江海直达小型LNG运输船设计研究

第41卷第2期2012年04月船海工程SHIP ＆OCEAN ENGINEERING Vol．41No．2Apr．2012DOI ：10．3963/j．issn．1671-7953．2012．02．001江海直达小型LNG 运输船设计研究秦炳军，陈瑞权，盛苏建（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海200233）摘要：讨论江海直达小型LNG 运输的设计要点。

以1000m 3LNG 运输船为目标，结合武汉长江大桥下游的长江平流通航条件以及投资和营运经济性，探讨相适应的船型尺度，确定合适的航速以及液货舱型式，对于机型的选择进行分析比较，提出较为合适的船型配置方案建议。

关键词：江海直达，小型LNG 运输船，气体燃料发动机中图分类号：U662文献标志码：A文章编号：1671-7953（2012）02-0001-08收稿日期：2012－03－29修回日期：2012－04－06第一作者简介：秦炳军（1970－），男，博士，高级工程师。

研究方向：船舶与海洋工程研发设计E-mail ：qinbingjun@bestwaysh．com随着液化天然气（LNG ）的进口量的提高，由沿海进口终端向内地的小型终端和用户的LNG 运输量将会逐渐提高。

国家能源局和长江沿岸的地方政府也开始推动沿长江流域的LNG 燃料的消费。

为此，中海油开始酝酿并实施LNG 接收站的长江沿岸布局，并计划打通由沿海至长江中下游的LNG 运输通道，满足湖北等长江重要省份对LNG 需求。

江海直达型小型LNG 运输船可以实现从沿海大型LNG 接收终端和沿江小型LNG 卫星站之间的运输，覆盖区域可以直达武汉。

设计江海直达小型LNG 运输船的关键在于开发全新的船型，最大程度降低投资和营运费用。

核心点在于货物维护系统，推进方式和动力系统，以及如何处理货物蒸发气。

本文将在这几个方面展开讨论和对比分析，以期获得安全的、成本效率最高的解决方案。

1船型主尺度选择江海直达型小型LNG 船的船型选择受到航道水深、航道密度、桥梁高度、横渡船舶等诸多限制，同时还应考虑主管部门对于船舶航行的相关要求以及船舶营运的经济性等因素。

考虑到规划运量的需求，将以1万m 3的LNG 运输船为目标，结合武汉长江大桥以下的长江干流的通航条件以及投资和营运的经济性，探讨相适应的船型尺度。

1．1通航条件1．1．1水深限制在武汉长江大桥以下至长江口的长江干流流域，对船舶通航限制最大的区段位于长江航道武汉—安庆区段，该区段干流航道的水深较浅，特别是在主航道上有若干浅滩，很大程度限制了船舶的通航。

每年的12月到来年3月为长江枯水期，长江上游来水减少，由戴家洲水道至东流水道区段内的最低维护水深一般处于4．2 4．5m 。

每年从3月中下旬开始，随着长江上游来水增加，航道维护水深逐步提高，进入4月以后航道维护水深达到5．2m 以上，11月中下旬以后，航道维护水深逐步回落至5．0m 以下。

随着沿江各省加大对长江干流航道的整治力度，长江通航尺度在逐年改善，枯水季节的航道水深也在逐年提高。

根据湖北省公路水路交通运输发展“十二五”规划纲要的目标，在“十二五”期间将提高武汉至安庆的长江干流的航道维护水深可望达到6．0m 。

根据《内河通航标准》［1］的要求，船舶安全吃水应满足H ≥T +ΔH式中：H ———航道水深，即维护水深；T ———为船舶吃水；ΔH ———为富裕水深。

由于船舶在限制航道中航行时，会发生吃水增加和纵倾变化的现象，因此船舶航行时应保留一定的富裕水深。

黄冈、鄂州至长江口航段属长江中下游，为内河I 级航道，根据《内河通航标第2期船海工程第41卷准》，富余水深取0．4 0．5m，对于运输危险品的船舶，富余水深还需相应加大0．1 0．2m。

