LNG燃料舱结构设计与强度校核的研究论文_胡攀1,罗建宏2,王智鹏3

1.身份证号码:42070319870428XXXX 湖北武汉 430000;2.身份证号码:42011719880106XXXX 湖北武汉 430000;3.身份证号码:21010619880309XXXX 湖北武汉 430000

摘要:众所周知,人类正在面临日益严峻的生存环境挑战。目前,世界上的主要能源物仍是煤炭和石油,这些物质在燃烧时会产生大量有害气体。与传统能源相比,LNG被认为是世界上最干净的能源。出于经济性考虑,大型船舶暂时不能将LNG作为唯一燃料。在这种情况下,双燃料主机系统可以作为过度方案使用。SPB(self-supporting,prismatic-ship,IMO type B)是最适合装载LNG燃料的储罐类型。

关键词:LNG燃料;舱结构设计;强度校核

引言

随着全球陆续推出更为严格的排放控制要求,基于环境保护及商业角度考量,越来越多的双燃料及单一气体燃料船用发动机使用在各类船舶当中。为了满足船东、设计单位及船厂等客户开发气体动力船的技术需求,中国船级社(CCS)组建了LNG燃料推进技术团队,聚集了结构、总体、轮机、电气及法定等多个专业的技术专家,分别根据不同船型、不同LNG燃料舱舱型,为客户提供气体运输船以及大型集装箱船、超大型矿砂船、散货船等大型船舶的LNG燃料系统及设备、法定法规及LNG浮式结构和系统要求方面的技术服务。

1.三种机舱布置形式的特点和选择

1.1本质安全型机舱

本质安全型机舱可采用气体燃料发动机或双燃料发动机,机舱内的气体管路(包括阀件控制单元)采用双壁管或通风导管进行气密环围,当双壁管(或通风导管)内发生气体泄露时,内外管之间自动冲灌氮气,以此保证机舱始终处于气体安全状态。

相对于其他形式的机舱,其优缺点是:通风排量小,无需设置大排量防爆风机;可以接受较大供气管路压力,发动机选择有优势;机舱为本质安全,内部电气设备可不必为防爆型;双壁管(或通风导管)的安装工艺复杂。对于新建货船,在设计时有一定的灵活性,采用本质安全型机舱则是一个合适的选择。

1.2ESD防护式机舱

ESD防护式机舱可采用气体燃料发动机或双燃料发动机,机舱内的气体管路可不设气密环围,发动机/发电机布置在2间或多间机舱内,当任何一间机舱内的燃料供应被切断时,其余机舱维持至少40%的推进功率和电力供应。机舱内尽可能少的容纳仅为维持发动机正常工作的设备,焚烧炉、惰性气体发生器和燃油锅炉等不应布置在机舱内。

相对于其他形式的机舱,其优缺点是:“双/多机舱、容纳设备少”的布置适合电力推进的内河货船;“双/多机舱”的设置增加了船舶布置的设计难度和建造成本。鉴于对机舱布置的要求,ESD防护式更加适合于采用电能为动力的船舶,但在由机械能转化为电能再转化为机械能的过程中,增大了能源的消耗,因此,相对货船来讲,ESD防护式机舱更加适用于对电能需求较大的船舶,如绞吸式挖泥船等类似的工程船。

1.3增强安全型机舱

增强安全性机舱仅适用于采用双燃料发动机的内河货船,机舱内的供气管路可不必设气密环围,但接头处必须采用对接、全焊透的形式。除风机、探测器、报警器、照明装置应为防爆型外,其他设备可与普通货船机舱的安全要求一致。当探测到气体泄露时,发动机自动切换至燃油模式。相对于其他形式的机舱,其优缺点是:机舱构造与普通货船相类似,制造工艺相对简单、方便,易于被船东接受;大部分机舱设备不必采用防爆型,降低了设备安装难度;通风配量大,需配置大排量防爆风机;仅适用于采用双燃料发动机的内河货船,有一定的局限性。

