论文总字数：27216字

摘 要

液化天然气(Liquefied Natural Gas，缩写为LNG)作为清洁能源的代表越来越受到人们的关注。随着天然气的广泛应用,LNG船需求十分旺盛，并成为热点问题。中小型LNG运输船是LNG船型发展至今的一个新概念。LNG储罐作为液化天然气的主要储存装置之一，且由于LNG气体的特性,对储罐的结构设计有特殊的要求。本文以 3m³LNG储罐为研究对象，主要开展了以下工作：

（1）介绍了主要的设计思想，对储罐的设计内容进行了初步梳理，之后拟定了基本设计过程便于接下来的论文开展。最后通过参考各类相关文献对储罐设计需用材料进行了阐述。

（2）确定设计储罐的基本参数，以此为基础根据GB150-2011《压力容器》进行储罐的几何计算。之后再对绝热层、夹层支撑、支座及附件等基本结构按照GB/T 18442.3-2011《 固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分》和《天然气燃料动力船规范-2013》等设计标准进行设计，并借助过程设备强度计算软件SW6进行了强度校核。船用LNG低温储罐是燃气发动机的核心设备，对双燃料发动机也进行了简单叙述及计算。

（3）对有限元分析进行了介绍，根据之前确定的参数使用有限元分析软件ANSYS对主要设备包括内外容器、鞍座、补强圈和玻璃钢支撑柱在四种工况下进行有限元结构应力分析，可以更进一步对所设计的储罐进行评定校核。

关键词：中小型LNG船；LNG储罐；强度分析 ；有限元法

Structural design on 3m³ LNG cryogenic

tank of LNG powered ships

Abstract

LNG(Liquefied Natural Gas)，as well-known clean energy, has got more andmore attention.Now researching on LNG earriers has become a hot issue as inereasing demand. A new concept—small and medium LNG ship loading less than l000 m³ has emerged in LNG carriers development history. As one of the primary containers which are used to store LNG, and it needs special structural design due to the property of LNG, In this paper, aiming at 3m³ LNG container, the research work is carried out as follows:

(1) This paper introduces the main design ideas, and makes a preliminary analysis of the design contents for the tanks. Then,by making the basic design process is easy to develope the next paper. Finally, the material of the storage tank is described in detail with reference to various relevant documents.

(2) Determine the basic parameters is used to design the storage tank, and according to the Pressure Vessels（GB150-2011） calculate the physical dimension of the tank. Then, the basic structures include the thermal insulation blanket, a dissection support, bearings and accessories are designed by a variety of standard as Static Vacuum insulated cryogenic pressure vessel part 3( GB / T 18442.3-2011 )and Rules for natural gas fuelled ships – 2013 and so on, and by means of the strength computation software SW6 for the process equipment carrys on strength check. The LNG cryogenic tank is the core equipment of gas engine, and the dual fuel engine is also described and calculated.

(3) The finite element analysis is also introduced. According to the parameters,which have been determined before,can be used to analysised on major equipments by finite element analysis software ANSYS. The major equipments include the inner container,enclosure, saddle, reinforcement pad and epoxy fiber reinforced plastic shores. A finite element stress analysis of structures is made in four conditions.The stress strength of the tank is evaluated and checked.,which can make further detailed design for tank.

Keyword：Small and medium LNG ship; LNG cryogenic tank；strength analysis; finite element method.

