石 峰，陈瑞权，许孟东

(中海油能源发展采油服务公司，天津300457)

液化天然气(LNG)运输必须先将天然气经产地净化加工超低温冷却至约-162℃，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，天然气由气态变成液态，达到便于运输的目的。中小型LNG运输船一般是指载货量在3万m3以下的LNG船，专为大型接收站的LNG转运、海上油田伴生气的回收、海上LNG的驳运等提供服务。我国LNG进口量逐年加大，且沿海LNG项目布局逐步完善，利用LNG船舶运输至沿海接收站，再经沿海和内河中短途运输的需求随之出现。

目前承接跨洋运输的大型LNG运输船使用的货舱型式多为薄膜型(GTT No.96和GTT MarkIII)，还有少量的Moss型和SPB型［1］。虽然这些货舱在容积利用率上优于C型货舱围护系统，但是出于经济性考虑，应用于小型船上还有待探讨。目前全球共有在役(建)中小型LNG运输船约20艘，大多采用独立C型液货舱。C型独立舱通常为球形或圆筒形的罐，其中圆筒形又分为单圆筒罐、双圆筒罐以及三叶形罐，本文将对C型货舱的罐体设计选型做个对比分析［2］。

1 C型罐舱设计的技术要求

短途运输小型LNG船C型货舱通常按压力容器准则设计，设计压力常取1.8 MPa，不超过2 MPa。其独立液化舱属于半冷半压形式压力容器，技术比较成熟，液罐材料采用耐低温且具有较低热膨胀系统的奥氏体钢，罐体外部粘结聚苯乙烯泡沫盒镀锌钢板作为绝缘层。按《散装运输液化气体船舶结构与设备规范》［3］设计。独立C型液货舱主要优点是罐体设计独立，加工独立，利于缩短造船工期;耐压性好，无需设置屏蔽，无气体泄漏，船舶无需另外考虑液货维护，等。C型独立液化舱设计蒸气压力大于等于下式计算值。

式中:po——设计蒸气压力，液货舱顶部的最大表压，用于液货舱设计，MPa。

ρr——设计温度下货物的相对密度(淡水，ρr=1)。

A——应力区应力系数，

其中:σm——设计主膜应力，MPa;

ΔσA——许用动态膜应力(双振幅，当概率级别为Q=10-8)，MPa;对铁素体钢，马氏体钢，ΔσA=55 MPa;对铝合金(5083-0)，ΔσA=25 MPa;

C——液货舱的特性尺度，取下列各值中的最大者:h;0.75b;或0.45l。

其中:h——液货舱高度(沿船舶的垂向量取)，m;

b——液货舱宽度(沿船舶的横向量取)，m;

l——液货舱长度(沿船舶的纵向量取)，m。

根据液货舱的形状及其支撑装置和附属件的布置，主管机关可将符合本款标准的液货舱归属为A型和B型。

适合LNG短途船舶运输的低温储罐有如下特殊要求。

1)罐体在设计、加工、检验工艺上都有严格规范(IMO组织的IGC规则)要求。因此其安全冗余度高，由于罐内储存的是低温液体，储罐一旦出现破损，冷藏的液体会大量挥发，在大气中会形成危险的可爆气团，因此罐体独立设计、加工通过第三方船检认证机构检验。

2)良好的耐低温特性及承压特性。常压下液化天然气的沸点为-162℃，此类储液罐的操作压力稍高于常压，与高压常温储存方式相比，可以大大降低罐壁厚度，提高安全性能。LNG运输要求储液罐体具有良好的耐低温性能和保冷性能，罐体压力允许在一定范围内增加。

3)罐体仪表和设备安全等级要求严格。LNG运输除了具有和原油相似的危险性外，还有着其特殊的危险性，而低温是它的主要危险特征。这主要表现在低温条件下给船体及其设备形成损害，对LNG船安全性能的标准要求要远远高于油轮和其它一些化学品船。

4)在罐体和支座结构上有特殊要求。要适应船体和液货运动对货罐产生的冲击影响。一般设置制荡舱壁，防止液货晃荡与船舶的纵摇周期产生共振，对罐体封头产生冲击，支座设置加强圈消除或降低圆筒的轴向应力、切应力和周应力，等［4］。

2 单圆筒罐和双圆筒罐对比分析

C型独立舱通常为球形或圆筒形的罐，其中圆筒形又分为单圆筒罐、双圆筒罐，球形罐体在中小型船舶布置上有一定难度，重心偏高，船舶利用率偏低，因此较少用于中小型LNG运输船。这里仅仅讨论相同LNG船舶载重量(例如目标船型1 m3)单圆筒和双圆筒(见图1、2)的选型对比分析。

