W Pionie Naukowo-Badawczym przeprowadzono prace nad wpływem przewozu niskotemperaturowego ładunku na rozkład temperatury w elementach konstrukcyjnych kadłuba statku. Obecnie gaz LNG (z ang. liquified natural gas) jest coraz częściej przewożony drogą morską przy pomocy specjalnie do tego przystosowanych statków. Dodatkowo LNG zyskuje coraz większą popularność jako paliwo napędowe w porównaniu do klasycznych paliw ciężkich, głównie dzięki dużo mniejszej emisyjności dwutlenku węgla. Coraz częściej na innych typach statków (np. promach pasażersko-samochodowych) montuje się zbiorniki do przewozu skroplonego gazu.
Gaz LNG przyjmuje formę ciekłą w niskiej temperaturze: około –163°C. Może to generować szereg kłopotów związanych z integralnością konstrukcji kadłuba. Mimo że stosuje się izolację pomiędzy ładunkiem oraz elementami konstrukcyjnymi kadłuba, to i tak kadłub narażony jest na działanie niskich temperatur. W takich sytuacjach tradycyjna stal kadłubowa może stawać się krucha, a to zwiększa jej podatność na pękanie. Dodatkowo niskie temperatury powodują kurczenie się stalowych elementów, co może prowadzić do wysokich naprężeń w konstrukcji. Rozwiązaniem problemu negatywnego oddziaływania niskich temperatur może być zastosowanie w tych rejonach kadłuba innych gatunków stali, tj. takich o niskiej temperaturze przejścia w stan kruchy oraz niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej.
W procesie projektowania konstrukcji statku do przewozu zbiorników LNG należy wstępnie określić rozkład temperatury w kadłubie, aby odpowiednio dobrać rodzaj stali. Jedną z metod jest wykonanie obliczeń analitycznych. W przypadku wielu elementów konstrukcyjnych, tworzących otoczenie zbiorników LNG, obliczenia analityczne mogą być dość skomplikowane. Alternatywną metodą będą symulacje numeryczne z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych. W ramach prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w PRS, wykorzystywano obie metody tego typu obliczeń. Wyniki obu metod zostały ze sobą porównane.
Przykład rozkładu temperatury w rejonie dna podwójnego typowego statku do przewozu LNG pokazany został na poniższym rysunku:
Rys. 1. Rozkład temperatury w konstrukcji dna podwójnego statku LNG [°C].
Rozwiązano zagadnienie rozkładu temperatury w elementach konstrukcji przy założeniu, że temperatura w zbiorniku ładunkowym, sąsiadującym ze zbiornikami balastowymi, wynosiła –163°C. Pomiędzy konstrukcją kadłuba a zbiornikiem zamodelowano jeszcze warstwę izolacji. W obliczeniach uwzględnione zostały dwa mechanizmy transferu ciepła (konwekcja i kondukcja) [1, 2]. Kondukcja powoduje transfer ciepła wewnątrz elementów stalowych, natomiast konwekcja odpowiada za transfer ciepła wewnątrz zbiorników balastowych. Zbiorniki te mogą być puste lub wypełnione wodą balastową, więc w obu przypadkach należy przyjąć inne własności termiczne. Również własności termiczne stali należy odpowiednio określić [3]. Na styku kadłuba zewnętrznego z wodą zaburtową przyjęto temperaturę 0°C (wg wymagań Kodeksu IGC [4]). Na podstawie obliczeń uzyskano rozkład temperatury na kadłubie statku, jak pokazano na rys. 1.
W porównaniu z metodą analityczną, modelowanie MES pozwala uzyskać wyniki dużo szybciej. Dodatkowo możliwe jest przeprowadzenie obliczeń 3D (tj. z uwzględnieniem grodzi poprzecznych).
Na podstawie przeprowadzonych prac badawczo-rozwojowych zostaną opracowane wytyczne do prowadzenia tego typu obliczeń.
Literatura
[1] von Böckh P., Wetzel T. Heat Transfer. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2012.
[2] Annaratone D. Engineering Heat Transfer. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010.
[3] Marquardt ED, Le JP, Radebaugh R. Cryogenic Material Properties Database. Cryocoolers 11, Boston, MA: Springer US, 2002, p. 681–7.
[4] International Maritime Organization. International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk. London: IMO, 2016.
