（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）中小型lng船c型独立液罐设计关键技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，缩写为l n g ) 作为绿色能源而备受青睐，输送 l n g 的方式有管路和海上运输船两种。随着天然气的广泛应用，l n g 船需求十分旺盛， 液化天然气海上运输船的开发与研究已成为当今的热点问题。 中小型l n g 运输船是l n g 船型发展至今的一个新概念。这种中小型l n g 船具有 营运周期短，中转频繁，造价低廉，已成为l n g 船型发展的热门趋势。目前对于此船 型的研究资料甚少，设计技术还不是十分成熟，世界上已建成投入营运的中小型l n g 船屈指可数。同时，液货罐作为船舶的核心设备，且由于l n g 气体的特性，对液舱的 载运环境有特殊的要求。因此对中小型l n g 船及其液舱系统的开发设计及关键技术研 究将具有重要的理论意义和应用价值。 传统的大型l n g 船一般采用薄膜型和球罐型，技术复杂，造价昂贵。对于运量小， 投资回收率低的中小型l n g 运输船，如果再应用薄膜型或球罐型技术比较浪费，所以 需要找到一种新的设计方法。乙烯船和l p g 船的液舱设计技术已十分成熟，从船型、 总布置、载运货物及运载环境等方面分析，中小型l n g 运输船均与以上两种船型有着 诸多相似之处，并且设计液货罐的技术难度小，制作工艺简单，造价低廉。因此通过参 考乙烯船和l p g 船的液舱系统来寻求中小型l n g 船的液舱的设计方法具有可行性。 综合论文的工作，主要采用的方法和工作步骤有以下几方面： 1 收集和查阅了大量国内外l n g 船船型、主尺度及液舱形式等相关资料，在研究 数十条l p g 及乙烯运输船及其液舱特点和设计方法的基础上，阐述了新型船舶中 小型l n g 运输船船型及液舱特点； 2 论证了对设计液化气运输船存储和运输方式及c 型独立液货罐的简体和封头形 式，提出了液罐尺度的确定方法及其影响因素，之后从设计压力、设计温度、设计载荷、 罐体及封头厚度、选用材料、保温层、与船体相连构件及制荡舱壁等多方面详细叙述了 液罐的设计方法及流程，最后探讨了静力和动载荷两种校核方法： 3 总结了设计c 型独立液货罐涉及的关键技术，包括计算板厚过程中的加速度椭 圆方法，将船舶运动的三方向无因此加速度合成为液罐重心的加速度，罐体的结构设计 技巧及材料的选用原则以实现运输l n g 液体的极低温载运环境，载运过程中的温度和 压力平衡的控制方法以及减小液舱内液体晃荡载荷等技术； 4 通过设计一个容积为6 0 0 0 m 3 l n g 液货罐验证了论文中提出方法的可行性，并通 过有限元计算对设计液罐进行了校核。通过计算结果可知在确定液舱及支持构件尺寸 时，只通过校核货罐的轴向应力、周向应力及剪切应力设计出的结构存在高应力集中区 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 域，还应校核船舶运动引起的动载荷状况，进一步对结构进行优化。同时对货罐结构加 强的措施中，增加货罐板厚，改变支座位置及在内壁上增设加强圈均可有效的改善结构， 但是增加板厚的同时增加了货罐的重量，因此建议采用改变支座位置和在内壁增设加强 圈的方式进行加强。 关键词：中小型l n g 船；c 型独立液舱；设计方法；关键技术；有限元校核 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ns e p a r a t e dc - t y p el i q u e f i e dt a n k o ft h es m a l la n dm e d i u ml n gc a r r i e r s a b s tr a c t l n g ( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ) ，a sg r e e ne n e r g y ，h a sg o tg r e a ta t t e n t i o n t h e r ea r et w o w a y so ft r a n s p o r t a t i o ni n c l u d i n gp i p e l i n ea n dm a r i n et r a n s p o r t n o wr e s e a r c h i n go nl n g c a r r i e r sh a sb e c o m eah o ti s s u ea si n c r e a s i n gd e m a n d an e wc o n c e p h m a l la n dm e d i u ml n gs h i pl o a d i n gl e s st h a n10 0 0 0 m h a se m e r g e d i nl n gc a r r i e r sd e v e l o p m e n th i s t o r y ，a n di tm u s tb ep r i