Evaluation of the Hydroelasticity Effect for LNG CCS and Prediction of Sloshing Pressure

Abstract

환경 규제가 강화되면서 LNG 및 LNG 운반선에 대한 수요가 증가하고 있다. LNG CCS(LNG Cargo Containment System)는 LNG 운반선에서 가장 중요한 설비 중 하나이며, 현재까지 많은 멤브레인 유형의 LNG CCS가 개발되어 왔다. 전통적으로 설계 슬로싱 압력은 슬로싱 모델 테스트 결과에 일련의 통계적 과정을 적용함으로써 얻어지며 이러한 설계 슬로싱 압력을 활용하여 LNG CCS의 강도 평가를 수행한다. 슬로싱 모델 실험에서는 실제 모델이 아닌 평평하고 단단한 판을 사용하여 LNG CCS를 나타내므로 유탄성 효과를 고려할 수 없다. 본 연구에서는 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 통해 슬로싱 압력에 대한 유탄성 효과를 알아본다. 일련의 유체 타격 시뮬레이션으로부터 슬로싱 압력에 대한 유탄성 효과가 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 이를 바탕으로 유탄성 효과를 고려한 LNG CCS 강도 평가 절차를 제안한다. 슬로싱 모델 실험에서 산출되는 설계 슬로싱 압력은 그 수가 많다. 모든 설계 슬로싱 하중들에 대해 LNG CCS 강도 평가를 수행하기 위해서는 상당한 시간이 소요된다. 특히 유탄성 효과를 고려하기 위하여 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 적용할 경우 그 부담은 더욱 커진다. 따라서 주어진 설계 슬로싱 압력의 중요성을 미리 판단하여 LNG CCS 구조 설계에 적용하는 설계 슬로싱 압력의 수를 줄이는 과정을 제안한다. 이 과정에는 임펄스 중첩 방법을 적용하였다. 실제 LNG 탱크에서 발생하는 슬로싱 압력의 이력이나 단열 패널의 응력 응답 이력에 대한 정보가 아직 충분하지 않다. 멤브레인 배면 혹은 단열 패널 내부에 센서를 직접 부착하는 것은 현실적으로 어렵다. 반면에 LNG CCS를 지지하는 선체 구조의 응답을 측정하는 것은 충분히 가능하다. 이렇게 측정된 LNG CCS 지지구조물의 응력데이터로부터 슬로싱 압력 및 단열 패널에서 발생되는 응력 값을 예측하는 방법을 제안한다. 예측된 슬로싱 압력 결과는 실제 발생되는 슬로싱 압력의 수준을 이해하는데 도움이 된다. 이 결과로부터 LNG CCS 설계에 사용되는 설계 슬로싱 압력의 타당성도 판단할 수 있다. 예측된 단열 패널의 응력 응답을 사용하여 실시간으로 LNG CCS의 구조 건전성 모니터링을 수행할 수 있다.

As environmental regulations have become more onerous, the demand for LNG and LNG carriers has increased. The LNG cargo containment system (LNG CCS) is one of the most important facilities in LNG carriers, and many membrane types of the LNG CCS have been developed so far. Traditionally, sloshing model tests are performed and a series of statistical approaches are used to obtain design sloshing pressures. Then, these design loads are utilized to analyze the strength assessment of the LNG CCS. In a sloshing model test, a flat and almost rigid plate, instead of a real model, is used to represent the LNG CCS, and thus, the hydroelasticity effect cannot be considered. In the present study, the effect of hydroelasticity on sloshing pressure was investigated by fluid-structure interaction simulation. In a series of fluid hitting simulations, it was found that the hydroelasticity effect on sloshing pressure is significant. Thus, on that basis, an LNG CCS strength assessment procedure for consideration of the hydroelasticity effect is suggested herein. In a sloshing model test, however, the number of design sloshing pressures yielded is large, which imposes a considerable time burden on LNG CCS strength assessment. In fact, the burden increases when performing a fluid-structure interaction simulation that considers the hydroelasticity effect. Therefore, a screening process by which to judge the importance of given design sloshing pressures in advance and, thereby, reduce their number as applied in LNG CCS structural design, is proposed herein. There is still insufficient information, either on the history of sloshing pressures actually generated in LNG tanks or on the history of the stress response of insulation panels. Directly attaching sensors to the inside of a membrane or insulation panel is practically difficult. Alternatively, it is feasible to measure the response of the hull structure supporting an LNG CCS. A method of predicting the sloshing pressure and hot spot stress response of an insulation panel from the measured stress data of the supporting structure is suggested herein. The predicted sloshing pressure result is indeed helpful to understanding the actual sloshing pressure level. From this result, the reasonableness of the design sloshing pressure used in LNG CCS design also can be judged. In these ways, the predicted stress response can be used to monitor the structural integrity of an LNG CCS in real time.