劉美妍， 范清水， 衛(wèi) 青

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

隨著全球市場對液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)的需求不斷增大，中國LNG海運市場步入高速發(fā)展的快車道[1]。LNG船的液灌是獨立于船體的特殊構(gòu)造，用于低溫存儲LNG。在船舶實際建造過程中，液罐多采用整體式吊裝[2]，有利于縮短船舶建造周期，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，但液灌整體結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，安全吊裝尤為重要[3]。

液罐具有特殊的材質(zhì)和功能，對液灌表面須敷設(shè)隔熱層，而傳統(tǒng)吊碼布置方案使吊碼的一定區(qū)域無法敷設(shè)，只能在液罐吊裝結(jié)束、進(jìn)行吊碼切割打磨后方可局部補敷，不僅影響整體隔熱效果，而且在切割吊碼時需要火割，存在一定安全隱患，增加船塢周期。

基于液罐結(jié)構(gòu)的特殊性，在工程實際中將液罐的吊碼與止浮裝置相結(jié)合，在止浮裝置的主板和肘板上布置吊碼孔，吊碼孔兩側(cè)增加加厚腹板，形成結(jié)構(gòu)化吊碼，不僅起到止浮裝置的作用，而且滿足吊裝要求。為驗證該類結(jié)構(gòu)化吊碼的吊裝可行性，以實例進(jìn)行有限元仿真模擬，對其進(jìn)行分析。

1 模型參數(shù)及吊裝方案

1.1 模型參數(shù)

選取的液罐參數(shù)：總長為37.6 m；寬度為27.1 m；高度為21.9 m；總質(zhì)量為1 430 t，包括結(jié)構(gòu)、焊接、絕緣、油漆、管系、舾裝的質(zhì)量和其他預(yù)估質(zhì)量，預(yù)估質(zhì)量主要包括預(yù)估的加強質(zhì)量和吊碼質(zhì)量；重心沿縱向與液罐后端壁的距離為17.9 m。液罐整體模型如圖1所示。

圖1 液罐整體模型

1.2 吊裝方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和在工程實際中現(xiàn)場起重設(shè)備的起吊抬吊范圍、起吊能力和吊鉤數(shù)量，選取2種吊裝方案：方案一，將傳統(tǒng)固定載荷吊碼布置于液罐上方傾斜外壁上，根據(jù)各吊碼的許用載荷，確定選取60 t吊碼，左右舷各16個；方案二，采取吊碼與止浮裝置相結(jié)合的結(jié)構(gòu)化吊碼布置，根據(jù)每個結(jié)構(gòu)化吊碼的總許用載荷120 t，左右舷各選取8個，結(jié)構(gòu)化吊碼肋位選取與方案一相同。液罐左右舷對稱。液罐左舷吊碼布置如圖2所示。結(jié)構(gòu)化吊碼剖面分別如圖3和圖4所示。

圖2 液罐左舷吊碼布置

圖3 結(jié)構(gòu)化吊碼A-A剖面

2 有限元仿真模擬

2.1 有限元模型

在進(jìn)行有限元模擬時，液罐主體結(jié)構(gòu)由大量的四邊形板殼單元和少量的三角形單元構(gòu)成，加強結(jié)構(gòu)采用板單元或梁單元構(gòu)成，主體結(jié)構(gòu)和加強結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小為肋骨間距×縱骨間距，重點考察部位需要將網(wǎng)格尺寸進(jìn)一步細(xì)化為50.0 mm×50.0 mm，且重點考察區(qū)域所有一維單元的型材需要轉(zhuǎn)換為二維板殼單元，這樣可更加真實地反應(yīng)實際的受力和變形。為提高計算精度，通過調(diào)整有限元模型的質(zhì)量重心，可保證與實際完全一致[4]。液罐有限元模型如圖5所示。網(wǎng)格細(xì)化如圖6所示。

圖4 結(jié)構(gòu)化吊碼B-B剖面

圖5 液罐有限元模型

圖6 網(wǎng)格細(xì)化

2.2 載荷及邊界條件

載荷僅施加重力場載荷。重力加速度g取9 810 mm/s2?？紤]吊裝過程中的慣性附加力，取動力放大因數(shù)為1.2， 實際施加載荷g為

11 772 mm/s2。

計算采用一維桿單元模擬鋼絲繩，吊碼與鋼絲繩的連接采用多點約束(Multi-Point Constraint，MPC)單元模擬，采用穩(wěn)定桿系矩陣模擬工程實際中的門式起重機吊排[5]。吊排實際屬于多級滑輪結(jié)構(gòu)，因此采用多級等腰三角形平衡桿組合等效模擬，A節(jié)點約束123自由度，B節(jié)點約束1自由度。多級滑輪有限元模型如圖7所示。