z e df o rs h o r td i s t a n c e ，f r e q u e n c y t r a n s i t ，l o wc o s ta n di n l a n dt r a n s p o r t a t i o nm e e t i n gt h ed e m a n d so ft h em a r k e t s a tt h ep r e s e n t , t h er e s e a r c hd a t ai sn o ts om u c h ，a n dd e s i g nt e c h n o l o g yi sn o ty e tm a t u r e a tt h es a m et i m e ， c a r g o t a n ki st h ec o r eo ft h eh u l l ，a n di tn e e d ss p e c i a lc a r g os u r r o u n d i n g sd u et o t h ep r o p e 啊o fl n g t h e r e f o r e ，t os t u d yc a r g ot a n ks y s t e md e s i g nm e t h o da n dk e y t e c h n o l o g yw i l lh a v ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t h et r a d i t i o n a lm e m b r a n et a n ka n ds p h e r i c a lt a n ka r em o r ec o m p l e xa n de x p e n s i v e a s f o rs m a l ll o a d i n ga n dl o wr e t u r n ，i ti sn o tw o r t ha d o p t i n gi t ，s oan e wa p p r o a c hi sr e a l l y n e e d e d d e s i g nt e c h n o l o g y o fe t h y l e n e s h i p sa n dl p gs h i p sh a sb e e nm a t u r e ，a n dt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fl i q u e f a c t i o nt a n ki ss i m p l ea n di o wc o s t s oi ti sf e a s i b l et of i n dt h e t a n kd e s i g nm e t h o d st h r o u g hi m i t a t i n ge t h y l e n es h i p sa n dl p g s h i p st a n ks y s t e ma sf o rs m a l l a n dm e d i u ml n gc a r r i e r sa r es i m i l a rt ot h ea b o v et w ok i n d so fs h i p si nh u l lt y p e ，c a r g oa n d t r a n s p o r t i n ge n v i r o n m e n t 一 t os u m m a r i z et h ew h o l ew o r k ，t h ed e s i g na p p r o a c ha n dr e s e a r c hs t e p so fm yp a p e ra r e t h ef o l l o w i n g s ： 1 c o l l e c tal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e dl n g s h i pi n f o r m a t i o no n h u l lf o r m ，m a i ns c a l ea n dc a r g ot a n k sd a t a ，s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o d so f l p ga n de t h y l e n ec a r r i e r sa n dt h e i rt a n k s ，e l a b o r a t et h ef e a t u r e so ft h en e wt y p es h i p t h e s m a l la n dm e d i u ml n gc a r r i e r ； 2 d e m o n s t r a t et h es t o r a g ea n dt r a n s p o r tm e a n so fl i q u e f i e dg a sc a r r i e ra n dc y l i n d r i c a l