열저항 효과를 고려한 $9\\%$ 니켈강재식 LNG 저장탱크의 누설 안전성에 관한 연구 On the Leakage Safety Analysis of $9\\%$ Nickel Type LNG Storage Tank with Thermal Resistance Effects원문보기
본 연구에서는 $9\%$ 니켈강재식 LNG저장탱크에 대한 누설 안전성을 여러 가지 단열재와 코너 프로텍션, PC 구조물 사이에 존재하는 열저항 평형온도 효과를 고려하여 유한요소법으로 해석하였다. FEM 계산결과에 따르면, 파이버 글라스 블랑켓, 펄라이트 파우더, 셀루러 글라스 단열재 등은 재질의 취약한 강도 때문에 누설 LNG에 의한 하중이 가해지면 단열재 자체가 파손되므로 누설 안전성을 보장할 수 없게 된다. 그러나, 내부탱크와 단열재가 동시에 파손되어도 $9\%$ 니켈강재로 제작된 코너 프로텍션(CP) 예응력 콘크리트(PC)구조물의 외부탱크는 LNG의 복합하중에 대하여 강도 안전성을 확보하고 있으므로, 누설 LNG를 최소한 10일 정도는 안전하게 체류시킬 수 있다. 따라서, $9\%$ 니켈강제식 LNG 저장탱크 시스템은 이들 두 가지 구조물에 의해 누설 안전성이 확보된다.
본 연구에서는 $9\%$ 니켈강재식 LNG저장탱크에 대한 누설 안전성을 여러 가지 단열재와 코너 프로텍션, PC 구조물 사이에 존재하는 열저항 평형온도 효과를 고려하여 유한요소법으로 해석하였다. FEM 계산결과에 따르면, 파이버 글라스 블랑켓, 펄라이트 파우더, 셀루러 글라스 단열재 등은 재질의 취약한 강도 때문에 누설 LNG에 의한 하중이 가해지면 단열재 자체가 파손되므로 누설 안전성을 보장할 수 없게 된다. 그러나, 내부탱크와 단열재가 동시에 파손되어도 $9\%$ 니켈강재로 제작된 코너 프로텍션(CP) 예응력 콘크리트(PC)구조물의 외부탱크는 LNG의 복합하중에 대하여 강도 안전성을 확보하고 있으므로, 누설 LNG를 최소한 10일 정도는 안전하게 체류시킬 수 있다. 따라서, $9\%$ 니켈강제식 LNG 저장탱크 시스템은 이들 두 가지 구조물에 의해 누설 안전성이 확보된다.
In this study, the FE analysis has been presented for the leakage safety of $9\%$ nickel type LNG storage tank based on the thermal resistance effects between insulation panels, comer protection and prestressed concrete(PC) structures. The FEM calculated results show that the leakage safe...
In this study, the FE analysis has been presented for the leakage safety of $9\%$ nickel type LNG storage tank based on the thermal resistance effects between insulation panels, comer protection and prestressed concrete(PC) structures. The FEM calculated results show that the leakage safety of fiber glass blanket, perlite powder and cellular glass insulators does not guarantee any more due to a strength failure of the insulation structure. But the corner protection and PC structure of outer tank may delay or sustain the leaked LNG of 10 days even though the inner tank and insulation structure are simultaneously failed. This means that $9\%$ nickel steel type LNG storage tank may be safe because of a high strength of the corner protection and outer tank structures.
In this study, the FE analysis has been presented for the leakage safety of $9\%$ nickel type LNG storage tank based on the thermal resistance effects between insulation panels, comer protection and prestressed concrete(PC) structures. The FEM calculated results show that the leakage safety of fiber glass blanket, perlite powder and cellular glass insulators does not guarantee any more due to a strength failure of the insulation structure. But the corner protection and PC structure of outer tank may delay or sustain the leaked LNG of 10 days even though the inner tank and insulation structure are simultaneously failed. This means that $9\%$ nickel steel type LNG storage tank may be safe because of a high strength of the corner protection and outer tank structures.
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문제 정의
또한, PP와 코너 프로텍션(CP)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT?의 온도차가, CP와 셀 루러 글라스(CG)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT3의 온도차가, CG와 예응력 콘크리트(PC)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT, 의 온도차가 각각 발생한다고 가정한다. 결국, 내부탱크의 파손에 따른 누설 안전성 해석에 FGB, PP, CP, CG, PC 구조물의 열전도 특성과 이들 구조물 사이의 접촉 경계면에서 지연되는 열저항 유동 문제를 고려함으로써 누설 안전성 해석 데이터의 신뢰성을 높이고자 하였다.