圖7 多級滑輪有限元模型

2.3 計算結(jié)果

(1)變形情況

通過計算得到2種方案的整體變形情況：方案一的整體最大變形值為8.7 mm；方案二的整體最大變形值為6.3 mm。整體變形情況如圖8所示。根據(jù)國內(nèi)外實際吊裝經(jīng)驗，吊裝過程中的結(jié)構(gòu)最大變形應(yīng)小于結(jié)構(gòu)最大尺度的1/800[6]，即吊裝過程中的結(jié)構(gòu)變形應(yīng)小于47.0 mm(37 600.0 mm/800=47.0 mm)，2種方案均滿足要求。

圖8 整體變形情況

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況

液罐及吊碼材質(zhì)為VL32鋼，許用應(yīng)力取材料屈服強度的0.8倍，為315 MPa×0.8=252 MPa，因此應(yīng)力以252 MPa為衡準(zhǔn)。通過計算得到2種方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況：方案一，液罐整體應(yīng)力最大值為278 MPa，大于衡準(zhǔn)值；方案二，液罐整體應(yīng)力最大值為196 MPa，滿足許用應(yīng)力要求。整體應(yīng)力情況如圖9所示。

圖9 整體應(yīng)力情況

進(jìn)一步分析方案一和方案二所有吊碼所受應(yīng)力和吊碼區(qū)域反面加強所受應(yīng)力，可知：方案一，吊碼所受的最大應(yīng)力為131 MPa，反面加強區(qū)域最大應(yīng)力為278 MPa；方案二，結(jié)構(gòu)化吊碼所受的最大應(yīng)力為103 MPa，反面加強區(qū)域最大應(yīng)力為196 MPa。吊碼應(yīng)力情況如圖10所示。加強結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況如圖11所示。

圖10 吊碼應(yīng)力情況

圖11 加強結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況

3 對比分析

對液化氣船液罐吊裝采用傳統(tǒng)吊碼和新型結(jié)構(gòu)化吊碼的2種吊裝方案計算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 2種吊裝方案結(jié)果

由表1可知：采用新型結(jié)構(gòu)化吊碼的方案二無論在結(jié)構(gòu)變形方面還是在結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面均優(yōu)于采用傳統(tǒng)吊碼的方案一。方案二的變形及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，而方案一存在應(yīng)力超過衡準(zhǔn)值的情況，具體區(qū)域為傳統(tǒng)吊碼的單側(cè)肘板下方。該類吊碼布置方式為一側(cè)吊碼肘板下方為縱骨，另一側(cè)肘板下方無加強結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力過大。在采用方案一時，需要對吊碼區(qū)域進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)加強，包括在吊碼肘板下方反面增加短筋，形成框架式結(jié)構(gòu)，或增加槽鋼加強等，以保證應(yīng)力滿足要求。結(jié)構(gòu)化吊碼布置于止浮裝置所處位置，全部位于液罐強檔上。在液罐詳細(xì)設(shè)計階段會針對止浮裝置加強相關(guān)區(qū)域的強度，這樣可保證選取方案二進(jìn)行吊裝應(yīng)力符合要求，無須進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)補強。結(jié)構(gòu)化吊碼與液罐止浮裝置相結(jié)合，僅通過在止浮裝置主板及肘板上開設(shè)吊碼孔，并在吊碼孔兩側(cè)增加加強腹板的方式形成，節(jié)約制作傳統(tǒng)吊碼的材料損耗，降低成本，并省略傳統(tǒng)吊碼的布置和吊裝后吊碼的切割打磨步驟，可減少船舶建造施工量，縮短船塢周期，保證液罐隔熱層的連續(xù)敷設(shè)和隔熱效果。

4 結(jié) 語

采用有限元軟件對液化氣船液罐吊裝采用傳統(tǒng)吊碼和新型結(jié)構(gòu)化吊碼的2種吊裝方案計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，采用新型結(jié)構(gòu)化吊碼的變形及應(yīng)力均優(yōu)于傳統(tǒng)吊碼，并對該類結(jié)構(gòu)化吊碼的優(yōu)點及可行性進(jìn)行總結(jié)，不僅可滿足其原有的止浮裝置作用，而且可滿足工程實際中的液罐吊裝需求，為后續(xù)液化氣船的液罐吊裝方案提供一種優(yōu)選的吊碼布置方式。

由于所述結(jié)構(gòu)化吊碼在布置時僅可選擇原有止浮裝置所在位置，在液罐尺寸較大、左右舷止浮裝置跨距較大而船廠無對應(yīng)跨距的起吊裝置時，可能出現(xiàn)無法采用該類結(jié)構(gòu)化吊碼的情況，此時建議靈活布置傳統(tǒng)吊碼。