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LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)淺析

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LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)淺析

摘要:近幾年,伴隨液化天然氣需求量的日益增長(zhǎng),lng船由于具備技術(shù)水平高、附加值高等優(yōu)勢(shì),而引起業(yè)界的高度重視。LNG船包含3個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng),分別為蒸汽動(dòng)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(tái)是專(zhuān)門(mén)用于安裝絕緣板、柔性次屏蔽、上橋板、波紋板的平臺(tái),具有規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)繁雜等特征。基于此,本文對(duì)LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)進(jìn)行深入地研究。

關(guān)鍵詞:LNG船;圍護(hù)系統(tǒng);安裝平臺(tái)

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(jià)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(lái),全球各國(guó)的LNG船進(jìn)口規(guī)模不斷擴(kuò)大,對(duì)LNG船也有著更大的需求。我國(guó)作為船舶制造大國(guó),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(tái)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(guò)程;通過(guò)液化以后的天然氣再利用LNG船運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的國(guó)家;在需求國(guó)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(xiāo)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(jiàn)圖1)。從LNG船的承載能力角度來(lái)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(yíng)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(jiàn)圖2)。

2LNG船圍護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(lèi)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(jiàn)類(lèi)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(lèi)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(guò)程中便應(yīng)結(jié)合蒸發(fā)汽對(duì)壓力造成的影響,按照設(shè)計(jì)要求承擔(dān)運(yùn)輸時(shí)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拇纹帘危灾圃斐杀靖?,LNG船極少應(yīng)用此種類(lèi)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(kāi)發(fā)時(shí)間相對(duì)較晚,同時(shí)價(jià)格高昂,現(xiàn)階段只有2艘LNG船使用此種類(lèi)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(lèi)型,其中真空罐在較小體積的LNG儲(chǔ)罐中有大量的運(yùn)用,且有很多廠家都可以生產(chǎn)此種類(lèi)型;而外保溫層則以德國(guó)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(guó)GTT研制,主要包含No.系列、Mark系列、csi系列等。因?yàn)楸∧ば蜔o(wú)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(duì)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(tái)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(duì)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(tái)前3層斜撐腿的重要作用在于對(duì)平臺(tái)的延伸段結(jié)構(gòu)進(jìn)行鞏固,在具體工作過(guò)程中應(yīng)維持平臺(tái)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(duì)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(guò)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(zhǎng)方向間隔特定的距離抬起支撐腿,同時(shí)對(duì)于沒(méi)有抬起的支撐腿加以約束。2)載荷工況在對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí),應(yīng)當(dāng)主要考慮以下幾種不同的載荷工況:①平臺(tái)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(tái)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(tái)主要有以下3種作業(yè)類(lèi)別:①每個(gè)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(shí)抬起部分支撐腿。各作業(yè)類(lèi)別相應(yīng)于3類(lèi)不同的載荷工況:①無(wú)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(tái)的本質(zhì)來(lái)看,其屬于特種裝備,現(xiàn)階段對(duì)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(duì)安裝平臺(tái)進(jìn)行初期設(shè)計(jì)的根本前提,結(jié)構(gòu)布置的種類(lèi)對(duì)于后期的設(shè)計(jì)作業(yè)有著直接性的影響。在針對(duì)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)展開(kāi)設(shè)計(jì)及布置時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)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(tái)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(shí)應(yīng)當(dāng)以底面絕緣板作為支撐,并且需對(duì)絕緣板的受力程度加以全面考慮,樁腿不得安裝在2個(gè)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(duì)樁腿布置有著決定性影響,從而對(duì)全平臺(tái)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(duì)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(duì)于樁腿間的距離需展開(kāi)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(duì)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(duì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)絕緣板、次屏蔽、上橋板、波紋板安裝產(chǎn)生影響。平臺(tái)兩旁通道的根本功能在于人員通行以及貨物輸送,在對(duì)其寬度值展開(kāi)設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)船首位置處的液艙,由于遭受型線收縮帶來(lái)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(guò)對(duì)舷側(cè)周?chē)蚣艿恼{(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(tái)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(duì)絕緣板的安裝作業(yè)產(chǎn)生影響,與此同時(shí)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(duì)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(guò)程中,首先應(yīng)當(dāng)利用微調(diào)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)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(wú)需承受任何重量,其次再利用粗調(diào)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)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(yǔ)

近年來(lái)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(shì),且已取得較好的發(fā)展成績(jī)。圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)作為L(zhǎng)NG船不可或缺的部分,在LNG船中起著無(wú)可取代的重要作用,所以需對(duì)其引起高度重視,展開(kāi)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