随着LNG在船舶行业的推广,其清洁、经济的特点将更加突出,将会有更多的船东加入到使用LNG的行列,而增强安全型机舱的设备布置与普通货船更接近,采用这种设计进行双燃料改造,会更方便、快捷。

2.LNG 液货舱材料

根据 LNG 货物的特性,装载 LNG 的 C 型独立液舱要求能够满足极低的载运环境,故而液舱材料必须具有抗低温脆性破坏的能力。现阶段,用于 LNG 液货罐制造的材料主要有以下三种:低碳镍系低温钢、铬镍奥氏体系不锈钢和铝合金。低碳镍系低温钢的含镍量为0.5%~9%,适用于LNG储罐的材料为9%镍钢,较常用的钢号为9NiA353。镍在合金钢中的作用主要是强化铁素体基体,降低钢的临界点,抑制粗大的先析出相铁素体,降低脆性转变温度,改善钢的低温韧性和焊接性能。按照中国船级社(以下简称 CCS)规范对 9%低碳镍系低温钢的化学成分要求如表1 所示。铬镍奥氏体不锈钢的低温性能也很好,即使在-196℃低温下也不会变脆。此外,奥氏体不锈钢的耐腐蚀性优秀,具有优良的塑性和韧性等力学性能,且焊接性能良好,被大量地用作冷压式液化气舱的建造材料。在实际的液货罐建造中,主要使用的奥氏体不锈钢有以下几种型号:AISI304L(化学成分相当于国标 00Cr18Ni10)和 AISI304N(化学成分相当于国标00Cr18Ni10N)铝合金的特点是抗腐蚀性能好,结构材料密度小。但是和镍系低温钢和奥氏体系不锈钢相比,其强度较低。因此,铝合金材料较多用于 B 型独立液货舱(如MOSS 型和SPB 型)和舱容较小的 C 型独立液货舱,最常用的型号为AA5083-0。

三种材料的性能比较见表2。

表 1 9%低碳镍系低温钢的化学成分

表2 液货舱材料特性

3.液舱绝缘保温层

设计绝缘保温层的目的,是为了抑制由对流、传导和辐射等各种传热方式引起的散热效应,以维持低温系统的正常工作,减少运输过程中 LNG 的蒸发,控制其日蒸发率以及罐体的热胀冷缩,保证船体结构不受液舱低温的损害。此外,绝缘层还可以维持罐体外表面的温度,避免在外表面上结露或者结霜,以及人的皮肤与之接触时被“灼伤”,以改善工作条件和防止意外事故的发生。

小型 LNG 船的液舱外设绝缘保温层,一般采用厚度为 300~400 mm 的聚苯乙烯保温板,通过特种黏合剂覆在罐体外表面。然后再在聚苯乙烯保温板的最外层设置 0.25~0.5 mm 的薄层镀锌钢板,保护聚苯乙烯,型 LNG 船在运输过程中的蒸发率高于大型 LNG 船,且其绝缘层结构的保温效果也不如大型 LNG 船,然而综合考虑其运输量小、运转周期短等因素,设置上述保温层是可以保证其运输的经济性和安全性的。

4.结束语

LNG燃料将逐渐成为船用燃料选择中不可忽略的一项。我国“十二五”发展规划纲要中明确提出经济转型和节能减排目标,天然气作为主要的清洁能源,应该得到更大的政策扶持。节能减排、绿色环保已经是航运业乃至全球众多领域发展的趋势。随着更完善的行业规范和大量的环保法规的实施,我们有理由相信,LNG动力船舶必将成为未来发展的方向。

参考文献:

[1]天然气燃料动力船舶规范[Z].中国船级社,2013,9:1-4.

[2]全球LNG动力船舶行业市场现状分析[J].中商情报网,2013,9.

[3]液化天然气船舶(LNG船)制造国内外进展[J].海洋经济,2012,6.

论文作者:胡攀1,罗建宏2,王智鹏3

论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期

论文发表时间:2019/7/3

标签:;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  

LNG燃料舱结构设计与强度校核的研究论文_胡攀1,罗建宏2,王智鹏3
下载Doc文档

猜你喜欢