LNG船圍護系統安裝平臺設計淺析
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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船由于具備技術水平高、附加值高等優勢，而引起業界的高度重視。LNG船包含3個關鍵系統，分別為蒸汽動力推進系統、圍護系統和超低溫液貨駁運系統等；其中，圍護系統不僅是LNG船最重要的系統，同樣還是設計和安裝最困難的系統。圍護系統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，具有規模宏大、結構繁雜等特征。基于此，本文對LNG船圍護系統安裝平臺進行深入地研究。
關鍵詞：LNG船；圍護系統；安裝平臺
0引言
伴隨新發展理念的全面貫徹，液化天然氣憑借其價廉、環保、清潔的特點成為能源行業的“新星”，LNG船在液化天然氣運輸領域發揮著極其重要的作用。近年來，全球各國的LNG船進口規模不斷擴大，對LNG船也有著更大的需求。我國作為船舶制造大國，當前在LNG船制造方面依然存在較多不足，比如制造成本高、制造經驗缺乏、圍護系統建造技術落后等。以圍護系統為例，目前LNG船常用的圍護系統主要有薄膜型與自支撐型，圍護系統安裝平臺是其必不可少的部分，是系統工作得以有序推進的核心所在。
1LNG船發展現狀
液化天燃氣貿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船運輸到相應的國家；在需求國完成接收后，經由保存、再氣化處理后，便能夠進入到終端進行銷售。所以，船運為液化天燃氣的貿易提供著強大的保障，而LNG船是最為主要的運輸工具[1]。截止2020年底，全球范圍內總共有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9520×104m3，與2019年相比增加550×104m3；除此以外，LNG船的營運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船圍護系統簡介
LNG船的圍護系統主要由支撐結構、隔熱層以及屏蔽層等部分構成。此外，為了能夠確保系統的穩定運行，其還包含有液貨控制系統、加熱系統、噴淋系統、泵送系統、監控系統以及惰性氣系統等各類輔助系統。根據IMO的區分，當前LNG船圍護系統的常見類型如圖3所示。可知，目前常用的圍護系統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型在系統化的數值分析基礎上，只需部分次屏蔽，而C型則是承壓設計，在設計過程中便應結合蒸發汽對壓力造成的影響，按照設計要求承擔運輸時蒸發氣所形成的壓力[2]。1）A型。其代表性設計是ESSO雙層殼形與Conch方形，因為其需完整的次屏蔽，所以制造成本高，LNG船極少應用此種類型。2）B型。其代表性設計主要有日本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用；而因為SPB型的開發時間相對較晚，同時價格高昂，現階段只有2艘LNG船使用此種類型的圍護系統。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儲罐中有大量的運用，且有很多廠家都可以生產此種類型；而外保溫層則以德國TGE研制的雙圓筒型與圓筒型為主，此種圍護系統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。因為薄膜型無需額外的罐體結構僅需在船體上增加局部支撐架構，制造成本相對偏低，是現階段應用最廣泛的。
3LNG船圍護系統安裝平臺設計
3.1結構強度計算
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構進行鞏固，在具體工作過程中應維持平臺延伸段的穩定性。所以，需要在左側和斜撐腿的相交位置處進行約束，主要包含Z向的角位移、線位移與Y向的角位移、線位移；在右側和斜撐腿的相交位置處進行約束，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]。對模型端部某點的縱向進行約束，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。在殷鋼鋪設過程中，適當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）載荷工況在對結構強度進行計算時，應當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；因為橫剖面框架間需進行相應的連接，所以在所有的連接點處都需施加相應的重量。②膠合板與鋼條板的重量LC2，其可以按照設計圖紙內的具體安裝狀況予以施加，此處采取的是將其轉化為節點力的方式而在結構上進行施加。③平臺加載LC3~LC6參考表1根據具體情況進行選擇。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。當前，圍護系統安裝平臺主要有以下3種作業類別：①每個支撐腿都可以穩定運用；②抬起部分支撐腿；③橫向存在5°的傾角(算假設)，同時抬起部分支撐腿。各作業類別相應于3類不同的載荷工況：①無人作業情形：LB0=LC1+LC2；②1、2、3、4、10層同步作業情形：LB1=LC1+LC2+LC3+LC4；③3、5、6、8、10層同步作業情形：LB2=LC1+LC2+LC5+LC6。
