[논문]LNG저장탱크 코너프로텍션의 설계 최적화에 관한 연구

김형식; 홍성호; 서흥석

doi:10.3795/ksme-a.2004.28.9.1384

LNG저장탱크 코너프로텍션의 설계 최적화에 관한 연구
A Study on the Design Optimization of Corner Pprotection for LNG Storage Tank 원문보기

김형식 (한국가스공사 연구개발원) , 홍성호 (한국가스공사 연구개발원) , 서흥석 (한국가스공사 연구개발원)

The full containment Liquefied Natural Gas(LNG) storage tank is based on a double liquid container concept : two separate containers, one within the other, are capable of containing the LNG. The outer concrete tank provides comer protection(secondary containment) to withstand and safely contain any spill from the inner tank. The comer protection is installed on inside corner surface of outer concrete tank. Because of high and complex stresses, corner protection is designed by ASME section ⅧI Div. 2, Appendix 4 on behalf of API 620 which is main design code for LNG tank. Design guidelines to determine design factors such as liner thickness and knuckle radius are not well understood because Appendix 4 is the design method not based on equation but FEM. Recently, the volume of LNG tank shows a tendency to increase. So it is necessary to set up the design guidelines to cope with change of LNG tank capacity and height/diameter ratio. In this paper, optimum design of corner protection was performed and the design guidelines were suggested by the results of FEM for LNG tanks which have different capacities and height/diameter ratio.

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문제 정의

하지만 최근에 LNG저장탱크가 점차 대형화 되고 있고 다양한 높이/직경 비를 갖는 탱크가 설계됨에 따라 경제성제고를 위해 최적화된 설계요소의 결정이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 KOGAS 형 코너프로텍션의 설계요소 변경에 따른 응력의 변화를 분석하여 설계 최적화를 수행함과 아울러 탱크의 대형화에 따른 설계지침을 수립하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 설계요소들 중 다음의 요소들을 변수로하여 해석하여 그 경향을 분석하였다.

제안 방법

1차하중에 의한 응력의 경우에는 전체하중에 의한 결과에서 2차하중에 의한 결과를 산술적으로 빼기를 함으로서 구하였다.
그리고 라이너가 각 해석조건에서 가스와 LNG 액압 독자적으로 지탱하거나 혹은 폼그라스와 공동으로 지탱할 수 있도록 라이너와 폼그라스 사이와 2차바닥과 콘크리트스크리드 사이 일부에 하중전달이 일어나도록 contact 48 요소를 삽입하였다.
그리고 해석은 먼저 전체하중을 가하여 해석한 후 다시 열하중 등 2차하중을 가해서 해석하였다. 1차하중에 의한 응력의 경우에는 전체하중에 의한 결과에서 2차하중에 의한 결과를 산술적으로 빼기를 함으로서 구하였다.
모델링시 2차바닥 및 내조바닥의 수축에 의한 변위가 코너프로텍션에 가해질 수 있도록 2차바닥과 주변 콘트리트 스크리드를 별개로 모델링하고 X, y 축 커플링을 하여 콘크리트의 온도분포에 따른 수축하중이 2차바닥에 전달되도록 하였다. 그리고 라이너가 각 해석조건에서 가스와 LNG 액압 독자적으로 지탱하거나 혹은 폼그라스와 공동으로 지탱할 수 있도록 라이너와 폼그라스 사이와 2차바닥과 콘크리트스크리드 사이 일부에 하중전달이 일어나도록 contact 48 요소를 삽입하였다.
설계 최적화 및 탱크형상(높이/직경 비)에 따른 설계가이드라인을 제시하기 위해 탱크반경, 라이너 의 두꺼】, 탑링 의 형 태, 넉 클의 반경 을 변화시키면서 약 100개의 유한요소해석모델에 대하여 해석하여 허용응력의 초과여부를 검토하였다.
3을 사용하였다. 요소는 열해석과 기계적해석이 가능한 plane 13을 사용하여 축대칭조건으로 원통형 탱크의 단면을 모델링하였다. Fig.
11에서와 같이 제시하였다. 탱크의 반경이 40m 이하에서는 시공성이 우수한 수직형 탑링이 바람직하며 40m를 초과하는 경우에는 경사형 탑링을 최적화 설계로 제시하였다. 그리고 1 차하중에 의해 최대응력이 나타나는 라이너 하부를 높이 1.

대상 데이터

한국가스공사에서 운영하고 있는 9%니켈강형 LNG 저장탱크는 완전방호식 LNG 저장탱크 (Full containment LNG storage tank)이다. 완전방호식이란 내조(inner tank) 와 외조(outer tank) 가 각각 독립적으로 LNG를 저장할 수 있는 기능을 갖는 이중구조의 탱크를 말한다.

데이터처리

해석 에 는 범용유한요소해석 프로그램 인 ANSYS 5.3을 사용하였다. 요소는 열해석과 기계적해석이 가능한 plane 13을 사용하여 축대칭조건으로 원통형 탱크의 단면을 모델링하였다.

성능/효과

(1) 멤브레인 응력인 Pm값의 경우 설계와 관계없이 주어지는 재료상수로 9%니켈강의 경우 377MPa 이다.
(2) 탱크반경이 증가할수록 코너프로텍션의 최대응력의 크기가 증가한다.
(3) 코너프로텍션의 최대응력은 2차바닥의 수축을 얼마나 넉클에서 잘 흡수하느냐에 따라 결정된다. 라이너 두께에 상관없이 0.
(4) 탱크반경 30m에서는 탑링의 형태를 수직형이나 경사형 모두 설계가 가능하였지만 점차 반경이 증가함에 따라 수직형의 경우 최대응력이 급격히 증가하여 50m에서는 코너프로텍션의 설계가 불가능하였다. 이에 비해 경사형의 경우에는 탱크반경 증가에 따른 응력의 증가가 크지 않기 때문에 탱크반경 50m까지도 경제적인 최적화 설계가 가능하였다.
라이너 두께에 상관없이 0.275m까지 넉클반경이 증가함에 따라 최대응력이 급속히 감소하였으며 이 이상의 반경에서는 최대응력이 거의 일정한 경향을 나타내었다.
먼저 탱크의 반경이 증가할수록 해석조건에 관계없이 최대 응력이 증가하는 것을 알 수 있다.

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