 本章小节 中国造船企业首次获得的l n g 船的建造合同，创造了中国造船业的一项记录，标 志着中国造船业已经初步开始进入了高技术船舶的建造领域，但是以后的道路并不是一 帆风顺的，我国必须要在短时间内掌握l n g 船的关键技术，在能真正走进世界i , , n g 船 建造行业 - 5 些燮塑丝量壅堑堑 一一一 2l n g 船关键技术研究 l n g 船代表世界货轮制造顶尖技术，建造工艺和质量控制要求高，必须建立全新 造船概念。 2 1u 叮g 船简介 大型u 4 g 船的吃水在1 1 米左右，水面以上的高度大约1 5 米，这样就使人能够看 见更多的船长和高度，因此i n g 船看起来比一些v 】l c c 还大。u q g 船属航速较快的船 舶，其适宜的应运航速在2 0 节，比一般的油轮快5 节左右。 l n o 船根据液货舱形式的不同大致可以分为薄膜型和球罐型两种，如图2 1 、2 2 所示。 由于液货舱形式的差异也导致薄膜型和球罐型l n o 船其他性能上也各有不同，见 表2 1 圈2 1 薄膜型和球罐型l n g 船 f i g 2 1 l n g o _ r r i 盯 图2 2 薄膜型和球罐型1 _ 1 0 船液货舱形式 f 嘻2 2l n g 蛐 一6 大连理工大学硕士学位论文 2 2l n g 船特殊性 2 2 1 船舶主要特点 薄膜型液舱货物围护系统 l n g 船舶有别于常规船液体船的一个主要技术难点，就是如何使l _ n g 货物在1 6 3 的极低温度下被安全装运，并且避免低温对船体钢结构造成脆性破坏。为实现这一目 的，世界上不同的船厂或设计公司分别开发出不同类型的货物围护系统( c a r g o c o n t a i n m e n ts y s t e m ，简称c c s ) ，并且用于实船建造。 ( 1 ) g r rn 0 9 6 型薄膜液舱的基本结构型式 该系统主要由以下部件和结构型式组成 树脂绳( m a s t i cr o p e 或称r e s i nr o p e ) 该部件的主要作用是补偿内壳板的不平整，保证第二层绝缘木箱安装后，木 箱上表面处于同一平面内。使铺设于木箱表面的薄膜得到支持，并且仅受到 薄膜平面内的应力作用，避免受到附加的剪力和弯矩。同时，该材料还应具 有足够的强度，以承受通过薄膜和绝缘木箱传递的货物载荷。 木箱四角调平垫块( w e d g e ) 该垫块由多层板制成，安装于第二层木箱四角固定螺栓的基座处。其作用是 调节木箱四个底角的高度，使整个货舱长宽，高度内木箱的顶面在一个比较 光顺的曲面内。 绝缘木箱( i n s u l a t i o nb o x ) 绝缘木箱分为第一层和第二层绝缘木箱，平面部分绝缘木箱的尺寸为：第一 层木箱：1 2 0 0 1 0 0 0 x 2 3 0 m m ；第二层木箱：1 1 4 0 1 0 0 0 3 0 0 n n n 。绝缘 木箱的面板、附件及内部加强结构由特制的多层板( p l y w o o d ) 拼成，用于 木箱制作的多层板的材料性能需符合g t r 制定的标准的要求。 由于在以前型式的g t 型薄膜液舱上，曾发生因货物晃动载荷引起舱顶部 分的绝缘木箱破裂，因此，g t t 公司采用了一些改进方法，其中之一就是 将舱高3 0 以上高度的顶部绝缘木箱的强度加强，即制成所谓重箱( h e a v y b o x ) 。自采取此项措施后，舱顶木箱未再因液货晃动发生破坏。 木箱紧固装置 主、次层绝缘木箱都是通过紧固装置与主船体结构作相对固定的 液舱薄膜( m e m b r a n e ) 液舱的薄膜是该系统中最重要的部分，它构成了装载低温液货的完整限界 l n g 船结构特性与疲劳分析 面，并与绝缘一起，共同保证船体结构不受低温侵害而产生脆性破坏 ( 2 ) 舱室布置 以o tn o 9 6 型液舱为例，一般液化天然气运输船均布置有4 5 个货舱。货舱区域 的前部、后部以及各货舱之间布置有隔离空舱。中部的第2 3 个货舱长度较长，首尾 两个货舱较短阳。 ( 3 ) 液货舱结构形式 薄膜型液化天然气运输船的液货舱结构形式为完整的双壳结构，即具有双舷侧、 双层底、双层甲板和双层横舱壁结构。向上凸起的凸形甲板可减少自由液面效应： 内壳与内甲板内底板的两面角呈1 3 5 。，以减少液货的晃荡效应。 由于货舱长度较长，底部结构跨距较大，因此增加双层底的高度以增加其结构强 度，并且万一搁浅或触礁时，可使货舱遭受破损的危险性大大减小 ( 4 ) 船体结构材料 由于液化天然气运输船装载极低温度的液货，而货物围护系统的主、次屏壁系统 尚不能完全屏壁低温的影响，因此设计时，应对船体结构的材料等级的选择有着相 应的低温韧性要求。 通常，应按照 i g c 规则或其他技术标准( 如u s c o ) 所规定的大气、海水的 环境温度和主、次屏壁工作假设分析条件进行热传导分析，得出船体结构各处的温 度场分布，进而根据温度值选择材料所用的钢级。 一般地船体结构所处的环境温度基本在- 3 0 c 以上，可采用e 级钢。但在货舱之 间横隔舱( c o f f e r d a m ) 的舱壁处，计算所得的温度为5 0 c 以下，因此一般采用在横 隔舱内安装加热装置的方式，使其温度达到+ 5 以上( 这一方式为i g c 规则所 允许) ，故可选用a 级钢。另外，管子穿越围护系统处，薄膜与船体结构连接的锚 板处、货舱顶部气室( d o m e ) 以及泵塔( p u m pt o w e r ) 支撑处的船体结构温度较低。 应采用特殊的耐低温钢材制造删。 2 2 2 结构特性 ( 1 ) 薄膜型液化天然气运输船液货舱区域的各甲板骨架、船底骨架和内底骨架应为 纵骨架式，舷侧和内壳也应为纵骨架式。货舱区域以外的船体结构可为横骨架式或纵骨 架式。纵骨架式与横骨架式之间应有良好的过渡。 ( 2 ) 薄膜型液化天然气运输船的内甲板、上甲板、凸形甲板以及内部相互连接的纵 向桁材和横向肋板构成双层甲板箱式骨架。 ( 3 ) 液货舱由双层底、双壳、隔离空舱和双层箱式甲板围成，双层底、双壳内和双 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 层箱式甲板内不允许装载液货和燃油唧。 ( 4 ) 薄膜型液化天然气运输船的典型中横剖面和构件名称如图1 4 所示 图2 3 液货舱结构形式 f i g 2 3l n g c 曲 2 2 3我国设计建造l n g 船的难点及拟解决方案流程 l n g 船建造技术复杂，质量要求高。中国船厂在硬件和软件方面初步具备了独立 建造l n 0 船基本条件，但在关于工n g 船特殊技术方面还存在很多方面问题未解决或未 完全解决，主要表现在：总体结构设计技术，液货系统，动力系统，自动化系统，装卸 系统设计技术，液货舱加工制造，焊接工艺技术，绝缘木箱制作构成技术，最大的难点 是总体结构设计和液货舱制造工艺技术。 经过大量调研学习，本节分析总结了我国目前设计建造l n g 船结构等方面的关键 技术，并尝试提出拟解决方案和流程。 l n g 船型论证及综合性能优化研究 1 、船型论证 薄膜型与球罐型两种船型在技术上都是成熟的、在营运安全上都是可靠的，各有千 秋，难分伯仲。以下是两种l n g 船型的主要对比分析【l o 】 u i g 船结构特性与疲劳分析 表z l 典型薄膜型和球罐型u m 船主要参数和特性表 t a b l ez lp a r a m e t e ro fu q ga a l r i e r 型宽( 米) 4 3 4 型深( 米) 2 6 0 总吨位约9 5 , 4 0 0 空船重量( 吨)约3 0 , 3 0 0 主机蒸汽透平驱动加，0 0 0 s i - i p 服务航速( 节) 2 0 5 甲板布置具有相对平的甲板和较大的 甲板面积甲板上设备及管系 安装简便，维护方便 舱容利用率 线型设计 驾驶盲区 受风面积 高 不受长宽尺度限制，其线型更 易优化以减少阻力提高推进 性能。 