適合LNG中短途水上運(yùn)輸?shù)墓夼撛O(shè)計(jì)選型分析

石 峰，陳瑞權(quán)，許孟東

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300457)

液化天然氣(LNG)運(yùn)輸必須先將天然氣經(jīng)產(chǎn)地凈化加工超低溫冷卻至約-162℃，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，天然氣由氣態(tài)變成液態(tài)，達(dá)到便于運(yùn)輸?shù)哪康摹Ｖ行⌒蚅NG運(yùn)輸船一般是指載貨量在3萬m3以下的LNG船，專為大型接收站的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)、海上油田伴生氣的回收、海上LNG的駁運(yùn)等提供服務(wù)。我國LNG進(jìn)口量逐年加大，且沿海LNG項(xiàng)目布局逐步完善，利用LNG船舶運(yùn)輸至沿海接收站，再經(jīng)沿海和內(nèi)河中短途運(yùn)輸?shù)男枨箅S之出現(xiàn)。

目前承接跨洋運(yùn)輸?shù)拇笮蚅NG運(yùn)輸船使用的貨艙型式多為薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，還有少量的Moss型和SPB型［1］。雖然這些貨艙在容積利用率上優(yōu)于C型貨艙圍護(hù)系統(tǒng)，但是出于經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)用于小型船上還有待探討。目前全球共有在役(建)中小型LNG運(yùn)輸船約20艘，大多采用獨(dú)立C型液貨艙。C型獨(dú)立艙通常為球形或圓筒形的罐，其中圓筒形又分為單圓筒罐、雙圓筒罐以及三葉形罐，本文將對(duì)C型貨艙的罐體設(shè)計(jì)選型做個(gè)對(duì)比分析［2］。

1 C型罐艙設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

短途運(yùn)輸小型LNG船C型貨艙通常按壓力容器準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力常取1.8 MPa，不超過2 MPa。其獨(dú)立液化艙屬于半冷半壓形式壓力容器，技術(shù)比較成熟，液罐材料采用耐低溫且具有較低熱膨脹系統(tǒng)的奧氏體鋼，罐體外部粘結(jié)聚苯乙烯泡沫盒鍍鋅鋼板作為絕緣層。按《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備規(guī)范》［3］設(shè)計(jì)。獨(dú)立C型液貨艙主要優(yōu)點(diǎn)是罐體設(shè)計(jì)獨(dú)立，加工獨(dú)立，利于縮短造船工期;耐壓性好，無需設(shè)置屏蔽，無氣體泄漏，船舶無需另外考慮液貨維護(hù)，等。C型獨(dú)立液化艙設(shè)計(jì)蒸氣壓力大于等于下式計(jì)算值。

式中:po——設(shè)計(jì)蒸氣壓力，液貨艙頂部的最大表壓，用于液貨艙設(shè)計(jì)，MPa。

ρr——設(shè)計(jì)溫度下貨物的相對(duì)密度(淡水，ρr=1)。

A——應(yīng)力區(qū)應(yīng)力系數(shù)，

其中:σm——設(shè)計(jì)主膜應(yīng)力，MPa;

ΔσA——許用動(dòng)態(tài)膜應(yīng)力(雙振幅，當(dāng)概率級(jí)別為Q=10-8)，MPa;對(duì)鐵素體鋼，馬氏體鋼，ΔσA=55 MPa;對(duì)鋁合金(5083-0)，ΔσA=25 MPa;

C——液貨艙的特性尺度，取下列各值中的最大者:h;0.75b;或0.45l。

其中:h——液貨艙高度(沿船舶的垂向量取)，m;

b——液貨艙寬度(沿船舶的橫向量取)，m;

l——液貨艙長(zhǎng)度(沿船舶的縱向量取)，m。

根據(jù)液貨艙的形狀及其支撐裝置和附屬件的布置，主管機(jī)關(guān)可將符合本款標(biāo)準(zhǔn)的液貨艙歸屬為A型和B型。

適合LNG短途船舶運(yùn)輸?shù)牡蜏貎?chǔ)罐有如下特殊要求。

1)罐體在設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)工藝上都有嚴(yán)格規(guī)范(IMO組織的IGC規(guī)則)要求。因此其安全冗余度高，由于罐內(nèi)儲(chǔ)存的是低溫液體，儲(chǔ)罐一旦出現(xiàn)破損，冷藏的液體會(huì)大量揮發(fā)，在大氣中會(huì)形成危險(xiǎn)的可爆氣團(tuán)，因此罐體獨(dú)立設(shè)計(jì)、加工通過第三方船檢認(rèn)證機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)。

