1、LNG 船结构设计的规范规则研究天然气是清洁、方便、高效的优质能源，液化天然气（LNG）是由天然气经精练后液化得到的。世界上天然气资源丰富，常规天然气资源量估计为 400600 万亿 m3。按现在的年产量水平，可供开发二、三百年。21 世纪天然气的产量和消费量，将要超过煤炭和石油而跃居世界能源的首位。但目前开发利用的产量较低，只有 2.2万亿 m3，约为石油年产量的 60%，所以从全球看，天然气市场的前景更为乐观。随着我国经济的快速增长，对能源的需求越来越大，改善能源结构，保护环境，提高能源利用率，已迫在眉睫。天然气作为一种清洁、高效、廉价的能源，已成为我国 21 世纪初开发利用的重点目标，天
2、然气的开发利用，离不开船舶运输。随着我国进口天然气的迅速发展，不仅为我国航运业发展带来了商机，而且，也为我国造船工业提供了极为难得的历史机遇。本文希望通过对 LNG 船结构设计需满足的规范规则研究，进一步提高我们对 LNG 船结构的开发设计的能力，以达到自主完成 LNG 船结构设计的水平。一 LNG 船简介LNG 船是一种国际上公认的高技术、高附加值、高可靠性的复杂船型，主要用于海上运输常压低温液化天然气（LNG）的船只，由于受到港口码头和接收站条件的限制，这类船舶目前的标准载货量在 1215 万立方米之间。LNG 船几类货舱维护系统特点的分类比较：目前，全球营运中的大约 140 艘 LNG
3、船舶，主要是Membrane(薄膜型货舱)和 MOSS 型(球形货舱) 等两种。其中，MOSS型船舶，由于在早期的 LNG 海运中占有较大优势，而且具有货物装载限制较少等使用操作上的优点，目前处于优势地位，总数居第一位，占到一半以上。但是，新的 LNG 船舶订单，薄膜型占据了三分之二强。从总体上看，薄膜型 LNG 船舶，在船型性能方面优于MOSS 型，是 LNG 船型的发展方向。因此本次研究主要是针对No.96 薄膜型货舱维护系统的 LNG 船进行研究。二NO.96 型 LNG 船结构设计需要满足的规范规则和标准 国际海事组织 IMO 的 IGC Code (International Cod
4、e for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gas in Bulk) 船级社规范，如 DNV、ABS 、LR、BV 等船级社规范LNG 船结构设计方面的基本要求与普通的钢制海船相同，均需要满足船级社基本结构规范,例如:DNV 船级社 COMMON REQUIREMENTS Pt.3 Ch.1 ; LR 船级社 RULES AND REQULATIONS FOR THE CLASSIFICATION OF SHIPS Pt.3 ; ABS 船级社 RULES FOR BUILDING AND CLASSING
5、STEEL VESSELS Pt3.但是由于 LNG 船在航行、装卸等方面有其特殊的要求，因此各个船级社又有专门针对 LNG 船的单独规范，例如:DNV 船级社 TANKER FOR LIQUEFIED GAS Pt.5 Ch.5 ; LR 船级社 RULES FOR THE CARRIAGE OF LIQUEFIED GASES IN BULK ; ABS 船级社 Pt.5C SPECIFIC VESSEL TYPES Ch.8 VESSELS INTENDED TO CARRY LIQUEFIED GASES IN BULK. GTT RULES （NO.96 和 MARKIII 型均需满
6、足） 法规检验，如 SOLAS 等 USCG 的要求 (如果去美国营运) SIGGTO （国际气体船和岸站经营者协会） ISO 8309-1991（Refrigerated light hydrocarbon fluid measurement of liquid levels in tanks containing liquefied gases） ISO standard 13398 for LNG ship cargo tank level gauging systems Swedish Standard SS 780726 （Engine room ventilation on tur
7、bine vessels）三. No.96 型 LNG 船结构设计特点：货舱全双壳结构（双层底、双壳、双甲板） ； GTT RULES 对薄膜舱内的形状有着特殊的比例要求，而对双层底高度和边压载舱的宽度要求则需要参考具体选择船级社规范以及 IGC CODE 上的相关要求。货舱间设置双层隔离舱壁；对于双层隔离舱之间的距离 GTT RULE 以及船级社规范均有最小的宽度要求，但是该区间设有货舱的加热系统因此实际选取的时候更多的是考虑设备布置方面的需要。装载液位要求特殊；考虑液货晃动对舱内绝缘层的影响，GTT RULES 对容积在60,000155,000 立方米以内的 LNG 船货舱的装载液位高度
8、有相应的要求（据 GTT 要求，超过 155,000 立方米的薄膜型LNG 船货舱将进行额外的货舱晃动方面的计算。 ）货舱区温度场分布特殊由于货舱的货物必须保持在-163的超低温状态，尽管采用了双重屏蔽的隔温绝缘措施，但位于液货舱的船体结构不可避免地受到长期低温的影响。而且根据规范、规则要求，必须考虑主屏蔽破损情况后超低温的液货直接作用在次屏蔽上时，货舱结构不同部位受低温货物的影响程度，使得船体结构不至于由于低温货物的影响而造成严重破坏，继而产生液体的泄漏。对此不同规范有着相应的要求：IGC: Air Temperature 5 and sea temperature 0,applicable
