LNG船的技术特征及液货舱技术简介

1.LNG船的技术特征和技术开发重点

（1）LNG船的技术特征 液化气船是储存和运输液化气的主要工具，由于其所运输的货物具有低温、高压、易燃易爆、易腐蚀、易发生化学反应等特性，建造液化气船在材料、设备、工艺技术上除要满足一般的国际规范外，还要符合国际液化气和化学品装运的特殊要求。因而，液化气船不仅技术含量高，且具有较高的附加值。特别是LNG船，建造要求高，且建造周期较长，从签合同到建成约需3年，是油船或散货船的2倍，一般要十分注意维护保养，使用寿命往往有35年之久。其技术特征如下：

1）LNG船是输送大气压下约-162℃沸点状态的液体天然气，因此，有关设施须有超低温的对策。所以，它是高科技、高附加值的船舶，建造一艘标准型的LNG船（125000m³）约需1.5～2亿美元。

2）LNG船液舱要能有效地隔热。若有相当的渗入热量，则产生蒸发气（BOG）是不可避免的。在狭小的液舱内即使做成很好的隔热，其日蒸发率（BOR）也有0.10%～0.25%。

（2）LNG船的技术开发重点

1）降低蒸发率（BOR）。球形液舱侧部“热闸”（Heat Brake）的开发，使蒸发率的降低成为可能。从技术上讲，可以达到0.1%/d的超低值。现有LNG船的蒸发率一般是每天0.25%，对一艘12.5万m³的LNG船来说，每天约有260m³的LNG要蒸发掉。当船舶低速航行或停泊在港时，这部分蒸发气部分或全部被浪费掉了。由于蒸发率高，为充分利用蒸发气，LNG船一般选用的主推进装置的功率都比较大，船舶的设计航速较高（一般在21节以上）。从船舶运营经济性的观点来看，航速应大大降低，但仅降低航速而不降低蒸发率，多余的蒸发气要放空，所以仍不能提高营运经济性。

2）蒸发气（BOG）再液化。当今，几乎所有的LNG船是用蒸汽轮机推进的。现有LNG船航行时把BOG（Boil Off Gas）引入锅炉与重油一起混烧，所产生的蒸汽用来驱动蒸汽轮机，但在机动航行或停泊时，全部或部分BOG只好浪费掉。为此，人们开始对LNG船上装备再液化装置的可行性进行研究。通过低汽化率和强制蒸发装置的组合，在低速区至高速区的全部区域内有效利用汽化气体，提高了航运的经济性。还通过降低氮氧化物、硫氧化物的排放量，改善了生态环境。迄今还没有再液化装置用于实船。准备在LNG船上配备的再液化装置有三种基本方式：①全部再液化，再液化装置由发电机组提供动力；②自持式再液化，即用部分蒸汽推动燃气透平，带动再液化装置液化其余蒸发气；③部分再液化，即仅将BOG的30%进行再液化。这对那些蒸发率高而主机用不完这些BOG的LNG船有用，而对将来蒸发率较低的LNG船意义不大。再液化装置采用闭式Brayton循环，用氮气作为制冷剂。从技术上说，LNG船上装备再液化装置是可行的，再液化装置的各种部件和设备在深冷领域都有现成的设计。从能量观点看，装备再液化装置具有很高的节能价值，以自持式再液化装置为例，装置消耗1/3的蒸发气，就能收回2/3的BOG；从经济观点看，采用再液化装置后，LNG船主推进装置可使用低耗油率的柴油机，以节省燃料费用。但是，再液化装置的额外投资很高，约占总船价的5%。偿还投资所需的时间主要取决于LNG的价格（L）与燃油价格（C）之比，如L/C=1，则投资额3年即能收回，若L/C=0.28，则需要10年才能收回。因此，从商业观点看，LNG船装备再液化装置未必一定可取。

3）选用节能的动力装置。任何船舶，燃料费在营运成本中都占有相当大的比例，LNG船也不例外。因此，为降低营运成本，必须选用低耗油率的动力装置。LNG船上的汽化气体是比空气更轻的可燃气体，因此允许用作机舱燃料，以前也一直用作蒸汽涡轮机主锅炉燃料。另一方面，汽化气体也是货物的一部分，因此针对其有效应用，研究了各种各样的装置。这里就蒸汽涡轮机、燃气柴油机、带再液化装置柴油机、燃废气复合涡轮机组的研究结果作一比较。

