李 科，江克進，張匯平

（滬東中華造船（集團）有限公司 開發(fā)研究所，上海 201209）

LNG海工裝備薄膜型液貨艙晃蕩周期與晃蕩載荷研究

李 科，江克進，張匯平

（滬東中華造船（集團）有限公司 開發(fā)研究所，上海 201209）

針對液化天然氣（Liquefied Natural Gas， LNG）海工裝備的薄膜型液貨艙晃蕩問題，按照挪威船級社（Det Norske Veritas， DNV）的規(guī)范，以4#液貨艙為研究對象進行規(guī)范計算，由此得到各裝載深度下的船體自身固有周期、艙內(nèi)液體運動固有周期和液貨艙晃蕩載荷。比較船體自身固有周期與艙內(nèi)液體運動固有周期，檢驗其是否符合規(guī)范要求；比較規(guī)范計算和模型試驗所得液貨艙晃蕩載荷，檢驗模型試驗是否可靠。經(jīng)過這些比較發(fā)現(xiàn)：在某些裝載深度下，船體自身固有周期與艙內(nèi)液體運動固有周期比較接近，有引起液貨艙內(nèi)液體共振和砰擊的風險；模型試驗所得結(jié)果與砰擊壓力規(guī)范值較接近，是比較可靠的；考慮到共振和砰擊的風險，后續(xù)的校核工作應重點關(guān)注砰擊壓力，并對液貨艙結(jié)構(gòu)作相應的加強。為今后改進建造LNG海工裝備，建議針對液貨艙內(nèi)液體的共振和砰擊進行更多、更細致的模型試驗。

液化天然氣海工裝備；薄膜型液貨艙；晃蕩；規(guī)范計算

0 引 言

發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設海洋強國，海洋工程裝備必須先行［1］。近年來，隨著我國經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，海上液化天然氣（Liquefied Natural Gas， LNG）用途日益廣泛，是船用燃料市場的一種重要新興燃料［2］，其生產(chǎn)和運輸對國民經(jīng)濟運行和國家能源安全的重大意義日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計，我國LNG的進口量早在2011年即已突破1000萬t大關(guān)，此后亦逐年遞增，2014年達到1989萬t。南海等海域的海上氣田開發(fā)也逐漸步入正軌。LNG進口量的猛增和海上氣田的開發(fā)帶來了對穿梭LNG運輸船、浮式液化天然氣系統(tǒng)（Floating Liquefied Nature Gas，F(xiàn)LNG）等相關(guān)LNG海工裝備的巨大需求。我國造船企業(yè)應力爭在LNG產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵裝備配套生產(chǎn)方面有所作為［3］。為此，國家將“穿梭LNG船關(guān)鍵技術(shù)研究”及“海上天然氣液化存儲關(guān)鍵技術(shù)研究”等項目列入了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），滬東中華造船（集團）有限公司（以下簡稱滬東中華造船）承擔了這2個項目的研發(fā)工作。

滬東中華造船為上述2個項目研發(fā)的LNG海工裝備的貨艙為薄膜型液貨艙。該貨艙的寬度和裝載深度都較大，尤其是在作業(yè)狀態(tài)下，若不限制裝載深度，則艙內(nèi)液貨可能會產(chǎn)生劇烈晃蕩、帶來沖擊載荷，將給液貨艙壁結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

分析認為，最危險的情況是艙內(nèi)液體晃蕩固有周期與船體自身固有周期接近，由此引起共振。為明確是否存在這種危險，需要對船體自身固有周期和艙內(nèi)液體晃蕩固有周期進行計算與核對。

中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所制作了LNG海工裝備4#液貨艙的模型，進行了晃蕩試驗，得到了一些監(jiān)測點處的晃蕩載荷等數(shù)據(jù)。為驗證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，通過對試驗結(jié)果進行計算、驗算及分析，得到液貨艙的晃蕩載荷。

按照挪威船級社（Det Norske Veritas， DNV）的規(guī)范，對該海工裝備4#液貨艙晃蕩問題進行計算，得到不同裝載工況下的船體自身固有周期、艙內(nèi)液體晃蕩固有周期和液貨艙晃蕩載荷，繼而比較艙內(nèi)液體晃蕩固有周期與船體自身固有周期，并將計算所得晃蕩載荷與模型試驗所得結(jié)果進行比較。

1 研究對象

研究的對象是LNG海工裝備4#薄膜型液貨艙，見圖1。

圖1 LNG海工裝備薄膜型液貨艙布置圖

2 計算方法

按照DNV規(guī)范，對船體自身固有周期、艙內(nèi)液體晃蕩固有周期和液貨艙晃蕩載荷進行計算。LNG海工裝備處于作業(yè)狀態(tài)時，由于其液貨裝載深度沒有限制，因此需要對不同裝載深度下的液貨晃蕩進行分析研究。

