沈 菊

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

LNG 動力船舶燃料儲罐是存儲液化天然氣燃料的主要裝置，是船舶動力系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。液化天然氣是一種液態(tài)烴類化合物，常溫常壓下具有液態(tài)、可燃等特點，同時，此種物質(zhì)也是一種無色、無味、無毒的液體。在常溫下易揮發(fā)，沸點溫度為-162℃（在1 大氣壓下沸點溫度為-162℃），當(dāng)溫度達到一定數(shù)值時，也會發(fā)生爆炸，因此被視為可燃、危險燃料[1]。但使用LNG 作為主要能源，可以有效減少顆粒物、氮氧化物質(zhì)的排放，具有極強的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益，目前已經(jīng)引起了各地的廣泛關(guān)注。隨著LNG 的持續(xù)發(fā)展，以LNG 為動力的船舶不斷涌現(xiàn)。與此同時，船舶交通運輸、LNG 海上船舶運輸行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出越來越迅猛的趨勢。在存儲LNG 中，LNG 的最低溫度可以到-164℃，具有潛在的低溫危害性，當(dāng)燃料發(fā)生汽化反應(yīng)后存在爆炸等方面的安全隱患[2]。LNG 動力船舶的持續(xù)發(fā)展在真正意義上為海上運輸帶來了全新發(fā)展方向，但在此項工作實施的過程中，不得不考慮現(xiàn)有船舶存儲罐等設(shè)施在應(yīng)用中存在的不足。為避免LNG 動力船舶在行進中存在多種安全隱患，發(fā)揮海上運輸帶動經(jīng)濟發(fā)展的更高效能，應(yīng)加大對LNG 動力船舶補給設(shè)施的建設(shè)，完善并優(yōu)化與之相關(guān)的設(shè)計工作。因此，該文將在此次研究中對小型LNG 動力船舶的燃料儲罐進行詳細(xì)的設(shè)計研究，旨在通過此次設(shè)計，為清潔能源的發(fā)展提供全面的助推力量。

1 LNG 動力船舶燃料儲罐概述

LNG 儲罐是以液態(tài)車船為主要儲罐容器的組合設(shè)備（是液態(tài)LNG 儲存的主要設(shè)備），包括儲罐本體、連接管/法蘭、連接附件、儲罐外封頭、（刪除）罐內(nèi)閥門和壓力管道等[3]。儲罐本體主要由罐本體、連接管、控制閥及球閥等組成。燃料儲罐的低壓燃?xì)鈽?gòu)成如圖1 所示。

圖1 燃料儲罐的低壓燃?xì)鈽?gòu)成

儲罐本體上部與儲罐底部由連接管（或法蘭）連接，為避免液態(tài)LNG 在實際使用過程中泄露，一般在儲罐的連接處不設(shè)法蘭、墊片的連接，采用的焊接方式為將管路與本體進行連接。連接管兩端法蘭連接于儲罐上。連接時，必須由多個法蘭的螺紋緊固并密封，根據(jù)技術(shù)要求可設(shè)置墊片，確保儲罐性能。

罐內(nèi)壓力小于設(shè)定值時（壓力≤0.01 MPa），進行卸壓作業(yè)。閥（球閥）為單向閥和截止閥（常開），該罐內(nèi)壓力控制具有過壓報警、氣密性保護和閥門式自動切斷等功能[4]。一般情況下閥門使用壓力>0.25 MPa，通過球閥壓力控制，可實現(xiàn)對儲罐的手動控制。閥門操作介質(zhì)壓力信號，通過控制閥、球閥、閥桿等閥體控制，球閥打開動作經(jīng)自動控制閥門執(zhí)行。

2 LNG 動力船舶燃料儲罐設(shè)計

2.1 燃料儲罐相關(guān)參數(shù)設(shè)計

為滿足設(shè)計需求，該文選用0Crl8Ni9（304（L））06Ni9DR（9Ni 鋼）為儲罐的主要設(shè)計材料，和不銹鋼材料相比，此種材料在-196 ℃條件下仍可以保持較高的機械性能與焊接性能[5]。

在運行過程中，船舶的耗油量一般采用估算的方式進行，由主機耗油量+輔機耗油量+鍋爐耗油量等組成。主、輔機及鍋爐耗量一般根據(jù)設(shè)備廠家的參數(shù)決定。采用的單位一般為G/kW·h，就是發(fā)電機組每千瓦小時的耗油量。根據(jù)續(xù)航時間的需求就可測算出耗油量，進一步換算得出燃油消耗量。在此基礎(chǔ)上（在初始設(shè)計階段），為確保儲罐可以滿足小型船舶續(xù)航要求，可在忽略發(fā)動機熱效率差異的條件下計算儲罐消耗燃料所產(chǎn)生的熱量，如公式（1）所示。

式中：Q為儲罐消耗燃料所產(chǎn)生的熱量；b為船舶發(fā)動機燃油消耗量；P為動力船舶發(fā)動機的功率；t為續(xù)航時間；H為燃料熱低值（熱值）。

