摘要：介紹LNG船的發(fā)展歷史及支線LNG船的定義，從液貨艙類型、制作材料、支承構(gòu)件、絕熱材料4方面對支線LNG船的液貨艙設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，概述支線LNG船的船型與總體性能，分析了支線LNG船的液貨系統(tǒng)工況。

關(guān)鍵詞：  液化天然氣海上運(yùn)輸；  支線液化天然氣船；  近海液化天然氣船；  液貨艙

Design and Analysis of Feeder LNG Carrier

Abstract：The development history of LNG carrier as well as the definition of feeder LNG carrier are introduced．The design of liquid cargo tank of feeder LNG carrier is discussed in terms of liquid cargo tank type，construction material，supporting member，thermal insulation material．The type and general performance of feeder LNG carrier are overviewed，and the liquid cargo system condition of feeder LNG carrier is analyzed．

Key words：LNG marine transportation；feeder LNG carrier；  offshore LNG carrier：liquid cargo tank

液化天然氣(LNG)作為重要的天然氣運(yùn)輸和儲存形式，在天然氣供需關(guān)系中起著巨大的橋梁作用^[1-2]。液化天然氣運(yùn)輸主要分為管道輸送、陸上槽車運(yùn)輸和海上液化天然氣船舶運(yùn)輸。海上液化天然氣船舶運(yùn)輸又分為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和近海(支線)運(yùn)輸。

1 LNG船的發(fā)展歷史及支線LNG船的定義

最早的LNG船是l954年美國建造的“甲烷”號平底船，為實(shí)用化邁出了第一步。1958年，美英兩國共同開發(fā)建造了“甲烷先鋒”號LNG船，橫渡大西洋試驗(yàn)成功。真正形成工業(yè)規(guī)模的天然氣液化和海上運(yùn)輸始于1964年，第1艘商用LNG船“甲烷公主”號建造成功，由于該船絕熱層易撕裂，使船板發(fā)生低溫脆化開裂，以及船的結(jié)構(gòu)復(fù)雜等多種原因，現(xiàn)在已經(jīng)退役。

基于氣源情況與用戶需求，并適應(yīng)國內(nèi)規(guī)劃的LNG接收子站碼頭條件，定義在最大吃水深度不超過8 m，并盡可能降低的條件下，單個(gè)貨艙容積為1 000～4 000 m³，單次航程在1 000海里左右，單次航行時(shí)間在3 d以內(nèi)，運(yùn)行航線在東南沿?；蛘邖u與島之間的LNG運(yùn)輸船為支線LNG船。

2 液貨艙設(shè)計(jì)分析

液貨艙是裝載液體貨物的主要容器，是支線LNG船設(shè)計(jì)中的重要部分?！渡⒀b運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(簡稱IGC規(guī)范)把液貨艙分為5種類型：獨(dú)立液貨艙(A、B、C型)、薄膜液貨艙、半薄膜液貨艙、整體液貨艙、內(nèi)部絕熱液貨艙。獨(dú)立液貨艙完全由自身支持，不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，也不分擔(dān)船體強(qiáng)度。A型獨(dú)立液貨艙主要由平面結(jié)構(gòu)組成，需設(shè)次屏壁以保護(hù)船體免受低溫?fù)p傷，通常為棱柱形。B型獨(dú)立液貨艙為平面結(jié)構(gòu)或壓力容器結(jié)構(gòu)，需設(shè)置部分次屏壁，通常為球型。C型獨(dú)立貨液艙是符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的壓力式液貨艙，一般為圓筒型臥罐或球罐。薄膜液貨艙是非自身支持的液貨艙，薄膜作為貨物維護(hù)系統(tǒng)的主屏壁，不能獨(dú)立承受貨物重量，需由船體內(nèi)部構(gòu)件承受貨物重量。半薄膜液貨艙由薄膜液貨艙演化而來，介于A型獨(dú)立液貨艙和薄膜液貨艙之間。整體液貨艙構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，受到的應(yīng)力影響與船體結(jié)構(gòu)相同，主要用于丁烷裝運(yùn)。內(nèi)部絕熱液貨艙實(shí)際上是整體液貨艙，它的絕熱層內(nèi)表面與貨物直接接觸，在為數(shù)不多的全冷式LPG船采用^[3]。目前大多數(shù)LNG船的液貨艙為獨(dú)立液貨艙或薄膜液貨艙，C型獨(dú)立液貨艙見圖l。