目录

摘要 2

Abstract 3

第一章 概述 7

1.1 选题背景及意义 7

1.2 选题相关研究和LNG船的发展现状 8

1.3 论文所要完成的内容以及使用的方法： 8

第二章 船用LNG低温储罐选型及材料选择 9

2.1 设计思路 9

2.2 LNG储罐设计原则和设计流程 10

2.2.1 设计准则 10

2.2.2 基本的设计流程 11

2.3 船用LNG低温储罐设计所需材料的选择说明 11

2.3.1 总体要求 11

2.3.2 基本结构的材料的选择和使用 12

第三章 LNG低温储罐结构设计 14

3.1主要设计参数的选择 14

3.1.1内容器设计参数的选定 14

3.1.2外容器设计参数的选定 14

3.2储罐的几何尺寸 15

3.2.1内容器设备选型 15

3.2.2内容器的结构设计 16

3.2.3外容器设备选型 18

3.2.4外容器的结构设计 18

3.3基本结构选择及设计 21

3.3.1绝热形式选择 21

3.3.2夹层支撑结构选择 22

3.3.3储罐支座结构及设计 23

3.4附件设计 25

3.4.1管道设计 25

3.4.2阀门设计 27

3.4.3仪表设计 27

3.4.4 安全附件 27

3.5 SW6软件强度计算 28

3.5.1 软件介绍 28

3.5.2 本次设计对容器进行的强度校核 28

第四章 LNG低温储罐有限元计算 29

4.1 有限元软件和有限元法 29

4.1.1 有限元法的产生和发展 29

4.1.2 有限元方法的思想 29

4.1.3 ANSYS软件的简介 30

4.2 低温储罐的有限元分析 30

4.2.1力学模型 30

4.2.2单元网络划分 31

4.2.3边界条件 34

4.2.4载荷工况 34

4.2.5加载情况 34

4.2.6求解分析 36

4.3 强度评定 46

4.3.1设计规范及应力强度确定依据 46

4.3.2评定结果 48

第五章 结论及展望 52

5.1 结论 52

5.2 展望 52

第六章 致谢 53

附录 54

参考文献 55

第一章 概述

1.1 选题背景及意义

随着当今世界的不断发展，很多全球性的问题逐渐凸现，最近几年，全球范围内的变暖，气候异常等问题备受人们的关注。共建节能减排，绿色环保型家园已经成为全世界绝大多数国家的共识。全球范围内的航运业务的快速发展导致船舶对海洋气候的污染等问题受到国际社会的普遍关注^[1]。而天然气较其他能源在环保上面所发挥出的优势在最近几年中越来越受到各个国家的关注。LNG的主要成分为加完，它是莫倩地球上最为干净的清洁能源之一。它的主要特点是无色无味，无毒，并且还不具有腐蚀性。液化天然气它的体积仅为气态体积的1/600，重量仅为相同体积的水的一半左右。但是它的临界温度为-82.92℃，储存温度为-162℃，一般储存在压力为0.1MPa的低温储罐中^[2]。天然气燃烧后放出的热量相对其他的不可再生能源要大得多，并且对空气的污染也较小，所以随着社会的发展，液化天然气越来越受到人们的青睐。伴随着LNG的需求量的不多增加，LNG船的需求也不断的增加。由于水面设备的自身特点，低温船用LNG储罐的研制和标准的选取和安全性方面的需要更高的要求。

随着天然气在各个领域的广泛应用，各种新型的LNG运输船不断的被研发出来。由于我国有很大一部分的国土是在内陆，从国外进口或者在海洋中开采出来的天然气经过压缩成为液化天然气，再通过大型的LNG运输船运到大型港口。然而从进口港运输到各个内河港就需要用到小型化的LNG运输船。所以本论文主要针对中小型的LNG储运船的储罐进行研究设计^[3]。但是相对于大型的LNG 储运船来说，中小型的LNG储运船并不是简单的缩小比例。在储罐的结构方面，中小型的LNG储运船的储罐和大型LNG储运船的储罐有着很大的差异。中小型LNG运输船存在着运行周期短，中转频率相对于大型的LNG运输船较高，所以在储罐的材料的选用，结构设计，强度分析等诸多方面有着较高的要求。现在静静有十分成熟的LPG船等中小型的运输船的技术，而他们的运输环境和中小型的LNG船有着很多的相似之处，所以可以通过模拟分析LPG船的储罐来获得中小型LNG船的储罐的设计的方法^[4]。通过研究LNG储罐的技术会对开发和设计中小型的LNG船的系统产生比较重要的意义和影响。

1.2 选题相关研究和LNG船的发展现状

现在对于绝大多数的大型LNG运输船的设计和研究的技术已经发展的较为成熟，但是对于中小型的LNG运输船来说，这方面的研究还是相对来说较少的。建造中小型LNG船要比建造油船需要更大量的劳动力和更高的工艺，具有相对严格的质量把关，是各类船舶制造业中要求最为严格的一类，尤其是建造的密封系统需要比较特殊的设备和装置以及大量的熟练技术劳力，必须有密封系统的制造许可证才能进行密封装置的施工。因此全世界中小型LNG船的建造能力受到了很大的限制。

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