[논문]LNG 저장탱크용 멤브레인 개발을 위한 유한요소해석

오병택; 김영균; 홍성호; 윤인수; 서흥석

LNG 저장탱크용 멤브레인 개발을 위한 유한요소해석
The FEM Analysis of Membrane for LNG Storage Tank 원문보기

오병택 (한국가스공사 연구개발원) , 김영균 (한국가스공사 연구개발원) , 홍성호 (한국가스공사 연구개발원) , 윤인수 (한국가스공사 연구개발원) , 서흥석 (한국가스공사 연구개발원)

멤브레인은 LNG온도에 따른 열수축과 팽창을 흡수하는 주름을 가지고 있는 스테인레스판으로 저장탱크 내부에 설치된다. 유한요소 해석법을 적용하여 LNG저장탱크용 멤브레인을 개발하였다. 액압 및 온도 하중 조건에 따른 멤브레인 주름부의 변형 거동 특성 및 강도 그리고 앵커 고정부의 반력을 구하였고 이 해석 데이터를 바탕으로 멤브레인의 안정성과 피로강도를 확인하였다.

Analytical studies have been performed to investigate the strength of the membrane and the reaction force at the anchor point. Using nonlinear FEM code and experiments, the stress analysis of the corrugated membrane related the cryogenic liquid pressure and thermal loading is performed to ensure the stability and fatigue strength of the membrane. This paper reports on the FEM results of membrane.

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문제 정의

멤브레인을 개발, 설계하여 대용량 상용 LNG 저장탱크에 적용하기 위해 필요한 기본적인 평가를 이론 및 실험에 의해 수행하였다. 먼저 이론적으로는 유한요소해석을 통해 온도 및 압력 부하에 안정적인 변형 특성을 나타내는 멤브레인 요소 (벽체, 코너 및 바닥 멤브레인)을 최적 설계하였으며, 이러한 설계 형상을 바탕으로 실제 금형 가공에 의해 제작한 각 멤브레인 유니트에 대해 온도 및 압력 하중을 부하하여, RPIS기준에 의해, 변형거동과 불안전붕괴에 대한 안전성을 확인하였다.
멤브레인은 각 회사별로'고유의 형상을 갖는 모델에 대한 특허권을 보유하고 있으며, 한국가스공사⑸에서는 1997년, 프랑스 국제특허를 획득하였으며, 현재에는 새로운 모델에 대한 해석과 실험을 통한 개발을 완료하여 Pilot LNG 저장탱크에 적용하여 안전성을 확보하는 작업이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 현재까지 실행된 기술개발 성과 중 벽체 및 코너 멤브레인을 실험에 의한 안전성을 확인하는데 중점을 두었다.
본 해석은 앞서 설명된 바와 같이 실제 Pilot LNG저장탱크의 코너 및 바닥 멤브레인을 해석한 것으로, 코너 멤브레인의 실제 적용시 거동과 바닥 멤브레 인의 고정점 설정을 목적으로 수행되었다. 해석 결과는 Fig.
따라서, 코너 및 바닥 멤브레인은 LNG의 방출과 충전에 따른 액압력의 반복하중에 안전성을 보여야 하며, 충분한 정적강도와 피로수명을 가져야 한다. 이러한 요구조건에 적합하도록 멤브레인을 개발하였다.KOGAS 코너 멤브레인은 멤브레인을 관통하는 3개의 주름으로 형성되어 바닥 멤브레인과 벽체 멤브레인을 연결시키는 구조를 가지며, 코너 멤브레인 사이는 특수한 장비로 외부 콘크리트에 고정된다.

