16 500 m3液化气船的总体设计

熊小虎,荀金标,徐富强

(江苏大洋海洋装备有限公司，江苏 南京210032)

0 引言

受近年来全球造船行业整体低迷影响，常规的货船市场持续低迷,面对接单难、交船难、盈利难的严峻形势,船厂要生存下去，必须转变营销模式，承接建造高附加值、技术难度大的船舶订单。液化气船是一种技术含量高、附加值高的船舶，它的建造水平代表着当今世界造船技术的水平。由于液化石油气属易燃易爆的危险货物，因而对液化气船的开发、设计和建造工艺有着特殊要求。

随着各国节能环保意识的提高,带动了液化石油气贸易量的增长，使得市场对气体运输船的需求不断扩大[1]。

本文研究的16 500 m3液化气船是为欧洲某船东设计建造的气体运输船。该船设计指标高,技术含量大，建造难度大,附加值高。在分析该船的船型特点、主要量度的基础上，通过不断优化船体结构、舱室布置、液罐形状，使船舶的设计和建造满足用户要求。

1 船型特点及主要量度

1.1 船型特点

16 500 m3液化气船船型为倾斜艏柱、球鼻艏、方型艉，采用贯穿的长甲板，无艏楼、艉楼，结构形式为单壳、双底、单甲板结构。全船设三个货舱，每个货舱设有顶边舱、底边舱。每舱安装一个液罐，可装载-163 ℃低温下的LNG、LEG、LPG类型液货。

1.2 入级和船旗

入级：法国船级社。

船旗：方便旗。

1.3 船舶主要量度

总长

138.00 m

垂线间长

130.00 m

型宽

21.60 m

型深

11.90 m

设计吃水

7.50 m

结构吃水

9.30 m

空船重量(预估)

约 8 600 t

额定船员

24人

2 主船体划分

16 500 m3液化气船总体布置如图1所示。

本船由水密横舱壁分隔为艏部、货舱区域、机舱、艉部和上层建筑。上层建筑、甲板室、机舱位于船舶中后区域。

根据结构强度分析的结果,货舱区结构布置为纵骨架式，每四档肋距设置一档强框结构；三个货舱，由双底、单壳舷侧、底边舱、顶边舱、甲板组成。每个货舱分别安装一个液罐，液罐可冷却液体货物至-163 ℃。第一货舱与第二货舱、第二货舱与第三货舱、货舱与艏部、机舱与艉部等处的水密隔舱壁均为平面舱壁，舱壁上设置垂向扶强材及水平桁材。机舱与货舱间的水密隔壁形式，水密隔舱壁上端为平直舱壁，下端为斜舱壁；舱壁上设置垂向扶强材及水平桁材。

3 船体线型改善和结构优化

3.1 船体线型改善

根据船模试验对航速的要求，并综合考虑船舶的主尺度和布置等因素，该船艏部设置了球鼻首，可以减小满载航行时的阻力；艉部采用方艉，改善了艉部水流；主甲板结构呈倒U形。

图1 16 500 m3液化气船总体布置图

3.2 结构优化

采用NASTRAN、ANSYS等软件，通过数值仿真技术与手段，比较同类型船的总体结构、布置、排水量及本船的实际载重量，对船舶结构碰撞与损伤的机理等相关力学问题进行了深入的研究，发现排水量略有富余。其船宽和型深受液罐形状限制，经过分析和计算，船宽加宽1.8 m，船长缩短14.3 m，船体受总纵弯矩影响减少，对主船体结构强度要求降低，即在保证原船质量的前提下，减少了结构厚度。通过对船体结构的优化，本船比同类型船节省结构钢材100 t左右，节约了建造成本。

