碰撞載荷對 LNG 船舶甲板上氣罐的影響

徐 偉，高茂進

(1.宿遷市地方海事局, 江蘇 宿遷 223800；2.連云港市地方海事局, 江蘇 連云港 222004)

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碰撞載荷對 LNG 船舶甲板上氣罐的影響

徐 偉1，高茂進2

(1.宿遷市地方海事局, 江蘇 宿遷 223800；2.連云港市地方海事局, 江蘇 連云港 222004)

針對我國內(nèi)河航道與其他國家相比較為狹窄，經(jīng)常發(fā)生船舶碰撞和擱淺事故現(xiàn)象，采用MSC.Dytran軟件對船船發(fā)生追尾碰撞事故時液化天然氣運輸船(LNG)開敞甲板上氣罐影響開展了研究。分析了碰撞后船舶整體應(yīng)力應(yīng)變、氣罐及基座應(yīng)力應(yīng)變，同時對船舶各構(gòu)件的能量吸收情況開展了研究。

液化天然氣運輸船；氣罐；碰撞；沖擊載荷；有限元

0 引言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，日益繁忙的水上交通經(jīng)常發(fā)生船舶碰撞與擱淺事故。由于碰撞事故一方面會對船舶結(jié)構(gòu)造成損傷，另一方面船上裝載貨物會發(fā)生泄露，泄露貨物可能會導(dǎo)致環(huán)境的污染[1]，因此無論是從安全考慮還是從經(jīng)濟利益出發(fā)均需對船舶碰撞事故進行積極預(yù)防和研究。

對于氣罐布置于開敞甲板上的LNG動力船舶而言，發(fā)生碰撞事故時，可能對氣罐產(chǎn)生影響。若LNG動力船舶遭受碰撞而發(fā)生氣罐泄漏事故，造成的危害將十分巨大。船舶碰撞過程非常復(fù)雜，通常情況下比例模型模擬實船的效果并不是很好，雖然使用實船進行碰撞實驗是提高數(shù)據(jù)精確度的最好方法，但其本身缺點是存在著高度危險性和較大的經(jīng)濟投入[2]。本文采用有限元分析軟件MSC.Dytran研究了LNG動力船舶發(fā)生船船碰撞事故時對開敞甲板上氣罐的影響。

1 碰撞模型及研究方案

根據(jù)開敞甲板上的氣罐布置，采用追尾碰撞方案，如圖1所示。邊界條件為：在被撞船端部施加剛性固定約束，撞擊船與被撞船之間采用自適應(yīng)主從接觸[3]。

本文中：撞擊船為散貨船，其排水量為3 000 t，船長67.2 m, 型寬14.6 m, 型深4.6 m, 設(shè)計吃水3.72 m, 肋骨間距0.6 m, 設(shè)計航速約3.3 km/h。本船采取艏部有限元模型。被撞船：散貨船其船長66 m, 型寬15 m, 型深4.5 m, 設(shè)計吃水3.7 m, 肋骨間距0.6 m, 模型長度范圍為自船體艉封板向船艏延伸近2個艙段范圍，尾部開敞甲板區(qū)域設(shè)置5 m3的LNG儲氣罐，該氣罐距離艉封板的縱向距離按規(guī)范要求的最小值1.5 m進行選取。被撞船模型范圍選擇較長是為了減小被撞船端部邊界約束對結(jié)果的影響。追尾情況下取最危險的情況，即被撞船中途停止運動，撞擊船以設(shè)計航速 3.3 m/s追尾被撞船。假定撞擊船為剛體，在撞擊后被撞船舶不發(fā)生運動(被撞船舶端部剛性固定)，被撞船舶的變形能都是來自于撞擊船的動能。

圖1 碰撞有限元模型(追尾方案)