s h e l la n dh e a df o r mo ft h es e p a r a t e dc - t y p el i q u e f i e dt a n k ，d e s c r i b et h ed e s i g nm e t h o d sa n d p r o c e s s e so ft a n ki nd e t a i lf r o md e s i g np r e s s u r ea n dd e s i g nt e m p e r a t u r e ，d e s i g nl o a d ，s h e l la n d h e a dt h i c k n e s s ，s e l e c t i o nm a t e r i a l s ，i n s u l a t i o nl a y e r ，c o n n e c t e dc o m p o n e n t sa n dt h ew a s h b u l k h e a d sa n ds oo n f i n a l l y ，d i s c u s st w ok i n d so fc h e c k i n gm e t h o d s ； 3 s u m m a r i z et h ek e yt e c h n o l o g i e so fd e s i g n i n gs e p a r a t e dc t y p el i q u e f i e dt a n k ， i n c l u d i n gt h ea c c e l e r a t i o ne l l i p s em e t h o d ，w h i c hc o m p o s e st h ea c c e l e r a t i o no ft a n kf r o mt h e i 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 n o n s y n t h e t i ct h r e ed i r e c t i o na c c e l e r a t i o no fs h i pm o v e m e n ti nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s so f t h i c k n e s s s t r u c t u r a ld e s i g nt e c h n i q u e sa n dm a t e r i a ls e l e c t i o np r i n c i p l e si no r d e rt oa c h i e v e e x t r e m e l yl o wt e m p e r a t u r et r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n t c o n t r o lm e t h o do fb a l a n c i n gt h e t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，a sw e l la sr e d u c i n gt h el i q u i ds l o s h i n gl o a d s ； 4 d e s i g na6 0 0 0 m 3 l n gt a n kt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nm e t h o di nt h i sp a p e r a n dc h e c ki tb yf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hs t r e s sr e g i o n m a yb er i s e ni fo n l yc h e c k i n gt h ea x i a ls t r e s s ，c i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sa n ds h e a rs t r e s s i n d e t e r m i n i n gt h es i z eo ft a n ks t r u c t u r ea n ds u p p o r t i n gc o m p o n e n t s ，s od y n a m i cl o a dd u et o s h i pm o t i o nm u s tb et h i n ka b o u t a tt h es a m et i m et h e r ea r et h r e em e a s u r e st oe n h a n c et h e s t r u c t u r ei n c l u d i n gi n c r e a s i n gt h ec a r g ot a n kt h i c k n e s s ，c h a n g i n gt h el