LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺設(shè)計(jì)淺析

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摘要：近幾年，伴隨液化天然氣需求量的日益增長，lng船由于具備技術(shù)水平高、附加值高等優(yōu)勢，而引起業(yè)界的高度重視。LNG船包含3個關(guān)鍵系統(tǒng)，分別為蒸汽動力推進(jìn)系統(tǒng)、圍護(hù)系統(tǒng)和超低溫液貨駁運(yùn)系統(tǒng)等；其中，圍護(hù)系統(tǒng)不僅是LNG船最重要的系統(tǒng)，同樣還是設(shè)計(jì)和安裝最困難的系統(tǒng)。圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺是專門用于安裝絕緣板、柔性次屏蔽、上橋板、波紋板的平臺，具有規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)繁雜等特征?；诖?，本文對LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺進(jìn)行深入地研究。

關(guān)鍵詞：LNG船；圍護(hù)系統(tǒng)；安裝平臺

0引言

伴隨新發(fā)展理念的全面貫徹，液化天然氣憑借其價廉、環(huán)保、清潔的特點(diǎn)成為能源行業(yè)的“新星”，LNG船在液化天然氣運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，全球各國的LNG船進(jìn)口規(guī)模不斷擴(kuò)大，對LNG船也有著更大的需求。我國作為船舶制造大國，當(dāng)前在LNG船制造方面依然存在較多不足，比如制造成本高、制造經(jīng)驗(yàn)缺乏、圍護(hù)系統(tǒng)建造技術(shù)落后等。以圍護(hù)系統(tǒng)為例，目前LNG船常用的圍護(hù)系統(tǒng)主要有薄膜型與自支撐型，圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺是其必不可少的部分，是系統(tǒng)工作得以有序推進(jìn)的核心所在。

1LNG船發(fā)展現(xiàn)狀

液化天燃?xì)赓Q(mào)易主要涉及氣體液化、處理以及保存等過程；通過液化以后的天然氣再利用LNG船運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的國家；在需求國完成接收后，經(jīng)由保存、再氣化處理后，便能夠進(jìn)入到終端進(jìn)行銷售。所以，船運(yùn)為液化天燃?xì)獾馁Q(mào)易提供著強(qiáng)大的保障，而LNG船是最為主要的運(yùn)輸工具[1]。截止2020年底，全球范圍內(nèi)總共有LNG船642艘，與2019年相比增加41艘（見圖1）。從LNG船的承載能力角度來看，2020年，全球所有LNG船的承載容量高達(dá)9520×104m3，與2019年相比增加550×104m3；除此以外，LNG船的營運(yùn)容量同樣有較大幅度的增加，從2019年的8610×104m3增加至2020年的9340×104m3（見圖2）。

2LNG船圍護(hù)系統(tǒng)簡介

LNG船的圍護(hù)系統(tǒng)主要由支撐結(jié)構(gòu)、隔熱層以及屏蔽層等部分構(gòu)成。此外，為了能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其還包含有液貨控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及惰性氣系統(tǒng)等各類輔助系統(tǒng)。根據(jù)IMO的區(qū)分，當(dāng)前LNG船圍護(hù)系統(tǒng)的常見類型如圖3所示?？芍?，目前常用的圍護(hù)系統(tǒng)主要有薄膜型與自支撐型。其中，自支撐型又可劃分成3種不同類型。其根本差異在于A型需全部次屏蔽，B型在系統(tǒng)化的數(shù)值分析基礎(chǔ)上，只需部分次屏蔽，而C型則是承壓設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中便應(yīng)結(jié)合蒸發(fā)汽對壓力造成的影響，按照設(shè)計(jì)要求承擔(dān)運(yùn)輸時蒸發(fā)氣所形成的壓力[2]。1）A型。其代表性設(shè)計(jì)是ESSO雙層殼形與Conch方形，因?yàn)槠湫柰暾拇纹帘?，所以制造成本高，LNG船極少應(yīng)用此種類型。2）B型。其代表性設(shè)計(jì)主要有日本IHI的SPB型以及挪威Moss球形，其中Moss球型安全度最高，且有著較為廣泛的應(yīng)用；而因?yàn)镾PB型的開發(fā)時間相對較晚，同時價格高昂，現(xiàn)階段只有2艘LNG船使用此種類型的圍護(hù)系統(tǒng)。3）C型。其主要有外保溫層與真空罐2種類型，其中真空罐在較小體積的LNG儲罐中有大量的運(yùn)用，且有很多廠家都可以生產(chǎn)此種類型；而外保溫層則以德國TGE研制的雙圓筒型與圓筒型為主，此種圍護(hù)系統(tǒng)主要適用于行駛在中小江河中的LNG船。最后，薄膜型是由法國GTT研制，主要包含No.系列、Mark系列、csi系列等。因?yàn)楸∧ば蜔o需額外的罐體結(jié)構(gòu)僅需在船體上增加局部支撐架構(gòu)，制造成本相對偏低，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的。

3LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

1）邊界條件①底部支撐腿約束。對于底部支撐腿的各處位移加以相應(yīng)的約束，其主要包含Y向的角位移和Z向的角位移、線位移。②第1~3層斜撐腿處理。安裝平臺前3層斜撐腿的重要作用在于對平臺的延伸段結(jié)構(gòu)進(jìn)行鞏固，在具體工作過程中應(yīng)維持平臺延伸段的穩(wěn)定性。所以，需要在左側(cè)和斜撐腿的相交位置處進(jìn)行約束，主要包含Z向的角位移、線位移與Y向的角位移、線位移；在右側(cè)和斜撐腿的相交位置處進(jìn)行約束，主要包含Z向的角位移、線位移與Y向的角位移。③模型整體的縱向約束[3]。對模型端部某點(diǎn)的縱向進(jìn)行約束，確保Y向的角位移、線位移與X向的線位移為0。④部分支撐腿抬起工況的約束。在殷鋼鋪設(shè)過程中，適當(dāng)抬起底部的些許支撐腿，此處采取的方法主要是順著艙長方向間隔特定的距離抬起支撐腿，同時對于沒有抬起的支撐腿加以約束。2）載荷工況在對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時，應(yīng)當(dāng)主要考慮以下幾種不同的載荷工況：①平臺自重LC1，其主要包含框架自身的重量、框架上各零件的重量以及焊接于框架中的扣件、配件等的重量；因?yàn)闄M剖面框架間需進(jìn)行相應(yīng)的連接，所以在所有的連接點(diǎn)處都需施加相應(yīng)的重量。②膠合板與鋼條板的重量LC2，其可以按照設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)的具體安裝狀況予以施加，此處采取的是將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力的方式而在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行施加。③平臺加載LC3~LC6參考表1根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。其中，LC3與LC5代表著施加所有可能外載30%的狀況；LC4與LC6代表著施加所有可能外載70%的狀況。當(dāng)前，圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺主要有以下3種作業(yè)類別：①每個支撐腿都可以穩(wěn)定運(yùn)用；②抬起部分支撐腿；③橫向存在5°的傾角(算假設(shè))，同時抬起部分支撐腿。各作業(yè)類別相應(yīng)于3類不同的載荷工況：①無人作業(yè)情形：LB0=LC1+LC2；②1、2、3、4、10層同步作業(yè)情形：LB1=LC1+LC2+LC3+LC4；③3、5、6、8、10層同步作業(yè)情形：LB2=LC1+LC2+LC5+LC6。

3.2基本結(jié)構(gòu)與布置設(shè)計(jì)

