C型独立液货舱超大型乙烷运输船（VLEC）怎么建

/柳梦源 柳卫东 李晓娇 柳一点，江南造船公司开发研究部

近年来，随着美国页岩气开发成功，美国天然气液（NGL）和从中获取的乙烷产量大幅度提高。据普氏能源资讯数据表明，美国乙烯裂解原料的结构发生了很大变化，天然气价格的变化动态主导了乙烯原料结构的调整。据悉，在美国页岩气繁荣的影响下，乙烷供应不断增长，价格降低，同时亚洲和欧洲地区对乙烷的需求明显增加，进而带来了大量运输需求。受此推动，乙烷运输船正逐渐成为国际船舶市场的热点。

随着全球乙烷运输需求的增长以及船东对船舶经济性要求的提高，近年来船舶大型化趋势日益明显，超大型乙烷运输船（VLEC）应运而生。

1 乙烷液货特点

乙烷的化学式为 C2H6，常温常压下为无色无味气体，可在一个大气压、-88.6℃下液化，其主要用途是在化学工业界通过蒸汽裂解生产乙烯。美国的页岩气中包括大约50%的甲烷、25%的乙烷以及25%的高碳烃类化合物，页岩气除去甲烷的混合物统称为NGL（天然气液）；美国能源信息署（EIA）发布的数据显示，从2009年开始页岩气和NGL输出急剧增长，如图1所示。

根据中国船级社（CCS）《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》给出的液化气体信息，摘录其部分信息如表1所示（在1个大气压条件下、温度在沸点下的液体密度，t/ m3；水的密度为1t/m3）。

如表1所示，乙烷在一个大气压下的沸点为-88.6℃，液体密度为0.54t/m3，比甲烷的0.427t/m3要大，但比丙烷、丁烷要低。第93届国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）会议上通过的新修订的IGC规则中，第3章的船舶布置这一章节指出，若在要求设置次屏蔽的货物围护系统内载运货物，则需要符合以下规定：

（1）当货物温度低于-10℃时，货物舱处所与海水之间应设置双层底。

（2）当货物温度低于-55℃时，货物舱处所还须设置构成边舱的纵舱壁。

对与液货舱类型有关的次屏蔽，应按表2设置。

由表 2 可见，超大型乙烷运输船（VLEC）采用不同的液货舱型式，其相应的船型方案和次屏蔽的设置也不尽相同。

2 液货舱型式和船型方案分析

对于液化气船而言，最重要的部分为船舶所采用的液货舱型式，也就是通常所说的货物围护系统。超大型乙烷运输船的货物围护系统，考虑到其运输的货物温度约为-90℃，可以选择的类型有薄膜型液货舱、B 型独立液货舱、C型独立液货舱等。

A 型独立液货舱由于需要在船体结构以内和液货舱以外设置完整的次屏蔽，目前仅有的理论方案为LNT A-BOX，且尚未得到实船验证，此处不再多做论述。

薄膜型液货舱是非自身支持型液货舱，主要由绝缘、薄膜组成，薄膜由临近的船体结构通过薄膜和船体结构间的绝热材料支撑。目前，大型液化天然气（LNG）运输船使用的两种薄膜型液货舱NO96和MARK III均为法国GTT公司的专利，这两种围护系统仅为运输LNG而设计，最大设计密度为0.5t/m3；若要用于运输乙烷等密度较大的液货，需要对这两种典型的薄膜型围护系统重新进行计算评估。目前，全球只有Reliance Industries一家公司在韩国三星订造的6艘薄膜型VLEC，采用MARK III薄膜型围护系统。

B型独立液货舱，是指采用模型试验、精确分析手段和分析方法确定应力水平、疲劳寿命和纹扩展特性进行设计的液货舱。采用B型独立液货舱的液化气船，仅需要设置部分次屏蔽；但如果 B型独立液货舱要运输乙烷液货，由于其液态温度低于-55℃，按照IGC 的要求，船体需要设置双舷侧。目前，B型独立液货舱成功的实船应用仅有Moss和SPB两型，且Moss型围护系统占了绝大多数，共有117艘LNG 运输船采用，最新订单16艘；而 SPB 型仅在上世纪九十年代初建造过2艘LNG 运输船，最新订单 6艘。

C型独立液货舱即压力容器，设计蒸汽压力需要不小于IGC规则规定的压力容器最小压力，但不需要设置次屏蔽，也无装载率限制。若其用于运输乙烷液货，则可以设计成半冷半压式的C型独立液货舱，设计蒸汽压力约为0.5Mpa，需要配备再液化装置来处理蒸发气体和液货保冷。C 型独立液货舱可以装载热货，可承受压力，适用性广，而且建造施工也较为方便。

