楊青松 陸叢紅 紀(jì)卓尚

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧大連 116085

中小型LNG船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究

楊青松 陸叢紅 紀(jì)卓尚

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧大連 116085

C型獨(dú)立液貨罐是中小型LNG船的主要液艙形式，屬于半冷半壓式容器。由于貯存LNG的液貨罐處于低溫狀態(tài)，且因與船體相連的鞍座支撐，在鞍座及附近船體上就會(huì)形成溫度梯度，故有必要對(duì)鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，以確定其材料分布。提出了對(duì)該C型獨(dú)立液貨罐鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)熱分析的方法，認(rèn)為鞍座及其附近船體處在低溫液貨、海水與空氣3種流體介質(zhì)中，通過(guò)船體與3種流體的對(duì)流換熱及其與層壓木之間的熱傳導(dǎo)達(dá)到熱平衡。借助ANSYS有限元軟件，給出有限元熱分析模型的簡(jiǎn)化和對(duì)流載荷的施加方法，以確定鞍座及其附近船體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布，結(jié)合材料的最低許用設(shè)計(jì)溫度確定鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)材料的合理分布，以防止材料發(fā)生低溫脆性破壞，并給出具體實(shí)例。

LNG船；C型獨(dú)立液貨罐；鞍座；有限元熱分析；材料分布

1 引言

中小型LNG運(yùn)輸船是LNG船型發(fā)展至今的一個(gè)新概念［1］。在中小型LNG船上，貯存液體的貨罐處于低溫狀態(tài)且由與船體相連的鞍座支撐，這樣在鞍座及附近船體上就會(huì)形成溫度梯度。這種溫度梯度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱應(yīng)力，又會(huì)在低溫部位影響材料的材料特性。為此，計(jì)算鞍座附近船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)確定其材料分布具有重要意義，然而對(duì)鞍座附近船體材料分布確定方法研究的相關(guān)文獻(xiàn)甚少。本文參考了文獻(xiàn)［2］應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某一母型船滑動(dòng)鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析，得到了相應(yīng)工況溫度場(chǎng)；參照材料許用設(shè)計(jì)溫度，對(duì)鞍座及其附近船體材料進(jìn)行了合理的布置，以適應(yīng)低溫環(huán)境，避免材料發(fā)生低溫脆性破壞，為此種船型的鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)材料的選擇提供有益參考。

2 C型獨(dú)立液貨艙及支撐鞍座

C型獨(dú)立液貨艙常用于LPG船、乙烯船等，新近幾年制造的中小型LNG船也部分采用C型獨(dú)立液貨艙，如2009年剛投入營(yíng)運(yùn)的挪威“諾杰創(chuàng)新”號(hào)便采用了這種液貨艙。C型獨(dú)立液貨艙屬半冷半壓式容器，通常采用圓筒形式，且無(wú)需設(shè)置次屏壁。由于載運(yùn)的貨物溫度達(dá)－163℃，故液罐鋼殼采用耐低溫且具有較低熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼［3］，如可選用 AISI304L。罐體外部粘結(jié)聚苯乙烯泡沫和鍍鋅鋼板作為絕緣層，起絕熱保溫作用［4］。罐體由與船體相連的滑動(dòng)鞍座和固定鞍座支撐，如圖1所示。由于罐體其它部位已有絕緣保溫層包裹，故低溫液貨罐體與船體之間的熱傳遞主要發(fā)生在鞍座處。

3 材料的許用設(shè)計(jì)溫度

按照中國(guó)船級(jí)社 《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》規(guī)定：如果所運(yùn)載貨品溫度在－10℃以下，則應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)慕^緣層，以確保船體溫度不會(huì)降低到有關(guān)鋼級(jí)規(guī)定的最低許用設(shè)計(jì)溫度。”表1為中國(guó)船級(jí)社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》對(duì)材料與鋼級(jí)的要求［5］。

表1 船體結(jié)構(gòu)最低設(shè)計(jì)溫度表

從表1可以看出低溫情況下各鋼級(jí)的允許使用范圍，如A級(jí)鋼最低許用設(shè)計(jì)溫度－5℃，厚度不超過(guò)15 mm，D級(jí)鋼最低許用設(shè)計(jì)溫度－20℃，最大厚度不超過(guò)20mm。

