用于液化氣船液罐吊裝的結(jié)構(gòu)化吊碼分析

用于液化氣船液罐吊裝的結(jié)構(gòu)化吊碼分析

Summary：隨著全球市場對液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，LNG）的需求不斷增大，中國LNG海運市場步入高速發(fā)展的快車道。LNG船的液灌是獨立于船體的特殊構(gòu)造，用于低溫存儲LNG。在船舶實際建造過程中，液罐多采用整體式吊裝，有利于縮短船舶建造周期，提高工作效率和經(jīng)濟效益，但液灌整體結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，安全吊裝尤為重要。液罐具有特殊的材質(zhì)和功能，對液灌表面須敷設(shè)隔熱層，而傳統(tǒng)吊碼布置方案使吊碼的一定區(qū)域無法敷設(shè)，只能在液罐吊裝結(jié)束、進行吊碼切割打磨后方可局部補敷，不僅影響整體隔熱效果，而且在切割吊碼時需要火割，存在一定安全隱患，增加船塢周期?；谝汗藿Y(jié)構(gòu)的特殊性，在工程實際中將液罐的吊碼與止浮裝置相結(jié)合，在止浮裝置的主板和肘板上布置吊碼孔，吊碼孔兩側(cè)增加加厚腹板，形成結(jié)構(gòu)化吊碼，不僅起到止浮裝置的作用，而且滿足吊裝要求。為驗證該類結(jié)構(gòu)化吊碼的吊裝可行性，以實例進行有限元仿真模擬，對其進行分析。Keys：液化氣船；液罐吊裝；結(jié)構(gòu)化吊碼引言C-Mn系低溫鋼是船級社規(guī)范中規(guī)定用于建造液化氣體船船體結(jié)構(gòu)的低溫用鋼。93K超大型液化氣船（VeryLargeGasCarrier，VLGC）為全冷式液化氣船，是國內(nèi)某大型造船集團有限公司研制的一種高技術(shù)、高附加值船舶，主要運輸液化石油氣及液氨。根據(jù)造船建造要求，結(jié)合英國勞氏船級社規(guī)范，湘潭鋼鐵集團有限公司（簡稱湘鋼）研制了LRLTFH36（VL4-4LM36）碳錳低溫鋼。本文對湘鋼研制的碳錳低溫鋼進行了焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間測定、埋弧焊（SubmergedArcWelding，SAW）和藥芯焊絲CO2焊（FluxCoredArcWelding，F(xiàn)CAW）焊接工藝、火工工藝等試驗研究，掌握了國產(chǎn)低溫鋼的焊接加工工藝及火工加工工藝性能，可用于指導(dǎo)國產(chǎn)低溫鋼在VLGC產(chǎn)品上的工程化應(yīng)用。1國內(nèi)外低溫鋼研發(fā)現(xiàn)狀21世紀初，日本和韓國已經(jīng)開始系統(tǒng)性地研發(fā)LPG船用低溫鋼，并在工程應(yīng)用方面形成相對成熟的工藝和技術(shù)，尤其是日本JFE長期占據(jù)國際市場。憑借在船舶設(shè)計和建造中積累的豐富經(jīng)驗，國外鋼企尤其在加工和焊接方面投入了大量的精力通過深入、系統(tǒng)的研究，以滿足船舶建造行業(yè)大型化的需求，在低溫鋼板大線能量高效焊接工藝研發(fā)的基礎(chǔ)上，取得了大線能量焊接配套焊材研發(fā)方面的應(yīng)用成果。隨著我國對高端船板市場認知的提高和國內(nèi)鋼鐵制造水平的進步，近年來幾大船板生產(chǎn)單位陸續(xù)開展LPG船用低溫鋼的研發(fā)，開發(fā)了該級別的低溫碳錳鋼，并取得各船級社認可。由于國內(nèi)研發(fā)起步較晚，研發(fā)時間相對較短，且國產(chǎn)低溫鋼無大規(guī)模的應(yīng)用案例，缺乏使用性能研究數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品的應(yīng)用推廣上與國外仍有較大差距。2吊裝方案根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和在工程實際中現(xiàn)場起重設(shè)備的起吊抬吊范圍、起吊能力和吊鉤數(shù)量，選?。卜N吊裝方案：方案一，將傳統(tǒng)固定載荷吊碼布置于液罐上方傾斜外壁上，根據(jù)各吊碼的許用載荷，確定選取60ｔ吊碼，左右舷各16個；方案二，采取吊碼與止浮裝置相結(jié)合的結(jié)構(gòu)化吊碼布置，根據(jù)每個結(jié)構(gòu)化吊碼的總許用載荷120t，左右舷各選?。競€，結(jié)構(gòu)化吊碼肋位選取與方案一相同。3有限元仿真模擬3.1有限元模型在有限元仿真中，液罐主體結(jié)構(gòu)由大量的四邊形板殼單元和少量的三角形單元組成。鋼筋結(jié)構(gòu)由板單元或梁單元組成。主體結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸為框架間距×縱向骨間距，重點考察部位網(wǎng)格尺寸需進一步細化為50.0mm×50.0mm，所有一維剖面圖焦點區(qū)域的單元需要轉(zhuǎn)化為二維板殼單元，這樣可以更真實地反映實際的應(yīng)力和變形。