원유 가격의 상승과 지구 환경보존에 대한 관심의 증가로 천연가스의 사용이 확대되고 있는 추세이며, 이와 더불어 액화천연가스 운반선의 수요와 그 크기가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 천연가스는 -163oC의 극저온에서 액화 상태로 운송이 되며, 이에 따른 온도 유지를 위한 특수한 방열구조가 필요하다. 액화천연가스 운반선의 방열구조는 크게 독립탱크형과 멤브레인형으로 나누어질 수 있으며, 최근 대형의 액화천연가스 운반선에는 프랑스 Gastranport & Technigaz 사에서 개발된 멤브레인형 방열구조가 널리 사용되고 있는 추세이다. 멤브레인형 방열구조는 세 가지 형태가 개발되어 있으며, 이 중 NO96과 MARK III 가 현재 경제성과 효율성에서 우수한 것으로 평가되어 널리 지어지고 있다. 그러나 멤브레인형 액화천연가스 운반선의 화물창 구조는 내부 온도를 극저온으로 유지해야 한다는 제약으로 인하여 ...
원유 가격의 상승과 지구 환경보존에 대한 관심의 증가로 천연가스의 사용이 확대되고 있는 추세이며, 이와 더불어 액화천연가스 운반선의 수요와 그 크기가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 천연가스는 -163oC의 극저온에서 액화 상태로 운송이 되며, 이에 따른 온도 유지를 위한 특수한 방열구조가 필요하다. 액화천연가스 운반선의 방열구조는 크게 독립탱크형과 멤브레인형으로 나누어질 수 있으며, 최근 대형의 액화천연가스 운반선에는 프랑스 Gastranport & Technigaz 사에서 개발된 멤브레인형 방열구조가 널리 사용되고 있는 추세이다. 멤브레인형 방열구조는 세 가지 형태가 개발되어 있으며, 이 중 NO96과 MARK III 가 현재 경제성과 효율성에서 우수한 것으로 평가되어 널리 지어지고 있다. 그러나 멤브레인형 액화천연가스 운반선의 화물창 구조는 내부 온도를 극저온으로 유지해야 한다는 제약으로 인하여 슬로싱에 매우 취약한 구조이다. 따라서 멤브레인형 액화천연가스 운반선은 슬로싱 하중에 의한 화물창의 손상을 방지하기 위하여 운항 시 화물적재량에 대한 엄격한 제한을 가지도록 설계 되어 있다. 이러한 제한은 시장에서의 경쟁력 저하의 원인이 되며, 많은 개발자들의 도전 의식을 불러일으키는 계기가 되고 있다. 또한, 극지 자원의 개발과 더불어 선박의 운항 환경조건이 더 나쁜 지역에서도 안전하게 운항을 할 수 있을지에 대한 의구심과 동시에 이를 극복할 수 있는 기술 개발의 필요성도 점차 높아지고 있는 추세이다. 아울러, 선박의 대형화에 수반하여 화물창의 크기 증가에 대한 시장의 요구에 계속 이어지고 있으며, 이러한 관점에서 천연액화가스 운반선의 슬로싱 문제는 많은 연구자들의 관심 연구 분야가 되고 있다. 지금까지 슬로싱 현상에 대한 대부분의 연구는 슬로싱 하중의 현상을 예측하는 측면에서 수행되어 왔다. 이를 위하여 많은 연구자들이 축소모델에 대한 슬로싱 모형시험을 통하여 화물창 내벽에 발생하는 유체 충격 압력을 예측하는 연구를 수행하였으며, 최근에는 컴퓨터의 발달과 더불어 이러한 현상을 수치적으로 모사하는 사례가 늘어 나고 있다. 이와 더불어 각 선급에서는 슬로싱 하중에 대하여 액화천연가스 화물창 구조의 안전성을 평가하는 프로시져를 개발하고 있다. 그러나 설계의 관점에서 보면 현재까지 대부분의 연구는 외력이 발생하는 현상을 설명하고 외력을 정확히 추정하는 것에 많은 노력을 기울인 것에 비하여, 외력에 대하여 구조가 저항하는 강도 측면에서의 연구는 상대적으로 미약한 상태이다. 액화천연가스 화물창 방열구조에 사용되는 재료는 구조적으로 매우 불균질하고 비선형성이 강한 재료가 대부분이다. 