4 熱分析模型及溫度場(chǎng)

有限元熱分析的基本原理是所處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元 （每個(gè)單元包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn)），然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)處溫度，繼而進(jìn)一步求解其它相關(guān)量［6］。

自然界存在3種基本熱量傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，同時(shí)如果流體與不同溫度壁面接觸時(shí)會(huì)發(fā)生熱量交換情況，稱(chēng)為“對(duì)流換熱”［7］。中小型LNG船貨罐鞍座及附近船體處于罐體內(nèi)低溫液體、艙外空氣和艙外海水3種流體介質(zhì)中，因此，認(rèn)為模型的邊界條件是液貨艙罐體板與低溫液體對(duì)流換熱，液貨艙罐體板通過(guò)層壓木與船體鞍座之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，設(shè)計(jì)水線以上船體與空氣發(fā)在對(duì)流換熱，設(shè)計(jì)水線以下船體與海水發(fā)生對(duì)流換熱［8］，由于船體艙室空間封閉，船體結(jié)構(gòu)與艙內(nèi)空氣的對(duì)流換熱相對(duì)較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略艙室內(nèi)的對(duì)流換熱［9］。

本節(jié)對(duì)某10 000m3LNG船的其中一個(gè)6 000 m3C型獨(dú)立液貨罐的鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析，并給出分析結(jié)果和材料分布。本模型筒體板、層壓木及鞍座面板采用solid90單元，其它板材采用shell57單元，為簡(jiǎn)化模型，未建立縱骨及加強(qiáng)筋，但通過(guò)增大板材的熱傳導(dǎo)系數(shù)k對(duì)傳熱的影響進(jìn)行彌補(bǔ)［10-11］。由于沒(méi)有相關(guān)規(guī)范對(duì)熱分析模型范圍提供建議，故參照中國(guó)船級(jí)社C型獨(dú)立液貨艙支座及其支承構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估細(xì)則建模要求，模型沿船長(zhǎng)前后各6個(gè)肋位距離，高度至船舶甲板頂部，考慮船體沿中縱剖面左右對(duì)稱(chēng)，建立1／2模型即可，網(wǎng)格模型如圖2和圖3所示。

材料傳熱系數(shù)，鋼板 48 W／mk，層壓木 0.25 W／mk（層壓木厚度370 mm），空氣與船體對(duì)流換熱系數(shù)16.27W／m2k，海水與船體對(duì)流換熱系數(shù)139.5 W／m2k，LNG 與 液 罐 筒 體 板 對(duì) 流 換 熱 系139.5W ／m2k［12］。邊界流體溫度，液貨艙低溫 LNG－163℃，海水溫度0℃，空氣溫度5℃。

通過(guò)以上條件定義有限元模型邊界條件和對(duì)流載荷，計(jì)算得到模型的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖4～圖7所示：

從圖中可以看出，鞍座面板溫度接近－15℃，鞍座腹板－14℃，鞍座肘板－14℃，水線以下船體結(jié)構(gòu)在0℃以下，水線以上船體結(jié)構(gòu)在－6℃～5℃之間（本模型設(shè)計(jì)水線距基線6 700 mm），詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。結(jié)合材料許用設(shè)計(jì)溫度和最大厚度要求，給出材料分布建議，見(jiàn)表3。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中小型LNG船鞍座及附近船體進(jìn)行有限元熱分析，得到模型的溫度分布云圖，并得出以下結(jié)論：

1）鞍座層壓木對(duì)低溫的阻隔作用是很在效的，設(shè)置層壓木后，本例的鞍座面板及附近船體結(jié)構(gòu)溫度已控制在－15℃附近，但還須參考材料的最低設(shè)計(jì)溫度對(duì)鋼級(jí)進(jìn)行選擇，以防止材料低溫脆性破壞。

表2 鞍座及附近船體結(jié)構(gòu)各部分溫度分布

表3 材料分布建議表

2）從1）可以推論，通過(guò)調(diào)節(jié)層壓木厚度可以實(shí)現(xiàn)鞍座及附近船體溫度場(chǎng)控制和優(yōu)化，層壓木厚度的設(shè)計(jì)和優(yōu)化將是后續(xù)的主要研究?jī)?nèi)容之一。

3）本文借助有限元熱分析的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合中國(guó)船級(jí)社的有關(guān)規(guī)定，給出了合理材料分布，避免了材料發(fā)生低溫脆性破壞。此方法具有一定的工程實(shí)用性，為解決相關(guān)工程問(wèn)題提供了有益的參考。

［1］ GHOURISS.Global LNG market outlook-challenges and opportunities ［C］//Int Pet Technol.Conf.Proc，2005，679-680.

