某3_000_DWT_LNG燃料动力散货船燃料储罐基座及其支承结构强度分析

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绿色与智能 广东造船2023年第4期（总第191期）
基金项目：2020年广东省海洋经济发展专项资金项目（粤自然资合[2020]023号）
作者简介：苏罗青（1986-），男，高级工程师。

主要从事船舶与海洋结构物设计制造工作。

陈正豪（1993-），男，工程师。

主要从事船舶与海洋结构物设计制造工作。

收稿日期：2022-04-11
某3 000 DWT LNG 燃料动力散货船燃料储罐基座
及其支承结构强度分析
苏罗青1，陈正豪1，郑佳彦2，卢龙文1
（1.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250；2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 511464）
摘 要：3000DWT LNG 燃料动力散货船的燃料储罐基座及其支承结构强度，是保证LNG 燃料储罐装置安全的基础。

本文采用板梁组合模型对其结构建立有限元模型，根据规范的载荷要求对其进行数值计算分析。

计算结果表明，其最大的von Mises 应力在许用应力范围内，满足规范要求。

关键词：LNG 燃料储罐基座；局部强度分析；数值计算分析；许用应力中图分类号：U674.98 文献标识码：A
Strength Analysis of LNG Fuel Storage Tank Foundation and Its Reinforcement Structure of 3 000 DWT LNG Fuel Bulk Carrier
SU Luoqing 1, CHEN Zhenghao 1, ZHENG Jiayan 2, LU Longwen 1
( 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250; 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co., Ltd., Guangzhou 511464 )
Abstract: The strength of LNG fuel storage tank foundation and its reinforcement structure of 3000 DWT LNG single fuel bulk carrier is the basis to ensure the safety of LNG fuel storage tank device, and the local strength analysis of relevant structures needs to be carried out according to CCS rules. By creating the finite element model of its related structures by plate beam composite model,the numerical computation and analysis are carried out according to the load requirements of the rule. And the calculation results show that its maximum von Mises stress is within the allowable stress range, that is, the strength of LNG fuel tank base and hull support structure fulfils the requirements of the codes.
Key words: LNG fuel storage tank foundation; local strength analysis; numerical computation and analysis; allowable stress
1 前言
大力推动建造新能源动力船舶项目和对传统的的柴油动力船舶进行LNG 动力改造，是广东省政府发展珠江绿色航运的重要举措。

在新能源动力船舶中，LNG 燃料动力船的动力系统因可靠性好而得到大力推广，是新能源动力船舶发展的主流趋势之一。

根据测算，相对于柴油动力船舶，使用LNG 动力船舶将有效减少80%的氮氧化物、20%的碳、100%的硫氧化物和颗粒物的排放。

3 000 DWT LNG 燃料动力散货船作为绿色珠江工程的主要船型之一，不但秉承了绿色船舶理念，而且结合了珠江水系特点进行优化设计，满足当前排
放控制标准，新造船运营后将大大助力珠江流域内河航运绿色发展，并对推动广东省内河船LNG 动力改造工作起着良好的示范效应。

在内河船LNG 动力改造工作中，LNG 储罐装置的结构设计是船体结构设计的重点。

LNG 储罐装置包括储罐和冷箱两部分，装置满载时总重约为30.5 t，其具体布置位置如图1所示。

在船舶运动过程中，由于装置重量较大且重心较高（其罐体重心距基线约10.66 m），在LNG 储罐和内部液货惯性力的作用下，LNG 储罐基座及其船体支承结构可能会出现屈服破坏，甚至会发
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生罐体基座撕裂所在区域甲板的情况，从而引发重大安全事故。

根据ABS规范要求，当设备重量等于或大于5 t时，需对设备基座及其支承结构进行局部强度计算，以保证设备、设备基座及支承结构的安全。

虽然CCS内河规范[1]没有相关的要求，但为了保证LNG罐体及相关结构安全，对LNG储罐基座及其船体支承结构进行局部强度[2]分析是十分必要的。

本文以储罐甲板（含LNG储罐基座）与主甲板之间结构为研究对象，通过对其建立有限元模型[3]，并根据《船舶应用天然气燃料规范》（2021）[4]中要求的载荷与工况组合进行加载计算，为评估其区域的结构局部强度提供依据。

本船的主尺度如下：
总长 64.99 m
垂线间长 63.50 m
型宽 15.80 m
型深 5.30 m
设计吃水 4.20 m
2 基座及船体支承结构设计
基座作为设备与船体结构的连接桥梁，承受着船舶运动中设备受到的惯性力，并将其荷载传递给船体结构，起着保证设备安全、正常运行的作用，因此基座结构设计是否合理、强度是否满足规范要求，对设备的安全、运行及后期保养起着至关重要的作用。

