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금속 산업 구조물은 가장 대중적인 산업 구조물로서 여러 분야에서 기능을 수행하고 있다. 그러나 산업의 발달로 인해 이들 산업 구조물은 과거에 비해 더욱 대형화 되었으며 다양한 환경에서 노출되어 그 기능을 수행해야 한다. 선박 및 해양플랜트를 포함한 조선해양산업 관련 산업구조물 역시 이러한 흐름과 궤를 같이 하며 특히, 친환경 에너지원의 액화수송과 관련하여 극저온 환경에서의 구조물 가동이 증가할 것으로 판단된다. 따라서, 이와 관련한 구조 안전성 평가 역시 그 중요성이 부각되어야 한다.
실험을 통한 구조 안전성 평가는 가장 신뢰성이 높은 평가 방법으로 알려져 있으나, 극저온 환경과 같은 실험 환경 조성에 있어 시간 ∙ 비용 측면에서 한계점을 가지고 있다. 또한, 구조 설계와 결부시켜 보면 설계 변경 사항 발생 시 이를 실험평가에 반영하는 부분에 있어 유연한 대처가 어렵다고 판단된다.
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금속 산업 구조물은 가장 대중적인 산업 구조물로서 여러 분야에서 기능을 수행하고 있다. 그러나 산업의 발달로 인해 이들 산업 구조물은 과거에 비해 더욱 대형화 되었으며 다양한 환경에서 노출되어 그 기능을 수행해야 한다. 선박 및 해양플랜트를 포함한 조선해양산업 관련 산업구조물 역시 이러한 흐름과 궤를 같이 하며 특히, 친환경 에너지원의 액화수송과 관련하여 극저온 환경에서의 구조물 가동이 증가할 것으로 판단된다. 따라서, 이와 관련한 구조 안전성 평가 역시 그 중요성이 부각되어야 한다.
실험을 통한 구조 안전성 평가는 가장 신뢰성이 높은 평가 방법으로 알려져 있으나, 극저온 환경과 같은 실험 환경 조성에 있어 시간 ∙ 비용 측면에서 한계점을 가지고 있다. 또한, 구조 설계와 결부시켜 보면 설계 변경 사항 발생 시 이를 실험평가에 반영하는 부분에 있어 유연한 대처가 어렵다고 판단된다.
유한요소해석과 같은 해석적 방법을 통한 구조 안전성 평가는 실험 평가를 보완 또는 일부 대체할 수 있는 대안으로 알려져 있으며, 실제 선박 및 해양플랜트 설계 및 건조에 있어 구조 해석 결과가 일부 활용되고 있다. 일반적으로 구조 해석은 재료의 기계 물성 (탄성계수, 항복응력 등)을 활용하여 수행되며, 대상 구조물의 하중/경계조건의 설정, 해석 결과의 분석 등 관련 해석 노하우가 중요시 되고 있다.
극저온 환경 하 산업 구조물 안전성 평가를 위한 해석적 방법의 신뢰성 확보는 대상 구조의 기하학적 특성 및 노출된 하중 환경에 대한 면밀한 분석 수행과 함께 구성 재료의 실제 거동 또는 성능 특성을 해석에 충실히 반영할 수 있는가 하는 문제로 귀결된다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 극저온용 금속 재료는 극저온 환경에서 일반 금속 재료와 상이한 거동, 파손 특성을 가지므로 이를 반영한 해석 평가 기법의 개발이 필요하다.
본 연구에서는 금속 재료의 극저온 환경 하 거동, 파손 특성을 모사하는 역학모델을 기반으로 한 구조 성능 평가 방법을 제안한다. 특히, 조선해양산업 분야의 친환경 에너지원 액화수송 관련 구조에 널리 활용되는 극저온용 재료를 대상으로 이의 정적, 피로 하중 하 파손 문제를 연구 범위로 한다. 그 연구 내용에 대하여 기술하면 다음과 같다.

(1) 재료 거동 특성: 슈퍼듀플렉스강의 저온 환경 하 재료 거동 및 파손 특성을 실험 평가를 통해 규명한다. 특히, 인위적 열처리를 통해 석출된 금속간 화합물 및 화합물 상에 발생하는 미시균열의 재료 거동에의 영향을 분석한다. 전자주사현미경 등을 활용한 미시구조 분석을 통해 저온 환경에서의 슈퍼듀플렉스강의 거동 특성 영향 인자를 규명한다.

(2) 정적 파손 문제: 오스테나이트계 스테인리스강의 정적 하중 하 파손을 수치적으로 평가한다. 수치기법의 검증을 위한 대상 재료의 파괴 인성 시험을 수행하며, 파손 모사를 위한 재료 점소성 구성방정식 및 손상발전방정식을 소개한다. 이의 유한요소해석에서의 활용을 위해 재료 구성방정식을 아바쿠스 사용자 지정 서브루틴에 탑재하고 서브루틴을 활용한 파괴 인성 시험의 수치 시뮬레이션을 수행하여 이를 실험 결과와 비교한다.

(3) 피로 파손 문제: 7퍼센트 니켈강의 피로 하중 하 파손을 수치적으로 평가한다. 검증을 위한 피로균열진전 시험을 수행하며, 파손 모사를 위한 수치기법을 소개한다. 개발 서브루틴을 활용한 피로균열진전 시험 수치 시뮬레이션을 수행하여 이를 실험 결과와 비교한다.

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