許佳慧，陳來生，樊 杰，周小翔，楊 陽

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

國際海事組織(IMO)對船舶污染物排放的要求越來越嚴格，自2020年1月1日起，規(guī)定全球所有船舶使用硫含量不超過0.5%的燃料。由此，船舶業(yè)主和運營商必須采取有效措施，應(yīng)對日益嚴格的污染物排放要求，使用具有較好經(jīng)濟效益的清潔能源LNG代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料油是行之有效的方法之一，因此LNG燃料動力船近年來的發(fā)展十分迅速。

為契合世界船舶低能耗、高環(huán)保的發(fā)展趨勢，某船舶公司為瑞典船東建造的15 000 t雙燃料化學(xué)品船配套兩臺315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐作為發(fā)動機燃料的儲存裝備，排放滿足國際海事組織Tier Ⅲ的排放要求。我司負責(zé)研制配套的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐，本文介紹了315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元計算，其設(shè)計制造滿足IGF規(guī)則[1]和BV船級社入級規(guī)范[2]。

1 燃料罐的結(jié)構(gòu)特點

本文研制的315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐為C型獨立燃料艙，由內(nèi)容器、外容器、保溫材料、支撐構(gòu)件、防波板、工藝管道、氣包、鞍座和氣罐連接處所等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LNG燃料罐的主要結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)容器用于儲存低溫LNG，主要承受儲存介質(zhì)所產(chǎn)生的壓力、重力載荷和動力加速度載荷等。內(nèi)、外容器的夾層空間填充保溫材料，且為真空狀態(tài)，降低內(nèi)容器與外容器之間的熱量傳輸，內(nèi)、外容器之間的支撐構(gòu)件(一端固定，一端滑動)強度高、導(dǎo)熱率低，從而實現(xiàn)對內(nèi)容器的保冷及保護。為了減小燃料罐內(nèi)裝載介質(zhì)晃動對罐體產(chǎn)生的沖擊載荷，在內(nèi)容器內(nèi)部設(shè)置了防波板結(jié)構(gòu)，這也是燃料罐與固定式真空絕熱儲罐相比結(jié)構(gòu)設(shè)計上的特殊之處。防波板的數(shù)量及位置設(shè)定應(yīng)能夠避免燃料罐與船舶發(fā)生諧蕩，強度設(shè)計應(yīng)能夠承受晃蕩動壓力載荷[3]。本文通過共振風(fēng)險評估計算，得出應(yīng)設(shè)置兩塊防波板的結(jié)論。有限元分析計算表明，其強度設(shè)計能夠承受晃蕩動壓力載荷。防波板設(shè)計滿足IGF規(guī)則和BV船級社入級規(guī)范的要求。

工藝管道根據(jù)實際使用要求，設(shè)置頂部充裝、底部充裝、底部出液、安全放散、溢流、BOG出口、泵回流、溫度傳感器套管、液位計氣相和液位計液相等功能管道。頂部充裝和底部充裝管用于對燃料罐加液。頂部充裝管設(shè)計為多孔噴淋結(jié)構(gòu)，保證燃料罐預(yù)冷時LNG均勻進入，讓內(nèi)容器充分預(yù)冷。底部出液管向泵池供液，LNG經(jīng)過機械增壓進入氣化器，加熱氣化后為船舶提供動力。安全放散管保證當(dāng)罐內(nèi)氣相空間壓力超過安全設(shè)定壓力時，對燃料罐進行放空保護。溢流管用于防止燃料罐過量充裝。BOG出口和泵回流管保證燃料罐和泵池內(nèi)壓力平衡。溫度傳感器套管內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，探測燃料罐內(nèi)部溫度。液位計氣、液相管用于監(jiān)測燃料罐內(nèi)的壓力和液位。

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，將對船員、船舶和環(huán)境的風(fēng)險降至最低。氣罐連接處所與外容器連接，其內(nèi)部布置供氣系統(tǒng)的設(shè)備、閥件、管件和管路附件等。頂部設(shè)置有負壓機械通風(fēng)系統(tǒng)，用于將泄漏的氣體引至安全區(qū)域進行集中排放，保證船員、船舶和環(huán)境的安全。

2 燃料罐的技術(shù)參數(shù)

315 m3，0.7 MPa LNG燃料罐的設(shè)計制造基于IGF規(guī)則 、BV船級社入級規(guī)范和ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范。燃料罐幾何容器315 m3，設(shè)計蒸汽壓力0.7 MPa，內(nèi)容器直徑4.1 m，外容器直徑4.7 m，總長度約28 m，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 LNG燃料罐的主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

船舶在運行過程中長期處于晃蕩狀態(tài)，內(nèi)容器承受的內(nèi)壓需要特別考慮內(nèi)部液體壓力。內(nèi)部液體壓力是指由于船舶運動所引起的液化氣燃料重心加速度產(chǎn)生的壓力。該燃料罐位于船舶甲板上，外容器承受的外壓需要特別考慮上浪載荷。這是燃料罐與固定式真空絕熱儲罐相比需要特別考慮的載荷。

3 燃料罐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 底部出液管

船舶的燃料供給過程為通過燃料罐的底部出液管向泵池供液，進入泵池的LNG經(jīng)過機械增壓進入汽化器，LNG經(jīng)汽化器加熱氣化進入發(fā)動機。所以底部出液管的結(jié)構(gòu)是燃料罐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，也是船東的重點關(guān)注點。底部出液管的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，泵的入口高度高于燃料罐的最低液位，泵的運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，影響船舶的動力供給。本文設(shè)計的底部出液管的結(jié)構(gòu)如圖3所示，泵的入口高度低于燃料罐的最低液位，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料自流、持續(xù)供液，有效解決了泵的氣蝕問題，保證船舶運行的穩(wěn)定性。底部出液管的外部為氣包結(jié)構(gòu)，氣包與外容器焊接，氣包里面抽真空，填充保溫材料，與外容器一起對內(nèi)容器及內(nèi)部工藝管道形成次屏蔽保護。