①液貨艙類型選擇

對于圖l所示的幾種C型獨(dú)立液貨艙，在貨物滿載時(shí)，球型和單圓筒型液貨艙的重心比雙聯(lián)圓筒型液貨艙高，故降低了船的穩(wěn)性，且由于球型和單圓筒型液貨艙直徑大，部分體積凸出主甲板以上，故增加了受風(fēng)面積，不利于操縱。就船體主甲板以下的艙容利用率而言，雙聯(lián)圓筒型液貨艙最高，單圓筒型液貨艙次之，雙排單圓筒型液貨艙最差。在同樣的船體主尺寸下，如采用雙排單圓筒型液貨艙，需要增加船寬以滿足布置要求。

綜合考慮船的穩(wěn)性、艙容利用率等實(shí)際問題，支線LNG船采用4個(gè)雙聯(lián)圓筒型液貨艙，設(shè)計(jì)壓力為0．4 MPa。此種液貨艙本身作為壓力容器，不需要次屏壁，建造相對容易，設(shè)計(jì)成本最低，裝置簡單，操作管理方便，更適用于沿海短航程運(yùn)輸。

②液貨艙制作材料

液貨艙制作材料的選用主要考慮其在低溫下的韌性和脆性。大多數(shù)金屬和合金在低于一定溫度時(shí)韌性降低，變脆變硬，同時(shí)在低溫時(shí)承受應(yīng)力的能力也較低。因此選材時(shí)，應(yīng)首先考慮在儲存溫度范圍內(nèi)，鋼材有足夠的強(qiáng)度和韌性。由于低溫鋼板在施工中極易產(chǎn)生冷、熱裂紋，對焊接技術(shù)要求非常高，因此也必須考慮鋼材的可焊性，此外工程造價(jià)也應(yīng)兼顧^[4]。

制作LNG船液貨艙用得最多的是9Ni鋼、5083鋁合金和304L不銹鋼^[5-7]，其中5083鋁合金的焊接工藝復(fù)雜、強(qiáng)度低、板較厚、軋制成型較困難，且必須依靠進(jìn)口，目前不適用于國內(nèi)LNG船的液貨艙制作。

9Ni鋼強(qiáng)度較高、板較薄，用其制作的液貨艙質(zhì)量較小，雖然焊接工藝和乙烯運(yùn)輸船所用的5Ni鋼相似，且9Ni鋼在陸上儲罐的制作中應(yīng)用比較成熟，但船廠的焊接工藝和焊工素質(zhì)是否能達(dá)到要求是必須考慮的問題。

304L不銹鋼強(qiáng)度較低、板較厚、船廠操作程序復(fù)雜，用其制作的液貨艙質(zhì)量較大，約為9Ni鋼液貨艙質(zhì)量的l．25倍，但焊接工藝成熟，價(jià)格比較便宜，約為9Ni鋼價(jià)格的70％?？紤]到裝配焊接等勞動成本，9Ni鋼和304L不銹鋼液貨艙的造價(jià)基本相當(dāng)，因此，液貨艙制作材料的選擇需要全面考慮支線LNG船的實(shí)際應(yīng)用情況，并作進(jìn)一步綜合論證。

③液貨艙支承構(gòu)件

根據(jù)IGC規(guī)范要求，液貨艙由船體支承的方式應(yīng)使其受到靜、動載荷作用時(shí)，能防止液貨艙本體移動，又允許液貨艙在溫度變化和船體變形時(shí)收縮和膨脹，從而避免液貨艙和船體承受過大應(yīng)力。

