상변화와 밀도비 영향이 고려된 슬로싱 하중을 받는 멤브레인형 LNG화물창의 구조적 응답에 대한 유탄성 효과 연구 = Study on Hydroelasticity effect on Structural response of Membrane-type LNG Cargo Containment under Sloshing loads considering Phase transition and Density ratio effects

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper investigates the hydroelastic structural response of a membrane-type LNG cargo containment system by applying impact loads obtained from sloshing model tests, considering phase transition and density ratio effects.
The International Maritime Organization (IMO) has recently implemented various regulatory measures to achieve a 100% reduction in greenhouse gas (GHG) emissions by 2050 compared to 2008 levels. Consequently, shipping companies must consider carbon neutrality and zero-carbon fuels in vessel operations while actively complying with regulations on nitrogen oxides (NOₓ), sulfur oxides (SOₓ), and other emissions. As a result, the demand for LNG carriers is steadily increasing, expanding beyond transportation vessels to LNG-fueled ships, bunkering vessels, and Floating Storage and Regasification Units (FSRUs). Additionally, there is a growing interest in ammonia as both cargo and fuel, further driving rapid advancements in technology to enable the transportation of hydrogen. Shipyards and related industries are accelerating efforts to develop these next-generation maritime solutions. In line with this global trend, there is a growing demand for loading efficiency and cost-effective membrane-type cargo containment systems, necessitating continuous research and developments. Consequently, the design of cargo containment systems to mitigate sloshing effects has become a critical issue, requiring innovative engineering solutions to ensure structural integrity and operational safety.
Sloshing phenomena within membrane-type cargo containment systems exhibit significant uncertainty and nonlinearity, making experimental studies more prevalent than numerical simulations. In addition, since model tests using LNG directly have many difficulties in terms of insulation issues, cost, and safety, many studies have mainly conducted air/water model experiments. However, recent studies have yielded significant findings by considering factors such as the liquid-to-gas density ratio and phase transition phenomena occurring at the free surface to more accurately define sloshing loads under realistic conditions. Many experimental studies have enabled the use of mixed gases instead of air, replicating density ratio conditions like actual LNG and natural gas. As a result, these studies have shown a noticeable reduction in maximum sloshing impact loads. Meanwhile, the sloshing experimental study has been recently performed using NOVEC 7000 a colorless, odorless, non-toxic, and non-flammable substance with a boiling point of 34°C to replicate phase transition. Compared to air/water tests, the results showed a reduction in the maximum sloshing impact load and oscillations in descent time, along with a prolonged impact pressure rise time.
This study proposes defining dynamic structural capacity considering phase transition effects and hydroelasticity as a necessary condition for the absolute assessment methodology, overcoming the limitations of conventional relative approach. To achieve this, a sloshing assessment of the membrane-type LNG cargo containment system (Mark-III Flex) was conducted, incorporating hydroelastic effects using sloshing impact results that account for density ratio and phase transition phenomena. To accurately reflect real phenomena inside the tank, a fluid domain simulating LNG was modeled above the cargo containment system, incorporating hydroelastic effects. The sloshing assessment was conducted on the integrated structure of the upper and lower insulation systems and hull. Furthermore, a comparative analysis was performed on the dynamic amplification factors (DAF) and dynamic structural capacities with and without the fluid domain. After that, direct comparison and evaluation of the utilization factor (UF) for each failure mode were conducted under the low and high filling sloshing loads. As a result, both upper and lower structures showed an increase in the UF due to hydroelastic effects, particularly in the shear failure of the lower plywood, the compressive failure of the primary RPUF, and the bending failure mode of the hull. An increase in the DAF was observed in the RPUF and hull, with the effect being more pronounced in the relatively thin upper structures of actual vessels.
Through the sloshing assessment in this study, it was concluded that not only the maximum sloshing impact pressure but also the rise time distribution must be considered simultaneously. The study effectively overcame the limitations of conservative evaluation using conventional air/water test results and confirmed the validity and effectiveness of a more realistic sloshing assessment that incorporates phase transition and hydroelastic effects.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 상변화 및 밀도비 효과를 고려한 슬로싱 모형 실험으로부터 얻은 충격하중을 이용하여 멤브레인형 LNG 화물창의 유탄성 구조 응답에 대한 연구를 다루고 있다.
