剖析MOSS球罐型LNG船货物围护系统
1951年，美国为把加利福尼亚州的天然气通过密西西比河运输至芝加哥的精练厂，开始液化天然气（LNG）运输船的研发。LNG的运输通常采用低温常压方式，即LNG储存舱内的压力几乎和大气压相同，温度保持在液体的沸点温度。液化天然气围护系统有独立罐式、薄膜式和半薄膜式三种。独立罐式是一种根据压力容器进行设计、采用断裂力学进行分析、可靠性极高的液罐，独立罐式经历了Conch方形罐、ESSO双层壳罐、Gaz Ocean（圆筒和球型）和Moss球形罐等多种形式的演化，目前，Moss球形罐LNG船是仅有的一种独立罐型B型LNG船型。
1. Moss球罐型LNG船的发展历史
球罐型液舱概念由挪威1870年成立的Moss Rosenberg造船公司1970年提出，随后该公司被Kvaerner公司收购并由其取得专利，因此此类LNG船通常也被称为Kvaerner-Moss LNG船。70年代起，薄膜式LNG船由于部分装载时晃荡冲击造成液舱薄膜表面和液舱角隅的损伤、泄漏等，而Moss型液舱采用了具有强度较高的球形罐作为主屏蔽，大大提高了可靠性，同时厚板加工、焊接和独立球罐部件可单独制作等特点比较适合船厂的工艺特点，Moss型LNG船得到了较大的订单并批量建造。
1973年交付的世界上第一批安装由垂向裙围结构支承Moss球罐型液货舱的87,500 m3LNG船为“NORMAN LADY”和29,000m3 “Venator”两艘船，其球罐型液货舱分别由9%镍钢和铝合金制造；此后所有的球罐型液货舱均由铝合金制造，材料为5083-O铝合金板，厚度范围约27-70mm，中部赤道带厚度达160-170mm。
日本虽然起步较晚，但却是Moss球罐型LNG船的建造大国，通常把1983年至85年交付的第一代125,000 m3Moss球罐型LNG船称为“过去型”，一般均具有五个直径为36.6m的球罐型液货舱；1989年至1993年此后交付服务于西澳洲项目的125,000 m3Moss球罐型LNG船设计均为四个直径为40m液货舱的船型，由于采用了许多当时的先进技术，蒸发率（BOR）低（0.15%/天），且经济性较好，故当时称之为“未来型”，以后的Moss球罐型LNG船一直沿袭了该型船的设计思想。
2. Moss球罐型LNG船型特点
Moss球罐型LNG船主船体的总布置由艏部、液货舱区域、机舱和艉部组成。液货舱区域为双层双壳结构，液货舱区域由平面隔离空舱舱壁划分为若干个液货舱，每个液货舱内设置一个球罐型LNG液舱，每个球罐型LNG液舱的上部设置一个球型液货舱盖（从外形特征来看：有球形、伞形和柱锥形三种），液货管系布置于液货舱盖之上，液货集管一般布置在液货舱区域中部主甲板上，双层底和边舱一般为压载舱，燃油舱布置在机舱和双层底内。传统的球罐型LNG船推进系统一般采用蒸汽透平，以蒸发气（BOG）或/和重油作为燃料。其主要的系统设备包括：蒸汽轮机和齿轮箱、双燃料锅炉、蒸汽轮机发电机，以及蒸汽透平推进系统的机舱自动化控制系统等。
3. Moss型货物围护系统设计和建造特点
3.1 球罐型液舱设计准则
LNG球罐型液货舱设计必须符合国际海事组织IMO的“国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则”（IGC规则）中B型独立液舱的基本设计准则。B型独立液舱有平面结构液舱和球罐型液舱两种形式。IGC规则规定B型独立液舱设计必须采用模型试验、精确的分析手段和分析方法确定其应力水平、塑性变形、屈曲、疲劳寿命和裂纹扩展特性，并符合相应的结构安全准则。设计必须遵循“Leak before failure”准则，即15日内产生的裂纹不可能扩展到结构产生突然的、灾难性的失效。