1）基本準(zhǔn)則從LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺的本質(zhì)來看，其屬于特種裝備，現(xiàn)階段對于其基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布置還未形成較為成熟的指導(dǎo)規(guī)劃?；窘Y(jié)構(gòu)及其布置設(shè)計(jì)是對安裝平臺進(jìn)行初期設(shè)計(jì)的根本前提，結(jié)構(gòu)布置的種類對于后期的設(shè)計(jì)作業(yè)有著直接性的影響。在針對平臺的基本結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)及布置時，應(yīng)當(dāng)對多方面的因素引起重視，其主要涉及布置樁腿、角區(qū)板設(shè)計(jì)、通道和懸伸梁設(shè)計(jì)、斜坡設(shè)計(jì)以及（支）斜撐腿設(shè)計(jì)等。上述重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的布置通?；ハ喈a(chǎn)生影響，在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮，不僅需符合強(qiáng)度要求，確保安裝平臺能夠穩(wěn)定運(yùn)行，而且還需符合應(yīng)用要求，有利于提高操作施工的便利性[4]。2）關(guān)鍵技術(shù)①布置樁腿。樁腿在操作時應(yīng)當(dāng)以底面絕緣板作為支撐，并且需對絕緣板的受力程度加以全面考慮，樁腿不得安裝在2個絕緣板的連接處。殷瓦鋼與底面絕緣板的尺寸和布置方式對樁腿布置有著決定性影響，從而對全平臺的布置狀況產(chǎn)生影響。所以，在布置樁腿的具體環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)對殷瓦鋼和絕緣板的尺寸、各通道分布等其他因素進(jìn)行系統(tǒng)考慮，對于樁腿間的距離需展開多次計(jì)算，如此才可以獲得更加科學(xué)的布置方案。②角隅設(shè)計(jì)。為了保證船艙內(nèi)部角隅位置能夠更加便捷的施工作業(yè)，應(yīng)當(dāng)對角區(qū)板實(shí)施科學(xué)、有效的設(shè)計(jì)。角區(qū)板在符合要求的前提下需盡可能采用正方形的框架，確保其能夠覆蓋角隅的所有施工區(qū)域，此便需對各方向通道和懸伸梁的寬度進(jìn)行系統(tǒng)化的考慮。除此以外，因?yàn)榻菂^(qū)板處在懸空的狀態(tài)，在具體設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)考慮采用科學(xué)的強(qiáng)化舉措。③通道和懸伸梁設(shè)計(jì)。為了提高舷側(cè)壁作業(yè)的便利性，應(yīng)當(dāng)采用可調(diào)節(jié)形式的懸伸梁架構(gòu)，其調(diào)節(jié)方式需要符合“簡單、易行、便于操作”的要求。懸伸梁結(jié)構(gòu)端與內(nèi)艙壁之間的距離不得太小，防止對絕緣板、次屏蔽、上橋板、波紋板安裝產(chǎn)生影響。平臺兩旁通道的根本功能在于人員通行以及貨物輸送，在對其寬度值展開設(shè)計(jì)時需要根據(jù)絕緣板的尺寸數(shù)據(jù)，從而確保其運(yùn)輸作業(yè)的便捷性和暢通性。針對船首位置處的液艙，由于遭受型線收縮帶來的影響，懸伸梁結(jié)構(gòu)端與內(nèi)艙壁之間的距離需要按照角隅區(qū)域設(shè)計(jì)形式加以相應(yīng)的變化。為了確保通道各處的寬度完全相同，可通過對舷側(cè)周圍框架的調(diào)整以達(dá)到此目的。④斜坡設(shè)計(jì)。在具體作業(yè)環(huán)節(jié)，電梯往往僅可以到1層，因此機(jī)械設(shè)備、平臺部件以及絕緣板等均需從0層經(jīng)由斜坡運(yùn)輸至1層，然后再由電梯進(jìn)行輸送。斜坡結(jié)構(gòu)不得對絕緣板的安裝作業(yè)產(chǎn)生影響，與此同時底部和斜坡間的角度不得太大，通常保持在6°～8°[5]。⑤支撐腿設(shè)計(jì)。支撐腿主要有斜支撐腿與垂直支撐腿2種形式，前者主要起支撐角隅的輔助作用，后者主要起到支撐底部的作用。其設(shè)計(jì)實(shí)際上是對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)由微調(diào)與粗調(diào)2種結(jié)構(gòu)而構(gòu)成。在絕緣板安裝過程中，首先應(yīng)當(dāng)利用微調(diào)結(jié)構(gòu)來對支撐腿的縱向高度進(jìn)行調(diào)整，不斷降低支撐腿的承受重力，直至支撐腿無需承受任何重量，其次再利用粗調(diào)結(jié)構(gòu)來對支撐腿的縱向高度進(jìn)行大幅度的調(diào)整。兩者的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合穩(wěn)定性與強(qiáng)度方面的需求，并且需便于后續(xù)操作，僅需1～2人便可完成作業(yè)。

4結(jié)語

近年來LNG船在外界高度看好的環(huán)境下，保持著迅猛發(fā)展的態(tài)勢，且已取得較好的發(fā)展成績。圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺作為LNG船不可或缺的部分，在LNG船中起著無可取代的重要作用，所以需對其引起高度重視，展開全面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性，從而提高圍護(hù)系統(tǒng)安裝的效率及質(zhì)量。

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作者:常浩 朱德云 楊新杰 單位:江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司