o c a t i o no ft h es u p p o r t s a d d l e ，a d d i n gr e i n f o r c e m e n tr i n g b u ts h a r p l yi n c r e a s et h ew e i g h to ft h ec a r g ot a n kw h i l e i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s s t h e r e f o r e ，i ti sr e c o m m e n d e dt oc h a n g et h el o c a t i o no f t h es u p p o r t s a d d l ea n da d d i n gr e i n f o r c e m e n tr i n gt os t r e n g t h e nt h es t r u c t u r e k e yw o r d s ：s m a l la n dm e d i u ml n gs h i p ；s e p a r a t e dc - t y p el i q u e f i e dt a n k ；d e s i g na p p r o a c h ； k e yt e c h n o l o g y ；f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d i v 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：i 丛生堑型堡鲢旦翌型坐盟堕整丝茸兰垦蔓堕蔓堑i 作者签名：二工立坌一日期：二! 仁年j 三_ 月卜日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：翌望! 丝堡壁竺翌1 墼兰i 趣趣造基坠壁塾立亟垦 作者签名：j 笙日期：塑4 年生片j z 日 导师签名： 一二至立牢一日期：鲁坐卑年o z 月j 罩日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 l n g 即液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，缩写为l n g ) ，主要成分是甲烷，在 常压下沸点为1 6 0 。c ，空气中可燃极限为5 1 5 ，是一种低温、可压缩、易燃的气体， 具有比重轻、无毒、不腐蚀等特性，是地球上最干净且方便高效的能源，已成为近年来 世界上增长速度最快的矿物燃料。将天然气从产地运往市场的方法有两种：一是用长距 离输气管道将天然气送往用户，但管道长度在1 6 5 0 3 3 0 0 公里范围内才有经济效益；另 一种方法是将天然气在1 6 0 的低温下使其变成液态，成为l n g ，然后，用船将l n g 运往使用地区，为此，需在使用地区建设接收终端，将l n g 再度汽化使其重返气体状 态，然后通过管道将气态的天然气送往发电厂和其他用户。用这种方法可将天然气产地 与遥远的市场连接起来【l 也】。 l n g 从六十年代开始商业化，至今己有四十多年的历史，是当今世界能源供应中 成长速度最快的产业。预期今后十年内l n g 的年增长速度为7 ，大约为全球天然气增 长速度的两倍，为原油增长速度的3 倍。当前，世界上开采出来天然气有2 0 以国际贸 易的形式被销售。这2 0 的国际贸易天然气中的7 5 是用管道进行输送，2 5 是以l n g 形式用船舶进行运输。1 9 5 9 年，m a t h a n ep r o n e e r 号进行了世界上第一次液化天然气海 上运输，这是从l a k ec h a r l e s 向c a n v e y 岛基地运送5 0 0 0 m 3 的液化天然气，对确定l n g 的海上安全运输方法做出了贡献【z 训。 二十一世纪是海洋的世纪，液化天然气作为绿色能源己得到世界各国的重视，液化 天然气的海上运输船的开发与研究正如火如荼的进行，世界l n g 船的需求将十分旺盛。 2 0 0 0 年前，l n g 船队需求总量以每年8 的增长率递增，至2 0 1 5 年以前，l n g 船队的 增长率也能达每年的5 ，特别是亚太地区，到2 0 1 5 年，液化天然气船的海运量至少可 达6 5 0 0 万吨，相当全球总量的3 4 。作为世界造船大国的中国，我们应该抓住机遇，引 进并研究开发先进的l n g 运输船，在世界l n g 船市场中拥有一席之地【5 - 6 。 目前，随着天然气的广泛应用，为适应新型的运输要求及市场需求，人们提出一个 新概念中小型l n g 运输船，它具有营运周期短，中转频繁，内河航运时还受到内 河航道水位、桥梁、码头限制，载货量小，船舶吃水浅排水量相对较小，同时可装载极 低温易燃的货物等优势。它的载货量在1 0 0 0 0 0 m 3 内，和大型l n g 船有着很大的区别。 对此种船型的设计，特别是对其核心设备液舱的研究，近年来受到人们的普遍关注，也 将成为l n g 船型发展至今的另一热门趋势。 