따라서, 유체 충격으로 전해지는 복잡한 형태의 외력이 정확히 예측되었다 하더라도 외력에 대한 구조의 안전성을 평가하고 경쟁력 있는 구조를 개발하기 위하여는 아직도 연구해야 할 부분이 많이 남아 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 MARK III 멤브레인형 방열구조에 대한 구조안전성을 합리적으로 검토하기 위한 프로시져를 개발하고 이에 대한 유용성을 검증하기 위한 일련의 실험과 수치 해석을 수행하였다. 먼저, 충격하중 작용 시 MARK III 형 방열구조의 파괴 모드와 파괴 모드에 대한 임계 치를 얻기 위하여 일련의 낙하 충격실험이 수행되었다. 충격체의 무게와 높이를 바꾸어 가며 실험을 수행하였으며, 충격 속도의 영향을 평가하기 위하여 동일한 형태의 시험체에 대하여 정적 압축 실험도 병행하여 수행하고 그 결과를 비교 하였다. 일련의 낙하 충격실험을 통하여 변형의 크기가 일정한 값 이상이 되면 충격하중의 속도와 무관하게 일정한 형태의 응답이 나온다는 것으로 확인하였다. 이는 기존의 대부분의 프로시져가 수치해석을 통하여 얻어진 각 요소의 응력을 기준으로 구조의 안전성을 평가하는 것에 비하여 충격 시 전체 구조가 가지는 최대 변형을 기준으로 방열구조의 파괴 여부를 판단할 수 있다는 것을 의미하고, 이는 비선형 재료에 충격하중이 가해지는 복잡한 문제를 비교적 단순하게 풀 수 있는 단초를 제공하고 있다고 사료된다. 큰 압력을 가지는 슬로싱 하중을 염두 한 충격 시험 뿐 아니라 반복하중에 대한 구조손상의 측면에서 구조의 안전성을 평가하기 위하여 피로강도 실험도 수행하였다. 실제 구조와 동일한 구조를 가지는 시험편을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험은 두 단계에 걸처 수행되었으며, 첫 번째 단계에서는 상온 조건에 실험을 수행하였고, 그 다음 단계로 실제 구조가 놓이는 온도 환경과 유사한 온도를 만들기 위하여 저온 챔버를 이용한 저온 피로시험도 수행되었다. 저온 피로시험의 온도 조건은 피로 크랙이 발생하는 지점의 온도 조건을 실험 시의 온도 조건으로 선택되었다. 상온 뿐 아니라 저온에서의 피로시험 모두 가해진 하중의 크기가 약간만 감소해도 피로 파단이 발생하는 수명은 현저히 증가하는 경향을 보였다. 이는 강도적 측면에서 요구되는 하중을 만족하는 상태라면 피로에 의한 손상은 상대적으로 덜 위험하다는 것을 의미한다. 그러나 수행된 피로실험 준 정적 하중에 해당하는 형태로 하중이 가해졌으므로 sloshing 하중과 같은 충격하중이 반복적으로 작용하는 상황이 되면, 현재의 연구결과와는 다른 결과를 줄 가능성도 있으리라 생각된다. 슬로싱 하중에 대한 구조 안전성을 평가하는 프로시져를 제안하였으며, 일련의 수치해석을 통하여 기존에 제안된 방법과 본 연구에서 제안된 방법으로 방열구조의 강도를 각각 평가하고 본 연구에서 제안하는 방법이 지금까지의 실제 구조물의 운항 경험에 비추어 보다 합리적인 결과를 주고 있음을 확인하였다. 이상과 같은 연구 결과를 통하여 슬로싱 하중에 대하여 MARK III 멤브레인형 액화천연가스 운반선 방열구조의 안전성을 합리적으로 평가할 수 있는 프로시져를 제안하고 이에 대한 유용성을 검증하였다. 그러나 본 연구에서는 강체에 가까운 낙하체가 방열구조에 충격을 주는 조건으로 실험이 가해졌으므로 엄밀히 생각하면, 실제와 조건이 상당히 다른 점이 있다. 물론, 이로 인한 충격량의 차이는 매우 크지만 본 연구에서 지향하고 있는 변형량에 따라 방열구조의 안전성을 평가 하는 아이디어는 여전히 유용하게 실제 문제에 적용이 가능할 것으로 생각한다. 단지 이에 대한 보다 명확한 검증을 위하여 실제와 동등한 조건에서 충격실험을 수행하는 것이 향후에 필요할 것으로 사료된다. 아울러, 향후 수행될 이러한 연구의 참고 자료 중 하나로 본 연구의 결과가 활용될 수 있기를 기대한다.