IGC规则也规定了货物围护系统的主屏壁和次屏壁设置要求，主屏壁系指当货物围护系统含有两层周界时被用于装货的内层构件，次屏壁系指货物围护系统中被设计成能暂时容纳可能从主屏壁泄漏的液货的液密外层构件，同时也为了防止船体结构的温度下降至不安全的程度。IGC规定了B型独立液舱可设置部分次屏壁。
3.2 液化气船B型液货舱的有限元分析
采用球罐型液舱的液化气体船的结构分析重点是球型壳体与裙围结构的连接，以及裙围结构下部所产生的球体与船体结构在各种静、动以及热载荷及其组合下的相互作用。
通过船舶运动响应计算和长期统计分析确定船舶在各种航向时的波浪诱导加速度载荷及其对船体产生的压力和弯矩。
球罐型液舱的有限元分析包括：船体与球型液舱的三维有限元分析以校核船体-球型液舱-裙围结构的相互作用、由对称和非对称载荷产生的弯曲应力、球型液舱节点的应力集中分析、液舱系统的疲劳和断裂评估、液舱和裙围结构在液舱冷却过程中的瞬态热应力分析、球面壳体的应力和屈曲分析、LNG蒸发率分析，以及球面壳体的振动分析等，参见图二和图三。
3.3 球罐型LNG液舱的支撑结构
Moss球罐型LNG船主船体内对每个球罐型LNG液舱的支撑结构是此型船的一个重要特点，Moss球罐型液货舱内表面不设置强力构件和扶强材，整个球体在赤道圈外侧由垂向柱形裙围结构支承，柱形裙围结构底部与船体结构焊接成为一个整体。裙围结构与球面赤道圈的连接由具有特殊截面的连接件焊接而成。通过对裙围结构形式的不断优化，在目前的设计中，裙围结构上部的材料与液货舱材料相同，一般为高强度铝合金，中部为阻热不锈钢，上部与中部之间为称为STJ的四合一连接层(中间为钛层和镍层)，下部为低温钢，其目的是减少船体与液货之间的热量传递。
3.4 球罐型液货舱建造
以13,5000m3Moss球罐型液货舱LNG船建造为例，其铝合金液舱的直径达40米，由数十块预成型厚铝合金板分片分段焊接而成，其特厚铝合金板的切割和加工、冷/热成型技术、铝合金厚板焊接技术、特殊成形和焊接工装设备、球罐建造精度控制技术、无损探伤技术、专利绝热系统及其安装技术等目前仍为国外具有建造Moss球罐型LNG船经验的少数先进船厂所掌握，但国内船厂也已开展了建造技术的探索性工作，并取得了一定的技术积累，
一般来讲，球罐型液货舱可有两种建造方法。
其一，“片体法（Segment concept）”是将球型罐体水平分解成为若干个环带，每一个环带由若干个片体构成，先制造片体，片体组成环带后再将环带组装成球体。采用这种方法进行建造，在船体建造的同时将液货舱分为下球体、连同裙围结构的赤道圈，以及上球体三个总段进行建造，在主船体结构完成后，分别将总段吊装到船体液货舱区域内。待球罐型液货舱盖安装后，在可控环境内对球体进行焊接。
其二，“刚性固定法（Rigid fixture concept）”。采用这种方法建造时，液货舱的建造，包括外部绝热层的安装是在建造船体同一个造船厂的专设车间内进行的，或也可在造船厂外的其他地方进行建造，待整个球罐型液货舱建造完成后，将球罐型液货舱驳运到船坞一侧，再整体吊装进船体液货舱区域内。
柱形围裙结构将球罐型液货舱的所有载荷传递到船体上，由于低温造成的球罐型液货舱收缩均由裙围结构的上半部分变形所吸收。在设计过程中必须对特殊的裙围结构引起的液舱壳体和裙围结构连接处，以及裙围下部区域球罐型液货舱与船体结构在各种静、动载荷和热载荷组合的相互作用进行分析。
3.5 焊接