내부탱크 파손에 따른 누설 LNG는 외부로 방출하게 되는데, 이것을 이론적으로 직접 규명할 수 없으므로, 근사치 해석법으로 본 연구에서는 열저항 유동 해석법 이 고려된 열평형 유동 해석법을 도입하고자 한다. 즉, 누설을 열유동 평형 온도 측면에서 보면, -1701의 LNG가 단열재나 콘크리트를 통과하여 외부탱크의 외측면에서 -170℃의 온도가 감지되면 누설은 실제로 발생하였 다는 것이다.
그렇다면, 누설 LNG에 대한 안전성 고찰은 CP가 있는 지역에 대한 누설 안전성을 우선적으로 검토하는 것이 보다 합리적이라 생각된다. 따라서, 본 연구에서는 LNG 저장탱크 시스템의 누설 안전성을 탱크의 하단부에 설치된 5.1 m 높이의 CP를 중심으로 유한요소해석을 수행하고자 한다.
그렇다고 단열재와 코너 프로텍션 (CP), PC 구조물을 통과하는 누설 현상에 대해 해석적으로 모델링할 수 있는 방법도 아직은 없다. 따라서, 본 연구에서는 LNG 저장탱크에서 일어날 수 있는 누설문제를 열평형 온도 해석법으로 예측하고자 한다.
즉, 접촉공간에 의한 열저항 효과를 고려하여 누설 안전성을 해석함으로써 보다 엄밀한 결과치를 얻고자 하였다. 따라서, 본 연구에서는 열저항 평형 온도 개념과 유한요소해석을 연계한 9% 니켈강재식 저장탱크 시스템에 대한 누설 안전성을 해석하고자 한다.
본 연구에서는 코너 프로텍션(CPF] 있는 저장탱크의 하단부에 대한 누설 안전성 문제를 비선형 유한요 소해석 프로그램 MARC[3]로 검증하고자 한다.
9% 니켈강재식 내부탱크에 걸리는 모든 하중은 멤 브레인식 내부탱크처럼 외부탱크로 전달하는 것이 아니고 스스로 담당하는 자립형으로 강도 안전성을 독립적으로 확보하고 있다. 이러한 특성을 갖는 저장탱크에서 만약 사고가 발생하였다는 가정을 할 경우, 단열재와 외부탱크에 의해 차단될 수 있는 시스템의 누설 안 전성 문제를 해석하고자 한다.
본 연구에서는 기존 연구(2)와는 다르게 단열재, 코너 프로텍션, PC 구조물은 조립과정에서 항상 접촉공간이 존재한다는 사실을 고려하였다. 즉, 접촉공간에 의한 열저항 효과를 고려하여 누설 안전성을 해석함으로써 보다 엄밀한 결과치를 얻고자 하였다. 따라서, 본 연구에서는 열저항 평형 온도 개념과 유한요소해석을 연계한 9% 니켈강재식 저장탱크 시스템에 대한 누설 안전성을 해석하고자 한다.
여기서 열평형 누설 해석법은 내부탱크에 저장된 -17CTC(설계온도)의 LNG가 단열재, 코너 프로텍션, 외 부탱크 등의 벽면을 따라 외부로 빠져나가는 시간, 즉 열평형에 도달하는 시간을 예측하여 누설 안전성을 예측하는 것이다. 탱크의 측벽면 두께를 통과하는 열유동 해석에서 평형온도에 도달하는 시간을 예측하여 누설에 걸리는 시간을 해석적으로 추정하고자 한다.
가설 설정
9% 니켈강재로 제작된 내부탱크가 파손되면서 발생되는 LNG 저장탱크의 누설 안전성을 고찰하기 위해서 단열재, 코너 프로텍션, 예응력 콘크리트(PC) 재질이 균일하다는 가정을 하였고, 열저항 평형 온도 해석을 고려한 FEM으로 LNG 저장탱크의 누설 안전성을 고찰 하였다. 여기서 단열재인 파이버 글라스 블랑켓, 펄라이트 파우더, 셀루러 글라스와 9% 니켈강재로 제작된 코너 프로텍션, 예응력 콘크리트 구조물 모두가 누설 LNG에 의해 발생되는 모든 복합하중을 안전하게 담당 한다는 가정을 하고, 누설 안전성 문제를 해석하였다.
Fig. 3(a)에서 보여준 것처럼 9% 니켈강재로 제작된 내부탱크가 파손되면서 FGB 단열재가 누설 LNG의 모든 하중을 담당할 것이라는 가정을 하고, -17CTC의 초 저온 액체가 외부로 빠져나가는 열유동 평형온도를 해석하였다.
Fig. 3(b)에서 보여준 것처럼 파이버 글라스 블랑켓 (FGB) 단열재가 누설 LNG의 액압과 초저온 하중과 같은 복합하중에 의해 파손되면서 펄라이트 파우더(PP) 단열재에 의해 모든 하중이 지지된다는 가정을 하고, -1701의 초저온 액체가 벽면을 따라서 빠져나가는 열 유동 평형온도를 해석하였다.
