[논문]LNG 저장탱크용 KOGAS 멤브레인 개발

오병택; 김영균; 윤인수; 서흥석; 홍성호

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.6.1203

문제 정의

멤브레인을 설계개발하여 대용량 상용 LNG 저장탱크에 적용하기 위한 필요한 기본적인 평가를 이론 및 실험에 의해 수행한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.
및 시공기술의 국산화를 통한 자체적인 탱크 설계 필요성이 증대되고 있다. 본 논문에서는 현재까지 실행된 기술개발 성과 중 멤브레인의 설계와 해석 및 실험에 의한 멤브레인 안전성을 확인하는 데 중점을 두었다.
8은 바닥과 연결된 일부분의 유한요소 모델을 소개하고 있다. 본 해석은 앞서 설명된 바와 같이 실제 Pilot LNG저장탱크의 코너및 바닥 멤브레인을 해석한 것으로, 코너 멤브레인의 실제 적용 시 거동과 바닥 멤브레인의 고정점 설정을 목적으로 수행되었다. 해석 결과는 Fig.

제안 방법

(1) 유한요소 해석을 통하여 온도 및 압력 부하에 안정적인 변형 특성을 나타내는 멤브레인 요소 (벽체, 코너 및 바닥 멤브레인)를 최적 설계하였다.
멤브레인 주름부에서 Fig. 13과 같은 피로시험 편을 채취하여 상온 및 -162。C 환경에서 피로시험을 실시하였다. 하중 조건은 변위제어에 의한 일정 변형량을 파단시까지 반복부하하여 파단 사이클을 구하였으며, 이때 변형량이 집중되는 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정 하였다.
5(b)는 응력분포를 나타낸다. 가상의 가혹한 조건을 부여하기 위해 벽체단열재 쪽으로 변위를 자유롭게 풀어준 상태에서 해석을 수행하였고, 각 고정점에서의 반력은 Table 2에 정리한 바와 같다. 결과로부터, 멤브레인 유니트의 열수축에 의한 고정점에서의 반력은 실험을 통해 고정점 이 견디는 편하중의 최대크기가 1.
가상의 가혹한 조건을 부여하기 위해 벽체단열재 쪽으로 변위를 자유롭게 풀어준 상태에서 해석을 수행하였고, 각 고정점에서의 반력은 Table 2에 정리한 바와 같다. 결과로부터, 멤브레인 유니트의 열수축에 의한 고정점에서의 반력은 실험을 통해 고정점 이 견디는 편하중의 최대크기가 1.6톤임을 감안할 때, 양호하며 위의 결과를 바탕으로 고정점(Anchor point) 크기를 설계하고, 건설중인 Pilot LNG 저장탱크에 적용하였다.
않다. 그러므로 ASME의 코드를 기본으로 일본에서 제정한 LNG저장탱크 저조 지침®(RPIS) 을 기준으로 벽체 멤브레인®'과 코너 멤브레인에 대한 실험을 실행하여 멤브레인 주름의 변형거동 안전성 및 피로강도를 확인하였다.
다음 단계로 위의 과정을 통해 설계된 벽체 멤브레인이 실제로 적용되어 LNG의 방출과 충전을반복하는 과정을 해석하였다. 멤브레인 유니트 중간 부분에 LNG와 NG의 경계면이 존재하고, 이를 유한요소 모델의 경계 조건으로 부여하여 해석을 실행한 결과는 Fig.
재료 자체의 탄성과 주름의 특성으로 열수축을 흡수한다고 해도 발생하는 변형률이 1E-02의 비교적 큰값을 나타내므로, 추가적인 피로시험을 통해 안전성을 판단해야 하는 부분으로 사료되어 실험을 실시하였으며, 시제품을 사용한 실제 실험에서는 우수한 피로수명을 나타내었다. 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 코너멤브레인, 그리고 벽체 멤브레인 일부를 모델링한 유한 요소 모델을 사용하였다. Fig.
각 면은 대칭 조건을 부여하였고, 열적 특성을 고려하여 고정점은 1개의 절점(Node)을 고정시켰다. 위의 방법을 각 모델에 대해 반복적으로 사용하여, 최종적인 주름형상과 주름 간격 등을 정하였으며, 상온으로부터 -162°C 즉 , A T=190°C 조건을 적용하여 ASME Best Fit Curve에서 무한 수명이 예상되는, 응력 약 300MPa, 변형률 3E-03 정도의 최적 모델을 설계하였다.
코너 멤브레인의 경우 바닥 멤브레인과 벽체 멤브레인을 연결시키는 부위이므로 코너 멤브레인 유니트만을 사용하여 경계면에 대칭 조건을 부여할 수 없는 특징이 있어, 코너멤브레인에 바닥과 벽체 멤브레인을 연결한 모델을 사용하여최적의 코너 멤브레인 형태를 찾아내는 방법을 사용하였다. Fig.
13과 같은 피로시험 편을 채취하여 상온 및 -162。C 환경에서 피로시험을 실시하였다. 하중 조건은 변위제어에 의한 일정 변형량을 파단시까지 반복부하하여 파단 사이클을 구하였으며, 이때 변형량이 집중되는 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정 하였다. 멤브레인 주름부의 소형 시험 편을 이용한 피로 시험 결과를 Fig.
해석을 통해 최적화된 형상으로 금형을 제작하여 실제 멤브레인을 생산하였다. Fig.