원유 가격의 상승과 지구 환경보존에 대한 관심의 증가로 천연가스의 사용이 확대되고 있는 추세이며, 이와 더불어 액화천연가스 운반선의 수요와 그 크기가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 천연가스는 -163oC의 극저온에서 액화 상태로 운송이 되며, 이에 따른 온도 유지를 위한 특수한 방열구조가 필요하다. 액화천연가스 운반선의 방열구조는 크게 독립탱크형과 멤브레인형으로 나누어질 수 있으며, 최근 대형의 액화천연가스 운반선에는 프랑스 Gastranport & Technigaz 사에서 개발된 멤브레인형 방열구조가 널리 사용되고 있는 추세이다. 멤브레인형 방열구조는 세 가지 형태가 개발되어 있으며, 이 중 NO96과 MARK III 가 현재 경제성과 효율성에서 우수한 것으로 평가되어 널리 지어지고 있다. 그러나 멤브레인형 액화천연가스 운반선의 화물창 구조는 내부 온도를 극저온으로 유지해야 한다는 제약으로 인하여 슬로싱에 매우 취약한 구조이다. 따라서 멤브레인형 액화천연가스 운반선은 슬로싱 하중에 의한 화물창의 손상을 방지하기 위하여 운항 시 화물적재량에 대한 엄격한 제한을 가지도록 설계 되어 있다. 이러한 제한은 시장에서의 경쟁력 저하의 원인이 되며, 많은 개발자들의 도전 의식을 불러일으키는 계기가 되고 있다. 또한, 극지 자원의 개발과 더불어 선박의 운항 환경조건이 더 나쁜 지역에서도 안전하게 운항을 할 수 있을지에 대한 의구심과 동시에 이를 극복할 수 있는 기술 개발의 필요성도 점차 높아지고 있는 추세이다. 아울러, 선박의 대형화에 수반하여 화물창의 크기 증가에 대한 시장의 요구에 계속 이어지고 있으며, 이러한 관점에서 천연액화가스 운반선의 슬로싱 문제는 많은 연구자들의 관심 연구 분야가 되고 있다. 지금까지 슬로싱 현상에 대한 대부분의 연구는 슬로싱 하중의 현상을 예측하는 측면에서 수행되어 왔다. 이를 위하여 많은 연구자들이 축소모델에 대한 슬로싱 모형시험을 통하여 화물창 내벽에 발생하는 유체 충격 압력을 예측하는 연구를 수행하였으며, 최근에는 컴퓨터의 발달과 더불어 이러한 현상을 수치적으로 모사하는 사례가 늘어 나고 있다. 이와 더불어 각 선급에서는 슬로싱 하중에 대하여 액화천연가스 화물창 구조의 안전성을 평가하는 프로시져를 개발하고 있다. 그러나 설계의 관점에서 보면 현재까지 대부분의 연구는 외력이 발생하는 현상을 설명하고 외력을 정확히 추정하는 것에 많은 노력을 기울인 것에 비하여, 외력에 대하여 구조가 저항하는 강도 측면에서의 연구는 상대적으로 미약한 상태이다. 액화천연가스 화물창 방열구조에 사용되는 재료는 구조적으로 매우 불균질하고 비선형성이 강한 재료가 대부분이다. 따라서, 유체 충격으로 전해지는 복잡한 형태의 외력이 정확히 예측되었다 하더라도 외력에 대한 구조의 안전성을 평가하고 경쟁력 있는 구조를 개발하기 위하여는 아직도 연구해야 할 부분이 많이 남아 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 MARK III 멤브레인형 방열구조에 대한 구조안전성을 합리적으로 검토하기 위한 프로시져를 개발하고 이에 대한 유용성을 검증하기 위한 일련의 실험과 수치 해석을 수행하였다. 먼저, 충격하중 작용 시 MARK III 형 방열구조의 파괴 모드와 파괴 모드에 대한 임계 치를 얻기 위하여 일련의 낙하 충격실험이 수행되었다. 