LNG储罐装置的储罐和冷箱可以视为相互独立的两个设备，因此从结构设计上可分为储罐基座和冷箱基座两部分考虑。

LNG储罐满载时23.93 t、冷箱满载时6.6 t，位于储罐甲板（距基线10.66 m），由于设备重量大、重心高，船舶运动过程中设备的惯性力较大，基座区域范围内的储罐甲板结构应保证有足够的强度及刚度。

设备载荷的传递路径如下：罐体底座→储罐基座→船体支承结构→相邻的船体结构。

为了提高甲板的强度与刚度，基座区域范围内的甲板板厚增加至规范要求值的2倍，储罐基座结构型式与设备底座相似，甲板加厚板范围及结构型式如图2所示。

其腹板、面板板厚与设备底座规格相同，并在每档肋位处设置加强肘板；同时对应储罐基座腹板的甲板下布置纵壁，以提高其强度；冷箱基座腹板结合所在区域的甲板骨材布置及冷箱底座结构特点进行布置，面板宽度与底座宽度保持一致，其基座俯视图如图2所示。

图 2 甲板加厚板范围及结构型式示意图
图 1 LNG储罐布置示意图
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3 有限元模型
采用大型通用有限元软件建立冷箱基座、储罐基
座及相关船体结构有限元模型，并对其进行强度评估。

3.1 有限元模型
模型采用右手坐标系：X 向为船长方向，向艏为正；Y向为船宽方向，向左舷为正；Z向为高度方向，向上为正。

模型范围如下：（1）X 向取#-1～#7；（2）Y 向取整船船宽；（3）Z向取主甲板以上到储罐甲板（含储罐基座）。

模型采用板梁组合模型，单元的典型尺寸为100 mm，建模时对基座一些不必要的特征（如面板上的螺栓孔、腹板的流水孔等）进行简化；使用梁单元模拟T 型材面板、甲板横梁、舱壁扶强材；使用板单元模拟舱壁、甲板、T 型材腹板、基座腹板、面板及肘板；模型共有23 820个节点、3 266个梁单元、17178个板单元。

有限元模型，如图3所示。

图 3 有限元模型
3.2 材料参数
模型材料参数，如表1所示。

表 1 材料参数4 边界条件及设计载荷
4.1 边界条件
在#7和主甲板上施加刚性固定的边界条件，即前端面和下端面所有节点上施加 u x =u y =u z =Ѳx =Ѳy =Ѳz =0 约束，如图4所示。

图 4 边界条件
表1材料参数
材料名称密度ρ（kg/m 3
）
弹性模量E （Pa ）
泊松比νCCS A 钢
7850
2.06×10
11
0.3
图4
边界条件
4.2 设计载荷
根据《船舶应用天然气燃料规范》（2021），应考虑下列载荷：
（1）重力载荷
重力载荷包括LNG 液罐和罐内的液货重量，通过MPC 施加。

依据GCY4152-024-019-LNG 储罐安装图， 储罐空载时约重13.3 t，满载时约重23.93 t；冷箱空载时约重5.6 t，满载时约重6.6 t (上述重量已包含保温层、管系附件、阀门、鞍座等所有附件重量)；LNG 储罐和液货受到的惯性力，通过MPC 上独立点（即LNG 储罐和液货重心）施加。

（2）船舶运动引起的载荷
船舶运动包括纵摇、艏摇、垂荡、纵荡和横荡。

计算作用于燃料舱的加速度（其作用点取燃料舱的重心处），应包括下列分量：
（A）垂向加速度：取纵摇、横摇及垂荡的运动加速度；
（B）横向加速度：取首摇、横摇和横荡的运动加速度，以及横摇的重力分量；
（C）纵向加速度：取纵摇和纵荡的运动加速度，
以及纵摇的重力分量。

内河船的运动加速度如下：（A）沿船宽方向加速度： 1 g；（B）垂直向上加速度： 1 g；
（C）垂直向下加速度： 2 g。

（3）静横倾载荷
静横倾载荷，取在0°~ 20°范围内最不利的静横倾角的载荷。

（4）碰撞载荷
碰撞载荷应基于满载状况确定，向前惯性力为a，向后惯性力为 a/2：
a=（2-3×（L-60）/80）g=1.8 g。

（1）式中：L——船长，取L=64.99 m。

g——重力加速度。

（5）风载荷
储罐所受风力 F ，按下式计算：
F=PA kN （2）式中：P ——单位面积的计算风压， kN/m 2。

A 级航区P=-0.003 0 h f 2+0.046 5 h f + 0.181 9；
h f ——储罐受风中心至水面的垂直距离， 1≤h f
≤7，m；
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A ——储罐的受风面积，m 2。

（6）船舶浸水产生的载荷
对于独立燃料舱，在邻近船体和燃料舱结构设计止浮垫块和支撑结构时，应考虑空舱全部浸水时的浮力产生的载荷：本船LNG 储罐的体积为40 m 3，空罐的重量为13.3 t，空罐完全浸没在水中产生的净浮力为F f =（40×1.0-13.3）×9.81=261.9 kN。

