Modellazione di un rilascio di GNL con simulazione del fenomeno di transizione rapida di fase

In the context of liquefied natural gas (LNG) transfer operations to and from a regasification vessel, one of the most frequent incidental events—based on historical analysis—is the detachment of the hose or transfer pipe, resulting in a sea spill. The subsequent formation of an evaporating pool may become a source of fire or explosion, potentially damaging the ship’s hull and triggering domino effects. Depending on whether thermodynamic equilibrium is established between the LNG and seawater, two different scenarios may occur: in the presence of equilibrium, an evaporating pool forms, which can lead to pool fires (immediate ignition) or flash fires (delayed ignition); in the absence of equilibrium, a physical explosion known as a Rapid Phase Transition (RPT) may take place. This work, carried out in collaboration with the company Tecnologia Ricerca Rischi (T.R.R. S.r.l.), is part of a broader research project aimed at identifying a simplified method for the fluid dynamic simulation of the RPT phenomenon. For this purpose, LS-DYNA®, a software package within the ANSYS® suite, was used to model the onset of thermodynamic non-equilibrium between LNG and water, and the resulting rapid phase transition. This modelling effort falls within the scope of industrial applications in the petrochemical sector, where understanding and predicting the effects of explosive events is of critical importance. The personal contribution to this thesis focused on the analysis of results from simulations already carried out, through the development of a structured database containing pressure values associated with the RPT phenomenon, combined with corresponding permanent deformation (denting) measurements recorded at key points on the ship’s hull. These data were then compared with the safety thresholds defined by international technical standards such as IMO-IGC and DNV. The resulting database proved to be an effective tool for conducting sensitivity analyses and determining critical distances with respect to the ship’s tank housing area.

Nell'ambito delle operazioni di trasferimento di gas naturale liquefatto da e verso una nave di rigassificazione, uno degli eventi incidentali più frequenti, in base all'analisi storica, è il distacco della manichetta o della tubazione di trasferimento con sversamento a mare; la conseguente formazione di una pozza evaporante è la possibile fonte di incendio da pozza o esplosione, con danni allo scafo e possibili effetti domino. A seconda dell'instaurarsi o meno dell'equilibrio termodinamico tra gas naturale liquefatto e acqua, nel primo caso si assiste alla formazione di una pozza evaporante che può dare origine a fenomeni di pool fire (innesco immediato) e flash fire (innesco ritardato), mentre nel secondo caso può verificarsi un'esplosione fisica nota come Rapid Phase Transition. Il presente lavoro, svolto in collaborazione con l’azienda Tecnologia Ricerca Rischi (T.R.R. S.r.l.), si inserisce all’interno di un più ampio progetto di ricerca finalizzato all’individuazione di un metodo semplificato per la simulazione fluidodinamica del fenomeno di Rapid Phase Transition (RPT). A tal fine, è stato impiegato LS-DYNA®, software appartenente alla suite ANSYS® per modellare l’instaurarsi della condizione di non equilibrio termodinamico tra gas naturale liquefatto (GNL) e acqua, e il conseguente fenomeno di transizione rapida di fase. Questa modellazione si colloca nell’ambito delle applicazioni industriali in ambito petrolchimico, dove la comprensione e la previsione degli effetti di eventi esplosivi risulta di fondamentale importanza. Il contributo personale alla tesi si è concentrato sull’analisi dei risultati delle simulazioni già effettuate, attraverso la costruzione di un database strutturato dei valori di pressione associati al fenomeno di RPT, combinati con i corrispondenti valori di deformazione permanente (imbozzamenti) rilevati nei punti significativi dello scafo. Tali dati sono stati successivamente confrontati con i limiti di sicurezza imposti dalle normative tecniche internazionali IMO-IGC e DNV. Questo database ha rappresentato uno strumento efficace per l’analisi di sensitività e per la determinazione delle distanze critiche rispetto all’area di alloggiamento del serbatoio della nave.