충격체의 무게와 높이를 바꾸어 가며 실험을 수행하였으며, 충격 속도의 영향을 평가하기 위하여 동일한 형태의 시험체에 대하여 정적 압축 실험도 병행하여 수행하고 그 결과를 비교 하였다. 일련의 낙하 충격실험을 통하여 변형의 크기가 일정한 값 이상이 되면 충격하중의 속도와 무관하게 일정한 형태의 응답이 나온다는 것으로 확인하였다. 이는 기존의 대부분의 프로시져가 수치해석을 통하여 얻어진 각 요소의 응력을 기준으로 구조의 안전성을 평가하는 것에 비하여 충격 시 전체 구조가 가지는 최대 변형을 기준으로 방열구조의 파괴 여부를 판단할 수 있다는 것을 의미하고, 이는 비선형 재료에 충격하중이 가해지는 복잡한 문제를 비교적 단순하게 풀 수 있는 단초를 제공하고 있다고 사료된다. 큰 압력을 가지는 슬로싱 하중을 염두 한 충격 시험 뿐 아니라 반복하중에 대한 구조손상의 측면에서 구조의 안전성을 평가하기 위하여 피로강도 실험도 수행하였다. 실제 구조와 동일한 구조를 가지는 시험편을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험은 두 단계에 걸처 수행되었으며, 첫 번째 단계에서는 상온 조건에 실험을 수행하였고, 그 다음 단계로 실제 구조가 놓이는 온도 환경과 유사한 온도를 만들기 위하여 저온 챔버를 이용한 저온 피로시험도 수행되었다. 저온 피로시험의 온도 조건은 피로 크랙이 발생하는 지점의 온도 조건을 실험 시의 온도 조건으로 선택되었다. 상온 뿐 아니라 저온에서의 피로시험 모두 가해진 하중의 크기가 약간만 감소해도 피로 파단이 발생하는 수명은 현저히 증가하는 경향을 보였다. 이는 강도적 측면에서 요구되는 하중을 만족하는 상태라면 피로에 의한 손상은 상대적으로 덜 위험하다는 것을 의미한다. 그러나 수행된 피로실험 준 정적 하중에 해당하는 형태로 하중이 가해졌으므로 sloshing 하중과 같은 충격하중이 반복적으로 작용하는 상황이 되면, 현재의 연구결과와는 다른 결과를 줄 가능성도 있으리라 생각된다. 슬로싱 하중에 대한 구조 안전성을 평가하는 프로시져를 제안하였으며, 일련의 수치해석을 통하여 기존에 제안된 방법과 본 연구에서 제안된 방법으로 방열구조의 강도를 각각 평가하고 본 연구에서 제안하는 방법이 지금까지의 실제 구조물의 운항 경험에 비추어 보다 합리적인 결과를 주고 있음을 확인하였다. 이상과 같은 연구 결과를 통하여 슬로싱 하중에 대하여 MARK III 멤브레인형 액화천연가스 운반선 방열구조의 안전성을 합리적으로 평가할 수 있는 프로시져를 제안하고 이에 대한 유용성을 검증하였다. 그러나 본 연구에서는 강체에 가까운 낙하체가 방열구조에 충격을 주는 조건으로 실험이 가해졌으므로 엄밀히 생각하면, 실제와 조건이 상당히 다른 점이 있다. 물론, 이로 인한 충격량의 차이는 매우 크지만 본 연구에서 지향하고 있는 변형량에 따라 방열구조의 안전성을 평가 하는 아이디어는 여전히 유용하게 실제 문제에 적용이 가능할 것으로 생각한다. 단지 이에 대한 보다 명확한 검증을 위하여 실제와 동등한 조건에서 충격실험을 수행하는 것이 향후에 필요할 것으로 사료된다. 아울러, 향후 수행될 이러한 연구의 참고 자료 중 하나로 본 연구의 결과가 활용될 수 있기를 기대한다.
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