Prüfung auf Schwappen und Zuschlagen

Bewegte Flüssigkeiten können einen enormen Druck auf Strukturen innerhalb und außerhalb von Schiffen und Offshore-Anlagen wie Öl- und Gasplattformen oder Windkraftanlagen ausüben. Zuverlässige Messungen von Schwappphänomenen (LNG-Bewegungen und Kavitation) und Stoßphänomenen (Welleneffekte) erfordern anwendungsspezifische Drucksensoren und Dynamometer.

Schwapptests sind Teil der Test- und Bewertungslösungen für LNG-Tanker. Erdgas dient als alternativer Energieträger und wird mit speziellen LNG-Tankern (Liquefied Natural Gas) rund um die Welt transportiert. Tankstrukturen müssen dem Schwappen von LNG auch bei starkem Wellengang standhalten. Fortschrittliche Labore bieten anwendungsspezifische Drucksensoren an, darunter auch sehr kompakte Lösungen für Schwapptests und -bewertungen.

Erdgas kann nur in verflüssigter Form effizient transportiert werden. Durch die Abkühlung des Gases auf 162 Grad verringert sich sein Volumen um das 600-fache, sodass es von LNG-Tankern transportiert werden kann. Wind und Wellen können zu einer Bewegung von LNG in teilweise gefüllten Schiffstanks führen. Diese als Schwappen bezeichneten Bewegungen können die Stabilität des Schiffes beeinträchtigen und die inneren Tankmembranen stark belasten.

Viele Forschungslabore auf der ganzen Welt untersuchen durch Schwappen verursachte dynamische Belastungen auf Tankstrukturen von LNG-Tankern. Bei Rütteltest- und Bewertungsverfahren wird im Allgemeinen ein rechteckiges 2D-Modell eines LNG-Tanks auf einem sechseckigen Ständer verwendet (es werden auch kleinformatige 3D-Modelle verwendet). Drucksensoren werden häufig in Gruppenkonfigurationen an der Wand des Tankmodells an verschiedenen Stellen angebracht, an denen heftige Stöße am wahrscheinlichsten sind.

Bei der Meeresaufprallprüfung handelt es sich um eine Präzisionsprüfungsmethode für Bewegungen und Belastungen, die durch Wellen verursacht werden. Meerestechniktanks werden nicht nur zur Überprüfung der Leistung und Sicherheit eines Schiffes eingesetzt, sondern auch als Seewasser- und Manövrierbecken für Offshore-Strukturen wie Öl- und Gasplattformen oder Windkraftanlagen. Die von fortschrittlichen Laboren angebotenen maßgeschneiderten Lösungen reichen von verschiedenen Drucksensoren bis hin zu Dynamometern zur Untersuchung der Kopplung von Aerodynamik und Hydrodynamik.

Zu den hier beschriebenen Anwendungen für Wellenbecken gehört die Prüfung verankerter oder stationärer Objekte (z. B. Öl- und Gasplattformen oder Offshore-Windkraftanlagen), um Bewegungen und Belastungen durch Wellen und Wind zu ermitteln. Beim Testen von Offshore-Windkraftanlagen können Wind und Wellen, die gleichzeitig auf die Turbine einwirken, mit einer Reihe von Dreikomponenten-Dynamometern gemessen werden, die am Mastfuß zwischen dem Anker und dem Prüfling angebracht sind. Dieser Meeresaufpralltest liefert hochwertige Benchmark-Daten zur Validierung von Methoden zur Simulation der Kopplung zwischen aerodynamischem und hydrodynamischem Verhalten. Testmessungen für Öl- und Gasplattformen oder Schiffe erfordern häufig die Montage von Drucksensoren in der Wand der Struktur oder im Schiffsrumpf.

Schwappen ist eine heftig resonante freie Oberflächenströmung in einem Gefäß. Der Tank kann durch eine harmonische Bewegung angeregt werden oder sich mit einem Schiff in Wellen bewegen. Bei Schwappberechnungen wird ein nichtlineares, analysebasiertes Schwappmodell verwendet. Die Dämpfung der Schwappbewegung ist ein wichtiger Resonanzparameter für das kombinierte Schiffsbewegungs- und Schwappsystem.

Im Schwapplabor werden die Bewegungen eines Schiffes simuliert. Ein oben auf der beweglichen Vorrichtung montierter Kunststofftank stellt einen Ladetank des Schiffes dar. Aus technischen Gründen werden Flüssigkeitsladetanks nie vollständig gefüllt. Wenn durch Tankbewegungen auch flüssige Ladung in Bewegung gezwungen wird, kommt es zum Schwappen. Der Grad der Stimulation hängt von den Bewegungen des Beckens und dem Frequenzspektrum ab. Typischerweise werden Spektren verwendet, die denen natürlicher Seewege entsprechen.

Während des Betriebs können Tanks selbst auf moderaten Seewegen hohen Belastungen durch Schwappen ausgesetzt sein. Im Labor werden Tankladungen gemessen und analysiert, wobei der Schwerpunkt auf Ladungsbehältersystemen liegt, die auf Flüssigerdgastankschiffen (LNG) zum Einsatz kommen.

Mit dem Schwapplabor werden unter anderem auch Belastungen untersucht, die durch Schwappen in LNG-Tanks auf Schiffen entstehen. Diese sind für den Transport von Erdgas bei Temperaturen von etwa minus 162 Grad ausgelegt. Auch andere Arten von Tanks, Schwimmbecken auf Kreuzfahrtschiffen oder Fahrzeugtanks, können Gegenstand von Laboruntersuchungen sein.

Während die Bedeutung numerischer Simulationen in der Meereshydrodynamik in den letzten Jahren stark zugenommen hat, wurden Werkzeuge zur Bestimmung von Schiffsbewegungen und Lasten für bestimmte Geometrien und Strukturproblemen für bestimmte Lasten separat entwickelt (Slamming-Tests). Heutzutage werden die kombinierte Berechnung von Schiffsbewegungen und -lasten sowie Strukturprobleme im Zusammenhang mit Finite-Volumen- und Finite-Elemente-Methoden (Fluid-Struktur-Wechselwirkung) in verschiedenen numerischen Codes implementiert.

In einer Schlaganlage werden experimentelle Tests an Objekten durchgeführt, um numerische Simulationen zu validieren. Ziel ist es, die Drücke und Spannungen an definierten Orten sowie die Kraft und Beschleunigung für unterschiedliche Aufprallgeschwindigkeiten beim Wasserschlag in der Aufprallanlage zu messen. Zu den Standardprüfungen in diesem Zusammenhang gehören die piezoresistive Messung von Drücken, Dehnungsmessstreifen sowie die piezoelektrische Beschleunigungs- und Kraftmessung.

Der durch Wellenschlag verursachte Aufpralldruck hat schwerwiegende Folgen für die Sicherheit von Bauwerken wie dem Überbau eines Pfahlpiers, einer Offshore-Ölplattform und eines offenen Pierdecks.

Neben den zahlreichen Test-, Mess-, Analyse- und Bewertungsstudien, die es für Unternehmen in verschiedenen Branchen anbietet, bietet unsere Organisation mit ihrem geschulten und fachkundigen Personal und ihrer fortschrittlichen technologischen Ausrüstung auch „Sloshing- und Slamming-Tests“-Dienstleistungen an.