摘 要

天然气作为一种清洁能源，不仅能够很好的适应能 源结构调整，而且体现了环保理念。交通运输部通过对LNG船的补贴等方式，积极引导LNG船用化发展。LNG储罐是LNG动力船的燃料储存单元，其内容物是低温、易燃的液态天然气。相比于其他压力容器，LNG储罐要求具有耐低温、耐腐蚀、绝热性好、密封安全性高等特点。船用LNG储罐的工作环境较陆用储罐更为特殊，不仅受内压、外压，还要受到各个方向上的惯性力载荷作用，这对结构强度有较高的要求。LNG储罐的双层圆筒形状、支撑装置边界条件都较为复杂，需要整体分析。为了更全面地研究船用LNG储罐，本文做了国内外现状研究、储罐的结构设计研究、强度分析、疲劳分析，主要工作包括：

1. 了解了LNG储罐的国内外研究现状，进行了内筒、外筒、绝热结构、支撑装置的结构设计与研究；
2. 在现有标准中，综合考虑船舶的纵摇、横摇、垂荡等联合作用，分析储罐的各向惯性力载荷，对LNG储罐进行强度分析，得到最佳布置方式；
3. 在现有标准中，依据相关模型对LNG储罐进行疲劳分析，并且印证了最佳布置方式的正确性。

关键词：船用LNG储罐；结构设计；强度计算；疲劳计算

Abstract

As a clean energy source, natural gas not only adapts well to energy structure adjustment, but also reflects the concept of environmental protection. The Ministry of Transport actively guides the development of LNG shipbuilding through subsidies to LNG carriers. The LNG storage tank is the fuel storage unit of the LNG power ship, and its contents are low temperature, flammable liquid natural gas. Compared with other pressure vessels, LNG storage tanks are required to have low temperature resistance, corrosion resistance, good heat insulation and high sealing safety. The working environment of marine LNG storage tanks is more special than that of land storage tanks. It is not only affected by internal pressure and external pressure, but also by inertial force loads in all directions, which has high requirements on structural strength. The double-layer cylindrical shape of the LNG storage tank and the boundary conditions of the supporting device are complicated, and an overall analysis is required. In order to study the marine LNG storage tank more comprehensively, this paper has done research on the status quo at home and abroad, structural design research, strength analysis and fatigue analysis of the storage tank. The main work includes:

(1) Understand the research status of LNG storage tanks at home and abroad, and carry out structural design and research of inner cylinder, outer cylinder, thermal insulation structure and supporting device;

(2) In the existing standards, comprehensively consider the combined effects of pitch, roll and heave of the ship, analyze the inertial force loads of the tanks, and analyze the strength of the LNG tanks to obtain the best arrangement;

(3) In the existing standards, fatigue analysis of LNG storage tanks is carried out according to the relevant model, and the correctness of the optimal arrangement is confirmed.

Key words: marine LNG storage tank; structural design; strength calculation; fatigue calculation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 LNG储罐结构研究 2

1.3.2 LNG储罐强度研究 3

1.3.3 LNG储罐疲劳研究 4

1.3.4 LNG储罐晃荡研究 4

1.4 研究设计的基本内容 5

1.4.1 储罐的结构设计 5

1.4.2 储罐的强度分析 5

1.4.3 储罐的疲劳分析 5

第二章 LNG储罐的结构设计 6

2.1 船用LNG储罐的特殊要求 6

2.2 结构设计的一般方法 6

2.3 内容器结构设计 7

2.4 外壳体结构设计 8

2.5 内支撑结构设计 10

2.6 绝热结构设计 10

2.7 小结 10

第三章 LNG储罐的强度分析 11

3.1 LNG储罐强度分析的必要性 11

3.2 LNG储罐的惯性力载荷 11

3.2.1 现有标准适用加速度 11

3.2.2 IGC加速度经验公式的参数敏感性分析 11

3.3 LNG储罐的有限元分析 15

3.3.1 储罐的几何模型及设计参数 15

3.3.2 对LNG储罐进行网格划分 18

3.3.3 惯性载荷施加 20

3.3.4 约束定义 22

3.3.5 LNG储罐应力分析 23

3.4 横向布置LNG储罐的强度计算分析 24

3.5 小结 27

第四章 LNG储罐的疲劳分析 28

4.1 疲劳分析的数值计算 28

4.1.1 疲劳载荷的基本类型 28

4.1.2 S-N曲线 28

4.1.3 疲劳强度的计算方法 29

4.2 LNG储罐的疲劳分析 30

4.2.1 疲劳载荷的选取 30

4.2.2 热点应力的ANSYS计算分析 31

4.2.3 疲劳损伤的计算 37

4.2.4 损伤校核 39

4.3 储罐的横向布置疲劳分析对比 39

4.3.1 疲劳载荷的选取 39

4.3.2 分析结果 40

4.3.3 纵向布置与横向布置对比 41

4.4 小结 41

第五章 结论与展望 42

5.1 结论 42

5.2 展望 42

致谢 43

参考文献 44

绪 论

研究背景

根据牛津能源研究所（OIES）最近的一项研究，在IMO 2020限硫令前夕，LNG燃料作为船舶动力的使用不会突然增加，而是会稳步上升。 该研究指出，液化天然气作为船用燃料的稳定增长可以为必要的额外基础设施开发留出时间，并避免因船用燃料需求激增而引起的全球液化天然气市场的波动。

与普通重油、柴油动力船相比，LNG动力船几乎没有硫和固体颗粒物的排放，而且碳排放和氮排放更低。LNG具有更高的安全系数，其着火点（650℃）、爆炸极限（4.6%~14.57%）均高于柴油。随着国家排放标准的落地，LNG动力的显著优势必然推动船舶行业发展。

从2010年8月，长江第一艘LNG-柴油双燃料拖轮成功下水试航，到2014年6月，“武家嘴57”轮获得LNG动力改造批准，我国LNG动力船按照“先内河后沿海”的发展路线，一步步扩大规模。据统计，截至2018年3月，我国已建和在建的LNG动力船共有281艘，预计到2020年，新建的LNG动力船数量将会达到400艘。