劉 輝，王任眾，李寶鑫，紀(jì)宏源

（1.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600；2.大連遼南船廠，遼寧大連 116041；3.必維船級社（中國）有限公司，上海 200011）

LNG運(yùn)輸船C型罐低溫場計(jì)算分析

劉 輝1，王任眾2，李寶鑫3，紀(jì)宏源1

（1.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600；2.大連遼南船廠，遼寧大連 116041；3.必維船級社（中國）有限公司，上海 200011）

文章提出了對C型罐周圍低溫場的理論計(jì)算方法，認(rèn)為船體外部的溫度向內(nèi)部傳遞熱量，使得罐體周圍低溫場達(dá)到熱平衡。低溫場的確定決定了鋼制材料等級的選擇，從而有效防止結(jié)構(gòu)低溫脆性破壞。

LNG船；C型罐；低溫場計(jì)算；低溫脆性

0 引言

LNG（液化天然氣，Liquefied Natural Gas）是天然氣經(jīng)壓縮、冷卻至其沸點(diǎn)溫度后變成液體，通常液化天然氣儲(chǔ)存在-164℃、0.1 MPa左右的低溫儲(chǔ)存罐內(nèi)。

中小型LNG運(yùn)輸船多采用低溫常壓式（又稱液冷式）C型貨罐裝載天然氣。貨罐處于低溫狀態(tài)，且在貨罐周圍形成低溫梯度場（又稱低溫場），從而影響了貨罐基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、貨罐周圍船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及材料特性，因此對貨罐周圍低溫場進(jìn)行計(jì)算分析，可有效避免因低溫脆性的破壞而造成的船體結(jié)構(gòu)失效，以及可有效提高材料分布使用率。貨罐低溫場計(jì)算分析為類似船型貨罐基座及附近船體結(jié)構(gòu)材料的選擇提供有益參考。

1 C型罐布置分析

為防止船舶碰撞擱淺，C型貨罐通常布置在獨(dú)立的密閉艙室里，雙舷側(cè)、雙層底、單甲板結(jié)構(gòu)。艙室內(nèi)部布置低溫隔熱絕緣層，可有效保護(hù)船體結(jié)構(gòu)。罐體與艙壁、甲板之間保留相當(dāng)?shù)牟僮骺臻g，此空間同時(shí)起到阻礙溫度傳導(dǎo)的作用，有效降低罐體低溫對結(jié)構(gòu)的影響。罐體通過基座與船舶內(nèi)底相連，基座的位置盡量布置在雙層底肋板處。為防止因艙室進(jìn)水而導(dǎo)致罐體上浮，通常在甲板靠近兩舷位置布置止浮裝置。

2 環(huán)境及結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)溫度

船舶外部環(huán)境溫度分為空氣溫度和海水（淡水）溫度。內(nèi)外溫差很大，所選取的外部環(huán)境溫度直接影響材料鋼級的選取。根據(jù)IGC（《國際散裝運(yùn)輸液化氣體規(guī)則》）、USCG（《美國海岸警衛(wèi)隊(duì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則》及《美國海岸警衛(wèi)隊(duì) 航行于阿拉斯加海域規(guī)則》）、赤道航行等，對環(huán)境設(shè)計(jì)溫度的要求不同。表1為根據(jù)需要選取的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)值。如無特殊要求，則按照IGC選取空氣溫度為5℃，海水溫度為0℃，作為環(huán)境設(shè)計(jì)溫度。

表1 環(huán)境設(shè)計(jì)溫度

美國船級社規(guī)范[1]中，船體結(jié)構(gòu)最低設(shè)計(jì)溫度與材料鋼級的選取有明確規(guī)定，如表2所示。

表2 船體結(jié)構(gòu)最低設(shè)計(jì)溫度

3 低溫場分布計(jì)算

3.1 對流及傳導(dǎo)

