中型薄膜型LNG船結構及建造檢驗要點分析

王佚

中國船級社上海分社,上海 200136)

近年來,隨著全球LNG氣站及管道的建設網絡鋪開,大型LNG接收站向小型LNG站轉運的需求增加。液貨艙容3萬～9萬m3的中型LNG運輸船因適合中短距離運輸受到船東的重視,訂單開始增長[1]。我國已有大型LNG船建造經驗,需要在此基礎上對中型LNG船的設計和制造進行優化,降本增效,縮短建造周期。在LNG船的建造過程中,涉及結構方面的問題一般有以下幾點。

1)高應力區域的處理,結構關鍵節點型式的設計是否能滿足計算需求,兼顧現場施工的便利。

2)鋼材等級、板厚、型材的選用,能否進行結構優化從而降低成本。

3)疲勞節點的加強措施。

關于高應力區的處理及結構優化,少有研究報道。在疲勞節點的處理方面,有學者關于薄膜型LNG船疲勞強度的研究中提出船廠傾向于采用計算疲勞壽命提高技術,并建議通過優化過渡型式等方式提高疲勞壽命[2-3]。中國船級社在《鋼質海船入級規范》第2分冊第20章對LNG船的構件尺寸和直接計算方法進行了規定,《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》(2022)引用了IGC的要求作為補充,從規范角度對上述問題進行了要求。

在現場建造檢驗過程中,分析大型LNG運輸船和最新的中型LNG運輸船的結構,發現了一些新的設計理念和結構優化方法,并已經應用到實際生產以解決上述問題。為了探討這些方法的價值,從總體布置、結構關鍵節點形式、結構優化、疲勞節點形式等方面分析薄膜型LNG船最新的結構設計方案,并給出現場建造工作中實際的質量控制方法。同時介紹氣囊管這一最新設計概念給船舶布置和裝載率帶來的變化。

1 布置及結構特點

1.1 總體布置

NO96薄膜型LNG因為絕緣箱尺寸固定,貨艙往往成比例擴大,規格呈階梯式,如174 000,138 000,79 960 m3等,船舶線型受到貨艙尺度的限定,會存在“控制點”對線型設計進行約束。后體型線為雙內旋鰭艉線型以適用淺吃水環境,同時方便采用大徑深比螺旋槳。該型螺旋槳能適應吃水受限的情況,通過增大螺旋槳直徑保持推進效率[4]。

中等尺度與大尺度薄膜型LNG船在艙室布置上沒有差異,均沿船長方向布置有4個液貨艙,于船中甲板區域布置貨物機器室,但中型LNG船的貨物區域整體布置以及機艙的結構、設備布置更為緊湊。設備方面,為滿足淺水航道適航及高操縱性的性能要求,中型LNG運輸船在艏部布置有艏側推設備。最新型號的中型LNG船還采取了新的設計概念,在貨艙區域設置了氣囊管以提高裝載率。見圖1、2。

圖1 典型大尺度薄膜型LNG運輸船側視圖

圖2 典型中等尺度薄膜型LNG運輸船側視圖

1.2 結構關鍵節點型式

薄膜型LNG運輸船液貨艙橫剖面為8邊形(見圖3),底邊艙及頂邊艙折角均布置為135°,橫截面上下收縮達一定高度,以減少LNG液貨對船體內殼的晃蕩沖擊以及自由液面的影響。液貨艙8處折角因形狀突變,可能發生高應力或疲勞破壞,需要作為結構關鍵節點在船舶建造和營運中重點控制。

圖3 薄膜型LNG運輸船液貨艙典型八邊形橫剖面

中尺度薄膜型LNG運輸船在大型薄膜型LNG運輸船的基礎上優化了液貨艙折角結構關鍵節點(CM節點)的結構形式,將液貨艙內殼斜底板與內殼縱艙壁板連接、內甲板斜板與內甲板連接的幾何節點內殼縱艙壁板由焊接型節點改為連續的轉圓板(壓彎板),即將原來的“三心對位”三塊板角接優化為轉圓板與平臺板之間的兩塊板角接。

節點形式改動帶來的好處有3點,首先是降低了加工難度,變為轉圓板形式后,實際上不需要再滿足3向對中了,現在還保留轉圓板的CM節點是為了保證貨艙幾何點,并不涉及到結構性能。而且該節點在分段階段就能進行檢驗、調整和確認,避免了在搭載復雜的環境下檢驗,以及錯位后難以調整的困境。其次,“三心對位”型節點設置了2道全焊透位于中間板的兩側,焊縫過于集中,無論是現場的施工難度還是應力情況都不理想。轉圓板型式改為2道深熔焊,為常規的焊接節點設計,施工更方便,應力水平更低。最后,原來3塊板交接位置存在應力集中,節點位置的板材需要采用更厚的板厚和更高等級的鋼材,由于部分位置會板厚方向上受到較大的應力,還需要采用Z向鋼。改成轉圓板后幾何形狀更平滑,受力更均勻,板厚方向上的受力較小,不需要使用Z向鋼,在結構和經濟性上都得到了提升。