3.3 材料选择

由于液罐装载的货物温度为-163 ℃低温，所以要求货舱区邻近液货罐的船体结构均为耐低温材料。与液罐连接的鞍座、止浮装置等结构，所用材料为耐低温的BV-D/BV-E 材料；主甲板边板、舷顶列板材料为BV-E材料；底边舱斜纵壁板、货舱区底部强纵桁、货舱区底部强横梁结构材质为BV-B； 其他区域为普通BV-A级钢。挂舵臂板材料为BV-EH32，厚度87 mm的高强度钢板。

4 本船设计中的优化点

4.1 舱室布置的优化

针对母型船舱室布置不尽合理的情况，本船艏艉及机舱布置、舱室布置重新进行划分。另外，机舱双层底、循环滑油舱等根据安全要求及设备布置的合理性进行了优化。机舱中间平台根据实际设备布置情况比同类型船降低了700 mm，艉楼甲板根据主甲板上的设备布置层高升高300 mm，房间布置进行了重新调整。根据安全规章要求，对油漆间进行了重新布置，由母型船艉部调整至艏部。

由于受应急消防泵舱的位置高度以及应急消防泵自身吸高的制约，应急消防泵海底门的位置不能布置得太低。但如果其位置不能低到一定程度，当船舶出现前后纵摇情况时，可能使应急消防泵管路吸口露出水面，导致无法吸水。经过多次计算轻载工况下横摇纵倾吃水截图及参数，最终将应急消防泵海底门布置在货舱靠近艏部处。

4.2 液罐形状优化

考虑到船体线型的变化，以及船型结构和综合布置的合理优化，确定对液罐形状进行优化。通过采用数字化分析研究，液罐采用半球形封头，加长单只液罐长度。

由于半球形封头是带折边的球面封头，由球面体、过渡环壳和短圆筒三部分组成。从几何形状看，半球形封头是一不连续曲面，在曲率半径突变的两个曲面毗连处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力，该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，因而使该部位的应力远远高于其他部位。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且半球形封头的刚模加工简单，降低了液罐制造成本。

4.3 上层建筑的结构优化

由于该船装运多种液化石油气，属易燃、易爆危险物品，因此，船东对船体振动提出了很高的要求，即达到客船振动ISO 6954—2000标准。本船采用有限元方法，详细分析了船舶主机运行、螺旋桨运转与结构振动间的激励与响应关系、阻尼、频率响应计算、有效频率数选取等问题。 通过目标船的全船三维有限元模型，进行了船体结构振动响应特性预报。根据三维模拟预报，设计时对上层建筑、机舱棚区域结构进行了优化设计调整，针对可能减小船体振动的部位提出改进设计措施，具体措施如下：

(1)适当增大强横梁结构模数，上层建筑区强横梁剖面模数增加66%；通过增大模数，使结构刚度增大，提高了结构抗振、抗扭性能。

(2)控制单体梁的跨度和增加内围壁。通过减少单体梁的跨度，可以增大单位刚度，提高结构抗扭性能。采用增加内围壁办法，可以减少板格格数，提高结构刚度。

(3)根据三维模型模拟预报数据，对D甲板振动响应较大。通过对其增加内围壁、减少纵桁梁的跨度以提高结构整体抗振性能。

(4)根据优化后的结构设计，对有限元三维仿真模型也进行了相应的改进。再次通过有限元模型对船舶的振动响应进行分析，研究发现上层建筑船员居住处所振动完全满足了ISO 6954—2000规范振幅6 mm/s要求，同时也满足了船东关于船员居住处所不能超过2.9 mm/s振幅的严格要求。计算分析时，考虑了10%的振动频率响应裕度。最终试航时测量的振动结果满足规范和船东要求。

5 结语

该船总体布置合理，线型美观，适航性能好，安全可靠。该项目的设计建造，不仅能使船舶企业在船型开发能力方面达到了新的高度，也将有效推动企业经济增长方式的转变，使得企业在气体运输船的市场竞争中处于技术领先地位。

参考文献：

[1] 郑双燕,范鹏,柳卫东.大型全冷式液化气船(VLGC)总体设计研究[J].船舶工程，2014,36 (5):18-21