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 1 2 国内外研究现状 传统的货舱系统有薄膜型和独立球型两种液货舱。薄膜型液货舱主要是法国g t t 公司的g a z t r a n s p o r t 系统( 货舱内壁为平板型) 和t e c h n i g a z 系统( 货舱内壁为 波纹型) 。系统没有内部结构，可达到9 8 的货舱容积，同时货舱顶部的倒角由于缩减 了l n g 自由液面的面积，还提高了船舶稳性同时减少了货物的晃动。薄膜液货舱有如 下特点：主屏壁非常薄；绝热材料被安装在船体内部，表面覆盖金属板( 薄膜) ，主要 用来保持甲烷的液态防止泄露；薄膜液货舱有完整的次屏壁以保证主屏壁泄露时货物维 护系统的完整性；液舱的绝热结构有良好的绝热性和足够的强度，由于l n g 经绝热结 构直接作用于船体上1 7 1 0 l 。 独立球形液货舱由挪威的m o s sr o s e n b e r g 公司开发，选用耐低温的铝合金或 含镍9 的厚钢板为舱体材料，绝热材料选用聚氨酯泡沫，它与l n g 船的船体部分是相 互独立的，其重量由液货舱本身承担，液货舱通过固定在船体上的圆柱形裙板支持，独 立式球形液货舱要求有足够的支持能力和绝缘效果，同时为了防止l n g 在突发事故中 泄露，还设有次屏壁。独立式球形液货舱有如下特点t 独立式球形液货舱热胀冷缩产生 的变形不直接作用于船体结构本身：液化货物与舱体的绝热材料不直接作用；由于舱内 货物产生的壳体薄膜应力是均匀分布的，没有应力集中现象；舱内圆柱型裙板有足够的 弹性，可以吸收货物进出造成的热胀冷缩等变形；在设计中能够进行高精确的应力分析， 因为球形舱和圆柱形裙板具有轴向对称的简单外形和结构；选用有滴盘和防溅板构成的 部分次屏壁，能够保证即使在发生碰撞时，l n g 的泄漏量也可维持较低。到目前为止， 独立的球形舱( b 型) 被认为是i g cc o d e 中最安全的液货舱 7 - 1 0 】。 以上两种液货舱广泛应用于大型l n g 船的建造，如果仍以传统的货舱形式建造中 小型l n g 船，不适应新型l n g 的运输要求且工艺复杂、造价昂贵。目前，中小型l n g 运输船通常采用独立式c 型液货舱，即自持式压力容器，是指符合压力容器标准，且它 的设计蒸汽压力不小于用规范中方法计算之值。一般液货舱采用单圆筒型或双圆筒型结 构，外部设置绝缘结构，无需次屏蔽，建造简单。如由日本建造的小型l n g 船，其载 货量为2 5 0 0 m 3 ，此船设有2 个独立的液货舱，货舱采用k h i 公司的压力增大设计方法， 采用这种设计方法尚属首次，这种c 型水平铺设的铝合金舱在温度1 6 3 时可承受 3 k g c m 2 的压力。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 理论意义和研究价值 目前，大型l n g 运输船舶的建造技术和研究理论日臻成熟，随着l n g 的广泛应用 及市场的新需求，中小型l n g 运输船的建造和研究已逐渐成为l n g 船型的另一主要发 展趋势。中小型l n g 船的并非是大型l n g 船的尺度缩小，无论从结构设置还是内部设 备等方面两者均存在本质差别，而最大的差异是对货舱区结构及货舱系统的设计。中小 型l n g 船营运周期短，中转频繁，吃水浅排水量小，同时装载极低温易燃的货物，因 此对l n g 船的设计，特别是液舱的结构设计、强度分析、材料和工艺等有很高的要求。 传统的大型l n g 船一般采用薄膜型，技术复杂，造价昂贵。而对于运量小，投资 回收率低的中小型l n g 运输船，如果再应用薄膜技术就好比有些浪费，因此需要找到 一种新的设计方法。乙烯船和l p g 船的设计技术已十分成熟，从船型，载运货物，载 运环境等方面分析，中小型l n g 运输船均与以上两种船型有着诸多相似之处，并且液 化罐制作工艺简单，造价低廉，因此通过模仿乙烯船、l p g 船的液舱系统来寻求中小型 l n g 船的液舱设计方法。对l n g 液舱的设计技术研究将对中小型l n g 船的新船型开 发及设计研究具有重要的理论意义和应用价值。 1 4 主要研究内容 综合论文的工作，主要采用的方法和工作步骤有以下几方面： 1 收集和查阅了大量国内外l n g 船船型、主尺度及液舱形式等相关资料，在研究 数十条l p g 及乙烯运输船及其液舱特点和设计方法的基础上，阐述了新型船舶中 小型l n g 运输船船型及液舱特点； 2 对设计液化气运输船船存储和运输方式及c 型独立液货罐的简体和封头形式进 行了论证，提出了液罐尺度的确定方法及影响因素，然后从设计压力、设计温度、设计 载荷、罐体及封头厚度、选用材料、保温层、与船体相连构件及制荡舱壁等方面详细叙 述了液罐的设计方法，最后探讨了静力和动载荷两种校核方法； 3 总结了c 型独立液舱的设计关键技术，包括计算板厚过程中的加速度椭圆方法， 将船舶运动的三方向无因此加速度合成为液罐的加速度，罐体的结构设计技巧及材料的 选用原则以实现运输l n g 液体的极低温载运环境，载运过程中的温度和压力平衡的控 制方法以及减小液舱内液体晃荡的技术等； 4 通过设计一个容积范围为6 0 0 0 m 3 l n g 液罐验证了论文中提出方法的可行性，并 通过有限元计算方法对设计液罐进行了校核。 