Sigurnost konstrukcije spremnika na brodovima za prijevoz ukapljenog plina

Rudan, Smiljko (2006) Sigurnost konstrukcije spremnika na brodovima za prijevoz ukapljenog plina. = Safety of Cargo Tank Structure on Liquefied Gas Carriers. Doctoral thesis , Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, UNSPECIFIED. Mentor: Senjanović, Ivo.

[img]
Preview
Text
17_02_2006_Rudan_-_disertacija.pdf - Published Version Jezik dokumenta:Croatian

Download (9MB) | Preview

Abstract (Croatian)

Ukapljeni plin jedan je od najvažnijih energenata današnjice. Diljem svijeta transportira se cjevovodima ili ukapljen u spremnicima brodova za prijevoz prirodnog (LNG) ili petrolejskih plinova (LPG). Nezavisni spremnici tipa C, koji ukapljeni plin prevoze pod tlakom i djelomično pothlađen, najčešće su cilindričnog ili dvodijelnog oblika i projektiraju se prema pravilima klasifikacijskih društava. Izostanak iole značajnijeg incidenta u pomorskom prijevozu plina svjedoči o pouzdanosti tih pravila i konstrukcije spremnika. Ipak, relativno jednostavna pravila ne mogu dati detaljan uvid u stvarno ponašanje konstrukcije, niti mogu odgovoriti na specifična praktična pitanja vezana uz osnivanje i gradnju spremnika. Istodobno, spremnici su sve veći i njihova izrada je tehnološki složenija, stalne rute brodova zamjenjuje "čarter" plovidba diljem svijeta, nastoji se osigurati siguran prijevoz plina u djelomično ispunjenima spremnicima ili pod većim tlakom. Sve to ukazuje na potrebu za točnijom analizom i boljim razumijevanjem odziva brodske konstrukcije i spremnika u uvjetima realističnog valnog opterećenja. Istodobno, valja dati odgovore na pitanja iz brodograđevne prakse koja se tiču pouzdanosti konstrukcije spremnika, posebno onih vezanih uz pojavu koncentracije naprezanja u tankim ljuskama, nesavršenosti geometrije uslijed tehnoloških ili drugih ograničenja pri sastavljanju spremnika, te ocjenu ukupne zamorne izdržljivosti posebno opterećenih strukturnih detalja spremnika. U ovom radu prikazane su analitičke i numeričke metode kojima je moguće izravno istražiti i ocijeniti sigurnost konstrukcije spremnika na brodovima za prijevoz ukapljenog plina. Prikazane su osnove teorije tankih rotacijskih ljusaka i približni analitički izrazi za određivanje sila i deformacija u cilindričnoj, konusnoj, sfernoj i torusnoj ljusci. Detaljno je opisana spektralna analiza naprezanja u sva četiri njena koraka: proračun hidrodinamičkog opterećenja, kvazi-statički proračun odziva brodske konstrukcije i određivanje prijenosnih funkcija zareznog naprezanja u vrhu zavara, statistička analiza i dugoročna razdioba naprezanja u funkciji parametara službe broda i izračun visokocikličkog zamornog oštećenja promatranog strukturnog detalja. Opisani postupak detaljno je prikazan kroz primjer u kojem je provedena parametarska spektralna analiza nesavršenog Y-spoja cilindričnih ljuski i uzdužne pregrade dvodijelnog nezavisnog spremnika tipa C na LPG brodu 6500 m3. Različite vrijednosti ekscentriciteta Y-spoja izmjerene su na stvarnom spremniku, gdje uzrokuju pojavu visokih vrijednosti koncentracije naprezanja i prisutnost momenta savijanja u konstrukciji koja se projektira na osnovi membranske teorije. Stoga je provedena analitička i numerička analiza nesavršenog Y-spoja i predložena sanacija tih nesavršenosti. Dalje, prikazani su postojeći postupci određivanja niskocikličkog zamora koji nastaje uslijed punjenja i pražnjenja spremnika, odnosno varijacije tlaka u njima. Proračunom niskocikličke zamorne izdržljivosti Y-spoja za različite vrijednosti ekscentriciteta ilustrirana je primjena metode. Konačno, prikazani su postojeći koncepti određivanja kumulativnog visokocikličkog i niskocikličkog zamora. Vrijednosti koncentracije naprezanja analizirane su analitički i numerički na mjestima spoja cilindrične i torisferične ljuske, te za slučaj nesavršenog spoja limova na čelu spremnika i pojave konusnog spoja malog kuta. Na kraju je istaknut znanstveni doprinos provedenog istraživanja i potvrda rezultata istraživanja kroz praktičnu primjenu rezultata u brodograđevnoj praksi.