這種節點形式的缺點在于對合攏對齊精度的要求很高,因為薄膜型LNG船對貨艙平整度的要求遠高于一般船型。如圖4所示,根據GTT的要求需要用1 m尺和3 m尺進行檢驗,一個縱骨間距之間的高度差不得超過4 mm。此外,轉圓板由一塊厚板冷彎而成,也需要一定的加工技術。得益于船廠吊裝精度的提升和板材加工技術的提高,這兩個問題得到了妥善解決。

圖4 對貨艙內殼的平整度要求

1.3 結構優化

由于主尺度減小,總縱強度的要求降低,中型薄膜型LNG運輸船相較傳統的大型薄膜型LNG運輸船在部分型材的選擇上進行了優化,節約了物料成本。

在對船體結構溫度場充分評估之后,中型薄膜型LNG運輸船主甲板區域縱向骨材在外甲板斜板(穹頂斜板)外使用普通球扁鋼,外甲板斜板以內使用E級扁鋼;而大型薄膜型LNG運輸船的主甲板區域縱向骨材全部使用的E級扁鋼。

相比之下,中型薄膜型LNG運輸船主甲板區域縱向骨材依據溫度場預報結果選取鋼材等級,節省了成本。

中型薄膜型LNG運輸船機艙比大型薄膜型LNG運輸船的機艙少一層甲板,機艙的空間減小,布置更為局促。中等尺度LNG船的機艙結構通常都伴隨著大量開孔供電纜和各類管路穿行。例如機艙行車的吊梁,以及發電機的反頂加強。

根據中國船級社《鋼質海船入級規范》(2021)第2篇第20章第9節20.9.2的要求:對于不需加強單殼剖面中的人孔和減輕孔,應滿足腹板開孔高度不超過腹板高度的25%且其邊緣與面板的距離不小于腹板高度的40%。對于滿足上述要求者,一般不需加強。開口長度不得大于腹板高度或局部支撐構件間距的60%,取大者。開口邊緣應與局部支撐構件切口各角有相等距離。

機艙開孔均不在退審圖上,而是在詳設階段添加在分段制造圖上,沒有經過審圖批準,因此需要通過有限元計算校核開孔后的結構強度是否滿足要求。

1.4 疲勞節點形式

疲勞破壞是船舶結構破壞的主要模式之一,多年來一直是造船界關注的重點問題。薄膜型LNG船的貨艙里安裝了2層屏蔽結構,維修涉及到殷瓦鋼的焊接和絕緣箱的拆卸安裝,非常復雜。貨艙若發生了結構損壞,損失將遠超其他區域且不可估量。LNG的設計疲勞壽命要求一般為40年,在設計時期就必須對LNG船船體結構進行系統的分析,并在建造時加以控制,使LNG船在服務期內的疲勞性能達到要求。在設計中通常采用熱點應力法和疲勞譜分析法對LNG船的疲勞壽命進行評估。由于疲勞譜分析進行疲勞計算適用性和計算精度較高,一般采用疲勞譜分析法對關鍵節點的疲勞壽命進行評估[5]。

然而,無論是大型還是小型的薄膜型LNG船,根據計算結果,在橫艙壁與內底交接處的疲勞狀況都不甚理想,該疲勞危險區域還涉及到貨艙里的錨固扁鋼。錨固扁鋼與殷瓦管直接連接,是將貨艙應力傳遞到船體的重要結構。GTT公司對貨艙錨固扁鋼的疲勞強度非常重視,甚至會單獨對該位置進行應力分析。因此無論是大型LNG船還是中型LNG船,都在此處設計了加厚板以改善疲勞狀況。

大型LNG船采用在實肋板增加35 mm的E32加厚貼板配合加強筋改善疲勞條件,該位置要求全焊透以保證結構強度,同時將中縱桁隔倉位置的板由20 mm A32鋼更換為30 mm E32鋼。中型LNG運輸船則是在中縱桁嵌補1塊30 mm的D32鋼,同樣是需要全焊透。

然而這兩種方法改善效果有限,不能完全改善疲勞情況。通過精細網格的有限元疲勞分析可以發現橫艙壁與內底交接處的疲勞年限依然顯著低于其他區域。因此在建造過程中需要特別注意結構的細節處理,避免應力集中。

1.5 氣囊結構

充裝極限(FL)系指當液體貨物達到基準溫度時,液貨艙內的最大液體體積與整個液貨艙容積之比。根據最新《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規則》(IGC規則)規定:液貨艙充裝極限的默認值為在基準溫度下98%,但在滿足下列條件的情況下,允許增加至不超過99.5%。

1)在液貨艙內無隔開的蒸氣存留死角。

2)壓力釋放閥進口應保持處于蒸氣空間。

3)下列各項需有裕量。

(1)液體貨物由于壓力從MARVS增加至8.4.1所述的最大流量釋放壓力而形成的體積膨脹;

(2)最小0.1%液貨艙體積的操作裕度;

