撰稿者

Senior Surveyor Islam MD Shafiqul

Principal Surveyor KIM Beomil

Ship & Offshore Technology Team

1. 背景

最近，由于国际海事组织（IMO）对硫化物的限制，对环保天然气燃料船舶的需求正在增加，因此市场对中小型天然气运输船、加注船舶的需求正在迅速增加，用于中短途海上运输。应对这种需求增长的一个有前景的解决方案是在货舱或油箱中采用独立的C型液罐。该罐通常是圆柱形或球形压力容器，设计和制造的压力容器设计压力通常高于2 bar，满足ASME Boiler和Pressure Vessel（BPV）等认证压力容器标准或代码的要求，并进一步根据船级要求和法律规定进行补充。

由于结构特点，设计系数得到加强，被认为是无泄漏的液罐，因此不需要二次围壁。因此，一般主要用于船舶的LNG油罐，但也具有用于小型LNG、氨或LPG运输船的优点。对于圆柱形或球形液罐，有固定式和滑动式两种类型的罐支架，固定式支架固定独立液罐，滑动支架可根据需要扩大和缩小罐。

如图1所示，液罐由单壁或双壁组成，单壁液罐外部覆盖着隔热层，隔热木材放置在支架和液罐结构之间。双壁罐装有真空隔热材料，隔热材料/塑料支架布置在内部和外部罐之间，与单壁罐相比具有保压时间更长的优点。

Figure 1: IMO C 形式液罐结构

2. 设计载荷组合

C型独立液罐的强度评估需要复杂的热-结构分析，需要解决液罐外板、木材和基座结构之间的热接触问题。为了对用于液化天然气和氢气运输的储罐进行结构强度评估，本研究定义了执行热和机械载荷组合和热-结构分析的方法。

设计标准基于修改后的压力容器标准，包括破坏力学和裂缝传播标准，尺寸基于设计压力。设计内部压力由蒸汽压和液压组成，液压一般由重力和加速度组合而成，除慢速载荷外。

在强度评估方面，估计罐外板和支撑结构连接处周围产生的载荷，并进行应力分析。分析中适用的载荷包括液罐及货物重量、因船舶运动引起的液罐动载荷、热载荷、慢速载荷等内外部压力，支撑结构可以考虑船舶运动引起的下垂。对于双壁罐，可适用隔热材料重量、试验载荷、真空压力等，对于安装在开放式甲板上的油箱，可适用风、浪冲击及green sea载荷等。

可以将上述载荷组合在一起，定义基本的设计载荷组合（Design Loading Combination），如表1所示，必须在初始设计中应用。

Table 1: 用于结构强度评估的载荷组合

3. 结构强度评估

通常，在设计初期阶段，用于确定液罐动态载荷的货物加速度可以基于IGC代码进行计算。蒸汽压、自重和静水压被认为是额外的机械载荷，热载荷可以作为IMO温度条件应用。热-结构延性分析可分两个阶段进行。

1阶段：分析热传递以计算结构构件的温度
2阶段：考虑步骤1中计算的热载荷和机械载荷的应力分析

对于最近成为热点的液化氢气体，罐的温度可以设定为253℃，作为鞍座结构（Saddle structure）的对流边界条件，可以适用5℃的大气温度。通过传导，热可以通过木材在液罐和鞍座之间传递，并应用适当的热接触（Thermal contact）。图2显示了C型液罐的热传递解析示例。

在第二阶段，应用热载荷和机械载荷执行应力分析。鞍座支架中的一个定义为固定，另一个定义为滑动接触。由于内部压力，罐表面产生应力，由于对热移动的约束，固定鞍座产生应力。应力分析结果的示例显示在Figure 3中。

Figure 3. C型液罐结构应力分析示例

引起压缩应力的外压和其他载荷的压力容器的尺寸和形状必须使用适合圆柱形容器的屈曲理论来确定。该解释应适当考虑通过板边缘的错位、震源图及规定弧（arc）或弦的长度（chord length）来自震源形的误差引起的理论屈曲应力与实际屈曲应力的差异。屈曲评估的载荷可能包括外部压力、罐重等，临界左屈压力可以通过线性FE固有值解析计算，如Figure 4。

Figure 4. 外部压力下的屈曲模式

4. 结论

在此之前，介绍了一般C型独立油罐的强度评估程序，并简要介绍了设计载荷组合、屈服、屈曲解析评估方法。此外，还介绍了考虑热接触（Thermal contact）进行热-结构延性分析的数值技术应用事例和利用固有值分析计算临界左屈应力的程序。通过前期研究，有望成为采用C型独立液罐的LNG、LC02和LH2运输/油箱设计和强度评估的基础技术。