전술 및 열 해석: LNG 해양 로딩 암

육상에서 선박으로, 또는 그 반대로 액화 천연가스(LNG)를 -163도 섭씨의 온도로 전송하는 것은 열충격 및 전송 장비의 얼음이 형성되는 문제로 인해 여러 가지 문제를 발생시킵니다. 새로운 LNG 로딩 암 설계의 냉각, 운전 및 이후의 가열 과정 동안의 거동을 평가하기 위해 Woodfield Systems Ltd(현재 Aker Solutions의 일부)는 LUSAS 컨설팅 서비스를 이용했습니다. LUSAS Analyst를 이용하여 고객인 아부다비 가스 액화 회사(ADGAS)에게 냉각 시간 절반 요구 사항을 주요 부재에 해로운 영향을 주지 않고 충족할 수 있음을 입증할 수 있었습니다.

개요 16인치 공칭 직경의 로딩 암은 아부다비 가스 액화 회사의 다스 섬 사이트에 있는 기존 LNG 로딩 암을 대체하기 위한 새로운 설계입니다. 이 로딩 암은 기반 리저가 제트 체결부에 고정된 피치 내에 포함되어 있으며, 카운터 밸런스를 지원하는 구조에 연결된 관절형 파이프 시스템으로 구성됩니다. 스위블 조인트는 암의 모든 평면에서의 움직임을 허용하며, 연결된 탱커의 움직임을 자유롭게 따릅니다. 이러한 조인트는 높은 하중을 견뎌야 하며 제품 누출을 허용하지 않아야 합니다. LNG가 전송되기 전에 로딩 암의 구성 요소는 열충격을 방지하기 위해 냉각 과정을 거쳐야 합니다. 질소 및/또는 LNG 증기가 시스템을 통해 주입된 후 LNG가 도입됩니다. 이 냉각 과정의 영향을 충분히 조사하기 위해 여러 가지 분석이 수행되었으며, 여기에는 정적 열 해석, 정적 반-결합 열 기계 해석 및 일시적 반-결합 열 기계 해석이 포함되었습니다. 각각의 매우 상세한 유한요소 모델이 사용되었습니다. 로딩 암 조립체 전체 파이프라인 조립체의 3D 모델이 시스템의 전반적인 거동을 모델링하였습니다. 이 매우 복잡한 모델링 및 해석 과정은 동시에 열 및 구조 하중이 제품 흐름관에 미치는 영향을 분석하였습니다. 얻어진 결과는 냉각으로 인한 부재의 수축 및 응력의 양을 확인하였으며, 보다 상세한 분석을 위해 지역 모델을 사용하는 것의 중요성을 강조하였습니다.
제트 피치 제트 피치 상자, 리저, 스위블 및 로프와 슬루 베어링에 대한 3D 모델이 리저 파이프의 냉각 효과가 주변 구성 요소에 미치는 영향을 조사하였습니다. 이 과정에서 대류 및 전도 효과로 인해 보수적인 정적 열 해석이 사용되었습니다. 지지 브래킷 지지 브래킷에 대한 3D 모델이 상대적으로 경직된 원주 방향 제약으로 인해 발생하는 냉각 및 열 응 stresses를 조사하였습니다. 브래킷은 열충격을 받을 가능성이 적지만(판이 얇기 때문에) 파이프에 대한 온도 기울기가 발생하여 이러한 판이 파이프 내부에서 열기를 발산하게 됩니다. 따라서 브래킷은 성능 향상을 위해 추가 설계 및 모델링이 필요하였습니다.

스위블 조인트의 2D 축 대칭 모델이 다양한 일시적 열 하중에 따른 성능을 조사하였습니다. 열 하중은 시간에 따라 변하는 온도 프로파일 및 열 응 stresses를 제공합니다. 그 결과, 시간 온도 이력 그래프 및 선택된 노드에 대한 본-미제 응력 및 상대 축 방향 변위 플롯이 일시적 냉각 과정 동안의 각 단계를 쉽게 보여주어 냉각 및 로딩 중에 씰이 제품 밀봉을 유지할 수 있는지 평가하는 데 도움이 되었습니다.

스위블에 대한 2D 일시적 열 해석 결과, 남성 부분의 냉각이 여성 부분보다 상대 질량 및 구성으로 인해 더 빨리 일어나는 것으로 나타났습니다. 다양한 냉각 옵션을 평가하기 위해 스위블의 가장 높은 응력이 가해지는 부분에 대한 최대 본-미제 동등 응력을 비교를 위해 플롯되었습니다.

빨간 곡선: LNG 액체를 도입하기 전 다양한 냉각 과정 없이 단순한 도입을 가정한 해석 결과, 선택한 재료의 허용 응력을 초과하는 것을 보여줍니다.

파란 곡선: 기존 로딩 암에서 사용되는 2시간 냉각 시간을 가지며 질소와 LNG 증기의 혼합물을 사용한 경우 스위블에 미치는 응력이 가장 적습니다.

녹색 곡선: 15분 질소/LNG 혼합물 및 45분 LNG 증기를 사용하는 1시간 냉각 기간의 조사가 진행되었습니다. 이는 2시간 체제보다 더 빨리 시스템을 냉각시키지만, 응력 수준이 증가하여 LNG 도입 시 최대 수준이 약 20% 증가하게 됩니다.

분홍색 곡선: LNG 증기만을 사용하는 1시간 냉각이 가장 유리한 결과를 도출합니다. 시스템은 더 빠르게 냉각되며 응력이 초기에는 높지만, LNG 도입 시 최대 응력은 2시간 체제에서 유발된 것보다 약간 높은 수준입니다. 이 옵션이 추천됩니다.

LUSAS를 독립적인 컨설턴트로 사용한 덕분에 Woodfield Systems는 디자인을 최적화하여 최상의 설계 조건을 만족시키는 동시에 고객에게 문제가 없는 운영을 제공할 것이라는 완전한 확신을 제공할 수 있었습니다. 이는 선박의 회전 속도를 향상시키고 서비스 수명을 증가시킵니다.