摘要：介绍LNG船的发展历史及支线LNG船的定义，从液货舱类型、制作材料、支承构件、绝热材料4方面对支线LNG船的液货舱设计进行探讨，概述支线LNG船的船型与总体性能，分析了支线LNG船的液货系统工况。

关键词：  液化天然气海上运输；  支线液化天然气船；  近海液化天然气船；  液货舱

Design and Analysis of Feeder LNG Carrier

Abstract：The development history of LNG carrier as well as the definition of feeder LNG carrier are introduced．The design of liquid cargo tank of feeder LNG carrier is discussed in terms of liquid cargo tank type，construction material，supporting member，thermal insulation material．The type and general performance of feeder LNG carrier are overviewed，and the liquid cargo system condition of feeder LNG carrier is analyzed．

Key words：LNG marine transportation；feeder LNG carrier；  offshore LNG carrier：liquid cargo tank

液化天然气(LNG)作为重要的天然气运输和储存形式，在天然气供需关系中起着巨大的桥梁作用^[1-2]。液化天然气运输主要分为管道输送、陆上槽车运输和海上液化天然气船舶运输。海上液化天然气船舶运输又分为远洋运输和近海(支线)运输。

1 LNG船的发展历史及支线LNG船的定义

最早的LNG船是l954年美国建造的“甲烷”号平底船，为实用化迈出了第一步。1958年，美英两国共同开发建造了“甲烷先锋”号LNG船，横渡大西洋试验成功。真正形成工业规模的天然气液化和海上运输始于1964年，第1艘商用LNG船“甲烷公主”号建造成功，由于该船绝热层易撕裂，使船板发生低温脆化开裂，以及船的结构复杂等多种原因，现在已经退役。

基于气源情况与用户需求，并适应国内规划的LNG接收子站码头条件，定义在最大吃水深度不超过8 m，并尽可能降低的条件下，单个货舱容积为1 000～4 000 m³，单次航程在1 000海里左右，单次航行时间在3 d以内，运行航线在东南沿海或者岛与岛之间的LNG运输船为支线LNG船。

2 液货舱设计分析

液货舱是装载液体货物的主要容器，是支线LNG船设计中的重要部分。《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》(简称IGC规范)把液货舱分为5种类型：独立液货舱(A、B、C型)、薄膜液货舱、半薄膜液货舱、整体液货舱、内部绝热液货舱。独立液货舱完全由自身支持，不构成船体结构的一部分，也不分担船体强度。A型独立液货舱主要由平面结构组成，需设次屏壁以保护船体免受低温损伤，通常为棱柱形。B型独立液货舱为平面结构或压力容器结构，需设置部分次屏壁，通常为球型。C型独立货液舱是符合压力容器标准的压力式液货舱，一般为圆筒型卧罐或球罐。薄膜液货舱是非自身支持的液货舱，薄膜作为货物维护系统的主屏壁，不能独立承受货物重量，需由船体内部构件承受货物重量。半薄膜液货舱由薄膜液货舱演化而来，介于A型独立液货舱和薄膜液货舱之间。整体液货舱构成船体结构的一部分，受到的应力影响与船体结构相同，主要用于丁烷装运。内部绝热液货舱实际上是整体液货舱，它的绝热层内表面与货物直接接触，在为数不多的全冷式LPG船采用^[3]。目前大多数LNG船的液货舱为独立液货舱或薄膜液货舱，C型独立液货舱见图l。

①液货舱类型选择

对于图l所示的几种C型独立液货舱，在货物满载时，球型和单圆筒型液货舱的重心比双联圆筒型液货舱高，故降低了船的稳性，且由于球型和单圆筒型液货舱直径大，部分体积凸出主甲板以上，故增加了受风面积，不利于操纵。就船体主甲板以下的舱容利用率而言，双联圆筒型液货舱最高，单圆筒型液货舱次之，双排单圆筒型液货舱最差。在同样的船体主尺寸下，如采用双排单圆筒型液货舱，需要增加船宽以满足布置要求。

