Procedure for Investigating the Structural Impact on an LNG Bunkering Ship under Cryogenic Gas Release using Integrated CFD-FEM Analysis

Abstract

The accidental release of Liquefied Natural Gas (LNG) is the one of potential risks in the gas-handling facility. Excessive exposure of cryogenic temperature would damage the steel structure or equipment, leading to brittle fracture. Therefore, this study aims to introduce a novel method to investigate the cryogenic effect to structure and to enhance the safety of LNG bunkering ship structure in case of accidental release. The method involves the consequence analyses such as the accidental gas dispersion analysis and the structural impact under the cryogenic gas dispersion. The LNG leakage scenario was established using historical data for both leakage and environmental parameters. These parameters included leak diameter, position, rate, direction, and duration, as well as wind direction, wind speed derived from a windrose dataset, and consideration of atmospheric stability for turbulence characterization. In order to improve accuracy in detecting failures, thermal data from CFD simulations was integrated into the Finite Element (FE) model. The Random Forest regression method was employed to prepare the thermal load profile for the FE model. This approach enhances precision and robustness in the present analysis. Furthermore, the structure of an LNG bunkering ship is assumed to use DH36- grade steel which is usually used for low-temperature conditions. In order to accurately acquire the mechanical properties of DH36 steel, cryogenic tensile tests were conducted across a temperature range from 25°C to -160°C. The resulting stress-strain data from these tests were utilized to establish a material model for conducting FE analysis. This method provides solutions to improve the safety and performance of LNG bunkering structures by detecting failures such as brittle fractures on the material through a FE analysis. The implications of the findings are discussed in detail regarding the enhancement of LNG bunkering ship safety. |액화천연가스 (LNG)의 우발적 누출은 가스 처리 시설에서의 잠재적 위험 사항 중 하나이다. 극저온 환경에 지나치게 노출되면 강철 구조물이나 장비가 손상되어 취성 파괴로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구는 우발적 누출 사고 시 LNG 동력 공급선 구조물의 안전성을 향상시키기 위한 저온 유출 대응 방법인 CSP (Cryogenic Spill Protection)의 새로운 방법을 소개하고자 한다. 이 방법은 우발적 가스 확산 분석과 저온 가스 확산 하에서의 구조적 영향과 같은 결과 분석을 포함하고 있다. LNG 유출 시나리오는 유출 및 환경 매개 변수에 대한 역사적 데이터를 기반으로 설정되었다. 이러한 매개 변수는 유출 지름, 위치, 비율, 방향 및 기간과 함께 풍향, 풍속 (풍로즈 데이터 세트에서 파생) 및 대기 안정성 고려 등을 포함한다. 실패를 감지하기 위해 CFD (Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션에서 얻은 열 데이터가 유한 요소 (FE) 모델에 통합되었다. 이를 위해 랜덤 포레스트 회귀 방법이 열 부하 프로파일을 준비하는 데 사용되어 정밀도와 견고성을 향상시킨다. 뿐만 아니라, LNG 동력 공급선 구조물은 일반적으로 저온 환경에서 사용하기 위해 DH36급 강철이 사용된다. 이 강철의 기계적 특성을 정확히 평가하기 위해 25°C에서 -160°C까지의 온도 범위에서 저온 인장 시험을 수행했다. 이러한 시험에서 얻은 응력-변형 데이터는 FE 분석을 수행하기 위한 재료 모델을 수립하는 데 활용된다. 이 방법을 통해 실패 요소, 특히 재료의 취성 파괴와 같은 요소를 감지함으로써 LNG 동력 공급선 구조물의 안전성과 성능을 향상시키는 해결책을 제공한다. 연구 결과의 의미는 LNG 동력 공급선의 안전성 향상에 대한 세부적인 논의를 포함하고 있다.