최근 국제해사기구(IMO)는 2050년까지 2008년 수준 대비 온실가스 배출량을 100% 감소시키기 위한 다양한 규제 조치를 시행하였다. 이에 따라 해운회사들은 선박 운용에 있어 탄소 중립 및 무탄소 연료를 고려해야 하며 질소산화물, 황산화물 등에 대한 규제에 적극 대응하고 있다. 따라서, LNG 운반선의 수요가 점점 증가하고 있고 운반선뿐만 아니라 LNG 연료 추진 선박, 벙커링, FSRU 등으로 확대되고 있다. 또한, 최근 암모니아 화물/연료에 대한 관심이 증가하고 있고 나아가 수소까지도 운반할 수 있는 기술개발을 위해 조선소 및 유관 업계의 발빠른 움직임이 고조되고 있다. 이러한 전 세계적 흐름에 맞춰 적재 효율 및 경제성 높은 멤브레인 형 화물창에 대한 수요 및 기술개발 필요성이 증가하고 있는 상황이며, 필연적으로 슬로싱 현상에 대비하기 위한 화물창 설계 기술이 중요 핵심 사안으로 고려되고 있다.
멤브레인 화물창내 슬로싱 현상은 불확실성 및 비선형성이 매우 높아 수치적 계산 보다는 실험적 연구가 다수 진행되었다. 또한, LNG를 직접 이용한 모형실험은 단열 문제, 비용, 안전성 측면에서 어려움이 많기 때문에 주로 물/공기 모형 실험을 수행한 연구들이 많았다. 그러나 최근 실제 현상에 가까운 슬로싱 하중 정의를 위해 액체와 기체 간의 밀도비, 자유수면에서 일어날 수 있는 상변화 현상 등을 고려한 다수의 연구로부터 유의미한 결과들이 도출되고 있다. 공기대신 혼합기체를 이용하여 실제 액화천연가스 및 천연가스와 유사한 밀도비 조건을 구현한 실험이 가능해져 최대 슬로싱 충격하중이 일정 수준 감소하는 결과를 얻게 되었다. 한편, 최근 상변화를 모사하기 위해 무색, 무취, 인체 무해, 비가연성 물질인 NOVEC 7000(끓는점 34도)을 이용한 슬로싱 모형 실험 연구가 수행되었다. 물/공기 실험 결과대비 최대 슬로싱 충격하중 및 하강시간의 진동 감소 현상이 관찰되었고, 충격 압력 상승시간이 길게 나타나는 유의미한 결과가 도출되었다.
본 연구에서는 기존 상대평가의 한계점을 극복하기 위해 절대평가 방법론에 수반되어야 하는 조건으로 하중의 상변화와 유탄성 효과에 의한 동적 구조 용량 정의를 제안하였고, 이를 위해 밀도비 및 상변화 현상을 고려한 슬로싱 모형 실험 하중을 이용하여 멤브레인 LNG 화물창(Mark-III Flex)의 유탄성을 고려한 슬로싱 평가를 수행하였다. 탱크 내 실제 현상을 반영하기 위해 멤브레인 화물창 위에 LNG를 모사할 수 있는 유체장을 모델링하여 유탄성 효과를 고려하였다. 슬로싱 평가는 탱크 내 상하부 단열시스템 및 선체의 복합 구조물을 대상으로 평가를 수행하였고, 유체장 유무에 따른 동적 확대 계수(DAF) 및 동적 구조 용량(Dynamic Structural Capacity)을 비교 분석하였다. 또한, 상하부 슬로싱 충격 하중과의 비교를 통해 구조 손상 모드별 이용계수(UF)를 직접 비교 및 평가를 수행하였다. 그 결과, 상하부 구조 모두 유탄성 영향으로 하부 plywood 전단 손상, 1차 RPUF의 압축손상, 선체의 굽힘손상 모드에서의 이용계수 증가가 나타났다. RPUF와 선체에서의 동적확대계수 증가가 나타났으며, 실제 선박에서 상대적으로 얇은 상부구조에서의 동적확대계수 증가가 지배적이었다.