船舶的吃水选择，应当充分考虑营运水域的通航限制，同时还要考虑船舶本身的安全因素，如操纵性和稳性等限制条件，并尽量使本船在1年中能有较长的可营运天数。

经过综合平衡，本船的设计吃水确定为4．5m。

1．1．2桥梁通航净空（空气吃水）限制长江航道上桥梁对长江通航的影响主要体现在三个方面：①限制了船舶通航尺度；②桥区水域通航环境复杂，船舶在操作上受到较大限制；③部分桥梁选址在航槽变迁、水势流态复杂航段，加大了船舶安全航行的风险。

在确定LNG船主尺度的时候，必须参照该航段桥梁对于通航净空、通航净宽等尺度的限制。

南京长江二桥以下航段的桥梁净空高度均在50m以上，对船舶通航限制较小，万t级轮船可以通过；南京到武汉段，桥梁净空高度为24m，对通航船舶吨位有明显的限制。

为了满足桥梁通航的要求，LNG船应采用凸型甲板的设计，可以适当减小型深，从而尽可能降低船舶总高。

本船艉部上层建筑共设四层甲板室（包括驾驶室），按最大压载吃水3．9m考虑，需要通航高约为28m，不能通过通航高度为24m的桥梁。

因此，需采用可倒式信号桅，可以保证至少有足够的通过裕度，满足桥梁通航的要求。

1．1．3航道弯曲半径限制武汉至长江口航道弯曲半径最小为1000m。

为了使船舶在弯道处具有良好的操纵性，船长的选择受限。

本船的长度选择在130m以内，可以满足航道弯曲半径的限制。

1．2规范适用性限制《钢质内河船舶建造规范》第一篇船体中提到了其“适用于航行于内河水域船长大于或等于20m和小于或等于140m的焊接结构钢质民用船舶。

”在总纵强度章节中提到了船舶主尺度的比值应符合表1的规定。

因此在确定本船主尺度的时候也应考虑到规范的适用性。

表1船舶主尺度的比值的规范要求类别L/DA级B、C级B/DA级B、C级自航船≤25．0≤30．0≤4．0≤4．5非自航船≤28．0≤33．0≤5．0≤5．01．3船舶主尺度长江航道上的浅滩水道限制了船舶吃水，同时由于航道上交通密度大，跨江桥梁多，湾道多，航道宽窄变化多，水流变化大等特点，船舶还需保有良好的操纵性。

由于限制了船舶吃水，要保证足够的载重量，就需要适当增加船宽和船长，这样会在一定程度上降低船舶操纵的灵活性。

综合考虑这些限制条件，适合的船型应当是在设定较浅的吃水的同时，尽量控制船宽和船长；采用双桨推进、加艏侧推的组合，能够实现在浅吃水、操纵性好、推进冗余度高等优点，是适合于内河运输的船型选择。

综上所述，考虑干舷、稳性、结构强度等方面因素，本船的主尺度推荐如下。

垂线间长L bp=120m；型宽B=22．4m；型深D=8．90m；吃水T=4．50m。

2航速确定根据长江干流各海事主管部门对各段航道水域的通航船舶的最高航速限制，本船的服务航速不必大于12．5kn。

根据《内河通航标准》的要求，在浅水区域航行的船舶安全吃水应当考虑足够的富裕水深。

在浅水区域航行的船舶，由于船底至水底的水深有限，水流加快，水压降低，从而使吃水增加，同时也引起纵倾的变化，船速愈快或是肥胖型的船，船体下沉及纵倾的变化程度就愈大。