2.1 船體自身固有周期計算

船體自身固有周期的計算采用＜DNV Rules for Classification of Ships＞ Pt.3 Ch.1 Sec.4→B。1） 橫搖周期為

式（1）中： kr為橫搖回轉(zhuǎn)半徑，m，這里取0.39B（ kr=0.39B為船體質(zhì)量橫向均勻分布的船舶； kr=0.35B為壓載狀態(tài)下的液貨船；kr=B0.25為縱向艙壁之間裝載礦石的船舶）；GM為初穩(wěn)心高度，這里根據(jù)裝載手冊中所給0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h和0.9h等9個液貨艙裝載深度的GM值進行計算。

2） 縱搖周期為

式（2）中：L為船長； g0為標準重力加速度，g0=9.81 m/s2。

計算結(jié)果見表1。

2.2 艙內(nèi)液體晃蕩固有周期計算

艙內(nèi)液體晃蕩固有周期參考DNV＜Strength Analysis of Liquefied Gas Carriers with Independent Type B Prismatic Tanks ＞ Section 7進行計算。

艙內(nèi)液體晃蕩固有周期為

規(guī)范要求液體晃蕩固有周期需偏離船體自身運動固有周期20%。

計算結(jié)果見表2。

2.3 液貨艙晃蕩載荷計算

液貨艙晃蕩載荷參照＜DNV Rules for Classification of Ships＞ Pt.3 Ch.1 Sec.4→C的要求進行計算。

對于距離橫向制蕩艙壁或端部艙壁0.25ls范圍內(nèi)的構(gòu)件，晃蕩壓力滿足

對于距離縱向制蕩艙壁或艙邊艙壁0.25bs范圍內(nèi)的構(gòu)件，晃蕩壓力滿足

液貨艙上半部：

距離橫向制蕩艙壁或端部橫艙壁0.15ls范圍內(nèi)，砰擊壓力滿足

距離縱向制蕩艙壁或艙邊艙壁0.15bs范圍內(nèi)，砰擊壓力滿足

對于縱向艙壁，高度0.2bs以下，砰擊壓力滿足

式（8）和式（9）中：k =1.4-0.002L ，L＞200；δ為校核板與水平面的夾角。最外端橫艙壁 0.15bs內(nèi)角隅砰擊壓力≥pi（縱搖）+0.4pi（橫搖）。

液貨艙晃蕩壓力與砰擊壓力分布見圖2。計算結(jié)果見表3。

圖2 液貨艙晃蕩壓力與砰擊壓力分布

3 計算結(jié)果

3.1 船體運動參數(shù)

為考察船體，取0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h，0.9h和0.985h等10個液貨艙裝載深度，參照前述的式（1）和式（2）得到各裝載深度下的橫搖周期、縱搖周期等船體運動參數(shù)（見表1）。

表1 船體運動參數(shù)

3.2 艙內(nèi)液體晃蕩固有周期

為考察液體晃蕩固有周期，取0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h，0.6h，0.7h，0.8h，0.9h和0.985h等10個液貨艙裝載深度，根據(jù)前述的式（3），計算得到橫搖和縱搖運動下艙內(nèi)液體晃蕩固有周期（見表2）。

表2 艙內(nèi)液體晃蕩固有周期

3.3 液貨艙晃蕩載荷

由式（4）～式（9），得到液貨艙橫搖運動和縱搖運動下晃蕩載荷的規(guī)范值（見表3）。

表3 液貨艙橫搖運動和縱搖運動下晃蕩載荷規(guī)范值

4 比較液貨艙晃蕩固有周期與船體自身固有周期

對表1和表2進行比較，可以得到表4和表5。規(guī)范要求艙內(nèi)液體晃蕩固有周期偏離船體自身運動固有周期20%。

表4 艙內(nèi)液體晃蕩橫搖固有周期與船體橫搖固有周期比較

表5 艙內(nèi)液體晃蕩縱搖固有周期與船體縱搖固有周期比較

由表4可知：橫搖時，各裝載深度大多滿足規(guī)范中“艙內(nèi)液體晃蕩固有周期偏離船體自身運動固有周期20%”的要求，但接近壓載工況（即裝載深度很低，≤0.1h）時不滿足規(guī)范要求。由表5可知：縱搖時，只有接近壓載工況的裝載深度滿足規(guī)范中“艙內(nèi)液體晃蕩固有周期偏離船體自身運動固有周期20%”的要求，一旦裝載深度＞0.2h就不再滿足規(guī)范要求。

也就是說，只有當裝載深度≈0.2h時才能完全滿足規(guī)范要求。而在實際運營中，與裝載深度較為固定的一般LNG船不同，LNG海工裝備的裝載深度顯然不能總是0.2h，從空艙到滿艙皆有可能。這也就意味著LNG海工裝備在各裝載深度的實際工況（尤其是縱搖工況）下，很可能出現(xiàn)液貨艙內(nèi)液體與船體固有周期接近，從而引發(fā)共振的情況。在這些可能出現(xiàn)共振的工況下，液貨艙內(nèi)也就會發(fā)生劇烈的砰擊現(xiàn)象。因此，第3.3節(jié)表3中所列的數(shù)據(jù)中，“砰擊壓力”也就應當?shù)玫街攸c關(guān)注，后續(xù)的結(jié)構(gòu)校核和加強工作也應以此為前提展開。

