摘 要

针对LNG储罐这一船用LNG燃料储存单元，基于对其设计的合理性要求，本文借助辅助设计软件AutoCAD，将某小型 LNG储罐作为设计的原型，同时针对该LNG储罐计算结构参数，随后研究该LNG储罐的惯性载荷强度、疲劳强度的设计分析以及防波板的结构设计，通过仿真方法验证现有理论，得出一些针对船用LNG储罐设计及安装的指导性结论。

论文主要介绍了船用LNG储罐设计的国内外研究现状和潜在的研究方向，绘制了LNG储罐的二维结构设计图，结合强度、疲劳方面的理论分析，给出适用不同技术参数工况的设计建议。

设计成果包含15m³船用LNG储罐设计总图。研究结论包含：在特定工况下，储罐设置的方向会影响载荷施加，在横向设置时，储罐各部件的最大应力值都相对更小。此外，在疲劳分析中还验证了纵向设置时，内支撑结构需要通过两组卡套来固定以应对更大的疲劳损伤。最后，针对LNG储罐晃荡问题的研究，得出增设防波板对改善冲击力有积极作用的结论。

本文的特色：结合国内液罐设计的研究现状，提出针对船用小型储罐的内外罐体和罐底板等部分的结构设计流程和建议。在现有设计标准的基础上，分析了有关惯性力载荷的适用加速度，探索了关于单元选择，设计简化和载荷施加等方面的分析流程，并给出一些针对强度分析的指导性建议。通过研究船用LNG储罐分别在两种设置方式的情况下，在计算应力分布时产生的差异，提出适用于船用LNG储罐疲劳强度分析的一般方法。通过数值模拟介质晃荡的工况，探讨了防波板对改善晃荡过程的正向作用，完成对船用LNG储罐晃荡分析的初步研究。

关键词：LNG储罐；结构设计；强度；疲劳；防波板

Abstract

For LNG tanks, which are used as marine LNG fuel storage units, based on the rationality of their design, this paper uses the auxiliary design software AutoCAD to design a small LNG tank as the prototype of the design, and calculate structural parameters for the LNG tank at the same time. The design and analysis of the inertial load strength and fatigue strength of the LNG storage tank as well as the structural design of the anti-wave plate were verified. The existing theories were verified by simulation methods and some guiding conclusions were drawn for the design and installation of marine LNG storage tanks.

The paper mainly introduces the domestic and foreign research status and potential research directions of marine LNG storage tank design, draws the two-dimensional structural design diagram of LNG storage tank, and then combining the theoretical analysis of strength and fatigue gives the design proposal applied to working conditions of different technical parameters.

The design includes a general plan for the design of a 15m³ marine LNG storage tank. The conclusions of the study include: Under certain conditions, the orientation of the layout has an effect on the load application of the LNG tanks, and the horizontally placed tanks have relatively smaller maximum stress values ​​for each component. In addition, in the fatigue analysis it was also verified that the inner support structure needs to be fixed by two sets of ferrules to cope with greater fatigue damage. Finally, according to the research on sloshing of LNG storage tanks, it is concluded that the addition of anti-wave plates has a positive effect on improving the impact force.

The characteristics of this paper: Combining with the research status of domestic liquid tank design, the structural design flow and recommendations for internal and external tanks, tank bottom plates, etc. of marine small tanks are proposed. Based on the existing design standards, the applicable accelerations of the inertial loads are analyzed, and the analysis procedures for unit selection, design simplification and load application are explored, and some guidance suggestions for strength analysis are given. By studying the differences between the two layouts of marine LNG storage tanks in calculating the stress distribution, a general method suitable for the fatigue strength analysis of marine LNG storage tanks is proposed. By numerically simulating the sloshing conditions of the medium, the positive effect of the anti-wave plate on the sloshing process was discussed, and a preliminary study on the sloshing analysis of the marine LNG tank was completed.

