개요

163°C의 온도로 액화천연가스(LNG)를 해안에서 배로, 배에서 해안으로 이동시키는 것은 운반장비의 결빙, 급격한 온도변화로 인한 많은 어려움이 따른다.

온도하강, 작동, 뒤이은 온도상승의 과정을 거치는 동안 새로운 LNG Loading Arm의 반응 평가를 위해 Woodfield Systems 회사는 LUSAS 컨설팅 서비스를 채택했다.

Woodfield system회사의 고객사인 Abu Dhabi Gas Liquevaction Co.Ltd(ADGAS)는 중요한 요소에는 나쁜 영향을 미치지 않으면서 시간을 반으로 줄이는 것이 가능한가를 요구하였고 LUSAS Analyst를 사용함으로써 이것이 가능함을 증명할 수 있었다.

16인치 직경의 loading arm은 아랍에미레이트연합국 ADGAS Das Island Site에 있는 기존 LNG loading arms을 바꾸는 새로운 디자인이다.

그것은 평형지지구조에 고정된 자유롭게 움직이는 파이프시스템과, 방파제에 고정되어 있는 페데스탈내의 기저수직파이프로 이루어져 있다.

Swivel joint는 모든 방향으로 arm이 이동할 수 있도록 하므로 유조선과 접촉되어 있을 때는 유조선의 움직임에 따라 자유롭게 움직인다. 이와 같은 조인트는 어려운 적화작업을 수행할 수 있어야 하며 어떠한 기름유출도 허용해서는 안 된다.

LNG가스를 수송하기 위해서는 loading arm 요소들은 온도가 급격하게 변하는 것을 막기 위한 냉각 과정을 거쳐야만 한다. 질소나 LNG가스는 LNG가 유입되기 전에 먼저 시스템을 통해 빠져 나간다.

이와 같은 냉각과정의 영향을 완전히 분석하기 위해, 4개의 다른 매우 정교한 유한요소모델들을 사용하여 Steady-state thermal, Semi-coupled Thermo-mechanical, Transient Semi-coupled Thermo-mechanical을 포함해 다양한 해석을 수행하였다.

Loading Arm

조립 전체 송수관 조립에 대한 3D모델은 시스템의 전반적 거동을 모델링하였다.

이와 같은 매우 복잡한 모델링과 해석 과정은 동시에 배관라인에 작용하는 온도하중과 구조 하중의 영향을 해석해 낼 수 있었다.

얻어낸 결과값들은 냉각으로 인한 결과로서 각 부재의 수축과 응력의 크기를 보여주었으며, 좀더 세밀한 분석을 위한 국부모델을 사용하는 것에 대한 중요성이 부각되었다.

방파제

페데스탈 페데스탈, 상부박스 구조물, 수직파이프와 luff 그리고 slew bearings 에 대한 3D 모델은 수직파이프의 냉각이 주변 요소들에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 해석했다.

대류와 전도의 영향을 측정하기 위해서는 보수적으로 접근하는 정적 열해석이 사용되었다.

지지 브라케트

지지 브라케트의 3D모델은 상대적으로 단단한 원주 구속의 결과로써 유도된 열해석과 냉각의 범위를 분석했다.

급격한 온도변화로 인한 충격을 덜 받는 반면(플레이트가 얇으므로), 브라케트는 파이프에 있는 온도를 높여주는 얇은 판의 작용으로 플레이트에 의한 열변화가 일어나기 쉽다.

그러므로 성능을 향상시키기 위해 브라케트의 디자인과 모델링의 보완 필요성이 도출되었다.

회전이음새

회전이음새의 2D선대칭 모델은 다양한 일시적 열변화에 따른 수행능력을 분석한다. Thermal loading 은 시간마다 달라지는 온도변화도표와 열해석을 보여준다.

그 결과, 온도변화기록과 동일한 응력값의 그래프와 swivel 위에 선택된 노드들의 대응하는 축의 배치는 cooling 변화에 따른 단계를 쉽게 보여주며 온도가 내려가고 유류가 선적되는 동안 LNG가스를 보존할 수 있는지를 측정한다.

냉각 시간의 감소

Swivel의 2D 열해석은 male part가 female part보다 훨씬 빨리 냉각되는 것을 보여주었는데 그 이유는 상대적인 질량과 배치조합상태 때문이다.

Cooling 옵션을 측정하기 위해, swivel의 가장 높은 응력을 받은 부분에 대한 최대 von-Mises Equvalent 응력값들을 비교할 수 있도록 콘타로 표시하였고 관련 그래프도 표시하였다.

붉은색 곡선 : 냉각 과정을 거치지 않고 LNG 액체의 유입을 측정하는 해석은 왜 cooling이 먼저 선행되어야 하는지를 보여준다. 발생하는 응력값이 지정한 재료의 허용한계를 초과하고 있다.

파란색 곡선 : 질소와 LNG 증기의 혼합물을 사용한 2시간의 냉각시간은(기존 설치된 loading arm에 사용된 것처럼) 순수한 LNG가 유입되었을 때 swivel에 최소한의 응력값을 나타낸다.

녹색 곡선 : 15분간 질소와 LNG혼합 후 45분간 LNG가스에 대한 1시간의 냉각시간은 2시간의 실험 보다 더 빨리 시스템을 냉각시켰다. 그러나, 이것은 LNG가 유입되는 최고점에 기인하는 응력수준도 같이 증가를 시켰으며 수치는 대략 20%였다.

분홍색 곡선 : 단지 LNG가스만을 사용한 1시간의 냉각시간은 가장 이상적인 결과를 낳았다. 시스템은 더 빨리 냉각되었고 응력값들이 처음에는 가장 높았지만, LNG가 유입될 때의 최고 응력값은 2시간의 실험에서보다 약간 높았을 뿐이다. 이것이 권장하는 사항이다.