摘 要

由于国际范围内各种燃油的价格一直居高不下，并且各种为了保护环境所推出的环保法规开始实行，即经济又环保的液化天然气（LNG）渐渐为更多的人们所青睐，不仅陆地上开始使用LNG为燃料的汽车，海上LNG动力船舶的技术发展也提上了日程。而LNG储罐作为LNG的储存单元，其设计的最终结果要满足船舶行驶时LNG储罐具有安全性与稳定性。在海上LNG动力船舶行驶时,LNG储罐内的LNG一般处于-163℃左右的低温中被常压封存, 这会导致LNG储罐内的LNG会有部分蒸发成为天然气。为了防止密封的LNG储罐内，LNG液体不断蒸发成为天然气，然后蒸发后的天然气使密闭的LNG储罐内容器的压力增加,这使得设计LNG储罐时所用的材料也需要进行各种测试。由于以上种种原因LNG储罐的结构强度需要进行详细的评估，但由于LNG储罐的边界条件要求严格，几何形状复杂，这导致了没有一个成熟的评估体系来确定产出的LNG储罐的性能是否符合要求。为此，本文即综合国内外的LNG储罐研究现状，及对于各种压力容器的要求来分析某15m³船用LNG低温储罐。为此设计的步骤如下：

（1）查阅现有的，有关船用LNG低温储罐的适用标准。以此为蓝本，对LNG低温储罐的模型进行设计，利用CAD软件做出该模型的二维图，再用SOLIDEWORKS软件做出该模型的三维图。

（2）从现有的标准中分析LNG 储罐惯性力载荷，使用ANASYS软件对该LNG低温储罐进行网格划分，利用WORKBENCH软件分析横向或纵向布置该LNG低温储罐时，施加各个方向的载荷，其各部件所受的应力，并根据得出的数据进行强度计算。

（3）对构建该LNG低温储罐的材料进行疲劳累积损伤分析，确定建造该LNG低温储罐的材料不至于在短期内被疲劳损伤所损坏。

关键词：LNG 储罐；结构设计；强度分析；疲劳分析

Abstract

Because the price of all kinds of fuel has been high all the time in the world, and various environmental laws and regulations introduced to protect the environment have been implemented. That is, the economic and environmental liquefied natural gas (LNG) has gradually become more popular. Not only automobiles using LNG as fuel on land, but also the technological development of offshore LNG powered vessels has been put on the agenda.As a storage unit of LNG, LNG storage tank should be designed to meet the safety and stability of the ship.When a LNG powered vessel is sailing on the sea, the LNG inside the LNG tank is generally sealed at a low temperature of -163 C under normal pressure, which will cause some of the LNG inside the LNG tank to evaporate into natural gas.To prevent LNG liquids from evaporating into natural gas in a sealed LNG tank, the evaporated natural gas increases the pressure on the contents of the closed LNG tank, which makes the materials used to design the LNG tank also require various tests.For all these reasons, the structure strength of LNG storage tank needs detailed evaluation, but due to the strict boundary conditions and complex geometry of LNG storage tank, there is no mature evaluation system to determine whether the performance of the output LNG storage tank meets the requirements.For this reason, this paper synthesizes the research status of LNG storage tanks at home and abroad, and analyses a 15m3 ship LNG cryogenic storage tank based on the requirements of various pressure containers.The steps to design this are as follows:

(1) Check the existing applicable standards for LNG cryogenic storage tanks for ships.Using this as a blueprint, the model of LNG cryogenic storage tank is designed, the two-dimensional diagram of the model is made by CAD software, and the three-dimensional diagram of the model is made by SOLIDEWORKS software.

(2) Inertial force load of LNG storage tank is analyzed from existing standards, the LNG cryogenic storage tank is meshed using ANASYS software, and the LNG cryogenic storage tank is analyzed by WORKBENCH software when the LNG cryogenic storage tank is laid out horizontally or vertically, the loads in all directions are applied, the stresses on its components are calculated, and the strength is calculated based on the data obtained.

(3) Fatigue cumulative damage analysis is performed on the materials used to build the LNG cryogenic storage tank, and it is determined that the materials used to build the LNG cryogenic storage tank will not be damaged by fatigue damage in a short time.

Key words: LNG storage tank; Structural design; Strength analysis; Fatigue analysis