综合考虑船的稳性、舱容利用率等实际问题，支线LNG船采用4个双联圆筒型液货舱，设计压力为0．4 MPa。此种液货舱本身作为压力容器，不需要次屏壁，建造相对容易，设计成本最低，装置简单，操作管理方便，更适用于沿海短航程运输。

②液货舱制作材料

液货舱制作材料的选用主要考虑其在低温下的韧性和脆性。大多数金属和合金在低于一定温度时韧性降低，变脆变硬，同时在低温时承受应力的能力也较低。因此选材时，应首先考虑在储存温度范围内，钢材有足够的强度和韧性。由于低温钢板在施工中极易产生冷、热裂纹，对焊接技术要求非常高，因此也必须考虑钢材的可焊性，此外工程造价也应兼顾^[4]。

制作LNG船液货舱用得最多的是9Ni钢、5083铝合金和304L不锈钢^[5-7]，其中5083铝合金的焊接工艺复杂、强度低、板较厚、轧制成型较困难，且必须依靠进口，目前不适用于国内LNG船的液货舱制作。

9Ni钢强度较高、板较薄，用其制作的液货舱质量较小，虽然焊接工艺和乙烯运输船所用的5Ni钢相似，且9Ni钢在陆上储罐的制作中应用比较成熟，但船厂的焊接工艺和焊工素质是否能达到要求是必须考虑的问题。

304L不锈钢强度较低、板较厚、船厂操作程序复杂，用其制作的液货舱质量较大，约为9Ni钢液货舱质量的l．25倍，但焊接工艺成熟，价格比较便宜，约为9Ni钢价格的70％。考虑到装配焊接等劳动成本，9Ni钢和304L不锈钢液货舱的造价基本相当，因此，液货舱制作材料的选择需要全面考虑支线LNG船的实际应用情况，并作进一步综合论证。

③液货舱支承构件

根据IGC规范要求，液货舱由船体支承的方式应使其受到静、动载荷作用时，能防止液货舱本体移动，又允许液货舱在温度变化和船体变形时收缩和膨胀，从而避免液货舱和船体承受过大应力。

液货舱的支承构件^[8]与液货舱的类型有关。对于支线LNG船的双联圆筒型C型独立液货舱，设计温度最低为-163℃，支承构件为1个固定鞍座和1个滑动鞍座，在船体变形和温度变化时引起的纵向变形可以由滑动鞍座吸收。但由于设计温度为-163℃，从常温到-163℃，液货舱的径向变形较大，应根据实际液货舱材料的收缩率，通过有限元计算^[9-10]。掌握其变形情况，采取进一步控制措施。

④液货舱绝热材料

用于支线LNG船液货舱的绝热材料^[11]。有聚氨酯、酚醛、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等发泡塑料，以及巴尔沙轻质木材、粒状的膨胀珍珠岩、玻璃纤维、泼墨玻璃等。绝热材料应具有热导率低、密度小、吸湿性小、吸水率小、抗冻性强、极低温下不会开裂、耐火性好、无气味、不易霉烂、对人体无害、能防止虫蛀鼠咬、机械强度高、经久耐用、价格低及施工方便等特点。

从热导率看，硬质聚氨酯泡沫^[12]最小。从经济上考虑，硬质聚氨酯泡沫的价格低于其他材料，因此日本和韩国大多采用硬质聚氨酯泡沫作为LNG船液货舱的绝热材料。C型独立液货舱的绝热材料大多将硬质聚氨酯泡沫和酚醛泡沫复合使用，并趋向于采用长面板的硬质聚氨酯泡沫材料。支线LNG船液货舱绝热材料可采用长面板系统^[13]，长面板可在工厂预制生产。在集液井附近的绝热层、绝热层的加厚，特别是第一液货舱和船体结构间的间隙须特别考虑。

3 船型与总体性能

一般地，在液货舱容积为8 000～30 000 m³的双联圆筒型LNG运输船中，单个液货舱的长度为26～31 m，舱体内径为l0～15 m，舱体宽度为l6～24m。船长、船宽、型深等主尺寸^[14]的初步确定与液货舱形状、大小、数量有关。