2 結(jié)果分析

2.1 被撞船舶整體結(jié)果分析

該碰撞方案下，被撞船極限撞深達到1.082 m，最終時刻被撞船舶的整體應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D2、圖3所示?？紤]到所要評估的區(qū)域為尾部甲板區(qū)域，為了更清晰地顯示碰撞區(qū)域的情況，隱掉了貨艙區(qū)域，僅顯示艉封板至貨艙最尾端的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

從圖2可以看出，追尾方案下被撞船舶最終時刻的最大應(yīng)力將近350 MPa，遠大于屈服應(yīng)力，艉封板上的碰撞區(qū)域產(chǎn)生了最大應(yīng)力，有些區(qū)域構(gòu)件相應(yīng)的應(yīng)力也超出了屈服應(yīng)力，但碰撞區(qū)域還是顯示出較大的應(yīng)力集中。從圖3中可以得到，追尾方案下被撞船碰撞區(qū)域應(yīng)變值較大，甲板縱桁上部分單元應(yīng)變值已達到失效應(yīng)變、單元失效，其余部分最大變形值為0.254 m，并且變形值較大區(qū)域相對來說很集中。船底板、艉封板、甲板板、甲板縱桁和船底縱桁上的碰撞區(qū)域為主要區(qū)域，這些區(qū)域上的構(gòu)件都有較大程度的損傷，說明了在船舶碰撞過程中碰撞損傷有局部性的特點。

圖2 被撞船最終時刻追尾碰撞應(yīng)力圖

圖3 被撞船最終時刻追尾碰撞應(yīng)變圖

2.2 氣罐及其基座的應(yīng)力應(yīng)變分析

方案中的撞擊船未直接撞擊到氣罐，但是船體結(jié)構(gòu)受到破壞而波及到設(shè)置于開敞甲板上的氣罐基座和氣罐。由于最終狀態(tài)下極限撞深為1.082 m，因而需探討氣罐和氣罐基座的最大應(yīng)力和應(yīng)變隨撞深的變化情況。氣罐應(yīng)力-撞深曲線和氣罐基座應(yīng)力-撞深曲線分別如圖4和圖5所示。

在整個碰撞過程中，可以明顯看出隨著深度的增加，氣罐上的應(yīng)力呈現(xiàn)出非常明顯的非線性。該方案下，氣罐的最大應(yīng)力為67 MPa，小于其屈服應(yīng)力，最大應(yīng)力位置處于氣罐與氣罐基座的相交處，且在整個碰撞歷程中，各個撞深下的最大應(yīng)力也基本處于氣罐與氣罐基座的相交位置。

對于氣罐基座而言，當剛性船艏碰到被撞船時，氣罐基座上立即有較大應(yīng)力產(chǎn)生，0.554 m 撞深范圍內(nèi)，基座上的應(yīng)力隨撞深的增加而增加，0.7 m 撞深到極限撞深之間，其上的應(yīng)力已經(jīng)過渡到一個較為穩(wěn)定的值。該方案下，氣罐基座上產(chǎn)生了應(yīng)力的最大值，約為221 MPa，與屈服應(yīng)力235 MPa相差無幾。但從圖6中發(fā)現(xiàn)，各撞深下氣罐基座應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在與甲板相交位置，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。應(yīng)變方面，氣罐整個時間歷程的應(yīng)變值全部趨于零，說明整個碰撞過程中氣罐未發(fā)生大的變形，氣罐較為安全。氣罐基座具有一定的應(yīng)變值，但最終最大應(yīng)變值只有0.006 99，遠小于其失效應(yīng)變，且應(yīng)變較大區(qū)域為與甲板的相交位置，距離氣罐較遠。

圖4 氣罐應(yīng)力-撞深曲線

圖5 氣罐基座應(yīng)力-撞深曲線

圖6 氣罐及氣罐基座應(yīng)變圖

2.3 能量吸收

能量吸收方面，在剛性艏撞擊船體后，被撞船的能量全部來源于撞擊船體后所產(chǎn)生的能量，撞擊完成后2條船都呈現(xiàn)出靜止狀態(tài)，被撞擊船舶的應(yīng)變能都是源自于撞擊船的動能[6]。各構(gòu)件能量-時間歷程曲線顯示如圖7所示。