Abstract

Liquefied gas is one of the most important sources of energy nowadays. Worldwide it is being transported by pipelines or in liquefied state in tanks on Liquefied Natural Gas or Liquefied Petroleum Gas carriers. The independent tanks of type C, which contain liquefied gas both under pressure and refrigerated, are most commonly made in cylindrical or bilobe shape and are designed according to the Rules of classification societies. Absence of any serious incidents in seagoing transport is good evidence of the reliability of these rules and the tank construction itself. However, simple rules may not provide insight into actual behavior of ship and tank construction nor do they provide answer to the specific practical questions arising from the tank design and assembly practice. At the same time the tanks are becoming larger and therefore their constructions is becoming more technologically demanding, the fixed sailing routes are being replaced by the worldwide charter sailing, efforts are made to assure safe transport in the case of partially filled tanks or tanks under higher pressure. These reasons give rise to the need for more accurate analysis and better understanding of ship structure behavior subjected to realistic hydrodynamic loading. At the same time, shipbuilding practice requires answers to open problems of tank structure reliability, particularly related to stress concentration in thin shell structures, imperfection of geometry due to technical and other limitations during the tank assembly process, fatigue strength assessment of critical tank structural details, etc. This thesis presents both analytical and numerical methods for direct calculation of LPG tank structure safety. An overview of the theory of thin shells of revolution is presented and approximate analytical expressions for forces and deformations determination are given for cylindrical, conical, spherical and toroidal shells. A full spectral analysis is described in detail for each of its four steps: the hydrodynamic load calculation, quasi-static analysis of ship structure response, evaluation of notch stress transfer functions at the weld toe, statistical analysis and longterm distribution of notch stress as function of ship sailing condition and the calculation of highcycle fatigue damage for the structural detail under observation. The application of the method is presented through illustrative example: full parametric spectral analysis of imperfect Y-joint of cylindrical shells and longitudinal bulkhead of a bilobe tank in 6500 m3 LPG carrier. Different values of Y-joint eccentricity are found and measured on the existing bilobe tank, leading to high stress concentration and the presence of bending moment in membrane theory designed structure. Therefore, a comprehensive analytical and numerical analysis of Y-joint is performed and remedies for this imperfection are proposed in a systematic manner. Furthermore, low-cycle fatigue analysis methods are presented since low-cycle fatigue governs a significant part of the fatigue life of structural details subjected to tank pressure variation during cargo loading and unloading cycles. The application of the method is illustrated by low-cycle fatigue damage estimation for different values of Y-joint eccentricity. Finally, cumulative high-cycle and lowcycle fatigue damage concepts are presented. The stress concentration has been analyzed both by analytical and numerical methods in the case of cylindrical and hemispherical shells and in the case of imperfect joint of tank dish shells where a small angle conical joint had been formed. In the end, the scientific contribution of the performed research has been pointed out as well as the verification of research results through their practical application in shipbuilding practice.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis)
Uncontrolled Keywords: brodovi za prijevoz ukapljenog plina; brodska konstrukcija; nezavisni spremnici; dvodijelni spremnici; opterećenje spremnika; nesavršenost izrade; koncentracija naprezanja; teorija ljusaka; metoda konačnih elemenata; visokociklički zamo
Keywords (Croatian): liquefied gas carriers; ship structure; independent tanks; bilobe tanks; tank load; misalignment; stress concentration; thin shell theory; finite element method; high-cycle fatigue; low-cycle fatigue; spectral analysis
Subjects: TECHNICAL SCIENCE > Shipbuilding
Divisions: 600 Department of Naval Engineering and Marine Technology > 620 Chair of Marine Structures Design
Date Deposited: 22 Sep 2014 18:00
Last Modified: 28 Dec 2020 13:41
URI: http://repozitorij.fsb.hr/id/eprint/26

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year