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 2 中小型l n g 船液货罐设计技术分析 2 1 中小型l n g 船船型概述 中小型l n g 运输船可以说是l n g 船型发展至今的一个新概念，它的运输l n g 量 在1 0 0 0 0 0 m 3 内。目前对于此船型的研究资料甚少，设计技术还不是十分成熟。最早的 是日本建造的两艘2 5 0 0 m 3l n g 船，液舱采用圆筒形铝制货罐。现在，日本正在建造 1 9 0 0 0 m 3 中型l n g 船，货舱形式采用圆筒形不锈钢货罐【】。挪威等国也在积极研究和 开发此船型，并且已经建成小型l n g 船而且投入营运。 一u 融懈_ 薜髅硒 - 一，j1 测髌：厂；訾、厂，訾懦 蝰 拓麒鲤dl 一。l 7 。剀罗 ! 羁照；高d 图2 17 5 0 0 m 3 l n g 运输船总布置图 f i g 2 1 7 5 0 0 m 3l n gc a r r i e rg e n e r a la r r a n g e m e n t 从7 5 0 0 m 3 中型l n g 船总布置图( 图2 1 ) 可以看出，此船型为单主机、单桨，艉 机舱、上层建筑设于船艉部，货物区域的船底和舷侧设双壳结构，该区域充当压载舱， 舱底设有专门的管系和电缆通道。但是散装运输液化气船的布置不同于其他船舶，i g c 规则对液货舱在船内位置和船舶布置，诸如货物区域的分隔、起居、服务及机器处所和 控制站、货物压缩机舱、货物控制区、进入货物区机械通风、a i r - l o c k 位置等均有严 大连理工大学硕士学位论文 格的规定，所有这些规定对确定船舶主尺度都起到重要作用【眩】。而对于典型的布置型船 中小型l n g 船，主尺度的选择要从总布置( 舱容和布置地位) 及船舶性能等方面来考 虑，既要满足船舶使用要求，使舱室布置合理，同时也要使船舶具有良好的阻力性能。 其中，货罐的尺度对船舶主尺度的选取起着决定性的作用，反之，船舶主尺度又影响着 货罐的尺寸，两者相互制约，相互影响。 2 2 中小型l n g 船液货罐设计指导原则 液舱是l n g 船的核心设备，由于载运货物l n g 气体的特殊性，同时使液舱与船体 达到完美匹配，所以不仅对液舱的载运环境有特殊的要求，同时还要求货罐具有足够的 强度、刚度及稳定性。所以在设计过程中应考虑以下设计原则： 液罐设计温度为1 6 3 0 c ，为实现l n g 液体的安全运输，对低温问题的解决则成 为设计的关键； 液货舱布置及外形的选取与舱容的利用率达到最佳； 设计结构尺寸时需考虑货物晃荡对液舱的冲击力； 装载量应最大，而液罐自身重量最小； 装卸货物等设备是否简易； 液货系统与其连接设备容量参数能否达到最优匹配； 能否装载不同液货。 2 3c 型独立液货罐设计方法及流程 通过对数十条l p g 船等液化气船的研究和分析，中小型l n g 船液舱形式可采用独 立c 型液货罐，这种货罐属半冷半压式压力容器，筒体采用圆筒形，承受压力最好， 且无需设“次屏壁”。根据载运量的不同，货罐的形式可选择单圆筒或双圆筒。由于载 运温度需要达到1 6 3 0 c ，液罐材料采用耐低温且具有较低热膨胀系数的奥氏体钢，罐体 外部粘结聚苯乙烯泡沫和镀锌钢板作为绝缘层，起保温作用，并通过支座与船体连接。 其设计过程按照散装运输液化气体船舶构造与设备规范及相关压力容器规范，设计 过程中不仅需要考虑低温环境，同时还应考虑船体运动对货罐的影响，这就对货罐及支 座结构具有很高的要求，其设计流程如下图。 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 图2 2c 型液货罐设计流程图 f i g 2 2 ct y p el i q u e f i e dc a r g ot a n kd e s i g nf l o wc h a r t 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 3 初步方案确定及其理论依据 3 1 存储和运输方式论证 液化气体船按照液化气的储存和运输方式不同，而大致分为三类：压力式( 全压式) 、 冷压式( 半冷半压式) 和冷却式( 全冷式) 。 压力式液化气体船是指货物在常温状态下装运，液货舱为压力容器( c 型独立舱) ， 一般设计压力为1 7 5 m p a ，不需要绝缘层和再液化设备。全压式船由于受压力容器的材 料和制造条件的限制，故均为小型船，最大载货总容积约6 0 0 0 m 3 ，主要用以装运l p g 和氨。冷压式液化气体船是货物以低于常温的状态装载于有绝缘物包裹的c 型独立舱 内，船上设有控制货物温度和压力的再液化装置。货物运输状态可按不同货物的需要而 控制在低温常压、半冷半压或常温压力状态。冷却式液化气体船按运输方式的不同，这 种液化气体运输船可分为全冷式l p g 船和l n g 船。全冷l p g 船在接近大气压下载运 货物，主要用以载运l p g 和氨，船舶大小多在1 0 0 0 0 m 3 - 1 0 0 0 0 0 m 3 范围内。