曾小林，牛 錚，姚佐權(quán)，李家樂，鄭 健

（1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

隨著國家對節(jié)能減排的大力推廣，船舶動力來源逐漸升級，傳統(tǒng)燃料動力已難以為繼。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種新興能源，具有存量大、排放少和使用便捷的優(yōu)點，經(jīng)過一段時間的推廣和發(fā)展，LNG動力船舶已在一定范圍內(nèi)應(yīng)用于我國的海洋運輸企業(yè)，將LNG作為船舶動源帶來的經(jīng)濟效益和環(huán)保紅利也逐漸引起了行業(yè)重視[1]。

相比于國外，我國LNG燃料船主要來源于內(nèi)河航道的柴油船舶改造。2010年，“武輪拖302”號LNG-柴油混合動力船試航成功，實現(xiàn)我國在這個領(lǐng)域零的突破[2]。船用C型LNG燃料罐作為一種獨立型儲罐，特別適用于中小型船舶的應(yīng)用?？傮w看來，LNG船用起步較晚[3-4]，相關(guān)研究薄弱，存在較多工程問題有待解決[5]。

在江海聯(lián)運的大背景下，開展多海況下船用C型LNG燃料罐的強度研究[6-7]，可以保障船舶動力系統(tǒng)長周期安全運行[8]，有利于加快目前為數(shù)眾多適用性船舶“油改氣”的升級改造，從而提高運輸經(jīng)濟效益[9]，提升我國海洋運輸行業(yè)競爭力[10]。

1 船用C 型LNG 燃料罐

作為基于壓力容器分析方法設(shè)計的設(shè)備，船用C型LNG燃料罐具有承壓特種設(shè)備的獨特屬性，主要表現(xiàn)為事故危害大、容易涉及人民財產(chǎn)損失等。同時，出于泄露安全性考慮，通常會采用雙層臥式結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜海況的作用下，外罐和內(nèi)罐之間的連接結(jié)構(gòu)往往成為設(shè)計分析的熱點及難點。

以1臺8 m3船用C型LNG燃料罐為例，如圖1所示。

圖1 8 m3 船用C 型LNG 燃料罐

這臺LNG燃料罐采用S30408材質(zhì)，內(nèi)罐體規(guī)格為Ф1 600 mm×8 mm×3 400 mm，外罐體規(guī)格為Ф1 800 mm×8 mm×3 800 mm，內(nèi)外罐封頭均為標準橢圓結(jié)構(gòu)。內(nèi)外罐通過2組共8個45°分布的玻璃鋼支撐管連接，即8點支撐形式，前方向4個1組玻璃鋼支撐管設(shè)置為滑動支撐，后方向4個1組玻璃鋼支撐管設(shè)置為固定支撐，這種約束形式可以通過有效位移來釋放海況外載引起的附加應(yīng)力。同理，采用2個150°包角鞍座對結(jié)構(gòu)進行整體支撐，前端鞍座滑動，后端固定?？紤]到貯存LNG的低溫屬性，內(nèi)罐外壁表面鋪設(shè)鋁箔復(fù)合紙進行保冷處理；同時，對外罐內(nèi)部進行抽真空以進一步保證結(jié)構(gòu)的絕熱性能。燃料罐后端處的冷箱，包含了工藝和管路集成系統(tǒng)；冷箱內(nèi)部壓力較小，可采用結(jié)構(gòu)鋼框架，通過熱墊層與船體甲板連接。LNG燃料罐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 LNG 燃料罐主要設(shè)計參數(shù)

LNG燃料罐的強度計算采用壓力容器分析方法，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)，主體材質(zhì)所用的S30408板材的材料性能見表2所示。

表2 S30408 性能數(shù)據(jù)

2 海況條件

針對在復(fù)雜海洋環(huán)境下航行的船舶，海況可等效為各個方向的慣性力條件?！渡⒀b運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中對此有過詳細規(guī)定，但參與計算的參數(shù)較多，例如船舶長度、液貨艙與船舶的相對尺寸等，這些參數(shù)往往在設(shè)備設(shè)計階段難以準確得出，這也為各方向慣性力的計算帶來了諸多不確定性。