1 5 倍船长 较小 4 8 1 2 7 0 1 1 6 ，1 0 0 约3 5 0 0 0 蒸汽透平驱动加, 2 5 0 s h p 1 9 5 甲板上设备及管系安装较 为困难，集管区布置亦受限 制，只能布置于两个球罐保 护盖之间 低 受球罐的限制 3 倍船长 影响驾驶视线 由于货舱一部分露于甲板 之上，受风面积较大，在装 卸货时易引起连接管和吊 臂的损坏，在狭窄航道操纵 性不好 一l o 大连理工大学硕士学位论文 项目薄膜型球罐型 冷却用一温时间 结构特点 设备投资 年代以后建造的薄膜型 i n g 船均安全营运 由于薄膜允许短时间内较 大的温度变化差异，而不诱 发有害热应力，因此冷却， 升温时间较短。 以1 3 0 。0 0 0 m 3 l n g 船进出坞 操作为例：进坞冷却升温时 问约6 0 小时； 出坞冷却用- 温时间约5 0 小 时 双底、双壳舷侧、双壳甲板 传统的船舶结构，货舱问有 很强的双层舱壁，平甲板、 没有大的开口因此具有很 强的结构抗弯、抗扭刚度 船厂建造 设备投资相对较少。 占用场地小 建造方式单船或成批 坞内建造周期约5 个月( 韩田船厂) 建造工艺液货舱内安装绝缘复杂、精 度要求高，需大量熟练技工 及不锈钢殷钢手焊、自动焊 熟练工人 薄膜层焊接较为简便 液货舱建造 甲板管系舾装蔚 工 液舱须在船体结构完工后 上船敷设安装( 可在水下施 工) 可与液舱旖工平行作业 由于球型舱的热容量是薄膜 型的1 0 倍，因此冷却，升温需 相对较长时闻 以1 3 0 ，0 0 0 m ，in g 船进出坞操 作为例：进坞冷却，升温时间 约9 5 小时； 出坞冷却，升温时间约小 时 双底、双壳舷侧。甲板有大开 口，结构抗弯、抗扭刚度不如 薄膜型另外球型货舱必须进 行裂缝传播分析 如引进整个球罐制作生产流 水线，初投资相当大，投资额 超过3 0 0 0 多万美元 大 成批为宜 ， 约8 个月( 马萨船厂) 球罐分段制作、铝板加工、热 弯成型、专用胎架组装、专用 焊机自动焊、对接焊，高度机 械化、自动化分段球罐对接 焊精度要求高 绝缘层安装较为简便 球罐与船体结构需平行作业 须在球罐完工后进行 经济性能 1 i g 船结构特性与疲劳分析 按照2 0 0 4 年底统计新接订单的情况，薄膜型占7 0 球罐型l n g 船有很多缺陷难以克服，例如：球罐型货舱与船体分离，船体内部空间 的利用率较低：球罐型货舱有一部分露于甲板之上，受风面积大，影响驾驶视线；船厂 建造球罐型l n g 船的设备初投资额相当巨大，总建造成本较薄膜型高出6 - 1 0 ，港口使 用费亦较薄膜型高出很多，相应地影响到运输成本；球罐型l n g 船球罐与船体结构需平 行作业，坞内建造周期较薄膜型长3 个多月，而薄膜型l n g 船的液舱绝缘敷设安装可在 水下进行。尽管八十年代日本大量建造球罐型l i q g 船，使得球罐型l n g 船一度占优，但 随着九十年代韩国造船业的崛起，打破了日本垄断建造l n g 船市场的局面，由于韩国造 船船价更具竞争性，薄膜型l n g 船获得越来越多的订单，据2 0 0 4 年底的统计，在已经 获得的新订单中，薄膜型l n g 船占7 0 还多，可以看出薄膜型l h g 船发展的优先性。所 以本文主要研究对象选为薄膜型l n g 船。 2 、主尺度选择 研究目标船为1 3 8 ，0 0 0 m 3 的薄膜式n 0 9 6 型l n g 船，采用法国g t t 公司薄膜式n 0 9 6 型专利，主要参数见下表。 表2 2 船体主尺度及主要参数 t a b e2 2 s h i pd i m e m i o z la n do t h e rl m p o 栅tp a r a m e t e r s 名称预研目标船 总长( 米) 型 宽( 米) 型深( 米) 服务航速( 节) 2 7 9 o 4 3 2 2 6 o 2 瞄 大连理工大学硕士学位论文 3 、综合性能研究 ( 1 ) 总布置设计 目前l n g 船主要为单螺旋桨、蒸汽透平驱动( 世界已出现双机双桨形式l n g 船) 货舱区设有双层甲板、双层舷侧、双层底结构及隔离空舱，隔离空舱设置于货舱区的前 后部及货舱之间。