제안 방법

다음 단계로 위의 과정을 통해 설계된 벽체 멤브레인이 실제로 적용되어 LNG 의 방출과 충전을 반복하는 과정을 해석하였다: 멤브레인 유니트 중간부분에 LNG와 NG의 경계면이 존재하고 "이를 유한요소 모델의 경계조건으로 부여하'여 해석을 실행한 결과는 Fig.3과 같다. Fig.
가혹한 조건을 부여하기 위해 벽체 단열재쪽으로 변위를 자유롭게 풀어준 상태에서 해석을 수행하였고, 각 고정점에서의 반력은 Table 2에 정리한 바와 같다.
수행하였다. 먼저 이론적으로는 유한요소해석을 통해 온도 및 압력 부하에 안정적인 변형 특성을 나타내는 멤브레인 요소 (벽체, 코너 및 바닥 멤브레인)을 최적 설계하였으며, 이러한 설계 형상을 바탕으로 실제 금형 가공에 의해 제작한 각 멤브레인 유니트에 대해 온도 및 압력 하중을 부하하여, RPIS기준에 의해, 변형거동과 불안전붕괴에 대한 안전성을 확인하였다. 또한 소성가공에 의한 재질 변화가 피로강도에 미치는 영향은 소형 시험편을 직접 제작하여 실험을 수행한 결과, 가공이 피로강도에 미치는 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다.
재료 자체의 탄성과 주름의 특성으로 열수축을 흡수한다고 해도 발생하는 응력과 변형률의 크기로 볼 때, 추가적인 피로 실험을 통해 안전성을 판단해야 하는 부분으로 사료되어 실험을 실시하였으며, 실험결과 우수한 피로수명을 보였다. 본 해석은 실제 제작에 앞서 코너 멤브레인의 최적 형태를 찾아내는 과정에 중점을 두고 실행되었으므로 좀 더 현실적인 해석을 위해 Pilot LNG저장탱크의 전체 바닥 멤브레인과 연결되는 코너 멤브레인, 그리고 벽체 멤브레인 일부를 모델링한 유한요소 모델을 사용하였다. Fig.
위의 결과로부터 알 수 있는 것은 멤브레인 유니트의 열수축에 의한 고정점에서의 반력은 양호하며, 위의 결과를 바탕으로 고정점(Anchor point) 크기를 설계하고, 이를 적용하였다
각 면은 대칭조건을 부여하였고, 열적특성을 고려하여 고정점은 1 개의 절점(Node)을 고정시켰다. 위의 방법을각 모델에 대해 반복적으로 사용하여, 최종적인 주름 형상과 주름간격 등을 정하였으며, 상온으로부터 -162℃ 즉, JT=190℃ 조건을 적용하여 응력은 약 300MPa, 변형률은 3E-03 정도의 최적모델을 설계하였다.
코너 멤브레인의 경우 바닥 멤브레인과 벽체 멤브레인을 연결시키는 부위이므로 코너 멤브레인 유니트만을 사용하여 경계면에 대칭조건을 부여할 수 없는 특징이 있어, 코너 멤브레인에 바닥과 벽체 멤브레인을 연결한 모델을 사용하여 최적의 코너 멤브레인 형태를 찾아내는 방법을 사용하였다. Fig.

대상 데이터

멤브레인형 LNG저장탱크에 주로 사용되는 STS304 판재를 사용하였으며, 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다.
해석은 MSCZPATRAN₈.04 MSC/NASTRAN₇₀.7이 사용되었으며, 유한요소의 크기는 대략 4mm의 사각형 쉘요소(Shell element)를 기본으로 사용하였다.

데이터처리

사용된 STS3042] 물성값(Material Properties)은 응력-변형률 선도로 입력되었으며, 따라서 해석은 재료의 비선형성을 고려한 Non-linear Analysis를 수행하였다. Fig.

성능/효과

먼저 이론적으로는 유한요소해석을 통해 온도 및 압력 부하에 안정적인 변형 특성을 나타내는 멤브레인 요소 (벽체, 코너 및 바닥 멤브레인)을 최적 설계하였으며, 이러한 설계 형상을 바탕으로 실제 금형 가공에 의해 제작한 각 멤브레인 유니트에 대해 온도 및 압력 하중을 부하하여, RPIS기준에 의해, 변형거동과 불안전붕괴에 대한 안전성을 확인하였다. 또한 소성가공에 의한 재질 변화가 피로강도에 미치는 영향은 소형 시험편을 직접 제작하여 실험을 수행한 결과, 가공이 피로강도에 미치는 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다. 따라서, 유한요소해석을 통해 최적화된 KOGAS 멤브레인은 실제 제작 및 실험을 통해, 기준에 만족하는 결과를 얻었으며, 이를 적용한 Pilot LNG 저장탱크가 시공중에 있다.
재료 자체의 탄성과 주름의 특성으로 열수축을 흡수한다고 해도 발생하는 응력과 변형률의 크기로 볼 때, 추가적인 피로 실험을 통해 안전성을 판단해야 하는 부분으로 사료되어 실험을 실시하였으며, 실험결과 우수한 피로수명을 보였다. 본 해석은 실제 제작에 앞서 코너 멤브레인의 최적 형태를 찾아내는 과정에 중점을 두고 실행되었으므로 좀 더 현실적인 해석을 위해 Pilot LNG저장탱크의 전체 바닥 멤브레인과 연결되는 코너 멤브레인, 그리고 벽체 멤브레인 일부를 모델링한 유한요소 모델을 사용하였다.

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