為了提高計算精度，可以調(diào)整有限元模型的質(zhì)心，保證與實際情況完全一致。3.2載荷和邊界條件負載僅應(yīng)用重力場負載。重力加速度g為9810mm/s2?？紤]起吊時的慣性附加力，功率放大系數(shù)為1.2，實際施加載荷g為11772mm/s2。計算中采用一維桿單元模擬鋼絲繩，采用多點約束（MPC）單元模擬吊具與鋼絲繩的連接，采用穩(wěn)定桿矩陣模擬吊排龍門吊在實際工程中的應(yīng)用。吊排實際為多級滑輪結(jié)構(gòu)，故采用多級等腰三角形平衡桿組合進行等效模擬。節(jié)點A約束123個自由度，而節(jié)點B約束1個自由度。4國產(chǎn)低溫鋼實船應(yīng)用質(zhì)量控制研究4.1原材料質(zhì)量控制原材料質(zhì)量關(guān)系到整個工程的質(zhì)量。低溫鋼液艙原材料主要為鋼板和型材，最新規(guī)范要求船用鋼板板厚不得為負公差。常見的鋼板缺陷為表面麻點、凹坑，檢查鋼板表面質(zhì)量時，鋼板反面因吊運因素易忽視。由于低溫鋼板特性與常規(guī)鋼板差異較大，低溫鋼堆放時必須和其他鋼材隔離、區(qū)分，杜絕鋼材混用風(fēng)險。低溫鋼板材質(zhì)較軟，吊運整板時需要采取必要措施防止變形。材料性能試驗數(shù)據(jù)表明，低溫鋼母材性能至關(guān)重要，實船建造時應(yīng)根據(jù)工程情況做好原材料來貨檢查工作?；鸸ぴ囼灲Y(jié)果表明，嚴格按照火工工藝要求施工，國產(chǎn)低溫鋼材料性能能夠滿足工藝、規(guī)范要求，但火工對母材性能的影響較大，需要制定嚴格的火工溫度管控措施。4.2大組立質(zhì)量控制大組立階段是低溫鋼液艙質(zhì)量控制最重要的一環(huán)。液艙分段的質(zhì)量決定了液艙整體性能指標(biāo)。大組立階段質(zhì)量控制主要分為線型控制、焊接質(zhì)量和見證試板機械性能。線性精度控制，主要通過以下方面來控制：1）樣箱制作后品質(zhì)人員抽檢，以確保板材加工精度和尺寸；2）樣箱上需要標(biāo)明相應(yīng)信息（分段號、板材號、上下口等）；3）嚴格施工，合理規(guī)范地使用好胎架模板；4）結(jié)構(gòu)焊接前測量胎架模板與外板之間的間隙；5）控制在精度要求之內(nèi)；6）焊接時注意焊接順序。低溫鋼焊接工藝驗證表明，嚴格按照工藝參數(shù)施工才能確保焊縫滿足低溫韌性要求。焊前裝配間隙檢查、焊前坡口、焊道布置等因素影響焊接結(jié)果；焊接過程熱輸入量的控制直接決定了焊縫力學(xué)性能。江南造船有限責(zé)任公司率先在國內(nèi)實現(xiàn)了菱形獨立液艙關(guān)鍵技術(shù)的突破，為國內(nèi)首創(chuàng)承載菱形獨立液艙的VLGC船的成功研制打下了堅實的基礎(chǔ)，也為本行業(yè)積累了寶貴的經(jīng)驗。針對國產(chǎn)低溫鋼首次批量生產(chǎn)，首次應(yīng)用到84000m3VLGC項目，且液艙和次屏蔽全部采用國產(chǎn)低溫鋼的實際情況，編制國產(chǎn)低溫鋼進廠復(fù)驗技術(shù)要求，優(yōu)化焊接工藝，并根據(jù)低溫鋼液艙建造全過程質(zhì)量風(fēng)險點編制質(zhì)量管控方案。采用國產(chǎn)低溫鋼建造的首制實船，液艙和船體性能良好，反映焊縫內(nèi)部質(zhì)量和低溫韌性質(zhì)量的射線探傷一次合格、焊接見證試板力學(xué)試驗一次合格率均優(yōu)于型號質(zhì)量，符合大綱要求。證明國產(chǎn)低溫鋼在VLGC上的工程應(yīng)用取得成功。結(jié)束語采用有限元軟件對液化氣船液罐吊裝采用傳統(tǒng)吊碼和新型結(jié)構(gòu)化吊碼的２種吊裝方案計算結(jié)果進行對比分析，采用新型結(jié)構(gòu)化吊碼的變形及應(yīng)力均優(yōu)于傳統(tǒng)吊碼，并對該類結(jié)構(gòu)化吊碼的優(yōu)點及可行性進行總結(jié)，不僅可滿足其原有的止浮裝置作用，而且可滿足工程實際中的液罐吊裝需求，為后續(xù)液化氣船的液罐吊裝方案提供一種優(yōu)選的吊碼布置方式。由于所述結(jié)構(gòu)化吊碼在布置時僅可選擇原有止浮裝置所在位置，在液罐尺寸較大、左右舷止浮裝置跨距較大而船廠無對應(yīng)跨距的起吊裝置時，可能出現(xiàn)無法采用該類結(jié)構(gòu)化吊碼的情況，此時建議靈活布置傳統(tǒng)吊碼。Reference[1]柳夢源,何炎平,柳衛(wèi)東.基于CATIAV6的某液化氣船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)建模模板研究[J].船舶工程,2019,41(S2):44-47+57.[2]陸天奇,陶沙,周慶云,郭列,劉陽.大型液化氣船泵塔振動特性試驗研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2019,41(15):34-38.[3]賀行飛,張華,鄒鈺鋒,劉恩義.液化氣船C型獨立艙設(shè)計[J].中