Key words：LNG tank; structural design; strength; fatigue; anti-wave plate

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1结构方面的研究现状 2

1.3.2 强度方面的研究现状 3

1.3.3疲劳方面的研究现状 3

1.3.4晃荡方面的研究现状 4

1.4 本文的主要研究内容 4

第2章 LNG储罐结构设计方法 6

2.1结构设计要求 6

2.2材料选择和设计流程 6

2.3 内容器 8

2.4外壳体 9

2.4.1 圆筒壁厚δ₃ 9

2.4.2 封头壁厚δ₄ 11

2.5 绝热结构 13

2.6 内支撑结构 13

2.7 罐地板尺寸 14

2.8 本章小结 14

第3章 LNG储罐强度计算和分析 15

3.1 分析流程 15

3.2 惯性力载荷分析 15

3.2.1 惯性力载荷的标准 15

3.2.2 各向加速度受结构设计影响的分析 17

3.3 三维建模分析 22

3.4 载荷施加 23

3.4.1 纵向布置的载荷施加 23

3.4.2 横向布置的载荷施加 24

3.4.3 布置方向的比较 24

3.5 本章小结 25

第4章 LNG储罐疲劳分析研究 26

4.1 研究内容和分析方法 26

4.1.1 基本概念 26

4.1.2 设计方法 28

4.2 疲劳强度计算 30

4.2.1 工况和载荷 30

4.2.2 计算方法 31

4.2.3 校核验证 31

4.3 设置方向对疲劳损伤的影响 33

4.3.1 横向设置储罐的载荷施加 33

4.3.2 校核验证 34

4.3.2 布置方向的比较 34

4.4 本章小结 35

第5章 防波板结构设计分析 36

5.1基本概念 36

5.2 影响因素 36

5.2.1 充装率 36

5.2.2 防波板 37

5.3本章小结 39

第6章 结论 40

6.1 研究结论 40

6.2 反思展望 40

致谢 41

参考文献 42

第1章 绪论

1.1 研究背景

LNG船用运输开始于1959年2月，当时的“甲烷先锋号”装载有2000tLNG货物，横渡大西洋抵达英国。此次货物运输的成功，预示了海上长途运输天然气货物的现实意义，船舶天然气运输技术也得以在良好的环境中得以发展。时至今日，LNG运输船的发展在规模和技术上都有了长足的累积，特别是美国、日本和韩国等发达国家在相关领域已处于领先地位。

近几年，随着我国经济的长足发展，我国对环境问题也愈发重视，正逐步调整、优化能源结构。天然气作为一种清洁能源，势必在我国未来的能源结构组成中占据重要比例。因此，在天然气需求日益增加的今天，船用LNG储罐作为LNG技术的核心环节，对改善运输过程安全性和效益性具有不可替代的地位。而我国在船用储罐设计领域的研究仅开展了数年，所以针对船用LNG储罐技术开展理论探讨和实践研究不能懈怠。

船用LNG储罐的发展起源于液货舱的设计，经过不断地演化，液货舱如今可以细分为独立液货舱，（半）薄膜液货舱和整体液货舱等，其中独立液货舱和薄膜液货舱的设计适用于LNG介质的运输^[1]。

独立型液货舱的特点是具有自支撑能力而不需要船体提供支撑，通过液货舱本身及其支撑件的传递作用，能够承受装载的液货所带来的静载荷和动载荷。同时，独立型液货舱还能细分为A型液货舱、B型液货舱和C型液货舱。A型液货舱采用的是传统船体结构设计，需要完全的次屏壁保护。B型液货舱的设计则是基于A型液货舱，将疲劳分析和断裂分析纳入设计考虑。C型液货舱的设计依据是压力容器标准，不需要采取次屏壁保护^[2]。

薄膜型液货舱的特点是不采用自支撑的方式，而是通过嵌入船体的保温层，直接将液货带来的静载荷和动载荷传递给船体结构。薄膜型液货舱需要完全的次屏壁保护。

LNG运输船的发展历史已逾50年，由于对它的应用鲜少引发重大的安全事故，因此随着船舶结构设计的不断改善，结合现有LNG储罐的发展，船用LNG储罐的设计也就应运而生。近几年，随着我国对LNG燃料需求的提高，通过船舶在内河和沿海进行燃料运输，也逐渐成为更具性价比的运输方式，其中真空绝热型C型罐是目前运输船最为广泛的选择。

1.2 研究目的及意义

在我国，得益于对陆地的运输要求不高，陆用LNG储罐的发展已经比较完善，却现在依然缺乏将相关技术应用于液货运输船的研究。此外，船用LNG储罐的使用环境是水上航行过程，因此需要针对船舶设计和运行工况做出额外的调整，现有的陆上LNG储罐技术也不能直接应用到船用设计上。

目前，国内有关船用LNG储罐的研究还比较局限，对动态工况下储罐强度的分析相对匮乏。在实际航行运输过程中，受不同航行工况的影响，以及存在加速度导致的复杂载荷情况，罐体强度会因此受到疲劳强度方面的损伤。低温LNG储罐往往采用内外双层真空绝热结构，使得对罐体应力分布的计算在几何维度上存在客观的难度。

在复杂的航行海况中，船舶受外界影响引起的晃荡会对容器产生不可避免的冲击力，尤其是对罐体连接部分造成的冲击影响会带来潜在的安全隐患。在航行过程中，罐体内的燃料液体不断减少、到达一定范围时，会使晃荡现象更加严重。为缓解激烈晃荡的影响，理论上可以设置防波板来减缓。而对于防波板的设立，就需要确定其方向、间距、隔挡面积等基本参数。这些分析会在文章对应的章节中得到阐述。

1.3国内外研究现状

LNG技术的发展最早可以追溯至20世纪初，当时的美国率先发布了有关LNG储罐设计的专利。如今，日本在建造大型LNG储罐方面有长年累积的经验，不仅如此， 日本还建造了最多的LNG接收站。