根據(jù)上述公式計算在相同的續(xù)航時間條件下，x作為代替燃料所新產(chǎn)生的熱量[6]，如公式（2）所示。

式中：Q1為使用代替燃料作為動力燃料時所產(chǎn)生的熱量。

完成上述研究后，設(shè)計燃料儲罐的體積參數(shù)，計算公式如公式（3）所示。

式中：V為燃料儲罐體積參數(shù)；ρ為LNG 密度；H1為LNG在儲罐中的熱低值。

在此基礎(chǔ)上，考慮小型LNG 動力船舶中LNG 的存儲方式大多為液化存儲[7]，因此需要根據(jù)具體要求，設(shè)計儲罐在使用中的設(shè)計壓力。計算公式如公式（4）所示。

式中：P為儲罐在使用中的設(shè)計壓力；P0為液體合成壓力；θ為船舶在進行過程中，儲罐內(nèi)部液體發(fā)生傾斜而產(chǎn)生的縱向傾斜角度；θ0為橫向傾斜角角度。

按照上述方式完成燃料儲罐體積、壓力與材料的選型與設(shè)計。

2.2 燃料儲罐尺寸與厚度設(shè)計

根據(jù)中國船級社《氣體燃料動力船檢驗指南》將HG/T3514—1985 儲罐作為參照，設(shè)計燃料儲罐長度，如公式（5）所示。

式中：L為燃料儲罐長度；h為封頭厚度；l為主體長度。

在實際設(shè)計過程中，為了降低儲罐的質(zhì)量，一般會將圓筒與封頭分開進行計算，以獲得較好的經(jīng)濟效益。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我國規(guī)定的壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并以GB-150《鋼制壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)》作為參照，計算規(guī)范條件下的圓形或橢圓形封頭板厚[8]，如公式（6）所示。

式中：δ為規(guī)范條件下的圓形或橢圓形封頭板厚；D為筒體內(nèi)徑；σ為設(shè)計材料許用應(yīng)力；?為焊接效率系數(shù)；t為設(shè)計材料的腐蝕余量，通常情況下，t的取值在0.5 mm～1.0 mm，此次計算取值t為1.0 mm。

為方便設(shè)計后封頭的焊接，儲罐在設(shè)計中需要滿足下述要求[9]，其封頭設(shè)計參數(shù)需要滿足公式（7）。

在設(shè)計中，需要將完成設(shè)計后得到的相關(guān)參數(shù)代入上述計算公式，通過此種方式，對設(shè)計參數(shù)進行檢驗。如滿足公式（7），說明設(shè)計參數(shù)合理，反之證明設(shè)計參數(shù)不合理。

2.3 燃料儲罐絕緣層厚度設(shè)計

小型LNG 動力船燃料罐大多為雙層罐，為確保儲罐可以發(fā)揮預(yù)期的使用效果，應(yīng)在完成上述設(shè)計后對其絕緣層厚度進行計算。當(dāng)燃料儲罐的設(shè)計體積小于1.0×103m3時，要求此時儲罐的真空層尺寸應(yīng)當(dāng)滿足>200 mm 的設(shè)計需求。設(shè)計中，為滿足燃料罐LMG 的低溫絕熱設(shè)計需求，通常采用設(shè)置絕熱層的方式進行罐體換熱的阻隔。對此過程中放置在船舶甲板位置的儲罐而言，為避免罐體頂部因受日照等原因加速罐體內(nèi)的LNG 揮發(fā)，一般會在外層儲罐內(nèi)部的最高處設(shè)計一定寬度的絕熱棉。此時輻射熱量對罐體產(chǎn)生的影響較小，產(chǎn)生的熱量會被反射，因此此部分熱量可以在設(shè)計中忽略。

參照傅里葉定律，按照公式（8）計算儲罐的換熱。

式中：d為儲罐的換熱系數(shù)；λ為換熱接觸面積；A為水平方向的對流熱量。

可以在此過程中，根據(jù)LNG 儲罐的換熱情況與日蒸發(fā)情況計算燃料儲罐絕緣層厚度。計算公式如公式（9）所示。

式中：k為燃料儲罐絕緣層厚度；q為日蒸發(fā)量。

按照上述方式完成燃料儲罐絕緣層厚度的設(shè)計。

3 LNG 動力船舶燃料儲罐有限元分析

3.1 燃料儲罐有限元模型建立

完成上述設(shè)計后，通過建立燃料儲罐有限元模型，掌握船舶儲罐在不同工況下的運動狀態(tài)。建模前，根據(jù)設(shè)計需求，適當(dāng)簡化船舶儲罐的罐體結(jié)構(gòu)模型，在保留主體特征的同時設(shè)計有限元建模軟件的錄入?yún)?shù)。在此過程中，將LNG儲罐的有限元模型作為圓柱罐體與球形封頭體的組合，通過此種設(shè)計方式保留儲罐的主體外形結(jié)構(gòu)特征，將相關(guān)參數(shù)錄入Workbench 平臺中進行儲罐的DM 建模。錄入?yún)?shù)信息見表1。

