趙志堅，劉仁昌，李連亮，何佳琦，朱光偉，齊東周，黃金林

冰區(qū)雙燃料平臺供應船結構設計要點

趙志堅，劉仁昌，李連亮，何佳琦，朱光偉，齊東周，黃金林

結合目標冰區(qū)雙燃料平臺供應船的技術特點，針對其冰區(qū)結構輕量化設計及LNG燃料罐艙布置和設計方法問題，根據(jù)船級社規(guī)范要求，明確冰帶區(qū)域范圍，計算和確定結構構件尺寸，討論該船型設計中結構輕量化的問題；參考IGF規(guī)則，結合平臺供應船的特點給出罐艙區(qū)域布置設計方案。

冰區(qū)雙燃料平臺供應船；結構輕量化設計；LNG燃料罐；冰帶區(qū)域

同時滿足冰區(qū)航行和雙燃料技術要求的平臺供應船是適應未來市場需求的海工發(fā)展方向之一。該型船舶符合波羅地海1A冰級[1]要求，此冰級符號要求船舶有能力在高冰情海況下行駛(必要時破冰船輔助)，其遭遇冰載荷冰層厚度不超過0.8 m，載荷作用高度設計值為0.3 m。其動力系統(tǒng)采用包括常規(guī)燃料和LNG清潔燃料的雙燃料技術，其中LNG燃料由安裝在船上的LNG燃料液罐提供，該液罐為 C型雙真空絕熱形式[2]的獨立液罐，具有不必設計復雜的再液化系統(tǒng)，不需要次級屏蔽、無半載裝運限制等優(yōu)點。針對目標平臺供應船冰區(qū)航行和雙燃料2個技術特點，對該船型冰帶區(qū)域結構設計及LNG燃料罐艙的布置和設計等要點進行探討。

1 冰帶區(qū)域結構輕量化設計

1.1 冰帶區(qū)域劃分

目標船主要參數(shù)見表1。

表1 目標船主要參數(shù)

對于冰區(qū)船舶的設計，首先要確定其舷側結構的冰帶區(qū)域。沿船長方向根據(jù)不同區(qū)域遭受冰載荷烈度的差異性來確定劃分范圍，通常劃分為首部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域。垂向范圍則為船舶舷側結構可能遭遇冰載荷的區(qū)域，一般利用高位冰區(qū)水線(UIWL)與低位冰區(qū)水線(LIWL)來界定[3]，二者分別為船舶在冰區(qū)航行時預定水線最高點與最低點的包絡線。目標船入級美國船級社，該船級社規(guī)范[4]中分別針對板和骨材給出了相應區(qū)域延伸范圍要求，參照該規(guī)范要求可初步確定冰帶區(qū)域范圍，見表2。

表2 冰帶區(qū)域垂向范圍

考慮應將作用在骨材的冰載荷傳遞到水平強力結構構件上，結合平臺供應船的特點(型深不高，主甲板距基線7 900 mm,內(nèi)底板高度在1 000～1 450 mm范圍內(nèi))，最終骨材結構冰帶區(qū)域向上延伸至主甲板，向下延伸至內(nèi)底板。見圖1。

1.2 冰帶區(qū)域結構形式設計與構件尺寸規(guī)范計算

設計之初，需根據(jù)實際船型總體和結構布置選取合適的結構形式。通常將冰帶區(qū)域結構拆分為多個加筋板板架，根據(jù)具體要求選取每種板架結構形式。板架的結構形式主要為橫骨架式與縱骨架式[5]，2種結構形式各有優(yōu)勢。橫骨架式結構對于橫向載荷承載能力較強，因為在同樣的冰載荷面積下可以將載荷分布到更多的肋骨上，可以較好地保證結構的局部強度。因此，在不考慮總縱強度的情況下采用橫骨架式更占優(yōu)勢。縱骨架式結構則對船體總縱強度有一定貢獻?？紤]到船體中部區(qū)域結構參與總縱彎曲程度較大，因此將該部分設置為縱骨架式，以保證整個船體結構抵抗總縱彎曲的能力。

充分考慮本船型結構布置特征，將冰帶加強區(qū)域劃分為9個典型板架區(qū)域，見表3。

表3 冰帶區(qū)域板格劃分結果

利用規(guī)范計算方法指導結構設計?；诓煌?guī)范計算得到的規(guī)范要求尺寸值會略有差異[6], 本船入級ABS船級社，故參照該船級社相關規(guī)范[4]開展規(guī)范計算。