然而，CB/T 4453—2016《船用液化天然氣燃料儲罐》中規(guī)定，在各方向慣性力難以準確取得的情況下，可對海船采用如下慣性力取值：1）運動方向2g慣性力；2）與運動方向成直角的水平方向1.5g慣性力；3）重力方向向上1g慣性力；4）重力方向向下2g慣性力。

此外，參考《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中內(nèi)容，增加側(cè)向傾斜30°的海況，以分析強烈橫浪沖擊造成船體傾斜的載荷工況。

需要指出的是，在設(shè)計方無法獲知燃料罐的放置方向與船首方向關(guān)系的情況下，本著保守分析的原則，運動方向2g慣性力不僅體現(xiàn)在燃料罐的軸向，還應(yīng)考慮其側(cè)向的影響。

主要海況載荷參數(shù)見表3。

表3 主要海況載荷參數(shù)

3 溫度場分析

選取內(nèi)罐、保冷材料（鋁箔復(fù)合紙）和外罐進行溫度場分析，在計入82%的LNG充裝率的前提下，主要分析LNG（?196 ℃）與內(nèi)罐金屬材料的熱對流，空氣（保守環(huán)境溫度50 ℃）與外罐金屬材料的熱對流作用，外罐內(nèi)壁與保冷材料之間輻射以及不同材料的熱傳導(dǎo)。內(nèi)外罐的有限元溫度場計算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 整體溫度場分析結(jié)果

圖3 局部溫度場分析結(jié)果

內(nèi)罐整體溫度非常均勻，幾乎不存在溫差。由于內(nèi)外罐相對位置并不是前后對稱，因此受熱輻射影響，外罐整體存在有限溫差，溫差僅為2.7 ℃。結(jié)構(gòu)溫差主要體現(xiàn)在保冷材料上，由內(nèi)向外溫度從?195.81 ℃升至46.84 ℃。

由此可見：保冷材料有效控制了金屬結(jié)構(gòu)的溫度梯度，避免較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生，對內(nèi)、外罐的熱保護作用明顯。

4 強度分析

根據(jù)溫度場的計算結(jié)果可見：內(nèi)外罐各自的溫差均較小，保冷材料的絕熱性能使得內(nèi)部熱應(yīng)力問題得到有效規(guī)避。在對C型燃料罐進行強度分析時，主要考慮壓力和慣性力引起的載荷對結(jié)構(gòu)支撐件的影響。

在某些海況條件下，載荷不具有對稱性，因此計算模型總體采用全模型。個別海況載荷具備對稱性條件，亦可采用1/2模型以合理提高分析效率。

在海況1下，C型燃料罐的整體應(yīng)力強度云圖如圖4所示。由圖4可以看出：在結(jié)構(gòu)受到橫向慣性力和重力慣性力聯(lián)合作用時，結(jié)構(gòu)固定端鞍座的側(cè)面受影響最大，此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值為387.11 MPa。

圖4 燃料罐應(yīng)力強度云圖（海況1）

同時，內(nèi)外罐也相應(yīng)受到慣性力的影響。由圖5可知：內(nèi)罐大部分區(qū)域在內(nèi)壓的影響下，受力較為均勻，但是在固定端的玻璃鋼支撐點處，局部應(yīng)力較大，較內(nèi)罐平均應(yīng)力存在2倍應(yīng)力的波動。外罐受力亦然，在固定端的玻璃鋼支撐點處應(yīng)力水平局部達到了239.55 MPa。

圖5 燃料罐內(nèi)外罐應(yīng)力強度云圖（海況1）

由圖4和圖5可知，海況1下，結(jié)構(gòu)受力熱點主要集中在受慣性力影響較大的支撐件上，包括外罐鞍座和內(nèi)外罐的玻璃鋼支撐加強件附近；內(nèi)壓引起的非自限性應(yīng)力響應(yīng)并不是造成結(jié)構(gòu)失效可能性的關(guān)鍵因素。