大多数采用 a 型独立舱，棱柱形。设计温度4 5 0 c - 4 8 。c ，设计压力0 0 2 5 m p a 。货物区结构类似于 典型的散货船，双底、单壳、有顶边舱、底边舱、内底、舷侧、项边舱和底边舱作为次 屏壁。全冷式l n g 船是在1 6 3 0 c 温度下装运l n g ，船舶大小多在1 2 0 0 0 0 m 3 - 1 3 0 0 0 0 m 3 之间。这种液化气体船其液舱目前主要有三类：g a zt r a n s p o r t 薄膜液舱、t e c h n i g a z 薄 膜液舱和k v a e r n e rm o s s 球罐b 形独立液舱 1 2 - 1 4 】。 。b 25 皂 皇2 蚕 皂1 5 乱 云 一s s3 0 4 l 7 ，； ii 、 b a s i cl n g ij c 。丌幻n n 2 2 c 0 2o ： ： c “8 9 c 2 55 t a n kv o l u n 憾：0 0 0 i： c 3 ：z 5 i n s u l a t i o n ：3 0 0m 1 1 1 一 c 4 ：， p o l y m y f l m e i n i _ a l r t1 4 0r n b a r 9 ：i ： ： o1 02 03 04 05 06 0 s a i l i n gt i m e ( d a y s l 图3 1 营运期间液舱内压力随时间的变化情况【1 1 】 f i g 3 1 i n c r e a s ep r e s s u r ed u r i n gt h ev o y a g ew i t h o u tb o i l o f f g a st r e a t m e n t 1 1 】 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 从载运货物、船型及经济上分析，中小型l n g 运输船最适宜采用半冷半压式c 型 独立货罐，即货罐可达到1 6 3 0 c 的载运环境，同时货罐又能承受一定的压力。在载运过 程中无需始终维持在1 6 3 0 c ，允许温度升高，随着温度的升高，液罐内压力不断增加， 如果压力增加的范围在货罐允许的压力范围内，则不会对货罐产生破坏。图3 1 是挪威 t g e 公司对一个容量为3 0 0 0 0 m 3 半冷半压式货罐在营运期间压力随时间变化的统计数 据，从图中可以看出采用奥氏体钢3 0 4 l 材料在4 0 天内能达到货罐的设计压力，如采用 9 镍钢在5 0 天内能达到货罐的设计压力，对于载运量小，营运期间短的中小型l n g 运输船，可不必采用再液化装置，相对于大型l n g 运输船的全冷式液舱而言，制造工 艺简单，造价低廉。 3 2 简体及封头形式论证 c 型独立液舱通常有球形、单圆筒、双圆筒罐三种形式，如图3 2 图3 4 所示。一 般采用卧式圆筒形，带有半球形封头，每船两个液舱，亦有少数船采用球形液舱。其中， 图3 4 是一种特殊形式的双圆筒罐，为较好的利用舱容，配合船首部型线，一般在船首 部采用此种锥形货罐。 o il i 图3 2 单圆筒液罐 f i g 3 2 s i n g l ec y l i n d e rc a r g ot a n k 图3 3 双圆筒液罐 f i g 3 3 d o u b l ec y l i n d e rc a r g ot a n k 一8 一 图3 4 圆锥形双圆筒液罐 f i g 3 4 c o n ed o u b l ec y l i n d e rc a r g ot a n k 大连理工大学硕士学位论文 为了更容易的区分三种货罐的优缺点，表3 1 分别从舱容利用率、建造难易、总体 性能、重量及设计技术计算五方面比较了三种货罐的差异，显而易见，球形货罐虽然在 液罐材料和重量方面有些好处，但因直径受船宽限制，所以必须增加舱数，致使装卸、 监控设备及管路系统成倍增加，舱容利用率降低，所以绝大多数液化气船均采用卧式圆 筒形液舱【1 5 】。近来也有采用双联圆筒形舱的船舶，以便更好的提高船型的舱容利用率。 在具体选择货罐形式时要考虑装载量和与船型的匹配，一般装载量在1 5 0 0 0 m 3 以下时采 用单圆筒货罐就能满足装载量的要求，装载量大于1 5 0 0 0 m 3 的液化气船舶适宜采用双圆 筒罐【6 】。此外，液罐的形状和尺度除了包括液罐的直径、长度和罐与罐之间的中心间距 外，罐体的封头形式也属考虑范围之内。采用蝶形封头主要是为了缩短液货舱的长度， 从而达到较小的船长，减轻船体重量，降低成本。但与球形封头相比较，蝶形封头耐压 性能不如球形封头，制造工艺复杂，加上蝶形封头壁厚远远超过球形壁厚，特别对于制 造低温货罐时的耐低温材料，最后带来重量的影响比球形更显著5 1 。 表3 1 三种货罐优缺点比较 t a b 3 1 c o m p a r eo f t h r e et y p ec a r g ot a n k s 3 3 货罐尺寸确定 中小型l n g 船是典型的布置型船，主尺度的选择要从总布置( 舱容和布置地位) 及船舶性能等方面来考虑，既要满足船舶使用要求，使舱室布置合理，同时也要使船舶 具有良好的阻力性能。