2)良好的耐低溫特性及承壓特性。常壓下液化天然氣的沸點(diǎn)為-162℃，此類儲(chǔ)液罐的操作壓力稍高于常壓，與高壓常溫儲(chǔ)存方式相比，可以大大降低罐壁厚度，提高安全性能。LNG運(yùn)輸要求儲(chǔ)液罐體具有良好的耐低溫性能和保冷性能，罐體壓力允許在一定范圍內(nèi)增加。

3)罐體儀表和設(shè)備安全等級(jí)要求嚴(yán)格。LNG運(yùn)輸除了具有和原油相似的危險(xiǎn)性外，還有著其特殊的危險(xiǎn)性，而低溫是它的主要危險(xiǎn)特征。這主要表現(xiàn)在低溫條件下給船體及其設(shè)備形成損害，對(duì)LNG船安全性能的標(biāo)準(zhǔn)要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油輪和其它一些化學(xué)品船。

4)在罐體和支座結(jié)構(gòu)上有特殊要求。要適應(yīng)船體和液貨運(yùn)動(dòng)對(duì)貨罐產(chǎn)生的沖擊影響。一般設(shè)置制蕩艙壁，防止液貨晃蕩與船舶的縱搖周期產(chǎn)生共振，對(duì)罐體封頭產(chǎn)生沖擊，支座設(shè)置加強(qiáng)圈消除或降低圓筒的軸向應(yīng)力、切應(yīng)力和周應(yīng)力，等［4］。

2 單圓筒罐和雙圓筒罐對(duì)比分析

C型獨(dú)立艙通常為球形或圓筒形的罐，其中圓筒形又分為單圓筒罐、雙圓筒罐，球形罐體在中小型船舶布置上有一定難度，重心偏高，船舶利用率偏低，因此較少用于中小型LNG運(yùn)輸船。這里僅僅討論相同LNG船舶載重量(例如目標(biāo)船型1 m3)單圓筒和雙圓筒(見圖1、2)的選型對(duì)比分析。

圖1 C型獨(dú)立艙典型雙圓筒罐橫剖面

圖2 C型獨(dú)立艙典型單圓筒罐橫剖面

2.1 制造工藝

1)罐艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上單圓筒罐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，雙圓筒罐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。單圓筒罐由于剖面為圓形，其應(yīng)力和結(jié)構(gòu)尺寸分布均勻，罐體總體材料消耗少;而雙圓筒罐在罐體接頭處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，需要在接頭處加強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，材料消耗大。雙圓筒罐結(jié)構(gòu)需設(shè)置中縱艙壁，以解決上下結(jié)構(gòu)連接并減小液體晃蕩。在同等艙容下，建造單圓筒罐可節(jié)省材料約10%，而雙圓筒罐加工難度較大。

2)罐體支座一般設(shè)置加強(qiáng)圈消除或降低圓筒的軸向應(yīng)力、切應(yīng)力和周應(yīng)力。由于LNG船溫度低(-162℃)，在溫度變化時(shí)材料在罐體縱向和周向有收縮量，單圓筒的支座形式簡(jiǎn)單;而雙圓筒支座復(fù)雜，支座型式需特別考慮雙圓筒間的影響，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。

3)相同載荷下，如果采用2個(gè)相同規(guī)格的單圓筒罐，則僅需一套圖紙一套罐體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)、施工簡(jiǎn)單方便。如采用多個(gè)雙圓筒罐，由于第一貨艙線型向內(nèi)收縮，為了最大程度利用艙容，需根據(jù)線型重新設(shè)計(jì)雙圓筒罐，導(dǎo)致第一貨艙內(nèi)的雙圓筒罐與后面貨艙內(nèi)的雙圓筒罐尺寸艙容不同，設(shè)計(jì)和施工量均較大。

2.2 船舶布置

2.2.1 船體重心高度

如圖1、圖2所示，由于雙圓筒罐寬度大，相同容積的情況下雙圓筒罐高度比單圓筒罐較小，可以有效降低貨物的重心高度以及凸起甲板的高度，重心的降低使得船舶穩(wěn)性更佳，而凸起甲板高度的降低則使駕駛室視線更為寬闊。