①蒸汽涡轮机。可靠性高，几乎为所有LNG船所采用。优点是汽化气或重油均可作为主锅炉燃料，也可以混烧。特别是，单用汽化气时废气最干净。缺点是燃料利用率低，燃料费用高。

②燃气柴油机。可用汽化气和重油混烧，燃料利用率也高，但由于利用汽化气燃料，必须提高燃气压力。此外，由于需要起动用燃料，所以不能专门燃烧汽化气，适应性差。加之柴油机的燃烧温度高，排放的氮氧化物较多。

③带再液化装置柴油机。汽化气可经再次液化后直接返回液罐，与推进装置完全隔离。主机采用一般的柴油机，燃料利用率高。然而，由于需要投资再液化设备，追加驱动电力，因此重油消耗量有所增加。另外，由于柴油机燃烧重油，氮氧化物和硫氧化物的排放多于其他装置。

④燃废气复合涡轮机组。在燃气涡轮机燃烧汽化气的同时，利用废气能量产生的蒸汽驱动蒸汽涡轮机。这种机组燃料利用率比蒸汽涡轮机高。

此外，与蒸汽涡轮机一样，复合机组的废气比较清洁。缺点是需要高质量的石油燃料，并且不能与汽化气混合燃烧。将来还可能考虑与电力推进装置相结合。

以上几种装置的其他指标对比见表5-16。

表5-16 几种装置的其他指标对比

注：括号内的数据是仅用汽化气时的数据。

但是，当LNG船蒸发率高达0.25%时，又不装备再液化装置时，无需考虑燃油消耗率，因为即使采用低耗油率的动力装置，多余的蒸发气仍要浪费，并不降低营运成本。但是，当LNG船蒸发率BOR降低到0.1%以下，再液化装置开始装备实船使用时，再选用蒸汽轮机作为动力装置显然是不合理的。

4）大型化。与普通商船一样，大型化在经济性上的好处是降低单位运输成本。特别是LNG项目的运输量几乎是固定的，借助大型化可减少所需LNG船的艘数，而艘数的减少与建造费和航运费的降低有直接的联系。

大型化之后的问题是现有LNG基地，特别是接受基地如何与船舶相适应。现有的研究结果是，有关的主尺度、系船装置、液罐容量等的物理参数能大型化，但码头强度、卸货效率等方面，必须根据船型对有关接受设施进行改造。

5）标准化。LNG项目需要庞大的初期投资，因此一般按照生产与消费方之间的长期合同进行开发。这样，LNG船作为该项目的专用船决定了最佳船型、航速等基本条件。另一方面，LNG也与一般的海运货物一样，存在着许多不特定的生产者与消费者之间转让合同的可能性。具体地说，也进行现货交易。因此，一般认为，将来多采用通用性强的标准进行交接。在这种背景下，从与大型化不同的角度看，标准化也是可以考虑的方向。现在的标准船型从125000m³逐渐扩大至135000m³。然而如前所述，大型化之后会出现进港困难的LNG基地，因此设计标准船型时提高通用性是极为重要的。

6）在LNG船各部位广泛采用自动化装置，力求使航运简单化，提高安全性。还从环保考虑，完成了采用压载水置换的自动化和聚四氟乙烯制冷剂对策等新技术用于LNG船的开发，部分技术已进入实用阶段。

综上所述，提高LNG船运行经济性的前景是很广阔的，而降低蒸发率是提高运行经济性的关键。

2.货舱系统

近年来，国外的专利设计和制造商对LNG运输船的货物围护系统的隔热进行了不断的改进，以法国的GTT公司为例，LNG货物围护系统就经历了No.82、No.85、No.88等一系列的改进直至现在的No.96，MARKⅢ也经历了类似过程，由最初的MARK I发展到现在的MARKⅢ。作为全球最有代表性的LNG货物围护系统的专利公司之一，GTT公司更是把No.96型和MARKⅢ型货物围护系统的优点融合到一起，开发了最新的CSI货物围护系统，该系统由于具备了No.96型货舱手工焊接工作量少的特点、又具备了MARKⅢ次屏蔽成本低廉的特点，因此这种全新理念的货舱建造费用低、施工周期快。