其中，货罐的尺度对船舶主尺度的选取起着决定性的作用，因此 反之，船舶主尺度又影响着货罐的尺寸，两者相互制约，相互影响，货罐尺度的选取要 与船型尺度达到完美匹配。 一9 一 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 本文搜集了6 0 条装载量在1 5 0 0 0 m 3 以内，液舱形式均采用独立货罐中小型液化气 运输船，包括l p g 船，l n g 船及乙烯船的船型数据，统计了船舶装载量与船型尺度之 间的规律，分析了这些船体主尺度与货罐尺度之间的关系，得出了以下结论： 3 3 1 货罐长度 e 置 厶 j o2468l o1 21 4 容积f k m s ) 图3 5 船长与货罐容积的关系曲线 f i g 3 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e n g t ha n dc a p a c i t yo f c a r g ot a n k 船长对船舶重量、造价等经济指标的影响最大，而液货舱的长度和布置在满足i g c 规则规定的舱与船体结构件的间隙要求之后，留下的就是货舱的前后端壁距首尾垂线的 距离是决定船长的关键【l5 1 ，也就是说，货罐的长度，即货舱区的长度决定着整船的船长， 反之，船长对货罐的尺度有一定的制约作用。在图3 5 船长与货罐容积的关系曲线中可 以看出装载量越大船长越大，货舱区的总长度占船长的比例随着液货容积的逐渐增大而 增大。如果设计初给定了货罐的载货容积，根据图中所示的关系曲线计算出船长的大致 范围。同时经过统计，液化气船的货舱区前端的首部区域及货舱区后端的尾部区域分别 占船长的1 0 0 o - - 1 5 和2 0 * 旷2 5 ，用船长减去首部及尾部区域，即可确定货舱区的尺 度范围，进而再通过考虑其他细节因素确定各个货罐的长度。 3 3 2 货罐直径 船宽主要取决于液罐的直径和液罐与船体之间的横向间隙。一般说来，液货舱容积 一旦确定，其液罐的直径的变化是比较小的。液罐和船体型宽之间的横向间隙，据统计 最大的为2 7 0 m ，最小的为1 5 0 m 。与确定货罐长度方法相同，图3 6 给出了船宽与载 货量之间的关系。如果货罐容量确定，可推算出船宽的范围，减去船体的边舱尺寸，即 可得到货罐的直径范围。 o o o o o o o 0 n 如8 6 4 2 大连理工大学硕士学位论文 2 5 z 0 1 5 。1 0 5 o 0 24681 01 21 4 容积( k m i ) 图3 6 型宽与货罐容积的关系曲线 f i g 3 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i d t ha n dc a p a c i t yo f c a r g ot a n k 船长和船宽是决定货罐尺度的两个主要方面，但是型深对货罐直径的确定也有一定 的影响。因液化天然气的密度小，故l n g 船吃水浅而干舷高，属于富裕干舷船。图3 7 给出了型深随载货量变化的曲线。在确定液罐的直径时还要考虑船体双层底高度、船体 主甲板结构和液罐间隙，特别要考虑液罐绝缘的厚度会随着液货设计温度的降低而增 加。 1 5 1 2 名9 - o6 3 o o24681 01 21 4 容积( k m 3 ) 图3 7 型深与货罐容积的关系曲线 f i g 3 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e p t ha n dc a p a c i t yo f c a r g ot a n k 3 3 3 其他因素 货罐尺寸的选择影响着船型尺度，因此在设计货罐尺寸时还要考虑以下液化气船船 型特点： 中小型l n g 船独立液货罐设计关键技术研究 船长偏大，船宽比l b 比一般船型大，约在5 7 之间。 型深偏大，主要为了满足低比重液货需大舱容，长深比l d 在l o 1 4 之间。 型宽b 较大，是为了满足大型深d 带来的稳性不足。 吃水与常规船类似，一般吃水型深比d d 在o 8 左右。 o24681 01 z1 4 容积( k m j ) 图3 8l b 与货罐容积的关系 f i g 3 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl b a n dc a p a c i t yo fc a r g ot a n k 4 3 5 3 2 。s g2 1 5 1 0 s 0 o24681 01 21 4 容积( k m ) 图3 1 0b d 与货罐容积的关系 f i g 3 10r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb d a n dc a p a c i t yo f c a r g ot a n k 1 2 2 0 1 6 o1 2 ) 8 4 0 o2 4681 01 21 4 謇积( k m l ) 图3 9l d 与货罐容积的关系 f i g 3 9 r e l a t i o n s h i pb e