LNG燃料舱结构设计与强度校核的研究

胡攀1罗建宏2王智鹏3

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，IMOtypeB）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19%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300~400mm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0.25~0.5mm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.