液貨艙的支承構(gòu)件^[8]與液貨艙的類型有關(guān)。對于支線LNG船的雙聯(lián)圓筒型C型獨(dú)立液貨艙，設(shè)計(jì)溫度最低為-163℃，支承構(gòu)件為1個(gè)固定鞍座和1個(gè)滑動鞍座，在船體變形和溫度變化時(shí)引起的縱向變形可以由滑動鞍座吸收。但由于設(shè)計(jì)溫度為-163℃，從常溫到-163℃，液貨艙的徑向變形較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際液貨艙材料的收縮率，通過有限元計(jì)算^[9-10]。掌握其變形情況，采取進(jìn)一步控制措施。

④液貨艙絕熱材料

用于支線LNG船液貨艙的絕熱材料^[11]。有聚氨酯、酚醛、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等發(fā)泡塑料，以及巴爾沙輕質(zhì)木材、粒狀的膨脹珍珠巖、玻璃纖維、潑墨玻璃等。絕熱材料應(yīng)具有熱導(dǎo)率低、密度小、吸濕性小、吸水率小、抗凍性強(qiáng)、極低溫下不會開裂、耐火性好、無氣味、不易霉?fàn)€、對人體無害、能防止蟲蛀鼠咬、機(jī)械強(qiáng)度高、經(jīng)久耐用、價(jià)格低及施工方便等特點(diǎn)。

從熱導(dǎo)率看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫^[12]最小。從經(jīng)濟(jì)上考慮，硬質(zhì)聚氨酯泡沫的價(jià)格低于其他材料，因此日本和韓國大多采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為LNG船液貨艙的絕熱材料。C型獨(dú)立液貨艙的絕熱材料大多將硬質(zhì)聚氨酯泡沫和酚醛泡沫復(fù)合使用，并趨向于采用長面板的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料。支線LNG船液貨艙絕熱材料可采用長面板系統(tǒng)^[13]，長面板可在工廠預(yù)制生產(chǎn)。在集液井附近的絕熱層、絕熱層的加厚，特別是第一液貨艙和船體結(jié)構(gòu)間的間隙須特別考慮。

3 船型與總體性能

一般地，在液貨艙容積為8 000～30 000 m³的雙聯(lián)圓筒型LNG運(yùn)輸船中，單個(gè)液貨艙的長度為26～31 m，艙體內(nèi)徑為l0～15 m，艙體寬度為l6～24m。船長、船寬、型深等主尺寸^[14]的初步確定與液貨艙形狀、大小、數(shù)量有關(guān)。

①支線LNG船的主尺寸

支線LNG船設(shè)計(jì)主尺寸的確定主要考慮下列因素的綜合影響：液貨艙容積，LNG接收子站碼頭的最大吃水深度(不超過8 m)，載重量要求，LNG接收子站對船寬、船長、干舷等主尺寸的要求。

國內(nèi)外雙聯(lián)圓筒型LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)主尺寸^[15-16]見表l，支線LNG船的液貨艙尺寸即為表l中容積22 000 m³的液貨艙對應(yīng)的尺寸，考慮船體和液貨系統(tǒng)等，初步估算空船質(zhì)量總計(jì)9 500 t。

②總體性能

針對LNG滿載工況和壓載工況，需要對支線LNG船的排水量、吃水深度等進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，LNG船的破艙穩(wěn)性^[17]也是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。支線LNG船屬于2G型液化氣船，破艙假定為船長范圍內(nèi)任何部位均能經(jīng)受破損，即二艙破損。破艙計(jì)算結(jié)果需要滿足IGC規(guī)范的要求。