表1 燃料儲罐有限元模型錄入?yún)?shù)信息

使用Shell 指令與Revolve 指令，選擇Tree Outline 中的基礎(chǔ)平面，在建模界面中繪制1/4 圓，在其中部位置繪制矩形。按照上述方式完成燃料儲罐有限元模型草圖的設(shè)計。同時，使用Revolve 指令，將橫向軸作為旋轉(zhuǎn)軸生成一個球形的封頭實體結(jié)構(gòu)。驅(qū)動Shell 指令，將生成的實體結(jié)構(gòu)抽成一個厚度為10 mm 的殼體結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，按照Freeze 指令操作即可完成對燃料儲罐的有限元模型構(gòu)建。

3.2 燃料儲罐模型穩(wěn)態(tài)-熱力學(xué)分析

燃料儲罐模型穩(wěn)態(tài)-熱力學(xué)分析包括溫度場內(nèi)容與靜力場內(nèi)容，將溫度作為衡量燃料儲罐模型穩(wěn)態(tài)指標(biāo)時，應(yīng)明確最惡劣的工況為儲罐內(nèi)部液體溫度低于-164 ℃。在此種工況下，儲罐內(nèi)部對應(yīng)的飽和蒸氣壓力為0 MPa（相對壓力）?；陟o力場角度分析儲罐工況時，最惡劣的工況為儲罐內(nèi)部蒸汽相對壓力為0.67 MPa，此時內(nèi)部液體對應(yīng)的溫度為-130 ℃。通過上述分析，可以得到燃料儲罐的溫度邊界為-164 ℃～-130 ℃?？稍诜治鲞^程中將邊界條件錄入有限元模型中，在WorkBench 中自定義添加儲罐模型的熱力耦合條件。根據(jù)不同工況下罐體熱力分布的均勻性，分析罐體結(jié)構(gòu)表面所受到的壓力與拉力。根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)可承受的極限作用力分析儲罐是否發(fā)生形變，按照上述方式完成燃料儲罐模型的穩(wěn)態(tài)-熱力學(xué)分析。

3.3 船舶運動狀態(tài)下罐體穩(wěn)態(tài)工況分析

船舶在運動過程中受到多種外界作用力的綜合影響，會出現(xiàn)橫向傾斜、縱向傾斜、橫向搖晃以及垂直擺蕩等復(fù)雜運動狀態(tài)。在上述工況下，儲罐的鞍座結(jié)構(gòu)會受到外界作用力而出現(xiàn)荷載的變化。與此同時，罐體結(jié)構(gòu)也會受到支撐構(gòu)件為其提供的反向作用力，該作用力可以用余弦力與正弦力表示。以船舶在行駛過程中出現(xiàn)傾斜狀態(tài)為例，在此種工況下對鞍座結(jié)構(gòu)對罐體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向支撐力進行計算，如公式（10）所示。

式中：R為鞍座結(jié)構(gòu)對罐體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向支撐力；b為鞍座面板的支撐寬度；α為船舶在行駛過程中出現(xiàn)傾斜狀態(tài)與水平面夾角。

當(dāng)船舶沒有發(fā)生傾斜時，鞍座對儲罐的包角為150°。當(dāng)船舶在行駛過程中出現(xiàn)傾斜狀態(tài)時，罐體的中心結(jié)構(gòu)將發(fā)生偏置，此時鞍座對罐體結(jié)構(gòu)的有效支撐力降低，儲罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向作用力以支撐反力的形式代替。通過上述分析方式可以掌握船舶在運動狀態(tài)下罐體的穩(wěn)態(tài)工況。計算船舶在不同傾斜角度下罐體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向支撐力，以此種方式檢驗儲罐是否能在運行過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。試驗結(jié)果見表2。

從表2 所示的試驗結(jié)果可以看出，隨著傾斜角度的增加，罐體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向支撐力隨之增加，可確保儲罐在船舶中處于穩(wěn)態(tài)工況。

表2 不同傾斜角度下罐體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反向支撐力

4 結(jié)語

在深入相關(guān)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，LNG 在我國燃料研究領(lǐng)域內(nèi)一直有綠色能源的稱號，作為一種清潔能源，其在環(huán)保建設(shè)等方面的工作中發(fā)揮了不可代替的優(yōu)勢。為推進新能源應(yīng)用與發(fā)展，該文從燃料儲罐設(shè)計、燃料儲罐設(shè)計的有限元分析2 個方面完成了此次研究。盡管該文此次研究的論點較多，覆蓋面較廣，但要實現(xiàn)后續(xù)相關(guān)工作在實施中的優(yōu)化，還應(yīng)在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)工作的具體需求，持續(xù)深化本次設(shè)計，從多個角度對該文設(shè)計的成果進行檢驗與測試，以期為我國海上船舶運輸?shù)陌l(fā)展提供技術(shù)層面的專項指導(dǎo)。