本船所载运货品具有较大的危险性，特别应该重视航速引起的船体下沉。

出于安全性的考虑，船舶的设计航速不宜过大。

本船的推进系统采用双机双桨推进，并具备PTO/PTI功能的混合推进模式，航速控制灵活。

在航行条件较好的水域可以取较高航速，在浅滩和弯道处，使用较低航速。

发动机可以始终保持在最佳工作区域。

本船的服务航速为可达12．8 kn，实现由低到高的航速选择。

3液货舱型式目前，在大型的LNG运输船上使用的货舱型式多为薄膜型（GTT No．96和GTT MarkIII），还有少量的Moss型和SPB型。

关于这三种型式的特江海直达小型LNG 运输船设计研究———秦炳军，陈瑞权，盛苏建点和优缺点分析，已有大量的文献阐述，本文将不再赘述。

上述货舱型式目前只应用在大型的LNG 运输船上。

C 型独立舱通常为球形或圆筒型的罐，其中圆筒型又分为单圆筒罐、双耳罐以及三叶型罐。

一般来说，中小型LNG 船通常采用单圆筒罐或者双耳罐。

3．1单圆筒C 型罐与双耳C 型罐的优势分析3．1．1罐体设计和制造分析单圆筒罐结构形式简单，而双耳罐结构更为复杂。

单圆筒罐由于剖面为正圆形其应力和结构尺寸分布均匀，总体材料消耗少；而双耳罐在接头处更易产生应力集中，相应的需要在接头处结构加强，其结构形式较复杂，材料消耗比较大。

双耳罐结构还需设置中纵舱壁，以解决上下结构连接并减小液体晃荡。

经比较，在同等舱容下，单圆筒罐建造材料可节省约10%，由于加工难度加大，制造费用也会额外增加。

如采用两个相同规格的单圆筒罐，则仅需一套图纸、一套罐体设计方案，设计、施工简单方便。

如采用三个双耳罐，由于第一货舱和最后一个货舱的线型变化，需根据线型重新设计，设计和施工难度均较大。

单圆筒罐的基座形式简单，而双耳罐基座更为复杂。

在C 型货舱设计中，需要考虑由于大的温度变化而导致的结构收缩，这与温度变化值以及材料的收缩系数有关，特别是采用双耳罐设计时。

同样以7500m 3的双耳罐为例［2］，采用304L 材料时罐体最大的收缩量在直径方向可能达到35mm ，这时，货罐的底座和舷侧支撑需要做特别设计以适应这种收缩，对于支撑结构，需要进行详细的基于温度变化和载货变化的结构应力分析。

3．1．2舱容比较如图1，在同船宽下，单圆筒罐相比于双耳罐截面积要小约19%。

但是从船长方向来看（见图2），由于需满足破舱稳性的原因，如使用双耳罐则须分为3个甚至4个货舱，货舱之间需保留一定的结构和通道空间，故在船长方向舱容利用率低于单圆筒罐。

另外由于船体线型在船头部分向内收缩，在第一货舱内，双耳罐需要根据线型同时向内收缩，第一货罐舱容较小。

而对于单圆筒罐来说，可分为两个货舱，采用两个相同规格的单圆筒罐，结构布置简单。

另外，由于使用双耳罐会导致货舱数量增加，货舱的容积/重量比也会下降。

综合考虑这些因素，同尺度条件下，双耳罐带来的有效容积增加不到10%。

图1同船宽下单圆筒罐与双耳罐舱容横剖面比较图2同船宽同船长下单圆筒罐与双耳罐舱容纵剖面比较3．1．3稳性比较对于宽大浅吃水的船型来说，完整稳性具有相当大的富余量，故这里主要从破舱稳性出发对两种不同结构形式的货罐进行比较。

对于单筒罐来说，由于距离舷侧较远，罐体得到有效保护不会破损，而双耳罐则不可避免的产生破损。

所以如果本船采用双耳罐，为了满足破舱稳性则必须增加货舱数量，采用三个或更多双耳罐，进一步增加了成本。

由此可见，采用单圆筒罐在满足破舱稳性方面显然优于双耳罐。

第2期船海工程第41卷3．1．4航行安全性比较由于目标水域为长江中下游，航道条件复杂，航道宽度小、浅滩多、弯道多、水流变化剧烈、桥梁多、交通密度大。

海事部门对于危险品运输船的安全性高度重视。

使用单筒罐的设计，由于罐体距离舷侧外板较远，可以做成双壳保护（内纵舱壁和外板），因此外部破损延伸至罐体，需要大得多的能量，罐体破损概率远远低于双耳罐的船型设计。

采用单筒罐的设计具备更高的本质安全性。