Evaluation of Hydrodynamic Sloshing Impacts Loads on Structural Integrity of three-tank LNG Carrier Cargo Containment systems: A Finite Element Approach By Embedded Modeling
Master thesis
Date
2024Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3591]
Abstract
Flytende naturgass (LNG) er en viktig del i den globale energimiksen, og tilbyr et mer miljøvennlig alternativ til tradisjonelle fossile brensler. Transporten av LNG via LNG-tankskip spiller en avgjørende rolle i å møte energibehovet over hele verden. Moderne LNG-tankskip er ofte utrustet med fire membrantanker for å effektivt transportere LNG-last med minimale "sloshing"-effekter (Kraftige væskebevegelser).
Gaztransport & Technigaz (GTT), som er en verdensledende produsent av membrantanker, har presentert et nytt designkonsept med tre lastetanker. Målet med det nye designet er å redusere mengden avkok i den flytende gassen og redusere investeringskostnadene samtidig som man opprettholder lastekapasiteten og sikkerhetsstandardene. Dette forslaget vil føre til en forlengelse av to lastetanker, noe som resulterer i endret hydrodynamisk oppførsel av den flytende lasten.
Hovedmålet med oppgaven er å studere konsekvensene av det forlengede tankdesignet, med hensyn til "sloshing"-effekter i tanken og dens effekt på den strukturelle integriteten til membrantanken. En "sloshing"-analyse har blitt utført for å sammenligne endringen i hydrodynamisk oppførsel, med mål om å identifisere maks-trykk fra "sloshing"-lastene. De identifiserte maksiamle trykklastene, i tillegg til "sloshing"-laster hentet fra publiserte modellforsøk, har blitt anvendt på tre konfigurasjoner av NO96 membrantanken, der ytelsen har blitt evaluert.
I tillegg har en alternativ Finite Element-modelleringsmetode ved bruk av "Embedded elements" (integrerte elementer) blitt evaluert som et alternativ til tradisjonelle modelleringsmetoder av NO96-tankene som anbefalt av flere av dagens klasseselskaper. Modellene har blitt opprettet ved å integrere skall-elementer i solide plastiske elementer i ABAQUS, og vurdere deres strukturelle respons under dynamisk analyse. For denne studien anses svikt i de sekundære stiverne og bøyesvikt i strukturens horisontale plater i NO96-systemet som blant de mest kritiske sviktmodene og har dermed blitt prioritert. CFD-analysene har blitt utført ved bruk av OpenFOAM, og ABAQUS som verktøy til strukturanalysen. Analysene har blitt sammenlignet med tradisjonelle skall-element-metoder og verifisert med publisert forskning.
Den strukturelle- og "sloshing"-analysen avslørte at tanklengde og fyllingsnivåer har en betydelig påvirkning på trykklastene som påføres tankveggene. Den økte lengden og volumet i det nye tankdesignet viste høyere "sloshing"-laster, spesielt under kombinerte bevegelser. De anvendte belastningsforholdene resulterte i høy utnyttelse av den dynamiske kapasitetene til NO96-modellene. De integrerte modellene presterte godt under statisk belastning, men mer forskning anbefales angående forbedret estimering av dynamiske styrkefaktorer og bruk av integrerte elementer i dynamisk analyse.
Studien fremhever behovet for presise strukturelle vurderinger og forsterkninger. Designet med tre lastetanker for LNG-tankskip tilbyr potensielle fordeler som kostnadsreduksjon og redusert produksjon av avkok. Imidlertid krever de strukturelle utfordringene og korrelasjonen mellom økt bevegelse av lasten og avkok grundigere undersøkelse og ingeniørvurderinger, i tillegg til potensielle strukturelle forsterkninger. Funnene bidrar forhåpentligvis til en bedre forståelse av dagens LNG-tankskipdesign. Kombinasjonen av teori og numerisk modellering håper å gi verdifulle innsikter for å optimalisere fremtidige LNG-tankskips beholdningssystemer for operasjonell effektivitet og strukturell sikkerhet. Liquefied Natural Gas (LNG) is an important component of the global energy industry, offering a more environmentally friendly alternative to traditional fossil fuels. Its transportation via LNG carriers plays a crucial role in meeting energy demands worldwide. Modern LNG carriers typically feature four membrane tanks to accommodate the LNG cargo efficiently while minimizing sloshing effects.
However, Gaztransport & Technigaz (GTT), the leading manufacturer of membrane-type LNG containment systems, has proposed a new design concept featuring three cargo tanks aiming to reduce the amount of Boil-off gas (BOG) and reduce investment costs while maintaining cargo capacity and safety standards. This proposal will lead to an elongation of the two main cargo tanks, resulting in a changed hydrodynamic behavior of the liquid cargo.
The main objective is to study the consequences of the elongated tank design concerning sloshing behavior within the tank and its effect on the structural integrity of the surrounding cargo containment system. A sloshing analysis has been performed comparing the change in hydrodynamic behavior, attempting to identify pressure peaks due to external excitation of the tank. The identified peak pressures, in addition to sloshing loads obtained from published experimental studies, have been applied to three reinforcement configurations of the NO96 CCS, where their performance has been evaluated.
Additionally, an alternative Finite Element modeling approach using embedded elements has been evaluated as an alternative to traditional modeling methods of the NO96 CCS, recommended by industry guidelines. Combination models have been created by embedding shell elements into solid crushable foam elements and assessing their structural response to dynamic impact loading. For this study, the failure of the secondary bulkheads and bending failure of the cover plate in the NO96 system is considered to be among the most critical failure modes and have been prioritized for closer study. The CFD analyses have been performed using OpenFOAM, with ABAQUS chosen for the structural analysis. The analyses have been compared with traditional shell element models and verified with published research on the subject.
The structural analysis and sloshing simulations revealed that tank length and filling levels significantly affect pressure loads on the tank walls. The increased length and volume in the new cargo tank design showed higher sloshing-induced pressure loads, especially under combined motions. The applied load conditions resulted in high utilization of the FE models' dynamic capacity. The embedded models performed well during static loading, but more research is recommended regarding improved estimation of dynamic strength factors and the use of embedded elements in dynamic impact analysis.
The study highlights the need for precise structural assessments and reinforcements. The three-tank design for LNG carriers offers potential benefits like cost reduction and decreased boil-off. However, the structural challenges and the correlation between increased sloshing and boil-off necessitate thorough engineering assessments and potential structural reinforcements. The findings hopefully contribute to a better understanding of current LNG carrier designs. The combination of theory and numerical modeling hopes to enhance valuable insights for optimizing future LNG carrier containment systems for operational efficiency and structural safety.