目录

第 1 章 绪 论 8

1.1LNG储罐的研究背景 8

1.2LNG储罐的研究目的及意义 8

1.3国内外研究现状 9

1.3.1结构方面的研究现状 9

1.3.2LNG储罐的强度现状 10

1.3.3 LNG储罐的疲劳问题研究现状 10

1.4本文的主要研究内容 11

第 2 章 LNG 储罐的结构设计 12

2.1 LNG 储罐的特殊要求 12

2.2结构设计的一般方法 12

2.3内容器结构设计 13

2.4外壳体结构设计 14

2.5 内支撑结构设计 14

2.6 绝热结构设计 14

2.7 本章小结 15

第三章LNG 储罐的强度分析 16

3.1 LNG储罐的强度分析 16

3.2 LNG储罐的惯性力载荷 16

3.2.1 现有适用加速度的标准与规范 16

3.2.2各种加速度的适用性分析 17

3.3 LNG 储罐的有限元计算 18

3.3.1几何模型及设计参数 18

3.3.2 网格划分的若干问题 20

3.3.3施加载荷及约束定义 22

3.3.4应力评价标准与结果分析 24

3.4储罐横向布置对强度计算的影响 25

3.4.1 载荷施加 25

3.4.2 计算结果 27

3.4.3 对比分析 27

3.5 本章小结 28

第四章 LNG 储罐的疲劳分析 29

4.1 疲劳分析的数值计算方法 29

4.1.1疲劳分析基本术语 29

4.2 LNG储罐疲劳分析的流程 33

4.2.1 疲劳载荷的选取 33

4.2.2 疲劳损伤的判定 33

4.2.3结果分析 34

4.4本章小结 34

第五章 结论与展望 35

5.1结论 35

5.2展望 35

致谢 36

第 1 章 绪 论

1.1LNG储罐的研究原因

随着海上运输的逐渐发展，新能源的逐渐开发，以LNG为动力的船舶慢慢进入了人们的视野。LNG作为一种比较先进的能源，使用LNG作为船舶的动力能有效的减少CO₂和NO_X的排放，因为LNG燃料内不存在S元素，所以排放的尾气中也不包含硫化物和微小颗物。

从性价比上而言， 1m³的LNG液体的工作效率接近1至1.1L的(汽、柴)油。按照LNG液体4.5元/m³，柴油6元/L的行情进行计算，一年可以节省大约28万元。而LNG动力船使用的储存装置与动力装置等的改装仅需18万元，如此计算半年左右LNG动力船即可与改造成本持平。

但是目前，LNG动力船国际标准还未制定完全，为此IMO经过商讨，最终发布了《使用气体或其他低闪点燃料的船舶安全规则》。大多数国家以该公约为基准，来生产LNG动力船。

国际公认的SOLAS公约，在2014年5月通过了MSC.93决议，并在2016年1月1日开始强制实施MSC.93决议中众多的有关LNG液体使用标准的修正案。

1.2LNG储罐的研究目的及意义

用于陆地上运输的LNG储罐的经验已经十分成熟，但在海上运输时使用的LNG储罐仍需从零开始摸索。船用 LNG 储罐与陆用LNG储罐有很大的不同，船用LNG储罐是一种移动容器，这导致它在船上的使用工况与布置方式与陆地上完全不一样。有些差异使陆用LNG储罐的设计方式不适用于船用LNG储罐，这些差异主要体现在：

1. 船舶航行时会联合垂荡、横摇、纵摇作用于船用LNG储罐，其受到的惯性力（即动载荷）需要进行计算与评估。
2. 当前有关LNG储罐的研究并不充足，且LNG储罐的研究大多是在静态工况进行的
3. 在实际的运输过程中，一直会存在加速度的突变变化带来的各方面的影响。例如启动、转弯、制动等动作，在工作中会使加速度不断地改变，这会很大程度的影响LNG储罐支承处的罐体强度。
4. 因为船用 LNG 储罐是一种移动容器。所以在船舶航行时LNG储罐内LNG液体会产生晃荡。在工况恶劣的情况下，剧烈的晃荡不仅会对LNG储罐的罐体造成巨大的冲击力，还会冲击船体与LNG储罐的罐体的连接结构。
5. 航行途中LNG 燃料罐内液体会因为不断的使用减少，当使用后的LNG液体的体积与LNG储罐的总体积达到一定比例时，会使晃荡问题变得更加严重。

1.3国内外研究现状

1.3.1结构方面的研究现状

LNG储罐作为船用 LNG 燃料的储存单元，LNG动力船的安全性与其几何设计方式直接关联。随着船用LNG 运输船液货舱不断改进，最后演变为船用 LNG 燃料罐。LNG运输船的液货舱大致可分为两种类型：（1）薄膜型，(2)独立型。液化天然气动力船使用的液货仓与一般的液货仓相比，具有良好的绝热性，而且更能够耐低温。

薄膜型液货舱是一种非自支撑的液货舱系统，由LNG液体晃动所导致的动载荷与静载荷，并不需要其他的结构来消除，只用经过设置在船体里的保温材料来中介，即可扩散至整个LNG动力船的船体。法国的 GTT 公司曾经掌握了薄膜专利的技术，该技术的最终的产品有三种类型：MARKIII 型 、CSI 型、NO.96 型。2013 年 4 月韩国现代重工为了打破 GTT 的技术垄断，生产了新型的薄膜型液货舱。

独立型液货舱是一种自支撑的液货舱系统。由液货引起的动载荷和静载荷可以由其独自承担。液货舱与他的支撑部件将载荷传导至船体结构。独立型液货舱大致可分为以下三种类型，（1）A型独立液货舱，（2）B型独立液货舱，（3）C型独立液货舱。