用于液化气船液罐吊装的结构化吊码分析

用于液化气船液罐吊装的结构化吊码分析

Summary：随着全球市场对液化天然气（LiquefiedNaturalGas，LNG）的需求不断增大，中国LNG海运市场步入高速发展的快车道。LNG船的液灌是独立于船体的特殊构造，用于低温存储LNG。在船舶实际建造过程中，液罐多采用整体式吊装，有利于缩短船舶建造周期，提高工作效率和经济效益，但液灌整体结构尺寸大、质量大，安全吊装尤为重要。液罐具有特殊的材质和功能，对液灌表面须敷设隔热层，而传统吊码布置方案使吊码的一定区域无法敷设，只能在液罐吊装结束、进行吊码切割打磨后方可局部补敷，不仅影响整体隔热效果，而且在切割吊码时需要火割，存在一定安全隐患，增加船坞周期。基于液罐结构的特殊性，在工程实际中将液罐的吊码与止浮装置相结合，在止浮装置的主板和肘板上布置吊码孔，吊码孔两侧增加加厚腹板，形成结构化吊码，不仅起到止浮装置的作用，而且满足吊装要求。为验证该类结构化吊码的吊装可行性，以实例进行有限元仿真模拟，对其进行分析。Keys：液化气船；液罐吊装；结构化吊码引言C-Mn系低温钢是船级社规范中规定用于建造液化气体船船体结构的低温用钢。93K超大型液化气船（VeryLargeGasCarrier，VLGC）为全冷式液化气船，是国内某大型造船集团有限公司研制的一种高技术、高附加值船舶，主要运输液化石油气及液氨。根据造船建造要求，结合英国劳氏船级社规范，湘潭钢铁集团有限公司（简称湘钢）研制了LRLTFH36（VL4-4LM36）碳锰低温钢。本文对湘钢研制的碳锰低温钢进行了焊接热影响区连续冷却转变温度区间测定、埋弧焊（SubmergedArcWelding，SAW）和药芯焊丝CO2焊（FluxCoredArcWelding，FCAW）焊接工艺、火工工艺等试验研究，掌握了国产低温钢的焊接加工工艺及火工加工工艺性能，可用于指导国产低温钢在VLGC产品上的工程化应用。1国内外低温钢研发现状21世纪初，日本和韩国已经开始系统性地研发LPG船用低温钢，并在工程应用方面形成相对成熟的工艺和技术，尤其是日本JFE长期占据国际市场。凭借在船舶设计和建造中积累的丰富经验，国外钢企尤其在加工和焊接方面投入了大量的精力通过深入、系统的研究，以满足船舶建造行业大型化的需求，在低温钢板大线能量高效焊接工艺研发的基础上，取得了大线能量焊接配套焊材研发方面的应用成果。随着我国对高端船板市场认知的提高和国内钢铁制造水平的进步，近年来几大船板生产单位陆续开展LPG船用低温钢的研发，开发了该级别的低温碳锰钢，并取得各船级社认可。由于国内研发起步较晚，研发时间相对较短，且国产低温钢无大规模的应用案例，缺乏使用性能研究数据，在产品的应用推广上与国外仍有较大差距。2吊装方案根据结构质量和在工程实际中现场起重设备的起吊抬吊范围、起吊能力和吊钩数量，选取２种吊装方案：方案一，将传统固定载荷吊码布置于液罐上方倾斜外壁上，根据各吊码的许用载荷，确定选取60ｔ吊码，左右舷各16个；方案二，采取吊码与止浮装置相结合的结构化吊码布置，根据每个结构化吊码的总许用载荷120t，左右舷各选取８个，结构化吊码肋位选取与方案一相同。3有限元仿真模拟3.1有限元模型在有限元仿真中，液罐主体结构由大量的四边形板壳单元和少量的三角形单元组成。钢筋结构由板单元或梁单元组成。主体结构和加固结构的网格尺寸为框架间距×纵向骨间距，重点考察部位网格尺寸需进一步细化为50.0mm×50.0mm，所有一维剖面图焦点区域的单元需要转化为二维板壳单元，这样可以更真实地反映实际的应力和变形。为了提高计算精度，可以调整有限元模型的质心，保证与实际情况完全一致。