［2］ 章偉星，莫鑒輝，金立明.13800m3LNG運(yùn)輸船溫度場(chǎng)及其熱應(yīng)力分析［J］.船舶力學(xué)，2008，12（5）：770-777.

［3］ DAVID M.Fabricating LNG carriers ［J］.Shipping World and Shipbuilder，2006（6）：78-93.

［4］ 朱昌偉，馬國(guó)光.中小型LNG貨罐的高真空多層絕緣熱結(jié)構(gòu)及影響因素［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2008，19（1）：41－43.

［5］ 中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］ BATHE K J，WILSON E L.有限元分析中的數(shù)值方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1991.

［7］ OSTRACH S.Natural convection in enclosure［J］.Advances in Heat Transfer，1972（8）：161-227.

［8］ 章偉星，周昊，蔡殊一.13800m3LNG運(yùn)輸船液貨艙維護(hù)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分析［J］.中國(guó)造船，2008，49（1）：77-82.

［9］ 周昊.LNG船中封閉腔室對(duì)流系數(shù)的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2006.

［10］SPARROW EM，PRAKASH C.Interaction between internal natural convection in an enclosure and an external natural convection boundary-layer flow ［J］.Int.J.Heat Mass Transfer，1981，24（5）：895-907.

［11］KIMURA T.Natural c onvection h eat t ransfer in p artitioned e nclosures ［J］.Heat Transfer－Japanese Research，1986，15（4）： 89－91.

［12］丁仕風(fēng)，唐文勇，張圣坤.大型液化天然氣船溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力研究［J］.船舶工程，2008，30（5）：16－19.

M aterials Distribution of Cargo Tank Saddle and Nearby Hull Structure of Small and M edium LNG Carrier

Yang Qing-song Lu Cong-hong Ji Zhuo-shang
Ship CAD Engineering Center， Da l ian University of Technology，Da l ian 116085，China

The C－shape independent liquid cargo tank， the main liquid tank form of the small and medium LNG carrier，is a semi－chilled and semi－compressed container.Because of the low temperature around the liquid tank， which loads LNG and is supported by the saddle connected with hull structure，temperature gradientwill be formed on the saddle and nearby hull structure.So it is necessary to analyze the temperature field about the saddle and nearby hull structure so as to determine thematerial distribution.The thermal analysismethod for the saddle of the C－shape independent liquid cargo tank and nearby hull structure is proposed.It is considered that the bearing of the cargo tank and the nearby hull structure is surrounded by the three mediums， low－temperature liquid cargo， seawater and air， and achieves heat balance by convective heat transfer between hull and the threemediums and the heat conduction between hull and laminated wood.With the FEM software ANSYS， a simplified model for thermal analysis and the approach to applying convection load is given to determine the temperature field layout of the saddle and nearby hull structure.Meanwhile，combiningwith the allowable design temperature of thematerials， the suitablematerials distribution is given， which can prevent thematerial from the low－temperature break.An instance is given which is ameaningful attempt to solving the problem of the material distribution for the bearing and nearby hull structure surrounded by the low temperature.

LNG carrier； C－shape independent tank； saddle； finite element thermal analysis； material distribution

U663.7

A

1673－3185（2010）04－40－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.009

2010－02-02

楊青松（1984－），男，碩士研究生。研究方向：船舶設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)。E-mail：qingsongyp@163.com

陸叢紅（1972－），女，講師。研究方向：智能船舶CAD與信息集成系統(tǒng)

紀(jì)卓尚（1938－），男，教授。研究方向：船舶設(shè)計(jì)制造及船型開(kāi)發(fā)