首先對冰帶區(qū)域每一個板格的設計冰壓力值進行計算，計算結果見表4。

由表4可見，對于相同區(qū)域不同骨架形式板結構的設計冰壓只是骨材間距的函數(shù)，即當骨材間距一樣時，相同區(qū)域不同骨架形式板結構的設計冰壓是相同的；相同區(qū)域、相同骨材間距，橫骨架式體系骨材的設計冰壓大于縱骨架式體系骨材的設計冰壓；相同板格橫骨架式體系板與骨材的設計冰壓相同，縱骨架式板的設計冰壓要大于骨材的設計冰壓。沿船長范圍；艏部區(qū)域設計冰壓最大，舯部區(qū)域次之，艉部區(qū)域最小。

表4 冰載荷設計值

根據(jù)設計冰壓及結構形式選取艏部典型橫骨架式板格3與船中縱骨架式板格5為算例闡述構件尺寸規(guī)范計算及相應結構設計方法，具體位置見圖2。

結構構件尺寸規(guī)范計算結果見表5。

本船中平行中體部分舷側為雙層殼結構，雙層殼中間設有強肋骨。由于船型功能性原因，其強肋骨上開有很多孔，其典型剖面形式見圖3。

表5 冰帶區(qū)域外板和骨材尺度規(guī)范要求值

鑒于冰帶區(qū)域內(nèi)舷側強肋骨結構形式的特殊性，已不能采用規(guī)范計算方法對其進行校核，故參照規(guī)范[7]結合直接計算的方法校核該構件結構強度。計算模型見圖4，對于從雙層底延伸到甲板的強肋骨。與內(nèi)底相連端部做剛性固定，與甲板相連的端部做簡支處理。

根據(jù)規(guī)范載荷F為

F=1 800phs

(1)

根據(jù)式(1)計算出設計冰壓為495.9 kN。壓力作用點應選取為使結構獲得最大的剪力值的載荷施加位置。規(guī)范給出最大剪力值的計算公式為：

(2)

(3)

由式(2)，(3)可以看出，載荷施加位置越靠近2端，則剪力規(guī)范計算值Q越大。故選取2種載荷施加工況見圖5。

計算結果見表6，強度校核衡準參照ABS規(guī)范。由強度評估結果可知，原強肋骨設計已滿足冰區(qū)要求，不需要對其進行加強處理。

表6 有限元計算結果

1.3 冰帶區(qū)域結構輕量化設計

定義材料利用率因子為

(4)

盡可能提高材料利用率，冰帶區(qū)域結構(以板格3與板格5為例)具體設計尺寸見表7。

表7 冰帶區(qū)域外板和骨材尺度設計值

由表7可見，對于橫骨架式板格，其有效剪切面積的材料利用率很低，在設計過程中，剖面模數(shù)的要求占主導地位。而縱骨架式板格對抗剪切面積的要求則很高。這是因為縱骨架式結構，冰載荷均布作用在縱骨上，致使縱骨架式縱骨在冰壓作用下應具備一定的抗剪切能力。

平臺供應船這類船型對于重量的控制要求相對較高，在保證結構滿足冰區(qū)航行強度要求的前提下,對典型板架進行設計輕量化分析。針對相同基礎舷側冰帶外板形式，對其板厚和骨材(基于歐洲型材庫)選擇不同設計方案，在滿足規(guī)范的前提下，計算每種方案的設計重量。該重量為板格單位長度重量，包括板及焊接在板上的所有骨材。具體情況如表8、9與圖6、7。

序號設計方案板厚/mm間距/m骨材數(shù)量型材類型利用率/%板厚腹板厚有效剪切面積剖面模數(shù)板格重量/kg180．1276HP180×10．098．7590．0011．4295．98522．242100．1525HP200×9．091．00100．0013．0588．46518．503110．1904HP200×11．595．4578．2613．4694．65529．044130．2533HP220×11．598．0090．0015．8894．59522．245180．3802HP260×10．091．7890．0021．3393．12557．606240．7601HP300×12．099．29100．0027．5799．93619．48