货舱区包括4 个g t tn o 9 6 薄膜型的液货舱，可运载大气压力下低温 - 1 6 3 。c 的液化天然气，货舱周围的舷侧和双层底设有四对压载水舱。包括驾驶桥楼的上 层建筑和推进机械布置在艉部。 ( 2 ) 线型设计 研究目标船在设计吃水1 1 米左右、主机功率为最大持续功率( m c r = 4 0 , 0 0 0 p s ) 并 带有2 1 海况储备的情况下，航速要达到2 0 5 节。 以法国t e c n i t a s 公司提供的1 3 0 ，0 0 0 n 1 3 啉g 船为母型，通过母型变换，完成 1 3 8 ，0 0 0 m 3 液化天然气船的线型设计，并考虑了总体布置、稳性和液货舱容积的要求 确定目标船线型的平行中体长度、浮心纵向位置、设计吃水、方形系数、排水体积等关 键系数。 ( 3 ) 装载计算 需要对目标船6 种典型装载状况进行计算。 ( 4 ) 压载水置换 完成压载离港状态设计压载水置换程序。采用顺序置换法更换压载水，满足安全要 求。 ( 5 ) 破舱稳性计算 完整的破舱稳性计算是根据i g c 规则规定做出了n 种破损状况，计算中，选取危险 性比较大的装载状况校核其破损稳性，要求满足i g c 规则规定的破舱稳性要求。 4 、结构设计研究 ( 1 ) 船体结构设计 根据装载计算并考虑到一定的结构强度储备，确定目标船海上航行最大允许的静水 弯矩。 通过收集有关技术资料及结构规范计算，完成目标船典型横剖面、典型横舱壁、基 本结构图的设计。 c 2 ) 全船有限元分析与舱段有限元分析 全船结构有限元模型主要包括左右舷结构在内船体舯段、艏艉结构、机舱、上层建 - 1 3 i n g 船结构特性与疲劳分析 筑在内的主要受力构件通过全船有限元计算的船体变形和应力结果分析，应该得到如 下结论： 在各种工况下，货舱区域最大垂向位移。 甲板最大中拱应力、最大中垂应力、船底最大中拱应力为、最大中垂应力。 通过全船有限元计算，考虑总纵弯曲强度是否足够，变形是否在正常范围内， 是否是安全的 舱段有限元分析 综合考虑该船装载情况、船舶结构受力特点、船舶结构控制要求等确定计算如下7 种工况： 压载+ 中拱； 满载+ 中拱， 满载+ 中垂； 1 3 舱装载、2 4 舱空+ 中拱； 2 4 舱装载、1 3 舱空+ 中拱； 1 3 舱装载、2 4 舱空+ 中拱+ 纵向惯性力； 2 & 4 舱装载、l & 3 舱空+ 中拱+ 纵向惯性力。 屈服强度计算应得分析结果； 考虑构件应力是否在可接受范围内，哪部分单元应力较大，发生在何种装载工况， 哪个位置。主要原因何在，考虑是否因为开孔位置等原因引起应力集中。 ( 3 ) 船体结构疲劳强度分析评估 采用了名义应力、热点应力这两种应力，对船舯货舱区域主要纵向节点和热点区域 进行疲劳强度评估【1 1 l 。应该得到分析结果如下： 名义应力法与热点应力法得到的损伤度和预测疲劳寿命，能否达到规范要求。 两种方法计算预测的绝大部分节点疲劳寿命，整体上疲劳强度是否较好；哪些重点 部位疲劳寿命偏低，引起原因和改善方法。如适当增加其连接肘板尺寸 ( 4 ) 液货舱热维护系统温度场计算 计算模型的建立 以一个完整的液货舱作为研究对象，考虑对流和辐射的影响，建立热传导的有限元 模型旧。 计算工况的确定考虑了国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则和美国海岸 警卫队的有关要求，按下列计算工况进行分析： a )主膜完好，空气温度5 c ，海水温度0 c ，风速o 节，海水0 节； b )主膜破损，空气温度5 c ，海水温度0 。c ，风速0 节，海水0 节； c )主膜完好，空气温度- 1 8 c ，海水温度0 。c ，风速5 节，海水2 0 5 节； d )主膜破损，空气温度- 1 8 c ，海水温度0 。