3.2基本結構與布置設計
1）基本準則從LNG船圍護系統安裝平臺的本質來看，其屬于特種裝備，現階段對于其基本結構的設計和布置還未形成較為成熟的指導規劃。基本結構及其布置設計是對安裝平臺進行初期設計的根本前提，結構布置的種類對于后期的設計作業有著直接性的影響。在針對平臺的基本結構展開設計及布置時，應當對多方面的因素引起重視，其主要涉及布置樁腿、角區板設計、通道和懸伸梁設計、斜坡設計以及（支）斜撐腿設計等。上述重點結構的布置通常互相產生影響，在具體設計環節，應當綜合考慮，不僅需符合強度要求，確保安裝平臺能夠穩定運行，而且還需符合應用要求，有利于提高操作施工的便利性[4]。2）關鍵技術①布置樁腿。樁腿在操作時應當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生影響。所以，在布置樁腿的具體環節，應當對殷瓦鋼和絕緣板的尺寸、各通道分布等其他因素進行系統考慮，對于樁腿間的距離需展開多次計算，如此才可以獲得更加科學的布置方案。②角隅設計。為了保證船艙內部角隅位置能夠更加便捷的施工作業，應當對角區板實施科學、有效的設計。角區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域，此便需對各方向通道和懸伸梁的寬度進行系統化的考慮。除此以外，因為角區板處在懸空的狀態，在具體設計時應當考慮采用科學的強化舉措。③通道和懸伸梁設計。為了提高舷側壁作業的便利性，應當采用可調節形式的懸伸梁架構，其調節方式需要符合“簡單、易行、便于操作”的要求。懸伸梁結構端與內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計時需要根據絕緣板的尺寸數據，從而確保其運輸作業的便捷性和暢通性。針對船首位置處的液艙，由于遭受型線收縮帶來的影響，懸伸梁結構端與內艙壁之間的距離需要按照角隅區域設計形式加以相應的變化。為了確保通道各處的寬度完全相同，可通過對舷側周圍框架的調整以達到此目的。④斜坡設計。在具體作業環節，電梯往往僅可以到1層，因此機械設備、平臺部件以及絕緣板等均需從0層經由斜坡運輸至1層，然后再由電梯進行輸送。斜坡結構不得對絕緣板的安裝作業產生影響，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支撐腿設計。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。其設計實際上是對調節機構進行設計，應當由微調與粗調2種結構而構成。在絕緣板安裝過程中，首先應當利用微調結構來對支撐腿的縱向高度進行調整，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，其次再利用粗調結構來對支撐腿的縱向高度進行大幅度的調整。兩者的設計應當符合穩定性與強度方面的需求，并且需便于后續操作，僅需1～2人便可完成作業。
4結語
近年來LNG船在外界高度看好的環境下，保持著迅猛發展的態勢，且已取得較好的發展成績。圍護系統安裝平臺作為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，展開全面的結構強度計算分析，以確保結構的可靠性，從而提高圍護系統安裝的效率及質量。
參考文獻：
[1]戴偉,夏勇峰,羅金.基于三維模型的LNG船圍護系統安裝平臺整體安裝技術[J].船海工程,2021,50(01):1-4.
[2]孫小偉,孫軍坤,俞煒,等.LNG船貨物圍護系統用硬質聚氨酯絕熱材料制備和性能研究[J].聚氨酯工業,2018,33(03):5-9.
[3]苗科,戎建俊,陳強.LNG船貨艙圍護系統的建造質量控制[J].船海工程,2015,44(06):41-44+49.
[4]華學明,蔡艷,吳毅雄,等.大型LNG船圍護系統低溫金屬材料焊接技術現狀及發展[J].電焊機,2015,45(05):28-35.
[5]余折,任偉曙,王德禹.LNG船液艙圍護系統安裝平臺簡化分析模型與優化[J].計算機輔助工程,2010,19(02):64-69.
作者:常浩 朱德云 楊新杰 單位:江南造船（集團）有限責任公司