顧 俊，王凡超

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，簡稱LPG）船主要運輸以丙烷和丁烷為主要成分的石油碳氫化合物或兩者混合氣，包括丙烯和丁烯，還有一些化工產(chǎn)品，近年來乙烯也列入其運輸范圍。依據(jù)載運各種氣體的不同液化條件而分為全壓式(裝載量較小)、半冷半壓式（裝載量較大）和全冷式（裝載量大）。液化氣船因其特殊用途而需具備各方面的特殊要求，其技術(shù)難度大，船價為同噸位常規(guī)運輸船的 2～3倍，是一種代表當今世界的造船技術(shù)水平的高技術(shù)、高附加值的船舶。

1 LPG船分類

LPG船按貨物運輸方式分為全壓式、半冷半壓式（冷壓式）和全冷式3種船型。

1)全壓式運輸又稱常溫壓力式，是把貨物置于常溫條件下加壓超過蒸發(fā)氣壓的壓力，使貨物變成液化狀態(tài)。少數(shù)氣體諸如乙烷、乙烯、甲烷在高于臨界溫度下再加壓也不液化。全壓運輸船的船艙不需設置隔熱與低溫冷卻設備。通常最高設計溫度為45℃，最高設計壓力為1.75～2.0MPa之間。江南造船廠建造的我國第一艘3000m3LPG船，其設計工作壓力為1.75MPa，通常全壓式LPG船的艙容量都在5000m3以下。

2)半冷半壓式運輸又稱低溫加壓式。該型第一艘船建于 1959年，容積為 2100m3。該類船早期冷卻工作溫度為-5℃左右，壓力0.8MPa左右，運載液化氣接近于全壓式LPG船。該類船分為兩類，較多的冷卻溫度為-48℃，少數(shù)運載乙烯的為-104℃，工作壓力為 0.5～0.8MPa，江南造船廠建造的 4200m3和16500m3LPG船分別屬于該兩種船型。通常該類船最大艙容量不超過 25000m3，新研制的 30000m3LPG船可謂是該型船之最。

3)全冷式運輸又稱為低溫常壓型，液化氣貯存于不耐壓的液艙內(nèi)，處于常壓下的沸騰狀態(tài)。液艙設計壓力一般為0.025MPa，單個液艙容積很少受限制，適宜建造大型船舶，容量大都為50000m3～100000m3。

2 計算原理

2.1 熱傳遞的分類[1]

熱量的傳遞過程常以3種方式進行：熱傳導（導熱）、對流換熱以及輻射換熱。

1)熱傳導。熱傳導是不同溫度的物體直接接觸或物體內(nèi)部不同溫度的各部分間能量交換的現(xiàn)象，即物體的高溫部分傳向低溫部分。在沒有相對運動的介質(zhì)中，由于溫度梯度引起介質(zhì)之間的能量傳遞，即熱傳導對某一截面的熱流密度以及熱量分別為[2]：

式中：Q˙——熱量；λ——導熱系數(shù)；TΔ——溫度梯度；t——板厚；A——熱量傳導的表面面積。

2)熱對流。對流換熱是流動的流體與其相接觸的固體表面之間，在二者具有不同溫度時所發(fā)生的熱量傳遞過程。按流體產(chǎn)生流動的原因不同，可分為自然對流和強制對流；按流動性質(zhì)分又有層流和湍流之別。對流換熱是一個復雜的換熱過程，流體的物性、換熱表面的幾何條件、流體物態(tài)的改變以及換熱面的邊界條件等對對流換熱過程都有影響。通常以牛頓冷卻公式作為對流換熱的基本計算公式[3]：

3)熱輻射。物體內(nèi)部的微觀粒子由熱運動而激發(fā)出來的電磁波稱為熱輻射。在輻射過程中，物體不斷把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊彷椛淠?，這個熱輻射能的大小是隨物體溫度大小而變化的。物體以輻射或吸收的形式進行換熱過程，稱為輻射換熱，簡稱輻射。輻射換熱量通常按下式給出：

式中：C1,2——輻射交換系數(shù)，對于兩塊相同尺寸大小的平行板，可表示為：

σ——波爾茲曼輻射系數(shù)；,ε1ε2——表面發(fā)射率；T1,T2——兩塊板的表面溫度。

2.2 熱傳遞的方式

傳熱方式[4]有以下幾種：

1)船體水線以上外板與外界空氣之間的對流傳熱，伴有太陽輻射；

2)船體水線以下外板與外界海水之間的對流傳熱；

3)船體外板與船體內(nèi)液體（燃油、壓載水）之間的對流傳熱；

4)船體各種板與艙室內(nèi)空氣之間的對流傳熱；

5)船體外板與內(nèi)板之間的輻射傳熱；

6)低溫液貨罐體板與鞍座之間通過層壓木發(fā)生熱傳導。

2.3 計算模型及主要參數(shù)選取

通過MSC.Patran/Nastran可進行的熱分析有以下內(nèi)容：一維、二維和三維熱傳導；基本對流；一維平流；封閉空間輻射熱交換；給定溫度；面或體積熱載荷；熱控制系統(tǒng)單元。以6500m3LPG船為例，相關(guān)計算參數(shù)如表1所示。

表1 有關(guān)參數(shù)