3 C型独立液货舱设计计算

3.1 液罐形式

半冷半压式液化气船的C型独立液货舱可以采用圆筒形，但为了充分利用船体空间、提高舱容利用率，通常采用双联圆筒型，也就是常所说的双耳型；其封头型式一般采用球形封头，但有时因为主尺度的限制，也会考虑采用碟形封头。图2为常用的标准双耳液罐示意图；图3为船首第一液罐通常采用的锥形双耳液罐示意图，其目的在于更好地配合船舶首部线型。

液化气船一般是布置型船舶，对舱容的要求比较高，主尺度的选择要从总布置（舱容和布置地位）及船舶性能等方面来考虑，液罐的尺寸和舱容要求对船舶的主尺度选取起决定性作用，船舶的主尺度又影响液罐的尺寸和舱容，二者相互制约，相互影响。

3.2 液罐尺寸的确定

在初步确定船舶主尺度后，就可以开始确定其所能匹配的液罐主尺度。液罐的主要参数有液罐半径R0，液罐长度L0，若选用双耳型液罐，还需确定双耳的筒心间距d0，如图4所示。

确定液罐主尺度的关键在于：C型独立液货舱与货舱之间的间距，需要满足国际船级社 （IACS）统一解释UI-GC中通往货物区域的通道要求；目前，新修订的 IGC规则中已包括此部分内容，另外还需要满足新修订的IGC规则中对不同类型船舶液货舱与外板之间的间距要求。

如图4 中所示，在新修订的IGC规则第3.5章“通往货物区域内各处所的通道”中的要求，结合相应区域可能会有的船体结构构件的大小，可以确定d1、d2、d4、d5满足规则要求的最小值，因而可以得到C型独立液货舱的筒体半径R0；若采用球形封头，则封头半径即为筒体半径R0；若采用碟形封头，封头的深度将减小，将视所选取的碟形封头上的球冠半径和折角半径大小而定。

超大型乙烷运输船（VLEC）属于2G 型船舶，d3值需要根据初步确定的液罐主尺度所构建的液罐舱容，按新修订的IGC规则中给出的间距计算公式进行核算，最终确定双耳罐的筒心距船中的距离 d0。由此，液罐长度L0，液罐宽度B0，液罐高度D0这些液罐的主要尺度都可以根据图4中的几何关系得到。

3.3 液罐压力计算

3.4 液罐重量计算

在确定了液罐的外形尺寸和设计压力之后，就可以进行液罐板厚和重量的计算工作，以确定设计方案、建造及吊装的可行性。首先，对液罐的筒体和封头分别进行板缝划分，通过上述板厚的计算公式可以得到每块板的厚度，再分别计算出各块板的表面积，可以计算出液罐壳体的重量；然后，参照船级社规范和相关工业标准（如ASME、BS/PD5500等），计算液罐内部加强环、真空环以及中纵舱壁结构的初步尺寸，再进行有限元计算校核，得到其最终尺寸；最后，根据液罐的主尺度、表面积等基础数据，结合鞍座数量和位置、液货管系的布置，即可计算出液罐绝缘、层压木、外部加强结构、管系、梯道等液罐附属物的重量，也就可以计算出整个液罐的重量。

在液罐重量计算的过程中，板缝的划分是根据厚度进行的（即同一厚度的作为一整块钢板），这与考虑因施工要求及钢材规格来划分的板缝线并不相同。划分板缝也未考虑实际施工过程中因板缝不能直接对接而产生的细微偏移，这对重量的计算结果无太大影响。筒体部分，在通过公式计算得到的纵向厚度并不完全相同，但相差很小，为了施工方便，通常纵向的板厚取为一致，因此作为整体进行计算。封头部分将圆等分为16份。对于筒体及封头表面积，将建立极坐标系，通过积分的方法来求取划分后的各板块面积。

4 C型独立液货舱鞍座型式研究

船上用于装载低温液化气（温度不低于-165°C）的大型IMOC型独立液货舱，目前均采用双鞍座支撑系统，其固定鞍座位于后部，滑动鞍座位于前部。考虑到超大型乙烷运输船4个C型独立液货舱的长度和容积均比以往的设计要大很多，独立研发了一型用于装载低温液化气的超大型IMOC型独立液货舱的三鞍座支撑系统（C3STM），并已成功申请专利。该三鞍座支撑系统分为固定鞍座和滑动鞍座两种，其中固定鞍座位于液罐中部（如图5所示的X1位置），滑动鞍座位于液罐两端（如图5所示的X2和X3 位置）。