2.2.2 艙容利用率

在同船寬條件下，單圓筒罐相比于雙圓筒罐截面積約小20%。但是從船長(zhǎng)方向來看(見圖3)，由于需滿足破艙穩(wěn)性，如使用雙圓筒罐則須分為3個(gè)甚至4個(gè)貨艙，貨艙之間需保留一定的結(jié)構(gòu)和通道空間，故在船長(zhǎng)方向艙容利用率低于單圓筒罐。另外由于船體線型在船頭部分向內(nèi)收縮，在第一貨艙內(nèi)，雙圓筒罐需要根據(jù)線型同時(shí)向內(nèi)收縮，第一貨罐艙容較小，同尺度條件下，雙圓筒罐的艙容比單圓筒罐要大，帶來的有效容積約增加10%。

對(duì)于C型圓雙圓筒罐，國外已有的最大直徑為15m，罐體直徑對(duì)艙容的影響很大。罐子寬度B和直徑D的比值直接決定了橫截面積S的利用率η。

圖3 同船寬同船長(zhǎng)情況下單圓筒罐與雙圓筒罐艙容縱剖面比較

當(dāng)B/D=1.5時(shí)，橫截面積利用率最高。另一方面，D愈小，即B/D愈大，液罐的板厚可以愈薄。因此，這一比值一般取在1.6～1.8之間。實(shí)船上這一比值的平均值為1.68～1.70。圖4為雙體圓筒形儲(chǔ)罐的最佳斷面形狀分析。

圖4 雙體圓筒形儲(chǔ)罐的最佳斷面形狀分析

3 結(jié)論

通過對(duì)C型罐艙選型中結(jié)構(gòu)形式、船舶破艙穩(wěn)性、設(shè)計(jì)施工、對(duì)船舶布置等方面因素的分析可以看出，雙圓筒C型貨艙與單圓筒C型貨艙相比具有艙室空間利用率高、船舶重心高度降低等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是制造難度相對(duì)較大，造價(jià)成本略高。

在運(yùn)輸中C型罐艙的主要風(fēng)險(xiǎn)來自:①外來船體沖撞或自身擱淺等導(dǎo)致的罐體破損;②罐體或管線外部失火;③罐內(nèi)液體翻滾導(dǎo)致罐體內(nèi)BOG壓力徒增造成風(fēng)險(xiǎn)等。從LNG水運(yùn)安全角度分析，短途水上運(yùn)輸尤其是內(nèi)河運(yùn)輸因船舶通行密度大、航行環(huán)境復(fù)雜，相比較三種風(fēng)險(xiǎn)中來自罐體碰撞破損的幾率高些，而且具有不可預(yù)測(cè)性，是LNG短途運(yùn)輸?shù)闹饕娘L(fēng)險(xiǎn)源［5］。單圓筒罐罐體設(shè)計(jì)距離船體外舷較雙圓筒罐最遠(yuǎn)，可布置在B/5以外(符合IGC規(guī)則)，并可考慮船舷側(cè)增加較寬的壓載艙加以緩沖保護(hù)，因此單圓筒罐的選型設(shè)計(jì)和布置是適合于短途LNG船舶的運(yùn)輸方式。

從國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上看，液貨艙總?cè)莘e在15 000 m3以下的中小型LNG船其液貨艙形式多采用單圓柱形C型獨(dú)立液艙，15 000～40 000 m3液化氣船液艙形式大多選取雙圓筒罐，而且隨船體尺度增加，液貨艙數(shù)量也隨之增加。

［1］《液化天燃?xì)馍a(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》編委會(huì).液化天然氣生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.下冊(cè).北京:北方工業(yè)出版社，2010.

［2］泰炳軍，陳瑞權(quán)，盛蘇建.江海直達(dá)小型LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)研究［J］.船海工程，2012，41(2):1-8.

［3］中國船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］丁 玲，馬 坤.中小型LNG運(yùn)輸船液貨罐設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.船舶，2010(1):26-29.

［5］洪匯勇，江玉國.LNG運(yùn)輸船海上運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)分析及其控制［J］.航海技術(shù)，2008(4):72-75.