본 연구의 슬로싱 평가를 통해 최대 슬로싱 충격압력 뿐만 아니라 상승시간 분포를 동시에 고려해야 함을 유의미한 결과로부터 얻게 되었고, 기존 물/공기 슬로싱 모형 실험 하중을 통한 보수적 평가의 한계점을 극복하고 상변화 및 유탄성 효과를 고려한 좀 더 현실적인 슬로싱 평가의 타당성 및 유효성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목표 및 주요 연구 내용 7
• 2. LNG 운반선의 화물창 종류 10
• 2.1 Mark-III 시스템 10
• 2.2 NO96 시스템 13
• 2.3 KC-1 시스템 15
• 3. 국제 선급들의 슬로싱 하중에 의한 구조 평가 방법 17
• 3.1 ABS의 슬로싱 구조 평가 방법 18
• 3.2 BV의 슬로싱 구조 평가 방법 22
• 3.3 DNV의 슬로싱 구조 평가 방법 23
• 3.4 KR의 슬로싱 구조 평가 방법 26
• 3.5 LR의 슬로싱 구조 평가 방법 29
• 4. 상대평가법에 의한 슬로싱 평가 결과 34
• 4.1 슬로싱 평가 절차 소개 35
• 4.1.1 슬로싱 하중 해석 절차 35
• 4.1.2 슬로싱 구조 평가 절차 38
• 4.2 대상 선박 및 탱크 43
• 4.3 슬로싱 모형 실험 결과 44
• 4.3.1 슬로싱 모형 실험 44
• 4.3.2 낮은 적재 실험 결과 48
• 4.3.3 높은 적재 실험 결과 51
• 4.4 단열시스템의 구조 모델링 및 해석 54
• 4.4.1 유한요소 모델링 54
• 4.4.2 경계 및 하중 조건 59
• 4.4.3 정적/동적 구조 해석 61
• 4.4.4 동적 확대 계수(DAF) 63
• 4.5 TISM 선형 중첩 이론 66
• 4.6 충격 하중 영역 정의 69
• 4.7 손상 모드 정의 72
• 4.8 슬로싱 평가 결과 75
• 4.8.1 상대 비교 결과 75
• 4.8.2 상대평가의 한계점 및 개선 방향 82
• 5. 매질별 슬로싱 충격 하중 84
• 5.1 슬로싱 모형 실험 구성 84
• 5.2 슬로싱 모형 실험 조건 87
• 5.3 매질별 슬로싱 모형 실험 결과 88
• 6. 유탄성을 고려한 LNG CCS 구조 모델링 95
• 6.1 LNG CCS 및 선체 구조 유한요소 모델링 95
• 6.2 유체-구조 연성효과를 고려한 모델링 101
• 6.2.1 이론적 배경 101
• 6.2.2 유한 요소 모델링 방법 104
• 7. 유탄성 구조 응답 결과 106
• 7.1 매질별 슬로싱 하중에 의한 구조 응답 107
• 7.2 유탄성 효과에 의한 동적 구조 특성 111
• 7.2.1 동적 구조 용량 비교 111
• 7.2.2 동적 확대 계수 비교 116
• 7.2.3 고유 진동 모드 및 주파수 비교 119
• 8. 슬로싱 평가 결과 122
• 8.1 슬로싱 평가 조건 122
• 8.2 유탄성 효과 유무에 따른 슬로싱 평가 결과 123
• 8.2.1 최대 압력 기준 평가 결과 123
• 8.2.2 최대 상승 시간 기준 평가 결과 126
• 8.3 상승시간 지연에 의한 슬로싱 평가 영향 129
• 8.4 유탄성 및 상변화를 고려한 평가 절차 제안 134
• 9. 결론 138
• 10. 향후 연구 143
• 참고 문헌 146
• Appendix 155