9、 for all hull structure in cargo area.USCG: Air temperature-18and sea temperature 0,applicable for inner hull and members connected to inner hull.USCG Alaska: Air temperature -29 and sea temperature -2,applicable for inner hull and members connected to inner hull.因此根据各船级社规范要求货舱区的材质选取在不同的区域也不相同，具体如下：
10、材质选取：（1）除双层横舱壁垂直桁高应力区域外，不采用高强钢；（2）内壳根据温度分布，采用低温钢（B,D,E 级） ；（3）液穹、气穹、泵塔位置采用不锈钢。（4）外壳钢级和常规油船一样，不受货舱低温影响。除通道甲板外，都采用 A 级别板。（5）通道甲板应货舱内壳疲劳需求，厚度大，需采用B 级钢。若厚度大于 25，需采用 D 级钢。 （20 万 m3 级别的达到 D级）货舱内壳全部铺设两层耐低温保护绝缘层。薄膜：殷钢 Invar 含镍 36，厚 0.7mm，两层相同绝缘：木箱 1m x 1m, 两层总厚度 530mm, 木箱内充填膨胀珍珠岩PerliteSecondary barrier(Inv
11、ar)PrimaryinsulationSecondaryinsulationInner hull(steel)Perlite inplywood boxPerlite inplywood boxSecondary barrier(Invar)Primary barrierPrimary insulationPlywood box(perlite) Secondary barrier (invar)Secondary insulationPlywood box(perlite)Inner hull四、No.96 薄膜型 LNG 船有关分析 主船体结构强度分析所有的 LNG 船在进行结构设计时均
12、需要满足相应船级社的规范要求（例如 DNV 规范的 Pt3,Ch.1） ，同时对货舱区的载荷又需要根据 IGC CODE 和相应船级社的液化气船规范来确定(如 Pt.5 Ch.5) 疲劳分析疲劳是由动载荷引起的，对于 LNG 船各种规范对于其疲劳寿命方面均有相关的要求，GTT 对内壳 20 年和 40 年疲劳寿命的均提出了要求，而目前进行设计时疲劳分析也作为重点项目来做，各个船级社均有大量的规范专门针对疲劳方面的分析，究其根本原因：1. LNG 船船体破坏形式多为疲劳破坏。2. 破坏影响比较大，将会使水渗入到绝缘层中导致其发生腐蚀破坏。3. LNG 船的维修花费巨大，而且耗时很长。4. LNG
13、 船通常设计年限比较长，为保障船只常年运行不用进坞维修，因此对疲劳设计格外重视。疲劳分析的方法：疲劳分析的流程：具体参考的传结社规范如 DNV：NO.30.7 FATIGUE ASSESSMENT OF SHIP STRUCTURE; NO.34.2 PLUS-EXTENDED FATIGUE ANALYSIS OF SHIP DETAILS; NO34.1 CSA DIRECT ANALYSIS OF SHIP STRUCTURE 等。 波浪载荷作用下全船有限元分析此项分析的目的是计算出沿船长方向上总纵载荷的分布状况以及计算货舱区的极限加速度，通常进行两种波浪载荷的分析ULS(Ultimat
14、e Limit State)分析；计算出船体梁载荷、货舱区的加速度、恶劣环境下局部的海水压力和加速度。FLS(Fatigue Limit State)分析：计算出疲劳分析用的动载荷。在进行 FLS 分析时通常采用线性波浪载荷进行分析，而在进行 ULS 分析时则需要将线性和非线性相结合。常用的三维非线性计算软件如 WAMIX 等具体内容可以参见各船级社的专属内容，例如 DNV 船级社的 NO.34.1 CSA-DIRECT ANALYSIS OF SHIP STRUCTURES. 首部外飘冲击及底部抨击引起的弯矩及剪力计算该部分内容可以参考各船级社结构规范中的相关要求，例如；1. DNV：Pt.
15、3.Ch.1.Sec.6,2. ABS: Pt.5C Ch.5 Sec3.113. LR: Pt.3 Ch.5 Sec1.1.6 等 液舱晃荡力分析 晃动载荷是由于液货舱部分装载时液货自由液面剧烈拍击货舱内表面引起的，晃动载荷的大小与货舱的形状、装载高度、以及航行状态下船舶的运动有关。对于晃动载荷的分析各船级社均有相关的专业软件，例如DNV: SESAM-HydroDLR: ShipRightSloshingBV: Fluid-3D 等。同时 GTT 对于所有 NO.96 型 LNG 船的货舱区还将进行晃动载荷的模型试验。对于液舱晃动基本的分析流程可以参考下图：五 小结从前面的研究内容可以看出，LNG 结构设计与普通船舶产品结构设计所需要满足的规范规则基本一致，只是需要增加 IGC CODE以及 GTT RULES 等规范中部分内容的一些规定；另外，在设计过程，还应该充分征求业主的意见，满足业主使用要求。现在正是中国经济高速发展的阶段，中国船舶工业面临新的发展机遇，LNG 船的建造是一个空前艰难的项目，对中国的造船工业是一个考验。但是只要我们能够以科学的态度，认真仔细地去做好每一件事，一定能战胜 LNG 船建造中将面临的重重困难。我们相信，克服了千难万阻之后的中国造船工业，必将为中国经济的腾飞做出新的贡献。