为了弄清采用两鞍座和三鞍座这两种型式的支撑系统对液罐应力和变形的影响，联合船级社对这两种支撑型式进行了有限元分析。图6为采用两种支撑型式的液罐在其纵向中部相对位移的对比图，从图6中可见，由于缺少了中间鞍座，采用两鞍座支撑型式的相对位移比三鞍座要大三倍左右，但最大2.1cm的位移，相对于22.68 m的跨距，仅有0.09%，完全在允许的范围以内。由此可见，两种支撑型式对液罐中部相对位移虽然有一定的影响，但由于位移数值均很小，这种影响基本可以忽略不计。

图7为采用两种支撑型式的液罐在其前后鞍座处纵向相对位移对比图。从图7中可见，无论三鞍座还是两鞍座支撑型式，该纵向相对位移基本接近且都很小（小于5mm），也就是说两种支撑型式对此基本无影响。

图8为采用两种支撑型式的液罐在后鞍座和前鞍座处的轴向压力的对比图。从图8中可见，无论在后鞍座处还是前鞍座处，采用三鞍座的压力要小于两鞍座的情况，尤其在船中线面（横向0位）附近，最大差值可达34kgf/cm2，说明采用三鞍座支撑型式对降低此处的压力是有较大好处的。但对于超大型乙烷运输船的液罐，经过鞍座和液罐加强环结构设计的特殊考虑，可以承受两鞍座支撑型式船中线面附近的较大压力分布。

综上所述，针对超大型乙烷运输船的液罐尺度和舱容以及船体结构设计可做的特殊考虑，最终确定采用两鞍座的支撑型式。

5 超大型乙烷运输船设计方案

5.1 球形封头设计方案

该船型方案的主尺度为：总长231.00m；垂线间长227.00 m；型宽36.60 m；型深23.70m；设计吃水10.70m；结构吃水11.40m；液货舱容积75500m3；设计航速16kn；定员28人。图9为总布置图。

本方案机舱设置在尾部，机舱前设置四个货舱，内设四个C型独立液货舱。其中，第2液罐、第3液罐、第4液罐各 20000m3舱容，第1液罐为15500m3舱容，总舱容可达75500m3。每个液罐通过一个固定鞍座和一个滑动鞍座支撑在货舱内。

四个C型独立液货舱外壳板最大厚度38.1mm，加强环腹板厚度40mm、面板厚度45mm，可以进行焊接施工；液货舱最大重量为1380t，两台800t门吊或一台1600t门吊可以进行整罐吊装，大大简化了液罐安装，从而提高了方便性和可靠性，也缩短了船坞周期。

电机和压缩机室采用一体式设计，布置在主甲板第1液货舱和第2液货舱的气室之间，货舱甲板上设有再液化装置，可将运输过程中气化的乙烷再液化返回至液舱。船中的集管区域提供2根液货管，2根蒸气管，满足OCIMF的要求。

第3液货舱和第4液货舱的气室之间还可以考虑布置一对舱容分别为1250m3甲板罐；如此，货舱总容积可达到78000m3。

本船根据IMO完整稳性规则和IGC规则，对甲板上装载和不装载甲板罐的两种方案均进行了计算，通过调整压载舱划分及甲板上开口位置，证明两种方案的完整稳性和破舱稳性均满足要求。

5.2 碟形封头设计方案

该船型的主尺度为：总长231.00m；垂线间长227.00m；型宽36.60m；型深23.70m；设计吃水11.50m；结构吃水12.35m；液货舱容积81,500m3；设计航速 16.5kn；定员28人。

本方案货舱布置与上述球形封头设计方案相同，其中，第2液罐、第3液罐、第4液罐各21920m3舱容，第1液罐为15740m3舱容，总舱容可达81500m3，每个液罐通过一个固定鞍座和一个滑动鞍座支撑在货舱内。

四个C型独立液货舱外壳板最大厚度52.4mm，加强环腹板厚度45mm、面板厚度45mm，可以进行焊接施工；液货舱最大重量为1920t，不能进行整罐吊装，液罐可以分成前后两部分在船上进行大合拢，建造施工的方便性和可靠性有所降低，但也是可行的。

第3液货舱和第4 液货舱的气室之间还可以考虑布置一对舱容分别为1250m3甲板罐，如此，货货总容积可达到84000m3。 本船根据IMO完整稳性规则和IGC规则，对甲板上装载和不装载甲板罐的两种方案均进行了计算，通过调整压载舱划分及甲板上开口位置，证明两种方案的完整稳性和破舱稳性均满足要求。

6 结论

同时，将进一步优化现有设计方案，继续保持江南造船在液化气船上的行业领先地位，为快速响应市场需求、抢占订单打下坚实基础。