我国于20世纪90年代中期开始建造大型液化气体储罐。进入21世纪以来，我国福建等城市开始逐步建造大型LNG接收站，并在各水域运输天然气的技术领域取得了重大突破。

关于国内船用LNG储罐的设计研究，下面将主要针对结构方面、强度方面、疲劳方面和晃荡方面进行介绍。

1.3.1结构方面的研究现状

因为LNG燃料存在超低温、易挥发的特征，因此在对于其存储装置也有一些需要特殊注意的设计要点。首先，压力容器的材料多选用耐低温的304钢，以保证常压低温运输的要求；其次为了确保压力容器的安全性，多选用双层壳的构造方案；最后，在双层壳之间多会填充绝热保温材料^[3]。

目前国内一些改造船的LNG储罐仍有不少设计上的缺陷，增大了燃料泄漏的隐患。譬如，这些储罐的外罐体材料多为低强度碳钢，在漏液时罐体容易发生脆断；以及，没有针对阀件等连结结构采取保护措施，提高了发生泄漏的风险；同时，多数改造船采用的是空温式换热器的设计，不仅降低了气化能力，还会因为其大体积结构的天然缺陷放大泄露风险。

而针对上述问题，Wartsila等公司也提出了针对罐体结构的相关方案，应用模块设计，实际解决了泄露风险。

1.3.2 强度方面的研究现状

董龙梅等采用FEM分析软件，以筒体壁厚和封头厚度作为设计中的参考变量，容器的最大应力值作为状态变量，并将容器重量作为目标函数，达到了优化容器结构强度的目的。经过一系列的分析、优化，筒体壁厚、封头厚度和容器重量均得到了显著的降低，并达到了减小最大应力值的目的，同时还使设计更具经济效益^[4]。

万里平以某陆上运输用罐体作为研究对象，应用FEM分析软件建立相关模型，对四种典型的惯性力载荷工况采取应力分析^[5]。当采用更加合理的强度结构后，罐体在抗破坏能力和抗变形能力方面都得到了提升，并且还节省了材料，此外还降低了重量。

符传发利用结构分析软件MSC Patran/Nastran，建立针对某集装箱船LNG罐舱结构的有限元模型，分析罐体的支承结构在各工况下的受力情况，并通过强度计算、校核完善设计方案，以满足相关规范的要求，保证结构强度^[6]。

李继中在有限元软件Patran的基础上设计了拓展功能，针对破舱的运输船，迭代求解对应工况下的结构温度场；同时他还分析了材料的深冷特性，得出破舱后钢材料脆性具有正向作用。结果表明，当运输船破舱后，钢材料在低温下的脆性能够较大地降低极限强度。

1.3.3疲劳方面的研究现状

在讨论船体结构安全的问题时，对结构疲劳强度开展分析不可或缺。在工程上，船舶在结构上发生的损坏主要表现为疲劳破坏，而改善这一点也是造船设计领域的主流研究方向。目前，疲劳分析法主要有疲劳累积损伤法和断裂力学两种。

冯国庆论文中提出了设计波的的新选择算法。

阎晓艳将S-N曲线和疲劳算法相结合，应用于计算某大型LNG运输船的疲劳损坏与疲劳校核，并在分析结论中，提出了一系列改善建议。

张鼎在文章中描述了风暴模型应用于强度分析的可能，提出短时波浪应力分布的具体情况。此外，他还将风暴模型的拓展应用与疲劳裂纹拓展曲线的分析中，提出另一种针对材料表面裂纹强度因子的计算方法，最后探讨了多种载荷相互作用时，精确预测材料表面疲劳裂纹扩展趋势的理论分析方法^[7]。

甄春博描述了宽带随机载荷的工况下，对船舶结构进行疲劳强度计算的可能，分析了短期海况下应力响应的情况，通过经验公式计算相关参数，建立应力峰值分布的几何模型，最后推导了等效应力的响应范围。其中，还结合多种分布模型进行数值求解、进一步消除误差 ,进而得到短期航行时船舶各部件结构的疲劳累积损伤，和长期航行时对应的疲劳损伤。最后总结为一种适用宽带随机载荷下针对船舶结构疲劳破坏的直接计算方法^[8]。

1.3.4晃荡方面的研究现状

晃荡问题的存在在工程中十分广泛，对于该问题的研究，航空航天等技术领域早有涉足^[9]。在1966年，艾布拉姆森运用线性势流理论，对球形容器中液体的晃动情况开展了深入研究。运用该理论，燃料箱内部结构受晃荡产生的动压力的影响可以得到预测。

川崎重工对四艘不同类型的双壳油轮进行液舱内液体的晃动试验，实验得出的结论有：双壳结构受到的晃动压力要比单壳大，但相差不明显；针对边舱采取横向框架结构，能够减小船壁受到的冲击作用。

肖武研究了某LNG运输船液货舱的晃荡问题，对装载高度为70%H的LNG液舱在单自由度纵摇和横摇激励下的晃荡问题分别进行了数值模拟^[10]。其次,他还将装载高度和激励频率作为自变量，研究了舱内晃荡压力和场分布的情况,以及二者对晃荡问题的影响。最后，还分析了一阶固有频率和共振频率随装载高度的变化规律。

1.4 本文的主要研究内容

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