5 比較規(guī)范計算所得晃蕩載荷與模型試驗所得晃蕩載荷

模型試驗對單自由度搖蕩（橫搖、縱搖、橫蕩及縱蕩）和六自由度耦合運動（艉斜浪60°，艏斜浪130°）進行研究，得出“液貨艙做六自由度耦合運動，各監(jiān)測點上的砰擊壓力都遠小于單自由度搖蕩情況”的結(jié)論，并給出裝載深度為0.6h時六自由度耦合運動下模型試驗數(shù)據(jù)換算成實船的結(jié)果，但未給出單自由度搖蕩情況下模型試驗數(shù)據(jù)換算成實船的結(jié)果。

為便于比較，選取模型試驗裝載深度為 0.6h時各監(jiān)測點晃蕩載荷中的最大值（橫搖工況搖蕩周期為1.20s時是8.842kN/m2，縱搖工況搖蕩周期為1.40s時是6.338kN/m2），依據(jù)相似理論，得到對應的實船結(jié)果（橫搖工況搖蕩周期為7.59s時是177.16kN/m2，縱搖工況搖蕩周期為8.85s時是126.99kN/m2），并與規(guī)范計算所得結(jié)果進行比較，結(jié)果見表6。

表6 模型試驗所得晃蕩載荷與規(guī)范值

由表6可知，無論是橫搖還是縱搖，模型試驗所得結(jié)果均遠遠超過“規(guī)范計算晃蕩壓力”而略小于“規(guī)范計算液貨艙上半部砰擊壓力”，可見所取的模型試驗工況確實接近規(guī)范計算所得的共振工況，模型試驗所得結(jié)果是可靠的。

6 結(jié) 語

按照DNV規(guī)范要求，對某LNG海工裝備4#液貨艙晃蕩問題進行計算，得到其船體自身固有周期、艙內(nèi)液體晃蕩固有周期和液貨艙晃蕩載荷；繼而比較艙內(nèi)液體晃蕩固有周期與船體自身固有周期，發(fā)現(xiàn)有引發(fā)共振和砰擊現(xiàn)象的風險；進一步比較規(guī)范計算所得晃蕩載荷與模型試驗所得晃蕩載荷，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值接近，由此推測模型試驗比較可靠。

考慮到共振工況和砰擊現(xiàn)象，后續(xù)進行校核工作時應重點關(guān)注砰擊壓力，并針對砰擊壓力作相應的結(jié)構(gòu)加強。為了今后改進LNG海工裝備，若條件允許，可針對共振工況和砰擊現(xiàn)象進行更多、更細致的模型試驗。

［1］ 周國平. 對接國家戰(zhàn)略 推進上海海洋工程產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展［J］. 船舶與海洋工程，2014， 30 （2）： 1-8.

［2］ 蔣瑋，朱新禮. 液化天然氣作為船用燃料的可行性研究［J］. 船舶與海洋工程，2013， 29 （3）： 74-78.

［3］ 袁超. 全球LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景及我國造船企業(yè)發(fā)展策略研究［J］. 船舶與海洋工程，2015， 31 （2）： 1-7.

Study on the Sloshing Period and Sloshing Load of Membrane Liquid Cargo Tank on LNG Offshore Equipment

LI Ke， JIANG Ke-jin， ZHANG Hui-ping
（R&D Institute，Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 201209， China）

To solve the sloshing problem of membrane liquid cargo tank onboard a Liquefied Natural Gas （LNG） offshore equipment， its NO.4 tank is taken as the example to perform the regulation calculation according to the Det Norske Veritas （DNV） rules to obtain the natural period of the ship under different loading depth， the natural period of the liquid inside tank and the sloshing load. The ship natural period and the liquid motion period are checked to make sure they meet the regulation then the sloshing loads obtained from regulation calculation and model experiment are compared to see if the model test is reliable. Through these comparisons， it discovers that the ship natural period is close to the liquid natural period under certain loading depth， which might cause liquid resonance and slamming impact inside the tank. The results of model test are close to the slamming pressure value specified by the rules， and are considered reliable. As there is the risk of resonance and slamming impact， subsequent work should focus on the slamming pressure and the structural reinforcement of the liquid tank. It is suggested to carry out more refined model tests to study the resonance and slamming inside liquid tanks for the future construction of LNG offshore equipment.

LNG offshore equipment； membrane liquid tank； sloshing； regulation calculation

U663.85； U661

A

2095-4069 （2016） 05-0015-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.003

2015-10-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2013AA09A216）

李科，男，工學學士，助理工程師，1991年生。2014年畢業(yè)于上海交通大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)力學方面的工作。