图1 C型独立舱典型双圆筒罐横剖面

图2 C型独立舱典型单圆筒罐横剖面

2.1 制造工艺

1)罐舱结构设计上单圆筒罐结构形式简单，双圆筒罐结构较为复杂。单圆筒罐由于剖面为圆形，其应力和结构尺寸分布均匀，罐体总体材料消耗少;而双圆筒罐在罐体接头处更易产生应力集中，需要在接头处加强，其结构形式较复杂，材料消耗大。双圆筒罐结构需设置中纵舱壁，以解决上下结构连接并减小液体晃荡。在同等舱容下，建造单圆筒罐可节省材料约10%，而双圆筒罐加工难度较大。

2)罐体支座一般设置加强圈消除或降低圆筒的轴向应力、切应力和周应力。由于LNG船温度低(-162℃)，在温度变化时材料在罐体纵向和周向有收缩量，单圆筒的支座形式简单;而双圆筒支座复杂，支座型式需特别考虑双圆筒间的影响，因此设计结构形式计算相对复杂。

3)相同载荷下，如果采用2个相同规格的单圆筒罐，则仅需一套图纸一套罐体设计方案，设计、施工简单方便。如采用多个双圆筒罐，由于第一货舱线型向内收缩，为了最大程度利用舱容，需根据线型重新设计双圆筒罐，导致第一货舱内的双圆筒罐与后面货舱内的双圆筒罐尺寸舱容不同，设计和施工量均较大。

2.2 船舶布置

2.2.1 船体重心高度

如图1、图2所示，由于双圆筒罐宽度大，相同容积的情况下双圆筒罐高度比单圆筒罐较小，可以有效降低货物的重心高度以及凸起甲板的高度，重心的降低使得船舶稳性更佳，而凸起甲板高度的降低则使驾驶室视线更为宽阔。

2.2.2 舱容利用率

在同船宽条件下，单圆筒罐相比于双圆筒罐截面积约小20%。但是从船长方向来看(见图3)，由于需满足破舱稳性，如使用双圆筒罐则须分为3个甚至4个货舱，货舱之间需保留一定的结构和通道空间，故在船长方向舱容利用率低于单圆筒罐。另外由于船体线型在船头部分向内收缩，在第一货舱内，双圆筒罐需要根据线型同时向内收缩，第一货罐舱容较小，同尺度条件下，双圆筒罐的舱容比单圆筒罐要大，带来的有效容积约增加10%。

对于C型圆双圆筒罐，国外已有的最大直径为15m，罐体直径对舱容的影响很大。罐子宽度B和直径D的比值直接决定了横截面积S的利用率η。

图3 同船宽同船长情况下单圆筒罐与双圆筒罐舱容纵剖面比较

当B/D=1.5时，横截面积利用率最高。另一方面，D愈小，即B/D愈大，液罐的板厚可以愈薄。因此，这一比值一般取在1.6～1.8之间。实船上这一比值的平均值为1.68～1.70。图4为双体圆筒形储罐的最佳断面形状分析。

图4 双体圆筒形储罐的最佳断面形状分析

3 结论

通过对C型罐舱选型中结构形式、船舶破舱稳性、设计施工、对船舶布置等方面因素的分析可以看出，双圆筒C型货舱与单圆筒C型货舱相比具有舱室空间利用率高、船舶重心高度降低等优点;缺点是制造难度相对较大，造价成本略高。

在运输中C型罐舱的主要风险来自:①外来船体冲撞或自身搁浅等导致的罐体破损;②罐体或管线外部失火;③罐内液体翻滚导致罐体内BOG压力徒增造成风险等。从LNG水运安全角度分析，短途水上运输尤其是内河运输因船舶通行密度大、航行环境复杂，相比较三种风险中来自罐体碰撞破损的几率高些，而且具有不可预测性，是LNG短途运输的主要的风险源［5］。单圆筒罐罐体设计距离船体外舷较双圆筒罐最远，可布置在B/5以外(符合IGC规则)，并可考虑船舷侧增加较宽的压载舱加以缓冲保护，因此单圆筒罐的选型设计和布置是适合于短途LNG船舶的运输方式。

从国内外实践经验上看，液货舱总容积在15 000 m3以下的中小型LNG船其液货舱形式多采用单圆柱形C型独立液舱，15 000～40 000 m3液化气船液舱形式大多选取双圆筒罐，而且随船体尺度增加，液货舱数量也随之增加。

［1］《液化天燃气生产关键技术实用手册》编委会.液化天然气生产关键技术实用手册［M］.下册.北京:北方工业出版社，2010.

［2］泰炳军，陈瑞权，盛苏建.江海直达小型LNG运输船设计研究［J］.船海工程，2012，41(2):1-8.

［3］中国船级社.散装运输液化气体船舶结构与设备规范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］丁 玲，马 坤.中小型LNG运输船液货罐设计技术［J］.船舶，2010(1):26-29.

［5］洪汇勇，江玉国.LNG运输船海上运输的风险分析及其控制［J］.航海技术，2008(4):72-75.