Buckling of Non-spherical MOSS-LNG Tanks

Abstract

I dagens energimarked fortsetter etterspørselen ˚a øke av LNG. B˚ade av klimahensyn og politiske. Noe fokus har ogs˚a blitt rettet mot hydrogen som et fremtidig drivstoff for diverse motorer p˚a grunn av sitt svært lave klima avtrykk. LNG skip er allerede i full drift, men det er sett p˚a flere muligheter for ˚a øke kapasiteten av transport. Blant annet ˚a øke kapasiteten av LNG-tankene ved ˚a strekke tankene til ikke sfæriske strukturer, b˚ade horisontalt og vertikalt. Frakt av hydrogen krever fasiliteter for ˚a kjøle hydrogen til en svært lav temperatur for ˚a oppn˚a væskeform for transport i tanker. Denne rapporten bygger videre p˚a tidligere arbeid av Gjestvang og Sanne om Moss ikkesfæriske LNG skip, men vil ha som fokus ˚a analysere knekkstyrken p˚a støtte skjørtet og hvordan temperaturen p˚avirker styrken og forskyvning. Først ble en oversikt av Moss Rosenberg design av sfæriske og ikke-sfæriske forklart og hvordan den strukturelle konfigurasjonen til tanken og skjørtet. DNV sine retningslinjer for høyeste styrkevurdering av sfæriske skall ble utdypet og forklart. Fokuset var rettet mot to retningslinjer DNV-CG0134 ‘’ LNG-Skip for flytende gass med sfæriske tanker av type B” og DNV-RP-C202 ‘’ Knekkstyrke av skall” hvor retningslinjer for b˚ade LNG tanker og skjørtet ble forklart. Viktigheten av formfeil ble diskutert med hensyn p˚a redusert knekkstyrke av skjørtet. Det ble foretatt FEM-analyse av skjørtet i Abaqus. Her ble det sett b˚ade p˚a de termiske p˚avirkningene av skjørtet og temperaturens fordeling, forskyvning og flyt. Det ble ogs˚a bli utført en knekkings analyse av skjøret som et resultat av aksial kraften p˚aført av tanken. Denne analysen ble kombinert med temperatur forskyvningene som forekommer av lasttemperaturen for ˚a finne reduksjonen i knekkstyrken. Egenverdi analysen viste at den elastiske knekkspenningen av skjørtet ikke ble betydelig redusert som en følge av temperatur p˚avirkningene. Temperaturforskjellen førte til at knekk moden endret form fra knekking i nedre del av skjørtet til den øvre delen av st˚al seksjonen i skjørtet som en følge av bøyingen. I den ikke lineære analysen av skjøret ble det funnet at den elasto-plastiske knekk styrken ble redusert betydelig p˚a grunn av temperature-forskyvningen og bøyingen som oppst˚ar. Dette for˚arsaket flyt i den termiske bremsen i strukturen som har lavere flyt styrke enn st˚alseksjonen. En ikke linear imperfeksjons analyse ble ogs˚a foretatt hvor dens p˚avirkning ble diskutert og sammenlignet for modene som oppst˚ar av egenverdianalysene til de forskjellige lastene. Det ble foretatt analyser av skjørtet med økt tykkelse i deler av strukturen hvor marginene for knekking i andre deler av strukturen ble identifisert og knekk-modene diskutert. En modell ble laget av et sammensatt skjørt og tank struktur og analysene for elastisk og elastoplastisk knekking ble utført. Det ble funnet veldig like resultat som ble diskutert hvor nødvendig det vil være ˚a forta en modell med b˚ade skjørt og tank ved kun behov av analyse for skjørtet. Randbetingelsene som ble benyttet p˚a skjøret illustrerte koblingen til tanken godt.

In today’s energy market, demand for LNG continues to increase. Both for climate and political reasons. Focus has also been directed at hydrogen as a future fuel for various engines due to its very low climate footprints. LNG vessels are already in full operation, but several opportunities have been considered to increase the capacity of transport. Among other things, to increase the capacity of the LNG tanks by stretching the tanks to non-spherical structures, both horizontally and vertically. Transport of hydrogen requires facilities to cool hydrogen to a very low temperature in order to obtain liquid form for transport in tanks. This report builds on previous work by Gjestvang and Sanne on Moss non-spherical LNG vessels, but will focus on analyzing the buckling strength of the support skirt and how the temperature affects the strength and displacement. This report first gave an overview of Moss Rosenberg’s design of spherical and non-spherical and explains the structural configuration of the tank and skirt. DNV’s guidelines for the highest strength assessment of spherical shells were elaborated and explained. The focus was on two guidelines DNV-CG-0134 ”Liquefied gas carriers with spherical tanks of type B” and DNV-RPC202 ”Buckling Strength of Shells” where guidelines for both LNG tanks and the skirt were explained. The importance of shape defects was discussed with regard to reduced buckling strength of the skirt. FEM analysis of the skirt buckling was performed in Abaqus. Here, both the thermal effects of the skirt and the temperature distribution, displacement and flow were considered. A buckling analysis of the skirt was also performed as a result of the axial force applied by the tank. This analysis was combined with the temperature-displacements that occur of the cargo temperature to find the reduction in the buckling strength. The eigenvalue analysis showed that the elastic buckling stress of the skirt was not significantly reduced due to the temperature effects. The temperature difference caused the buckling mode to change shape from buckling in the lower part of the skirt to the upper part of the steel section of the skirt as a result of the bending. In the non-linear analysis of the fragments, it was found that the elasto-plastic buckling strength was significantly reduced due to the temperature shift and the bending that occurs. This caused in the thermal brake in the structure which has lower strength than the steel section. A non-linear imperfection analysis was also performed where its influence was discussed and compared for the modes that arise from the eigenvalue analysis of the different loads. An analysis of the skirt with increased thickness was performed in parts of the structure where the margins for buckling in other parts of the structure were identified and the buckling modes discussed. A model was made of a composite skirt and tank structure and analysed for elastic and elastoplastic buckling was performed. It was found very similar results in the analysis between the two models and the necessity of the tank in the model was discussed. The boundary conditions used on the skirt illustrated the connection to the tank well.