在亚洲，日本和韩国凭借雄厚的国力和多年的造船经验，在很早就进行了LNG运输船的技术开发和建造，比如日本的石川岛播磨重工自行开发的SPB型货物围护系统由于可以用于20万m³的大型LNG运输船而被倍受关注。日本和韩国现在成为了世界上的造船强国，其中LNG运输船的建造为其获取世界排名做出了不少贡献。

LNG的储罐是独立于船体的特殊构造，储罐的形式对LNG运输的设计影响很大。当今世界LNG运输船的储罐形式主要有自撑式（独立型液舱）和薄膜式（薄膜型液舱）两种，如图5-23所示。

图5-23 独立型液舱与薄膜型液舱

a）独立型 b）薄膜型

自撑式有A型和B型，其中A型为棱形或称为IHI SPB，设置完整的二级防漏隔层，以防护全部货物泄漏，专利属于日本石川岛播磨重工公司；B型为球形，设置部分二级防漏隔层，以防护少量货物泄漏，专利属于KVANERNER MOSS。

球罐型的特点是：独立舱体不容易被伤害，可分开制造，造船周期短，质量检查容易；液面晃动效应少，不受装载限制，充装范围宽；保温材料（可用聚氨基甲酸酯塑料，聚苯乙烯，酚醛塑料树脂）用量少；由于储罐带压（0.2MPa），操作灵活，增加安全性，紧急情况下，在装卸的任何阶段都可离港，或在货物泵失灵情况下，卸货的可能性也较好，并且卸完货时清舱简便，但船受风阻面积大。

薄膜式又可分为Technigaz和Gaz-Transport基本两种，前者货舱内壁为波纹型。其特点是：可加工许多预制件，缩短造船时间，由于保温层较薄，相应货物装载量要略微大些，但保温材料较贵，并且保温采用粘结方式，施工后不能改动，对质量控制要求严格。后者选用0.7mm厚，500mm宽的平板INVAR钢（36%镍钢）货舱内壁为平板型。其特点是：不可预先加工许多部件，但易制造，制造时间较长；由于保温层较厚，相应货物装载量稍微小些；保温材料采用可渗透气体的珍珠岩，以添加更多的惰性气体，减少保温材料费用，并且被封闭在保温盒子内用螺栓固定，施工后可改动，质量控制相对不是很严。

以上两者均设置完整的二级防漏隔层，以防护全部货物泄漏，专利属于法国燃气公司的子公司——燃气海上运输及技术公司（GTT）。两者共同的特点是：船的主要尺寸较小、低温钢材用量少，低功率、燃料消耗低；船体可见度大，视觉宽，船体受风阻面积少；设置完整的第二防漏隔层，对高级计算要求少，不需要复杂的应力计算；船厂投资少，但劳动强度，不能对保温层检查；液面易晃动，为避免晃动的危险，装载受限制，并且由此薄膜货舱尺寸也有所改进。

当今建造LNG船的厂家中，制造自撑式球罐形的有日本（三菱重工，川崎重工，三井造船）和芬兰（KVANERNER MOSS）；制造自撑式IHI SPB（棱形）是日本石川岛播磨重工；制造Gaz Transport（平板形）薄膜式有法国大西洋船厂，意大利FINCANTIERI，韩国现代和大宇，三菱重工和三井已签合同准备建造该船型。制造Technigaz（波纹形）薄膜式有日本钢管厂（NKK）和韩国三星。

另外根据国际海事组织（IMO）的规定还有其他三种形式的液货舱：半薄膜型液舱，整体型液舱和内部绝热型液舱，只不过迄今为止所建造的LNG船舶大多数属于独立型和薄膜型这两种，以下仅对流行的这两种作相关阐述。图5-24为截至2007年4月LNG船舶统计数据：