LNG罐內(nèi)部溫度為-164℃，外部空氣溫度為5℃，海水溫度為0℃，因此熱由船體外部向內(nèi)部傳導(dǎo)。

鋼板將內(nèi)外兩個(gè)獨(dú)立空間分隔開，熱在兩個(gè)獨(dú)立艙內(nèi)分別形成對流，艙之間的熱通過鋼板，由高溫區(qū)向低溫區(qū)進(jìn)行傳導(dǎo)。圖1為熱傳遞示意圖。

假設(shè)船體外部空氣溫度為Tair，空氣對流系數(shù)為Hair-out；船體內(nèi)部艙室溫度為Ttank，空氣對流系數(shù)為Hair-in；鋼板厚度為t，鋼板熱傳導(dǎo)系數(shù)為λ，鋼板內(nèi)、外表面溫度分別為T1、T2。可得出下述兩個(gè)公式[2]：

圖1 熱傳遞圖

由外部空氣到鋼板外表面（熱對流）：

由鋼板內(nèi)表面到內(nèi)部艙室（熱傳導(dǎo)）：

解式(1)和式(2)，得出下述式(3)：

式(3)可以簡化為：

即：

式(5)適用于所有獨(dú)立艙室之間的熱傳導(dǎo)。

得出各艙室之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)后，對各艙室分別編寫熱傳導(dǎo)公式并求解公式矩陣，從而求得各艙室的溫度。

對于某LNG船，列出公式并求解，剖面形式如圖2所示。

1）第二層氣密艙

2）舷頂艙

3）舷側(cè)艙

4）舷側(cè)底部艙水線下

5）舭部艙

6）雙層底艙

7）貨艙水線上

8）貨艙水線下

9）LNG艙

得出矩陣方程：

板所傳導(dǎo)的熱計(jì)算公式為：

3.2 翼翅效應(yīng)

板上的梁、筋，對熱傳遞同樣具有非常重要的輻射作用，稱之為“翼翅效應(yīng)”。

圖2 LNG船橫剖面圖

對式(5)的hair進(jìn)行修正，即考慮翼翅效應(yīng)后的對流系數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過對中小型LNG運(yùn)輸船通常采用的C型貨罐的低溫場進(jìn)行計(jì)算分析，將熱力學(xué)中的熱傳遞理論應(yīng)用到實(shí)際工作中，提出了一種簡化算法，為快速確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及鋼料等級提供了一條捷徑。本文充分考慮到了“翼翅效應(yīng)”對熱傳遞的影響，比較貼近實(shí)際，可推廣到實(shí)際工程運(yùn)用中。

[1]ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2012.

[2]岳丹婷.工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)[M].大連： 大連海事大學(xué)出版社,2002.

[3]余祥虎.LNG船液貨艙溫度及應(yīng)力場有限元分析研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué),2009.

[4]楊青松,陸叢紅,紀(jì)卓尚.中小型LNG船貨罐鞍座及附近船體材料分布研究[J].中國艦船研究,2010,5(4)：40-43.

[5]李學(xué)軍,高占峰,劉輝.小型LNG運(yùn)輸加氣船的經(jīng)濟(jì)性分析研究[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師,2014(4)： 46-48.

Computational Analysis of Low Temperature Field of LNG Carrier C-shape Tank

LIU Hui1,WANG Renzhong2,LI Baoxin3,JI Hongyuan1
(1.Technology R&D Center,COSCO Shipping Heavy Industry Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116600,China; 2.Dalian Liaonan Shipyard,Liaoning Dalian 116041,China; 3.Bureau Veritas,Shanghai 200011,China)

The theoretical method calculation of low temperature field around the C-shape tank is proposed.It is considered that heat balance could be achieved by transferring from outside to inside.With the heat balance around the C-shape tank,the steel material shall be determined,which can avoid the failure of low temperature brittleness on structure.

LNG carrier; C-shape tank; low temperature field calculation; low temperature brittleness

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.008

劉輝（1982—），男，碩士，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)及有限元分析。