熱傳導分析的建?？煞譃橐韵聨撞剑?/p>

1)定義有限元網(wǎng)格。把幾何模型劃分成節(jié)點和單元。分析時，溫度在節(jié)點上計算，熱傳導發(fā)生在單元內(nèi)。例如對一艘6500m3LPG船的一個鞍座結(jié)構(gòu)進行了溫度場分析，在該模型中，絕熱層和層壓木用實體單元模擬，加筋板格或者非加筋板格均用殼單元模擬，板格上的加強筋用梁單元模擬，并且考慮梁單元的偏心。為了更準確地模擬鞍座結(jié)構(gòu)的幾何形狀，所要分析的鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體區(qū)域網(wǎng)格尺寸取為 1/6縱骨間距，NO.1貨艙縱骨間距為700mm，故所要分析的鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體區(qū)域網(wǎng)格尺寸取為116mm左右，遠離所關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格劃分按照骨材間距實際排列方式，為700mm左右。

2)定義材料屬性。在穩(wěn)態(tài)熱傳導分析中，必須定義材料的熱傳導率。參考文獻[2]、[4]、[5]，各個構(gòu)件的熱傳導系數(shù)如表2。

表2 材料熱物理特性

3)定義單元屬性。單元熱傳導方向，按照幾何特性可分為一維、二維、三維和軸對稱4種。本文應用的單元主要特點見表3。

表3 單元類型

4)定義載荷和邊界條件。在熱分析的建模中，定義載荷和邊界條件是最困難的。為了盡量減少邊界條件對鞍座結(jié)構(gòu)溫度場的影響，應采用足夠大的計算模型，局部模型范圍以考察鞍座為中心，在船長方向向前（+X）向后（-X）取5個強框距離，沿船寬方向取全寬范圍，型深方向（+Z）高度從基線到最上層箱蓋甲板。模型邊界條件的選取為，模型沿X方向的兩個端面的邊界條件取為鉸支，即限制X、Y、Z 3個方向的線位移，中縱剖面上的邊界條件取為：Y向位移為0，X向和Z向轉(zhuǎn)角為0。在穩(wěn)態(tài)分析中，固定溫度可以加在結(jié)構(gòu)節(jié)點或環(huán)境節(jié)點上。此外，還可以施加幾種對流和熱輻射邊界條件。參考文獻[1]、[2]、[3]，對流和熱輻射相關(guān)計算參數(shù)見表4。

表4 材料熱物理特性

2.4 環(huán)境溫度及絕熱條件

參考國際上權(quán)威機構(gòu)IGC（國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設備）和USCG（美國海岸警衛(wèi)隊）對LNG（液化天然氣）船溫度計算的環(huán)境條件規(guī)定，對 LPG船計算溫度場時選取的環(huán)境溫度，可運載的貨物（乙烯）最低溫度為-104℃，海水溫度取0℃，空氣溫度取5℃[5]。

熱分析的運行方法：選擇求解類型，有靜態(tài)和瞬態(tài)2種；定義與求解相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)；定義子工況數(shù)據(jù)；選擇當前計算子工況；提交作業(yè)。穩(wěn)態(tài)分析解題參數(shù)窗口：對模型的歧義性自動進行約束，是否將輸入文件寫在NASTRAN輸出（f06）文件上，NASTRAN輸出（f06）文件最大行數(shù)，最大運行時間，定義所有在邊界條件中未曾定義的初始溫度（默認為0）。

模型共有13987個單元，26098個節(jié)點。溫度場分析的模型如圖1、2所示。溫度計算結(jié)果見表5，溫度場分布云圖見圖3～5。

表5 溫度場計算結(jié)果

圖1 整體有限元模型

圖2 半寬有限元模型

圖3 鞍座層壓木溫度場分布

圖4 鞍座面板溫度場分布

3 結(jié)構(gòu)材料等級確定

按照CCS《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設備規(guī)范》[6]關(guān)于低溫用鋼等級規(guī)定并結(jié)合表5的溫度場分布計算結(jié)果可確定鞍座結(jié)構(gòu)及其附近船體結(jié)構(gòu)的鋼級，見表6，表中的設計厚度推薦值是結(jié)合鞍座局部強度計算結(jié)果得到的。

表6 鋼材等級選取表

4 結(jié) 語

本文針對一艘6500m3LPG船進行了溫度場分析,并結(jié)合中國船級社《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設備規(guī)范》確定了低溫區(qū)域船體用鋼等級，通過分析計算得出以下結(jié)論：

1)罐體絕熱層對低溫的阻隔作用是很有效的，設置絕熱層后絕熱層表面的溫度可以控制在-20℃左右。

2)水線以下縱向構(gòu)件的溫度普遍比水線以上縱向構(gòu)件溫度要低一些，原因是水線以下的環(huán)境溫度要比水線以上的環(huán)境溫度低。

[1] 章偉星，莫鑒輝，金立明.13800m3LNG 運輸船溫度場及其熱應力分析[J].船舶力學，2008.

[2] 周 昊.LNG 船中封閉腔室對流系數(shù)的研究[D].北京：北京化工大學，2006.

[3] 丁仕風，唐文勇，張圣坤.大型液化天然氣船溫度場及溫度應力研究[J].船舶工程，2008.(5).

[4] 滕曉青，顧永寧.雙殼型船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場和溫度應力[J].中國造船, 2000.(2).

[5] 楊青松，陸叢紅，紀卓尚.中小型LNG 船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究[J].中國造船, 2010.(4).

[6] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設備規(guī)范[S].人民交通出版社, 2006.