圖2 底部出液管的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

圖3 底部出液管的新結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3.2 氣罐連接處所

氣罐連接處所是用于包含所有燃料艙接頭和必需閥件的圍蔽處所，用于容納可能泄漏的低溫LNG或者天然氣，使船員、船舶和環(huán)境的風(fēng)險降至最低。LNG供氣系統(tǒng)布置于氣罐連接處所內(nèi)部。本文設(shè)計的燃料罐氣罐連接處所的結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩臺燃料罐的氣罐連接處所對稱布置。氣罐連接處所與外容器之間通過一段圓筒過渡連接，主體部分由1/4圓形壁和3/4方形壁組成。

圖4 氣罐連接處所的結(jié)構(gòu)示意圖

不同構(gòu)件相連接處由于位移的不連續(xù)，產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，外容器與氣罐連接處所相連接處即存在此邊緣應(yīng)力，利用圓柱形容器受力均勻，應(yīng)力小的優(yōu)勢，通過在氣罐連接處所與外容器連接處設(shè)置一段圓柱形過渡筒節(jié)，降低應(yīng)力，提高設(shè)備承壓能力。

設(shè)計1/4圓形壁和3/4方形壁的組合形狀，是基于提高氣罐連接處所的承壓能力和增大氣罐連接處所的空間的綜合考慮。為提高傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，可采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計，因為圓形結(jié)構(gòu)受力均勻，而且相同壁厚時，應(yīng)力比方形結(jié)構(gòu)較小，但是圓形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)相比空間較小。當(dāng)船上空間有限時，特別是小型船舶，氣罐連接處所長度常常受到限制，而燃料罐的供氣系統(tǒng)復(fù)雜，需要的空間較大，所以需要在同等長度的情況下增大氣罐連接處所空間。本文采用1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能改善傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。

4 燃料罐的有限元計算

基于ANSYS軟件對燃料罐的主要結(jié)構(gòu)進行了靜強度和疲勞強度的有限元分析計算和評定，為燃料罐的長期安全使用提供重要依據(jù)。

4.1 罐體的有限元計算

罐體的有限元計算模型包括內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)、外容器主體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和鞍座主體結(jié)構(gòu)等。有限元計算采用360°幾何模型，罐體的主體結(jié)構(gòu)采用三維實體單元模擬，共有981 492個三維八節(jié)點實體單元(SOLID185)。內(nèi)、外容器之間的支撐結(jié)構(gòu)采用面與面接觸單元模擬，共有47 564個面與面接觸單元(TARGE170，CONTA174)。

靜強度計算結(jié)果表明，內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)最大的峰值應(yīng)力為201.4 MPa，評定合格，應(yīng)力云圖如圖5所示。外容器與鞍座連接位置最大的峰值應(yīng)力為292.6 MPa，滿足IGF規(guī)則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規(guī)定，評定合格，應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 內(nèi)容器主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 外容器與鞍座連接位置應(yīng)力云圖

儲罐設(shè)計使用壽命為25 a，其中使用時間85%，按此計算疲勞破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。疲勞強度計算結(jié)果及評定如表2所示，符合IGF規(guī)則對疲勞載荷累積效應(yīng)的規(guī)定。

表2 疲勞強度計算結(jié)果及評定

4.2 氣罐連接處所的有限元計算

氣罐連接處所的有限元計算模型包括外容器主體結(jié)構(gòu)、鞍座、氣包和氣罐連接處所等。有限元計算采用360°幾何模型，主要采用板殼單元和三維實體單元模擬，共有212 951個板殼單元(SHELL181)和699 542個三維八節(jié)點實體單元(SOLID185)。

靜強度計算結(jié)果表明，氣罐連接處所最大的峰值應(yīng)力為290.3 MPa，滿足IGF規(guī)則σL≤1.5f，σL+σb+σg≤3.0f的規(guī)定，評定合格，應(yīng)力云圖如圖7所示。疲勞累積損傷率Cw=0.1247≤0.5，符合IGF規(guī)則對疲勞載荷累積效應(yīng)的規(guī)定。

圖7 氣罐連接處所應(yīng)力云圖

4.3 氣包結(jié)構(gòu)的有限元計算

為了驗證氣包結(jié)構(gòu)的強度滿足IGF規(guī)則和BV船級社入級規(guī)范的要求，對氣包結(jié)構(gòu)進行了局部有限元分析計算。氣包的有限元計算模型包括外容器主體結(jié)構(gòu)、鞍座、氣包和底部出液管管口結(jié)構(gòu)。主要采用三維八節(jié)點實體單元(SOLID185)模擬。最大峰值應(yīng)力為173.98 MPa，評定合格，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 氣包結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

本文研制的燃料罐，其底部出液管采用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)LNG燃料自流、持續(xù)供液，從而有效解決泵的氣蝕問題，保證船舶運行的穩(wěn)定性。氣罐連接處所采用了1/4圓形壁和3/4方形壁的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能提高傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)氣罐連接處所的承壓能力，又能充分利用船舶上有限的空間。對燃料罐進行了靜強度和疲勞強度的有限元分析計算，為其長期安全使用提供重要依據(jù)。

當(dāng)前，隨著國際海事組織對船舶污染物排放要求越來越嚴格，以清潔能源LNG作為船舶動力燃料已是船舶業(yè)主和運營商的主要選擇。本文研制的船用LNG燃料罐滿足IGF規(guī)則和BV船級社入級規(guī)范，為船舶儲存清潔動力燃料，助力全球綠色航運發(fā)展。