考慮阻力和載重量的平衡，選取設(shè)計(jì)吃水深度下的經(jīng)濟(jì)方形系數(shù)約為0．7。根據(jù)該經(jīng)濟(jì)方形系數(shù)，最佳浮心縱向位置取在基本接近船舯。同時(shí)對于滿載尾縱傾比較大的情況，通過采用首部壓載水的配載來解決。這樣滿載吃水深度下的尾縱傾控制在0．3 m左右，相應(yīng)的最大尾吃水深度約為8 m。

根據(jù)支線LNG船的實(shí)際營運(yùn)航線，航行單程約為1 000海里。考慮單程航行控制在3 d以內(nèi)，設(shè)計(jì)支線LNG船的服務(wù)航速為15節(jié)，動力裝置采用中速柴油機(jī)經(jīng)減速齒輪箱傳動調(diào)距槳的配置方案，這是典型的應(yīng)用較廣的中速機(jī)動力裝置型式^[18]。

4 液貨系統(tǒng)的工況分析

支線LNG船屬于蓄壓式液化氣運(yùn)輸船，設(shè)計(jì)的最大工作壓力為0．4 MPa。航行時(shí)，由于發(fā)生熱交換產(chǎn)生的蒸發(fā)氣儲存在液貨艙中。由于液貨艙的設(shè)計(jì)壓力較高，航行中不進(jìn)行BOG處理，也不再設(shè)液化裝置。但考慮到液貨艙的熱應(yīng)力較大，進(jìn)港后再進(jìn)行集中預(yù)冷效果欠佳，因此在航行期間，需定時(shí)噴淋預(yù)冷，這在航行受阻或停航時(shí)問較長時(shí)，會起到更大的作用。此外，為了降低造船成本，同時(shí)考慮到支線LNG船近距離、沿海航行的特點(diǎn)，分析液貨系統(tǒng)各作業(yè)工況后，可暫不設(shè)惰氣系統(tǒng)。惰化工作可轉(zhuǎn)至船廠、LNG裝卸碼頭等地進(jìn)行。

支線LNC船的液貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度和常規(guī)的LNG船一樣(-163℃)，因此低溫管路的設(shè)計(jì)、安裝、檢驗(yàn)、使用和常規(guī)LNG船有相似的要求。在進(jìn)行低溫管路設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮低溫液體的隔熱要求，還應(yīng)特別注意低溫引起的熱應(yīng)力問題。按照IGC規(guī)范的要求，對于低溫管道系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度為-110℃或更低時(shí)，對管道系統(tǒng)的每一分支，應(yīng)向船級社提交一份由于管子質(zhì)量、較大的加速度載荷、內(nèi)部壓力、熱收縮以及船舶中拱和中垂引起的載荷等產(chǎn)生的所有應(yīng)力的完整的分析資料。因此，對液貨系統(tǒng)進(jìn)行全面的應(yīng)力分析計(jì)算^[19-20]是支線LNG船設(shè)計(jì)與建造的關(guān)鍵。目前國內(nèi)正在應(yīng)用的分析程序^[21]。有SP-5分析程序、等值剛度法分析程序、CAESARll分析程序等。

5 結(jié)語

支線液化天然氣船主要從已成熟的半冷半壓乙烯船發(fā)展而來，這種船型稍作擴(kuò)展，即可兼作其他LPG類貨品(如乙烯)的運(yùn)輸，可進(jìn)一步提高船的全生命周期的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益。目前，世界上已有這類LNG／LPG多用途液化氣船在建。同時(shí)，隨著頁巖氣勘探、開采技術(shù)的不斷突破，我國約3×10¹³ m³儲量的頁巖氣規(guī)模化使用希望很大，發(fā)展多用途液化氣船更有助于國內(nèi)及國際問的能源貿(mào)易。隨著秦皇島、大連、上海、浙江、福建等國內(nèi)沿海LNG接收站的規(guī)劃發(fā)展，支線LNG船以其近海運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，必將推進(jìn)整個(gè)LNG行業(yè)的快速發(fā)展，加速天然氣的全面應(yīng)用。

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本文作者：李樹旺

作者單位：新奧能源控股有限公司   中山大學(xué)