图5-24 LNG船舶统计数据

a）现有各类LNG船舶数量比例

b）各类LNG船舶订单数量比例

3.货物围护系统

《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（IGC规则）和美国海岸警卫队（USCG）的相关要求对LNG运输船的货物储藏有着严格的规定。在这些规则中，把LNG运输船的货物贮藏处所称为“货物围护系统”。现在流行的货物围护系统一般都是薄膜型液货舱。

按照IGC规则的定义：薄膜液货舱系非自身支承的液货舱，它由邻接的船体结构通过绝热层支承的一层薄膜组成。对薄膜的设计应考虑使热膨胀和其他膨胀（或收缩）得到补偿，以免薄膜受过大的应力。设计蒸气压力p_o通常不应超过25kPa。如果船体结构尺寸适当加大，并且对支承绝热层的强度作了适当考虑，则p_o可相应增加，但应小于70kPa。薄膜液货舱的定义并不排除设计非金属薄膜或其薄膜被包括或被合并在绝热层中的液货舱。但是对这种设计应经主管机关特别考虑。在任何情况下，薄膜厚度一般不超过10mm。

图5-25示出薄膜LNG船的横剖面。

（1）薄膜型液货舱系统 现在有三种薄膜型液货舱（只有一个设计者——GTT）用于LNG船的货物围护系统。它们分别是：MarkⅢ系统（Samsung，NKK，HHI，Imabari）；No.96系统（Daewoo，Mitsub-ishi，Mitsui，Chantiers de l′Atlantique，Izard，Fincan-tieri，Hudong）；CS 1系统（Chantiers de l′Atlan-tique）。

1）MARKⅢ系统。MarkⅢ薄膜系统是由船的内部船体直接支撑的低温衬里。该衬里由位于预制隔热板顶部的主薄膜和完整的次薄膜组成。主薄膜是1.2mm厚的不锈钢波形薄膜。主薄膜包容LNG货舱，由绝热系统直接支撑并固定。波纹薄膜的标准尺寸为3m×1m。两个方向（前后和左右）都有波纹。薄膜在两个方向具有波纹管的作用。应注意，波纹和垂直波纹之间节点的制作，仅使用不锈钢重叠而材料没有任何膨胀，不产生额外压力，因此应力非常低。次薄膜由复合层压材料组成：两层玻璃布中间为薄层铝箔，以树脂作为粘接剂。它布置在预制隔热板里的两层绝热层之间。绝热部分是由增强聚氨酯泡沫预制板构成的承载系统，包括主/次绝热层和次薄膜。预制板的标准尺寸为3m×1m。绝热层的厚度为170～250mm，可调，能满足任何B.O.R要求。预制板通过树脂绳粘结在内部船体上，树脂绳具有锚固和均匀传递载荷的功用。薄膜敷设在绝热板格上。绝热板格由内壳通过树脂绳支承，补偿了内壳平整度的缺失，也提供了内壳和绝热层之间的氮填充处所。绝热板格由全部粘合在一起的三层组成：一层是160mm厚的聚亚安脂泡沫板；一层是夹层（两层玻璃纤维片之间的铝箔），即次屏蔽；一层是80mm厚的聚亚安脂板。绝热板格由两块8mm厚的胶合板完成，每侧一块。绝热层是聚亚安脂泡沫。该泡沫必须具有以下特性：①对挤压的阻力必须具有所要求的值，能够把载荷传输到内部结构而不会倒塌；②绝热板格与内壳粘贴在一起，具有与内壳相同的变形，因此泡沫用玻璃纤维垫加固。但是，泡沫的应力应保持在小于一定值，邻接结构应作相应设计。

图5-26示出MARKⅢ型货物围护系统。(www.xing528.com)

MARKⅢ系统的优点：①波形薄膜，该薄膜受较低应力，但应符合组装公差；②1.2mm厚度的薄膜，它增加了薄膜的强度（组装阶段和维护阶段中受损较少）。

图5-25 薄膜型LNG船横剖面

MARKⅢ系统的缺点：①胶合组装，从装配到内壳到顶部架接垫，所有组装都是胶合，这就造成任何移除都会毁坏绝热层组件；②泡沫价格高。

图5-26 MARKⅢ型货物围护系统

2）No.96系统。No.96薄膜系统是由船的内部船体直接支撑的低温衬里。该衬里包括两层相同的金属薄膜和两个独立的绝热层。

①主/次不涨钢（Invar）薄膜。主/次薄膜由不涨钢（36%的镍铁合金）制成，0.7mm厚。主薄膜包容LNG货舱，与主薄膜相同的次薄膜在发生泄露时确保100%的冗余性。500mm宽的不涨钢轮箍沿储罐壁连续分布，平均地支撑主/次绝热层。