3.2载荷和边界条件负载仅应用重力场负载。重力加速度g为9810mm/s2。考虑起吊时的惯性附加力，功率放大系数为1.2，实际施加载荷g为11772mm/s2。计算中采用一维杆单元模拟钢丝绳，采用多点约束（MPC）单元模拟吊具与钢丝绳的连接，采用稳定杆矩阵模拟吊排龙门吊在实际工程中的应用。吊排实际为多级滑轮结构，故采用多级等腰三角形平衡杆组合进行等效模拟。节点A约束123个自由度，而节点B约束1个自由度。4国产低温钢实船应用质量控制研究4.1原材料质量控制原材料质量关系到整个工程的质量。低温钢液舱原材料主要为钢板和型材，最新规范要求船用钢板板厚不得为负公差。常见的钢板缺陷为表面麻点、凹坑，检查钢板表面质量时，钢板反面因吊运因素易忽视。由于低温钢板特性与常规钢板差异较大，低温钢堆放时必须和其他钢材隔离、区分，杜绝钢材混用风险。低温钢板材质较软，吊运整板时需要采取必要措施防止变形。材料性能试验数据表明，低温钢母材性能至关重要，实船建造时应根据工程情况做好原材料来货检查工作。火工试验结果表明，严格按照火工工艺要求施工，国产低温钢材料性能能够满足工艺、规范要求，但火工对母材性能的影响较大，需要制定严格的火工温度管控措施。4.2大组立质量控制大组立阶段是低温钢液舱质量控制最重要的一环。液舱分段的质量决定了液舱整体性能指标。大组立阶段质量控制主要分为线型控制、焊接质量和见证试板机械性能。线性精度控制，主要通过以下方面来控制：1）样箱制作后品质人员抽检，以确保板材加工精度和尺寸；2）样箱上需要标明相应信息（分段号、板材号、上下口等）；3）严格施工，合理规范地使用好胎架模板；4）结构焊接前测量胎架模板与外板之间的间隙；5）控制在精度要求之内；6）焊接时注意焊接顺序。低温钢焊接工艺验证表明，严格按照工艺参数施工才能确保焊缝满足低温韧性要求。焊前装配间隙检查、焊前坡口、焊道布置等因素影响焊接结果；焊接过程热输入量的控制直接决定了焊缝力学性能。江南造船有限责任公司率先在国内实现了菱形独立液舱关键技术的突破，为国内首创承载菱形独立液舱的VLGC船的成功研制打下了坚实的基础，也为本行业积累了宝贵的经验。针对国产低温钢首次批量生产，首次应用到84000m³VLGC项目，且液舱和次屏蔽全部采用国产低温钢的实际情况，编制国产低温钢进厂复验技术要求，优化焊接工艺，并根据低温钢液舱建造全过程质量风险点编制质量管控方案。采用国产低温钢建造的首制实船，液舱和船体性能良好，反映焊缝内部质量和低温韧性质量的射线探伤一次合格、焊接见证试板力学试验一次合格率均优于型号质量，符合大纲要求。证明国产低温钢在VLGC上的工程应用取得成功。结束语采用有限元软件对液化气船液罐吊装采用传统吊码和新型结构化吊码的２种吊装方案计算结果进行对比分析，采用新型结构化吊码的变形及应力均优于传统吊码，并对该类结构化吊码的优点及可行性进行总结，不仅可满足其原有的止浮装置作用，而且可满足工程实际中的液罐吊装需求，为后续液化气船的液罐吊装方案提供一种优选的吊码布置方式。由于所述结构化吊码在布置时仅可选择原有止浮装置所在位置，在液罐尺寸较大、左右舷止浮装置跨距较大而船厂无对应跨距的起吊装置时，可能出现无法采用该类结构化吊码的情况，此时建议灵活布置传统吊码。Reference[1]柳梦源,何炎平,柳卫东.基于CATIAV6的某液化气船货舱区结构建模模板研究[J].船舶工程,2019,41(S2):44-47+57.[2]陆天奇,陶沙,周庆云,郭列,刘阳.大型液化气船泵塔振动特性试验研究[J].舰船科学技术,2019,41(15):34-38.[3]贺行飞,张华,邹钰锋,刘恩义.液化气船C型独立舱设计[J].中