4.3 载荷组合工况
根据《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（2018），载荷组合工况如表2所示。

表 2 载荷组合工况
说明：ax、ay、az 分别为船舶运动加速度各个分量；风载荷沿船宽方向；碰撞载荷沿船长方向；浸水载荷垂直向上。

5 校核衡准与计算结果
5.1 校核衡准
根据CCS《钢质内河船舶建造规范》（2016），各个构件的许用应力如表3所示。

表 3 许用应力（MPa）
表中： σe —— von Mises 应力；σw ——船宽或型深方向应力；σz ——梁单元节点合成应力；τ——剪应力。

5.2 计算结果
计算结果，如表4所示。

表 4 各工况最大应力计算结果汇总表（MPa）
由表4可知：基座、船体支承结构的最大von Mises 应力，分别为154 MPa、159 MPa；板的最大剪切应力为87.3 MPa，位于储罐基座腹板处。

LC4工况的有限元模型von Mises 应力云图、剪切应力云图，如图5~8所示。

图 5 上建壁板及甲板von Mises 应力
图 6 板单元剪切应力
图 7 液灌基座von Mises 应力（下转第95页）
表2载荷组合工况载荷
工况
船舶运动载荷
重力
载荷风载荷静横倾碰撞载荷浸水载荷x
a y
a z
a LC1+2g +1g -2g /F ///LC2-2g +1g -2g /F ///LC3+2g -1g -2g /-F ///LC4-2g -1g -2g /-F ///LC5+2g +1g 1g /F ///LC6-2g +1g 1g /F ///LC7+2g -1g 1g /-F ///LC8-2g -1g 1g /-F ///LC9/// 1.0g /20°//LC10/// 1.0g //a /LC11/// 1.0g //-a/2/LC12
/
/
/
/
/
/
/
F f
图5上建壁板及甲板von Mises 应力图6
板单元剪切应力图7
液灌基座von Mises 应力
图8梁单元von Mises 应力
表4各工况最大应力计算结果汇总表（MPa ）构件
工况
上建壁板
及甲板上建强骨材的腹板上建强骨材的面板基座
板的剪应力普通骨材σe
σe
σz
σw σe τσz LC112086.857.513515075.6101LC215888.974.411313587.3104LC312663.465.211715478.197.8LC415984.47312813487.3118LC513172.669.112413872.195.2LC611952.762.812414975.687.6LC713076.270.510714071.782.5LC81147661.313914673.691.9LC928.11311.716.118.515.523.2LC1098.459.355.9115
124
62.773.6LC116237.133.852.555.334.250.2LC12
29.9
13.4
9.24
18.418.9
16.5
23.3
表3许用应力（MPa ）
构件名称
应力类型
许用应力（MPa ）
上建壁板及甲板σe 188上建强骨材的腹板σe 210上建强骨材的面板
σz 200基座
σw 175σe 188板
τ
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表中：
LC112086.857.5
13515075.6101LC215888.974.411313587.3104LC312663.465.211715478.197.8LC4
159
84.4
73
128
134
87.3
118
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过该气体检测报警系统，可检测甲醇储存和输送管路的安全情况，并将检测数据传送至控制站、岸基和移动电子设备，实现实时监控。

当检测到隔离空舱内甲醇浓度超标、双壁管内甲醇浓度超标、甲醇液体泄漏等危险情况时，可自动切断甲醇燃料供应；另外，设有自动惰化系统，可根据舱内氧气浓度，自动对甲醇燃油舱进行惰化。

甲醇气体检测报警系统，由驾驶室监测显示系统、信号收集系统、若干个监测报警单元及无线网络传输系统组成，驾驶室监测显示系统与机舱信息收集系统电信号连接，监测报警信号网采用高速冗余环网结构，分布于各个甲醇燃料储藏及使用场所，若干个所述监测报警单元均通过所述控制信号网与所述机舱信息收集系统电信号连接，可通过4G/5G无线网络传输系统采用最新网络技术将各个监测报警单元的内容传控制站、岸基和移动电子设备，使甲醇作为船舶燃料的使用上，更加安全。

4 总结
以上各系统，可以保证甲从注入到使用过程的安全、甲醇舱内压力的平衡、氧气浓度的含量控制，防止可燃有毒甲醇的聚集，还能在发生泄漏和火灾时进行有效的控制，保证甲醇作为船舶燃料在整个使用过程中的安全可靠。

该系统的设计满足中国船级社CCS 《船舶应用甲醇乙醇燃料指南》2022的要求。

参考文献
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（上接第91页）
图 8 梁单元von Mises应力6 结论
从表4可知， LC1～LC12工况的船体支承结构、基座结构最大von Mises 应力，均小于规范要求的许用应力，因此LNG燃料罐基座及船体支撑结构强度满足规范要求。

参考文献
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