(3)儀器(例如,液位和溫度測量儀)的公差。

此前NO96型LNG船因為上述條款約束,裝載率均低于98%(部分因船旗國批準放寬到了98.5%)。最新型號的中型薄膜型LNG運輸船在液貨艙頂增加液貨艙氣囊管,該設計概念為國內首次采用。在船舶航行及發生晃蕩時,該氣囊管將液貨艙頂部角隅處蒸氣空間的多余貨物蒸氣快速導入氣穹中,從而消除液貨艙頂部角隅處的蒸氣存留獨立氣穴,滿足IGC的要求。該技術能令裝載率突破98%的限制。經過GTT的計算和試驗驗證,實際裝載率能達到99.36%,較之前的船型,提高了1.36%。氣囊的設計概念簡單用圖5表述。

圖5 在15°橫傾和0.015L縱傾狀態下貨艙的裝載情況

2 建造質量控制

2.1 CM節點控制

對于中型薄膜型LNG運輸船采用的內殼縱艙壁轉圓板(壓彎板)與平臺板(甲板)之間的兩板焊接型CM節點,考慮到兩板并無厚度中心線對齊的裝配要求,在分段裝配時可以對制造精度進行控制,以確保在船塢搭載中前后合攏口的準確對位,保證貨艙幾何點位置的精確。一般是采用樣板檢查配合度的方法,從車間加工成形、小組立、分段、合攏段的全程精度控制(見圖6)。由于轉圓板兩板焊接型CM節點采用深熔焊而非全焊透的焊接方式,免去了反面碳刨清根的步驟,效率獲得了提高。但需要注意的是施工細節,如定位焊的質量?！叭膶ξ弧?板焊接型CM節點的反面碳刨清根一并消除了反面被納入焊道的缺陷定位焊的不利因素;但采用轉圓板后的CM節點型式后,在沒有反面碳刨清根的情況下,如有缺陷定位焊被納入焊道,勢必將對焊接質量造成不利影響。

圖6 轉圓板CM樣板精度控制

2.2 機艙開孔控制

鑒于發電機基座下方加強結構存在大量開口,且開口高端超過腹板高度的60%,需要其進行有限元分析。根據中國船級社《鋼質海船入級規范》要求,模型范圍為以基座有效作用平面矩形(a×b)形心為中心,向四周分別擴展至少1倍的該矩形相對應的長、寬距離(3a×3b)。垂向從基座面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處(D為型深)。如按上述方法框取的模型邊界上未設置結構的主要支撐構件,則模型應再延伸直至邊界落在結構的主要支撐構件上,邊界條件可考慮自由支持或固支。載荷方面,需要考慮3臺發電機的自重、發電機因船舶運動中加速度導致的慣性力,以及結構的自重。

2.3 疲勞區域控制

對于現場建造,提高疲勞性能的方法為提升裝配精度、改善焊縫幾何形狀和焊后重熔。提升構件的裝配精度可以降低應力集中水平,提升疲勞性能。根據CSQS和中國船級社的檢驗要求,結構的裝配誤差應控制在1/4最小板厚且不大于5.0 mm。典型結構節點的裝配精度控制見表2。

表2 典型節點裝配精度控制要求

對焊縫進行打磨也是一種現場常用,通過改善焊縫幾何形狀降低局部應力集中水平的方式,該方法成本低,施工靈活方便,但應注意打磨后焊縫成型的圓弧度,應保證焊縫光順無尖點[6]。

對焊趾區域進行重熔處理可以改善焊縫的幾何形狀,優化焊趾結構。同時,重熔還能使焊縫區域的晶粒細化[7],并消除微小夾渣、裂紋等缺陷,從多方面提高焊接接頭的疲勞強度。

2.4 氣囊安裝及檢驗要點

該液貨艙氣囊管在甲板貫穿處須按GTT要求使用不銹鋼嵌入板,以控制LNG氣體對船體結構鋼的低溫影響,同時,氣囊管須設置在貨艙區域雙層甲板中的獨立隔離空艙內(見圖7),該隔離空艙需要進行氣密試驗。此外,氣囊管處的絕緣箱為中間開孔的特制箱,需要專門檢查箱子的平整度。裝配好后,還應檢查氣囊管與絕緣箱之間空隙里塞的玻璃棉是否飽滿。在殷瓦膜焊接結束后,該位置的氣密還需要在氦氣試驗中著重觀察。

圖7 氣囊管隔離空艙及不銹鋼嵌入板

3 結論

1)對于NO.96型薄膜型LNG船,最新的轉圓板形式CM節點在應力分布、建造難度和經濟性上均優于原來“三心對位”型CM節點。

2)中型LNG船機艙布置導致的板材大量開孔問題需要依靠有限元計算來確定強度是否滿足要求。

3)在LNG船建造過程中應該著重關注橫艙壁與內底交接處疲勞節點,建議現場采用鎢極氬弧重熔工藝進行焊縫控制。

4)LNG船的氣囊管裝置采用了消除氣穴的方式使船舶滿足IGC要求從而提高裝載率,安裝時需要著重關注其氣密性。