该系统是用INVAR薄膜。INVAR是36%的镍合金，其主要特性是收缩系数非常低，大约是钢的1/10。INVAR很小的收缩特性减少了INVAR薄膜的热应力。但热应力仍然存在，且与船舶变形应力（局部和整体）并存。最大应力受到INVAR强度和焊接接头强度（列板到角形片）的限制，船舶结构应作出相应的设计。

对于每块列板，横向应力由升起的边缘接头吸收。边缘接头起波纹管作用，具有较低应力级，但列板的敷设要在GTT公差内。

货物围护系统包括船体内壳、次屏蔽绝热部件、次屏蔽薄膜（INVAR）、主屏蔽绝热部件和主屏蔽薄膜（INVAR）。

②主/次绝热。主/次绝热层由装有膨胀珍珠岩的层压板盒子制作，构成承载系统。盒子的标准尺寸是1m×1.2m。主绝热层的厚度为170～250mm，可调，可满足任何B.O.R要求；次绝热层典型厚度为300mm。主绝热层由固定于次联结器组合件上的主联结器保持稳固；次绝热层通过承载树脂绳被内部船体平均支撑，并由锚固在内部船体上的次联结器固定。

绝热部件（主屏蔽和次屏蔽）是填充了珍珠岩的胶合板箱。次屏蔽胶合板箱通过树脂绳与船体内壳接触，可补偿内壳平整度的缺失，也为氮气提供了填充空间。但是，与MARKⅢ不同，绝热层不胶合到内壳：树脂和内壳之间有一张牛皮纸，允许箱子在任何船体挠曲时能自由移动。

图5-27示出No.96型货物围护系统。

No.96系统的优点：①绝热层的制造既便宜又简单，胶合板箱很容易制造，尽管质量很关键，但尺寸、位置和内部分隔的尺寸很容易确定，固定精确，尽管粒度测定很关键，但珍珠岩的制造便宜而简单；②焊接相对简单；③两个薄膜相同；④任何东西可移除，尽管可能会导致较低质量。

No.96系统的缺点：①INVAR价格昂贵；②安装两个相同薄膜需要很长时间；③绝热箱有许多不同类型，制造和供应有难度；④任何阶段的系统组装都复杂困难且精确性很关键；⑤INVAR薄膜非常脆弱，对任何碰击都非常敏感，甚至包括裸手接触。

3）CSⅠ系统。CSⅠ是MARKⅢ系统和No.96系统的综合，其建造是为了减少成本。CSⅠ薄膜系统是由船的内部船体直接支撑的低温衬里。该衬里由位于预制隔热板顶部的主不涨钢薄膜和完整的次薄膜组成。图5-28为CSⅠ系统示意图。

图5-27 No.96型货物围护系统

注：F是由于板弯曲和热应力引起的拉伸负荷。

主薄膜由不胀钢（36%的镍铁合金）制成，厚0.7mm。主薄膜包容LNG货舱。500mm宽的不胀钢轮箍沿储罐壁连续分布，平均地支撑并固定于绝热层。

次薄膜由复合层压材料组成：两层玻璃布中间为薄层铝箔，以树脂作为粘接剂。它布置在预制隔热板的两层绝热层之间。

绝热部分是由增强聚氨酯泡沫预制板所构成的承载系统，包括主/次绝热层和次薄膜。预制板的标准尺寸为3m×1m。预制板通过树脂绳粘结在内部船体上，树脂绳具有锚固和均匀传递载荷的功用。