铝合金与碳钢较大的物理差异性能决定了其焊接特殊性，铝合金的比热容、电导率、热导率比钢大，焊接时热输入将向母材迅速流失，因此需采用高度集中的热源，其焊接热输入也比普通碳钢大，厚板焊接时还需预热。铝的热膨胀系数是碳钢的2倍，而弹性系数又比钢小，因此铝合金的焊接变形比碳钢要大得多。虽然铝合金熔点低，但由于铝与氧的化学亲和力很强，材料表面易生成薄薄的一层致密的氧化膜，这层氧化膜给焊接造成困难。解决球罐型液货舱5083-O铝合金板工程化焊接的关键是选择正确的焊接方法和合适的焊接设备，并研究确定不同焊接方法下的坡口型式、焊接规范参数。
球罐型液货舱建造中最典型的焊接方法是：
u 大电流自动MIG平焊
u 窄间隙垂直自动MIG焊
u 窄间隙横对接自动MIG焊
以直径为36米的球罐型液货舱为例，其重量为850吨，由众多高精度加工的片体构成。焊接所需焊材约为三千多公斤5183铝合金，总焊接长度达78千米。焊接完成后，尚需对液舱进行密性和强度试验。
3.6 液货舱绝热系统
球罐型液货舱的外层由绝热系统包覆。绝热系统主要有两种形式：板块式聚苯乙烯绝热系统和环带发泡式聚苯乙烯绝热系统。两种系统各有相对固定的构造形式。绝热系统的厚度以LNG船技术规格所要求的液货蒸发率（BOR）为基础计算确定。
板块式聚苯乙烯绝热系统以1.2m ×1.1m的聚苯乙烯预制泡沫绝热板块覆盖整个球罐型液舱。绝热板块由两层组成，在截面中和轴处由玻璃纤维将两层绝热板粘结，总厚度约为290mm，绝热板块以纬向排列、依球形的走向边缘削斜、依球形曲率成型，与球罐以螺栓进行连接。为提供球罐绝热层垂向弹性，在行（环）之间设置由预压成型岩棉填充的伸缩缝。为提供球罐绝热层水平向弹性，在每一板块中间设置弹性聚苯乙烯。绝热层外部以粘结方式覆盖0.3mm厚铝膜，该层铝膜在LNG微量泄漏时作为液密和气密屏障，并用以隔离球罐型液货舱外部惰性气体中的湿气。
环带发泡式聚苯乙烯绝热系统（SG - Spiral Generation）的材料为挤压式聚苯乙烯泡沫。该绝热系统的安装采用自动连续向施工现场输送绝热原材料的方式进行，并采用聚苯乙烯复合料进行热连接。因为材料的收缩，绝热材料与球体的接触面采用玻璃纤维加强材料。绝热系统水平向收缩缝和为防止发生材料连续断裂而设置的断裂屏均采用聚苯乙烯复合材料。球罐型液舱南北极绝热采用1.2m×1.2m聚苯乙烯预制板块，裙体结构和赤道圈绝热采用1.0m×1.2m单层膨胀聚苯乙烯预制板块。外表面同样由铝膜覆盖，以构成整体的绝热系统。
3.7 泵塔
在每一液货舱的球体垂向轴线上设置泵塔，在泵塔上安装液货泵驳运系统、液货舱检测系统、维修检查平台等。泵塔的制造与组装，包括零部件制造、组装合拢、以及相关的舾装件安装均在专设车间内完成。泵塔整体从液货舱顶部的液体穹顶吊入固定于球型液舱底部，并通过滑销联接于液货舱顶部。
3.8 部分次屏壁
球罐型液货舱的底部之下设置滴盘（Drip tray）以形成缩减的次屏壁，用以容纳可能泄漏的液化天然气。滴盘布置在船体内底中，其支承结构的绝热层使滴盘与船体内底相隔离。滴盘材料为不锈钢或采用与球罐型液货舱相同的材料，一般为5083-O铝合金。滴盘顶部周边由法兰围板构成，内部设置挡板防止由于船体横摇和纵倾引起积聚液体的运动。滴盘的容量通过断裂力学分析，计算出15天内可能的泄漏液货来确定。
4. 结语
Moss型LNG船货物围护系统从面世至今已经超过四十年，几十年的营运实践证明Moss型LNG船是非常安全可靠的，但应该清楚地认识到的是，如果和任何一个工业产品相比，LNG船的货物围护系统尽管有GTT的CS-1的开发应用和韩国KC-1出现，其陈旧化现象是十分明显的。LNG船货物围护系统在保证其可靠安全的前提下，创新已经刻不容缓。