海況2下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度云圖如圖6和圖7所示。模型應(yīng)力最大值出現(xiàn)在固定鞍座底板處，此處產(chǎn)生了范圍很小的局部高應(yīng)力區(qū)，區(qū)域最大值為241.08 MPa。內(nèi)罐結(jié)構(gòu)，前后封頭應(yīng)力水平較高，尤其是前封頭，應(yīng)力極值為218.90 MPa。外罐結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力較高區(qū)域主要分布在內(nèi)外罐支撐件的加強墊板附近，應(yīng)力最大值為92.42 MPa。

圖7 燃料罐內(nèi)外罐應(yīng)力強度云圖（海況2）

與海況1不同，慣性力引起的應(yīng)力擾動并沒有影響到壓力載荷帶來的整體應(yīng)力分布趨勢，內(nèi)罐前后封頭處的應(yīng)力極值水平仍然由內(nèi)壓主導(dǎo)。海況2的慣性力對外罐和鞍座相同部位的應(yīng)力響應(yīng)也不及海況1。

在海況1～海況5下，結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力強度最大值及相關(guān)關(guān)系如圖8所示，圖8中內(nèi)罐應(yīng)力強度最大值除海況1出現(xiàn)在內(nèi)罐的支撐加強件上，其余海況下均出現(xiàn)在封頭上。外罐和鞍座在各海況下的應(yīng)力強度最大值位置相同。

圖8 不同海況下各部件應(yīng)力強度最大值比較

由于船用C型燃料罐在長度方向尺寸較大，首先造成附加的液柱靜壓上升，內(nèi)罐的薄膜應(yīng)力較大：另一方面，鞍座和玻璃鋼支撐結(jié)構(gòu)都是一端固定、一端滑動，在前后方向2g慣性力作用下，長度方向的大力臂會不可避免地產(chǎn)生附加高彎矩，考慮到固定端約束較強，其附近局部結(jié)構(gòu)受彎矩影響而生成高應(yīng)力區(qū)域，從而形應(yīng)力熱點。因此，海況1下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平普遍偏高。

其余海況中，受到慣性力方向尺寸和慣性力大小的限制，附加彎矩對結(jié)構(gòu)受力環(huán)境的影響較為有限，尤其是內(nèi)罐封頭處，應(yīng)力極值的產(chǎn)生主要還是由內(nèi)壓引起的，外罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平也較小。需要注意的是：在海況5下，結(jié)構(gòu)整體受到偏心重力作用而產(chǎn)生的附加彎矩也處于高位，與偏心方向相背的鞍座作用點附近的應(yīng)力水平也不容忽視。

由于此次分析的船用C型燃料罐已成功應(yīng)用于工程實際當(dāng)中，采用壓力容器強度校核方法的應(yīng)力分類與評定過程受到篇幅影響，再此不作贅述。根據(jù)分析結(jié)果，各類海況條件下，海況1無疑是較為危險的工況，對結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計乃至后期的優(yōu)化分析都提出了較高的要求。

5 結(jié)論

1）通過對1臺船用C型LNG燃料罐進行的整體溫度場分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)罐表面由鋁箔復(fù)合紙組成的保冷材料是結(jié)構(gòu)最重要的絕熱部件，在很大程度上減緩了內(nèi)外罐金屬結(jié)構(gòu)的溫度分布，保證了溫度均勻性，從而規(guī)避了熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)失效的影響。

2）在船用C型LNG燃料罐的強度分析中，相較于其他海況而言，海況一中的運動方向2g慣性力對結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平影響較大，尤其是鞍座固定端和內(nèi)罐支撐加強件附近，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化分析提出了較高的要求。因此海況一也是整個海況分析中的重點與難點，應(yīng)在設(shè)計過程中首要考慮并謹慎對待。