绝热层和次屏蔽薄膜是MARKⅢ系统（聚亚安脂泡沫和夹层，粘合组装），主屏蔽薄膜是No.96系统（INVAR）。角隅装配非常类似于No.96系统。

该系统非常新，第一艘具有这种系统的LNG船（70000m³）正处在完工阶段，不久Chantiers de l’Atlantique船厂就要交付。该船厂又接到一艘船舶（155000m³）的订单。该系统是为了消减成本，它综合了两个系统的便宜或快速的特点：只有一层不胀钢薄膜；安装和制造的绝热板格更少，但更昂贵。根据GTT的公开资料，CSⅠ比MARKⅢ或No.96便宜大约15%。图5-29是CSI系统的实体模型照片。

图5-28 CSⅠ系统示意图

图5-29 CSI系统的实体模型

4）绝热层。由于上述三种形式的货物围护系统都是GTT公司的专利产品，因此其使用的隔热层从材料到结构形式都大同小异。隔热层一般使用具有一定强度的绝热箱为主体，各种形状的封闭泡沫材料作为箱与箱之间的填充物。

IGC规则规定了绝热材料应具备的具体性能要求。为满足IGC规则的要求，绝热箱被设计成充满珍珠岩的胶合板箱子。绝热箱的材料是桦木胶合板或者柳安木胶合板，或者其他经设计方认可的木质胶合板。绝热箱经过设计方的精心设计，使其既能充装最多数量的绝缘材料，又具有足够的强度，也能够让氮气通过。选用上述木材的原因，是因为上述木材随温度的变化变形很小。箱子里的绝热材料是经过硅化处理的珍珠岩。珍珠岩是一种传热系数极低的绝热材料，其性价比很高，是一种非常理想的绝热材料。珍珠岩要经过硅化处理，才能装箱使用。硅化处理是为了防止珍珠岩因吸收水分而降低隔热效果。因为即使经过了干燥处理的氮气中，总含有一些水分，这些水分在-163℃的情况下，就会凝结在珍珠岩、绝热箱或者钢板表面。钢板和绝热箱不作为隔热的主要材料，因此这些极少量的冷凝水不会降低整个系统的绝缘效果。作为主要隔热材料的珍珠岩，即使只吸收极少量的水分，也会降低系统的绝缘效果。同时，当有LNG泄漏时，无论是木质胶合板还是珍珠岩，都可能与LNG接触。由于木质材料的纤维结构会形成气塞，阻止LNG进一步渗透，但是珍珠岩相对较疏松的质地，则会大量吸收渗漏的LNG，因此珍珠岩必须经过硅化处理才能装入绝热箱使用。总之，整个系统的隔热主体是绝热箱，绝热箱中充装的是经过硅化处理的珍珠岩，这些绝热材料具有与LNG很好的相容性、只吸收极少量的LNG、极小的收缩率、很小的热传导性，此外在抗震性、防火和阻止火焰传播方面，这种形式的绝热箱也符合IGC规则的相应要求。

IGC规则和船旗国主管机关还对绝热层厚度的计算有明确要求，以核准在规则假定的环境里，低温的LNG货物对船体结构的影响，不能使船体及其构件的温度降低到低于规则规定的最低许用设计温度。

（2）MOSS型船舶（独立球型液货舱）此型船舶由挪威首创，1973年首次推出，其后依次为美国、德国、日本和芬兰所采用。日本航行的液化天然气船大部分都是此种类型。球罐采用铝合金或镍钢制成，板厚按不同部位在30～169mm之间；隔热采用300mm的多层聚苯乙烯板。如图5-30为MOSS球型液货舱模型图。

MOSS型船舶的优点是：

1）结构简单，应力分析容易。

2）铝合金结构牢固，只要不发生直接碰撞，不会损伤。

3）安装也简单，内部没有加强肋，能单独建造并缩短施工周期，检查质量容易，安全性好。

4）液面晃动效应少，不受装载限制。

5）初期投资较少。

MOSS型船舶的缺点是：

1）船舶有较大的尺寸，甲板有大开口，甲板结构不连续，应力集中点多。

2）液货重心高。

3）操纵困难，特别是在甲板上部受风面积大，在大船上，尽管尾楼比油船要高出好几层，但驾驶台视线仍不理想。

图5-30 MOSS球型液货舱模型图