表9 縱骨架式板格5輕量化研究

型材庫對型材尺寸類型的限制及腹板厚度的要求制約了骨材尺寸的選取。對比以上設計方案可以看出，對于本船型，若不考慮建造工藝，適當減小骨材間距，有利于結構輕量化設計。

2 罐艙設計

2.1 LNG儲罐形式的選擇及適用性

C型獨立氣罐的主流形式分別為雙層真空絕熱儲罐和單層外包絕緣儲罐[8]。雙層真空罐在以下3方面具有優(yōu)勢：首先在發(fā)生火災時，雙層真空罐的外殼奧氏體不銹鋼[9]耐火能力比絕緣材料強很多，雙層不銹鋼的防撞性能也好于單層罐。其次單殼外包絕緣罐的接口全部在上面，需在主甲板上開孔為罐上的穹頂留出空間，將會影響載貨甲板空間，而雙層真空絕熱罐的接口布置在下面，相關的閥門封閉在冷箱中，不影響載貨甲板的布置燃料。最后雙層真空罐燃料系統(tǒng)采用儲罐蓄壓的形式供給燃料，而單層罐燃料系統(tǒng)則需要增加LNG泵設備來供給燃料，在可靠性和成本方面雙層真空罐更有優(yōu)勢。因此冰區(qū)雙燃料平臺供應船選用雙層真空絕熱儲罐。

2.2 罐艙布置要素

罐艙的布置要從避免船舶碰撞或其他意外損壞、防火防爆安全要求、上部載貨甲板加強[10]和日常維護維修等方面考慮。

1)氣罐位置應盡可能避免在船舶遭到碰撞或者其他意外等外部傷害時，不隨之受到損壞。因此氣罐位置應盡可能靠近中線，同時還要保證氣罐及其附件距離舷側不少于B/5(B為船寬)或11.5 m,距離船底不少于B/15或2 m，都分別取較小值，并且在任何位置，距離船體外板不少于0.8 m。

2)氣罐以及罐艙處所不應與機器處所和其他具有較大失火危險的處所相鄰。對于雙真空絕熱C型氣罐，若氣罐外殼距艙壁小于900 mm,則氣罐處所可以作為隔離艙，單氣罐布置在機器處所和其他可能產(chǎn)生火災的危險區(qū)域的上方的情況除外。本船的氣罐艙的布置(見圖8)，盡可能布置了失火風險較小的泥漿艙和其他機械處所類的泵艙，雙層底布置了壓載水和鉆井水艙。

3)罐艙的上邊界為載貨甲板，裝載向平臺供應的鉆井、鉆管等物資，承受較大的載荷，由于LNG燃料氣罐尺寸較大，難以在罐艙中設置立柱加強，這就要求在橫向加裝較大的主梁，同時考慮到燃料氣罐高度，要在LNG燃料氣罐和甲板主梁留有一定的間隙，方便日后的檢修。

3 結論

1)對于承受冰載荷作用的板架結構，不同板架結構形式中骨材尺寸選取的主導因素不同。對于橫骨架式板架的骨材尺寸選取，其主導因素是截面剖面模數(shù)，對于縱骨架式板架則取決于截面有效剪切面積。在選擇冰區(qū)加強結構板架形式時，通常來說，相同重量的橫骨架式結構，其抵抗冰載荷的能力優(yōu)于縱骨架式結構。

2)對于平臺供應船類型的船舶，不考慮建造工藝的影響，減小骨材間距，有利于結構輕量化。

3)罐艙的布置方案基本避開具有較大失火危險的處所，但是未能避開失火風險較小的基油艙和泵艙，雖已滿足要求，但尚存進一步優(yōu)化的空間。

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(中遠船務工程集團有限公司， 遼寧 大連 116600)

On the Key Points of Structural Design for the Ice Class Dual Fuel PSV

ZHAO Zhi-jian, LIU Ren-chang, LI Lian-liang, HE Jia-qi, ZHU Guang-wei, QI Dong-zhou, HUANG Jin-lin

(COSCO-Shipyard Group Co. Ltd., Dalian Liaoning 116600 China)

Focus on the technical features of an ice class dual fuel platform supply vessel (PSV), the research of ice belt structure light-weight design and LNG fuel tank compartment arrangement was carried out. The ice belt area and structure scantlings were determined based on classification code, and the relationship between design plan and structural lightweight for this type of ship was discussed. The LNG fuel tank compartment area’s layout and key points of structure design was given refers to IGF code based on the characteristics of PSV.

ice class dual fuel PSV; structure light-weight design; LNG fuel tank; ice belt

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.001

2016-05-18

中遠集團科研項目(2015-1-H-005)

趙志堅(1974—)，男，碩士，高級工程師

U663

A

1671-7953(2017)01-0001-05

修回日期：2016-06-08

研究方向:船舶與海洋工程