①支线LNG船的主尺寸

支线LNG船设计主尺寸的确定主要考虑下列因素的综合影响：液货舱容积，LNG接收子站码头的最大吃水深度(不超过8 m)，载重量要求，LNG接收子站对船宽、船长、干舷等主尺寸的要求。

国内外双联圆筒型LNG运输船的设计主尺寸^[15-16]见表l，支线LNG船的液货舱尺寸即为表l中容积22 000 m³的液货舱对应的尺寸，考虑船体和液货系统等，初步估算空船质量总计9 500 t。

②总体性能

针对LNG满载工况和压载工况，需要对支线LNG船的排水量、吃水深度等进行计算。同时，LNG船的破舱稳性^[17]也是设计中需要重点关注的问题。支线LNG船属于2G型液化气船，破舱假定为船长范围内任何部位均能经受破损，即二舱破损。破舱计算结果需要满足IGC规范的要求。

考虑阻力和载重量的平衡，选取设计吃水深度下的经济方形系数约为0．7。根据该经济方形系数，最佳浮心纵向位置取在基本接近船舯。同时对于满载尾纵倾比较大的情况，通过采用首部压载水的配载来解决。这样满载吃水深度下的尾纵倾控制在0．3 m左右，相应的最大尾吃水深度约为8 m。

根据支线LNG船的实际营运航线，航行单程约为1 000海里。考虑单程航行控制在3 d以内，设计支线LNG船的服务航速为15节，动力装置采用中速柴油机经减速齿轮箱传动调距桨的配置方案，这是典型的应用较广的中速机动力装置型式^[18]。

4 液货系统的工况分析

支线LNG船属于蓄压式液化气运输船，设计的最大工作压力为0．4 MPa。航行时，由于发生热交换产生的蒸发气储存在液货舱中。由于液货舱的设计压力较高，航行中不进行BOG处理，也不再设液化装置。但考虑到液货舱的热应力较大，进港后再进行集中预冷效果欠佳，因此在航行期间，需定时喷淋预冷，这在航行受阻或停航时问较长时，会起到更大的作用。此外，为了降低造船成本，同时考虑到支线LNG船近距离、沿海航行的特点，分析液货系统各作业工况后，可暂不设惰气系统。惰化工作可转至船厂、LNG装卸码头等地进行。

支线LNC船的液货系统设计温度和常规的LNG船一样(-163℃)，因此低温管路的设计、安装、检验、使用和常规LNG船有相似的要求。在进行低温管路设计时，不但要考虑低温液体的隔热要求，还应特别注意低温引起的热应力问题。按照IGC规范的要求，对于低温管道系统，当设计温度为-110℃或更低时，对管道系统的每一分支，应向船级社提交一份由于管子质量、较大的加速度载荷、内部压力、热收缩以及船舶中拱和中垂引起的载荷等产生的所有应力的完整的分析资料。因此，对液货系统进行全面的应力分析计算^[19-20]是支线LNG船设计与建造的关键。目前国内正在应用的分析程序^[21]。有SP-5分析程序、等值刚度法分析程序、CAESARll分析程序等。

5 结语

支线液化天然气船主要从已成熟的半冷半压乙烯船发展而来，这种船型稍作扩展，即可兼作其他LPG类货品(如乙烯)的运输，可进一步提高船的全生命周期的运营经济效益。目前，世界上已有这类LNG／LPG多用途液化气船在建。同时，随着页岩气勘探、开采技术的不断突破，我国约3×10¹³ m³储量的页岩气规模化使用希望很大，发展多用途液化气船更有助于国内及国际问的能源贸易。随着秦皇岛、大连、上海、浙江、福建等国内沿海LNG接收站的规划发展，支线LNG船以其近海运输的优势，必将推进整个LNG行业的快速发展，加速天然气的全面应用。

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本文作者：李树旺

作者单位：新奥能源控股有限公司   中山大学