Design and Structural Analysis of a Marine Loading Arm for Liquid Hydrogen Tranfer

The present thesis work originates from an internship at FLEXA Srl (Milan), specialized in the design and construction of Marine Loading Arms (MLA) for the transfer of oil&gas products from ships to onshore terminals. The thesis focuses on the design of an MLA consisting of a non-self-supporting stainless-steel piping, supported by a steel truss structure. The design takes into account specific aspects of liquid hydrogen (LH2) transfer. The study begins with the sizing of the working envelope, based on the characteristics of the ships and of the terminal, hypothetically located in Ravenna, Italy. Subsequently, attention is given to the thermal insulation system, crucial for safety, boil-off prevention, and the formation of thin layers of ice on the arm's surface. Finite Element Analysis (FEA) in 3D using the SAP2000 code is then employed to verify and optimize structural components such as support trusses and counterweights. A typical swivel joint positioned along the piping, characterized by a double crown of spheres, is further analysed. This analysis, including a contact problem, is conducted in 3D using the Finite Element (FE) Ansys code. The aim is to ensure that this joint withstands applied stresses without product loss and depressurization. Regarding the contact problem, the thesis includes insights about the topic (related to simpler situations compared to the swivel joint case) and considerations on the use FEA to solve such problems. This thesis operates within the complex and current scenario of transitioning to LH2, crucial for achieving the European goal of net-zero CO2 emissions by 2050. So far, hydrogen's usage has been limited to gaseous hydrogen (GH2) under pressure, requiring large storage volumes due to its very low density. LH2, on the other hand, holds promise due to its density, around three orders of magnitude higher than GH2, allowing for easier transportation in larger quantities. Nevertheless, the use of LH2 is still marginal due to the challenges associated with its highly cryogenic nature. LH2, indeed, has a temperature of -253°C at atmospheric pressure and requires handling and transport at temperatures around this value.

Il presente lavoro di tesi nasce da un tirocinio presso l’azienda FLEXA Srl (Milano), specializzata nella progettazione e costruzione di bracci di carico marini (Marine Loading Arms, MLA) per il trasferimento di prodotti oil&gas dalle navi ai terminali a terra. Nella tesi si è sviluppata la progettazione di un MLA costituito da un condotto in acciaio inox non autoportante, ma sostenuto da una struttura a traliccio in acciaio. Nella progettazione sono stati tenuti presenti alcuni aspetti peculiari del trasferimento di idrogeno liquido (LH2). Lo studio parte dal dimensionamento del campo di lavoro del braccio in base alle caratteristiche delle navi e del terminale (quest’ultimo è situato per ipotesi a Ravenna, in Italia). Successivamente, viene posta attenzione al sistema di isolamento termico, fondamentale per la sicurezza, la prevenzione del boil-off e la formazione di strati di ghiaccio poco spessi sulla superficie del braccio. In seguito, si fa ricorso all'analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA) in 3D, per mezzo del codice SAP2000, per verificare ed ottimizzare i componenti strutturali come le tralicciate di supporto ed i contrappesi. Viene poi analizzato un tipico giunto rotante presente lungo il condotto e caratterizzato da una doppia corona di sfere. Questa analisi, che include un problema di contatto, è stata svolta in 3D utilizzando il codice agli elementi finiti (FE) Ansys. Lo scopo è assicurarsi che tale giunto resista alle sollecitazioni applicate senza perdite di prodotto e depressurizzazione. In relazione al problema di contatto, la tesi contiene alcuni approfondimenti sulla tematica (riferiti a situazioni più semplici rispetto al caso del giunto rotante) e alcune considerazioni sull’utilizzo degli elementi finiti per la risoluzione di tali problemi. La presente tesi si muove nel complesso ed attuale scenario della transizione all' LH2, che risulta cruciale per il raggiungimento dell’obiettivo europeo di zero emissioni nette di CO2 entro il 2050. Fino ad oggi, infatti, l'utilizzo dell'H2 si è sostanzialmente limitato all’idrogeno gassoso (GH2) in pressione, che necessita ampi volumi di stoccaggio poiché caratterizzato da bassa densità. L’LH2, invece, è promettente poiché, presentando una densità di circa tre ordini di grandezza superiore a quella del GH2, può essere trasportato più facilmente in grandi quantità. Ciononostante, l’utilizzo di LH2 è ancora marginale a causa delle difficoltà legate alla sua natura fortemente criogenica. Esso, infatti, ha una temperatura di -253 °C a pressione atmosferica e richiede che venga utilizzato e trasportato a temperature intorno a tale valore.