대상 데이터

0과 MSC/NASTRAN₇₀.7。] 사용되었으며, 유한 요소의 크기는 대략 4mtn의 사각형 셸 요소(Shell element)를 기본으로 사용하였다.
멤브레인형 LNG 저장탱크에 주로 사용되는 STS304 판재를 사용하였으며, 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다.

데이터처리

사용된 STS304의 물성 값(Material Properties)은응력-변형률 선도로 입력되었으며, 따라서 해석은 재료의 비선형성을 고려한 Non-linear Analysis를 수행하였다. Fig.

성능/효과

(2) 설계형상을 바탕으로 실제 금형가공에 의해 제작한 각 멤브레인 유니트에 대해 온도 및압력 하중을 부하하여, RPIS기준에 의한 변형거동과 불안전 붕괴에 대한 안전성을 확인하였다. (3) 소성가공에 의한 재질 변화가 피로강도에 미치는 영향은 소형 시험편을 직접 제작하여 실험을 수행한 결고}, 가공이 피로 강도에 미치는 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다.
확인하였다. (3) 소성가공에 의한 재질 변화가 피로강도에 미치는 영향은 소형 시험편을 직접 제작하여 실험을 수행한 결고}, 가공이 피로 강도에 미치는 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다.
Cool-down 과정은 탱크의 수명 연한 동안 해마다 1회씩 반복하게 되는데 해석 결과 코너멤브레인에서 고 변형률이 발생하므로 이 부분에 대한 피로시험이 필요하였으며 이미 언급한 대로 실제 실험을 수행한 결과, 우수한 피로 수명을 나타내었다. 따라서, 유한요소 해석을 통해 최적화된 KOGAS 멤브레인은 실제 제작 및 실험을 통해, 기준에 만족하는 결과를 얻었으며, 이를 Pilot LNG 저장탱크에 적용하여 실용화 가능성을 입증하였다.
하중 조건은 변위제어에 의한 일정 변형량을 파단시까지 반복부하하여 파단 사이클을 구하였으며, 이때 변형량이 집중되는 부위에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정 하였다. 멤브레인 주름부의 소형 시험 편을 이용한 피로 시험 결과를 Fig. 14와 같이 모재에 대한 ASME Best Fit Curve와 비교도시한 결과 주름 부에서도 충분한 피로 수명을 가지고 있음을 확인할 수 있어 멤브레인 주름부의가공에 의한 영향이 크지 않음을 확인할 수 있다.
해석 결과 코너 멤브레인의 취약부는 예상과 같이 바닥에서 벽체로 연결되는 3중 주름 부분으로 이 부분에서 최대 응력과 최대 변형률이 발생한다. 재료 자체의 탄성과 주름의 특성으로 열수축을 흡수한다고 해도 발생하는 변형률이 1E-02의 비교적 큰값을 나타내므로, 추가적인 피로시험을 통해 안전성을 판단해야 하는 부분으로 사료되어 실험을 실시하였으며, 시제품을 사용한 실제 실험에서는 우수한 피로수명을 나타내었다. 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 코너멤브레인, 그리고 벽체 멤브레인 일부를 모델링한 유한 요소 모델을 사용하였다.

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