c ，风速5 节，海水2 0 5 节 液货舱温度分布见下图2 3 图2 4 温度分布模型 f i g 2 4 d i s t n o u t i o o f t e m p e r a t u r e 应得结果分析与结论 模拟出1 3 8 , 0 0 0 立方米l n g 液货舱及其周围船体结构的温度场分布，分析结果 是否与国外有关试验资料一致； 分析计算结果，确认1 3 8 ，0 0 0 立方米l n g 液货舱的热维护系统是否有效，船体 结构上的温度是否安全的，是否符合国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则 的要求； 分析计算结果，考虑如果主膜破损，次膜虽具有一定的防护能力，但传到内壳板 上的温度，最危险时温度，考虑此种情况是否在结构承受范围内 5 、液货作业系统设计 该项属于法国g r r 公司的专利技术，涉及l n g 船的核心技术 ( 1 ) 液货系统原理设计【捌 超低温工作环境 1 5 l n g 船结构特性与疲劳分析 l n g 船液货系统与常规油船货油系统有着极大的差别，常规油船的工作温度大约 在2 俨g 6 6 之间，对系统的材料无特殊要求，采用普通碳钢即可。而l n g 船的液货 系统要在1 6 3 的超低温到在升温期间的8 俨c 情况下工作，所有的设备、管路和附件 等必须为耐低温的不锈钢材质。液货管的材料为不锈钢s u s 3 1 6 l 。除管路材料的区别外， 管路密封件、支撑、膨胀接头等都需要特殊考虑，研究其各种材质的适用性。 为确保l n g 蒸发率在限定值下，所有的液货管路都要设置绝缘，使绝缘表面无结 冰、1 0 0 防水，并且管子的使用寿命应在4 0 年以上。为能达到这些要求，需要对材料 设备厂家进行了大量的调研，来确保设计安全合理。 液货操作程序 主要研究l n g 船独特的复杂的液货操作过程。在装货之前需完成千舱、惰化、气 体注入和冷却的操作过程；装载和冷却中产生的蒸发气由船上的压缩机排至岸站( 或送 至锅炉燃烧) ；在航行时需将舱内的蒸发气送至锅炉燃烧；卸载时由岸站( 或船上) 注 入天然气至舱内，并计算出舱内所需留有的l n g 量作为压载航行时的锅炉用燃气；当 需进入液货舱检查时，需完成暖舱、情化和除气的操作过程。 绝缘区域的惰化 装载前的操作 装载操作 装载航行 排载操作 进坞前的操作程序 液货系统设备的能量确定 研究了各个操作过程时间和状态的具体要求，确定了目标船液货系统各设备的能 量。 由于d 略船液货系统操作程序的复杂性，通常各个阶段的操作时间为：1 1 装载前 准备：用干燥空气置换舱内湿空气约为2 0 小时：舱内惰化约为2 0 小时；用热l n g 气 体置换惰气约为2 0 小时；装载前货舱冷却约为1 0 小时。2 ) 进坞准各：液货舱加热至5 。c 约为3 0 小时( 不包括残留l n g 的蒸发) ；由惰气置换l n g 气体约为2 0 小时；用干燥 空气置换惰气约为2 0 小时。 ( 2 ) 液货控制和监铡系统研究 由于液化天然气具有易燃、易爆、低温等许多特点，加之在运输过程中一旦发生泄 一坫一 大连理工大学硕士学位论文 漏或溢流，将会引起燃烧和爆炸的危险，因此，l n g 船的液货部分监测控制系统十分 复杂，必须要按照一个系统工程加以处理。i a s 系统的出现为解决这类船舶的监控要求 莫定了基础。重点研究了安全运输、理顺液货系统对监测和控制的各种相关要求，设计 i a s 系统，同时，明确各监测和控制系统与i a s 之间为实现这些要求所需要的各种界面 接口技术，以保证监测控制信号流程的通畅。 液货监测传输系统( c r s ) 危险气体检测报警 各种集管、总管和注入管类 蒸发器和加热器类 辅锅炉燃气供给系统 氮气充气 氮气排放 液货泵和扫舱泵 压缩机 6 、船体建造工艺研究 ( 1 ) 分段划分【1 4 1 分段划分的长度的确定主要考虑l n g 船的横向舱壁处应避免开横向分段缝，同时 还要考虑公司目前的生产设施资源情况，确定的货舱区分段标准长度为1 2 米，考虑到 外板曲率及展长的要求，货舱区首尾过渡区域的分段长度为8 米一1 0 米。 典型横剖面处的分段划分是分段建造及合拢精度的达到要求的基础保证。经过研 究，确定了分左中