圖7 各構(gòu)件能量吸收曲線

圖7為碰撞后各構(gòu)件的能量吸收情況：甲板板吸收的能量占到很大的比重，是總能量的 22.93%，船底板次之，吸能占總能量的 20.50%。此外，艉封板、船底龍骨及甲板縱桁為主要吸能構(gòu)件，其余構(gòu)件相對來說吸收能量較少，氣罐基座吸能所占比例很小，僅占總能量的 0.01%，可以忽略氣罐吸能。因此，從吸能方面看，氣罐和基座都是安全的。

各構(gòu)件吸能的總能量小于球鼻艏的初始動能，這是因為在撞擊完畢后，一方面由于振動等原因，被撞船和撞擊船在垂直方向和船寬方向可能仍具有少許的動能存在，另一方面在碰撞過程中，由于部分單元失效，有部分能量被損失掉了。

3 結(jié)論

本文運用MSC.Dytran 軟件分析了內(nèi)河柴油-LNG 雙燃料動力散貨船在發(fā)生碰撞事故時對艉部開敞甲板上氣罐產(chǎn)生的影響。選取2艘內(nèi)河散貨船，通過軟件模擬得出LNG 動力船舶在發(fā)生追尾和舷側(cè)側(cè)向垂直碰撞(沿氣罐軸線方向)時船體結(jié)構(gòu)、氣罐和氣罐基座的響應(yīng)情況，得出以下結(jié)論：

(1)追尾情況下，極限撞深達到1.082 m，船體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷變形的區(qū)域主要集中在甲板板、船底板、艉封板、船底龍骨及甲板縱桁，碰撞損傷具有明顯的局部性。

(2)追尾情況下，開敞甲板上的氣罐所受最大應(yīng)力為67 MPa，應(yīng)變值基本為零，其吸能對于船舶總體吸能而言可以忽略，因此追尾情況下氣罐處于安全狀態(tài)；該方案下的氣罐基座應(yīng)變值也很小，遠小于其失效應(yīng)變，其吸能僅占船舶總吸能的0.1%，但最大應(yīng)力接近屈服應(yīng)力。由于各撞深下應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在氣罐基座和甲板的相交位置，在實際操作中，可考慮將基座與甲板接觸區(qū)域一段做適當加強。

(3)兩船側(cè)向垂直碰撞情況下，極限撞深達到0.786 m，船體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷變形的區(qū)域主要集中在甲板板、舷側(cè)外板、船底板及艉封板，碰撞損傷亦具有明顯的局部性。

(4)由于氣罐及基座距離舷側(cè)的距離較大，在船舶發(fā)生側(cè)向垂直碰撞時，氣罐最大應(yīng)力僅為28.8 MPa，應(yīng)變和吸能基本可忽略；氣罐基座在側(cè)向垂直碰撞下的應(yīng)力也僅為80.4 MPa，小于其屈服應(yīng)力，應(yīng)變和吸能也基本可忽略，因此，可認為氣罐及其基座在該碰撞方案下是安全的。

[1] 張麗英.海商法[M]. 北京,清華大學出版社，2006.

[2] 王自力，顧永寧.船舶碰撞研究的現(xiàn)狀和趨勢[J]. 造船技術(shù)，2000(4)：7-12.

[3] 王自力,顧永寧.超大型油輪雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)的碰撞性能研究[J].中國造船,2002,43(1)：58-63.

[4] 陶亮，船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞性能研究[D]. 大連，大連理工大學，2006.

2015-07-16

徐偉(1967—)，男，工程師，主要從事船舶檢驗工作；高茂進(1967—)，男，高級工程師，主要從事船舶檢驗工作。

U661.43

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