결국, Fig. 3의 파손 프로세스를 따라서 해석한 누설 안전성은 단열재, 코너 프로텍션, 콘크리트 구조물 모두가 강도 측면에서 누설 LNG의 복합하중을 담당할 수 있다는 가정을 하면, LNG 저장탱크 시스템의 누설 안전성은 충분하다는 해석 데이터를 확보할 수 있다. 그러나, 단열재 구조물은 강도가 대단히 취약하기 때문에 누설 LNG에 의해 파손되므로 누설 안전성은 보장 할 수 없다.
여기서 단열재인 파이버 글라스 블랑켓, 펄라이트 파우더, 셀루러 글라스와 9% 니켈강재로 제작된 코너 프로텍션, 예응력 콘크리트 구조물 모두가 누설 LNG에 의해 발생되는 모든 복합하중을 안전하게 담당 한다는 가정을 하고, 누설 안전성 문제를 해석하였다. 누설 LNG와 접촉하는 단열재나 구조물의 누설 안전 성을 검토하기 위해서 여러가지 파손 프로세스를 가 정하였다. 즉, 9% 니켈강재식 LNG 저장탱크에서 내부 탱크가 파손되었다는 가정할 경우 누설 안전성은 단열재, 코너 프로텍션, 콘크리트 구조물 모두가 누설 LNG의 복합하중을 담당할 수 있다는 가정을 하면, LNG 저장 탱크 시스템의 누설 안전성은 충분하다는 해석결과를 확보할 수 있다.
본 연구에서는 LNG와 직접 접촉하는 쉘(shell)의 두께 25.1 mm를 갖는 9% 니켈강재식 내부탱크 구조물이 파손되었다는 가정을 한다. 그 이후로 내부탱크를 벗어 난 누설 LNG가 단열재 구조물을 파손하고, 2차로 9% 니켈강재의 코너 프로텍션을 파손하고, 마지막으로 PC 구조물을 파괴하면서 저장탱크의 파손 시나리오는 종료된다.
본 연구에서는 기존 연구(2)와는 다르게 단열재, 코너 프로텍션, PC 구조물은 조립과정에서 항상 접촉공간이 존재한다는 사실을 고려하였다. 즉, 접촉공간에 의한 열저항 효과를 고려하여 누설 안전성을 해석함으로써 보다 엄밀한 결과치를 얻고자 하였다.
9% 니켈강재로 제작된 내부탱크가 파손되면서 발생되는 LNG 저장탱크의 누설 안전성을 고찰하기 위해서 단열재, 코너 프로텍션, 예응력 콘크리트(PC) 재질이 균일하다는 가정을 하였고, 열저항 평형 온도 해석을 고려한 FEM으로 LNG 저장탱크의 누설 안전성을 고찰 하였다. 여기서 단열재인 파이버 글라스 블랑켓, 펄라이트 파우더, 셀루러 글라스와 9% 니켈강재로 제작된 코너 프로텍션, 예응력 콘크리트 구조물 모두가 누설 LNG에 의해 발생되는 모든 복합하중을 안전하게 담당 한다는 가정을 하고, 누설 안전성 문제를 해석하였다. 누설 LNG와 접촉하는 단열재나 구조물의 누설 안전 성을 검토하기 위해서 여러가지 파손 프로세스를 가 정하였다.
누설된 LNG가 접하고 있는 파이버 글라스 블랑켓(FGB)에 Tlng = T70℃의 온 도하중이 가해지면, FGB와 펄라이트 파우더 (PP)의 경계 접촉면에서 전도 열저항에 의해 △[의 온도차가 발생한다. 또한, PP와 코너 프로텍션(CP)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT?의 온도차가, CP와 셀 루러 글라스(CG)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT3의 온도차가, CG와 예응력 콘크리트(PC)의 경계 접촉면에서는 전도 열저항에 의해 AT, 의 온도차가 각각 발생한다고 가정한다. 결국, 내부탱크의 파손에 따른 누설 안전성 해석에 FGB, PP, CP, CG, PC 구조물의 열전도 특성과 이들 구조물 사이의 접촉 경계면에서 지연되는 열저항 유동 문제를 고려함으로써 누설 안전성 해석 데이터의 신뢰성을 높이고자 하였다.
제안 방법
Fig. 3(d)에서 보여준 것처럼 코너 프로텍션(CP)이 누설 LNG의 복합하중에 의해 파손되면서 셀루러 글라스(CG) 구조물에 의해 모든 하중이 지지된다는 가정을 하고, -170。(2의 LNG가 벽면을 따라 빠져나가는 열유동 평형온도를 해석하였다.
Fig. 3(c)에서 보여준 것처럼 펄라이트 파우더(PP) 단열재가 누설 LNG의 복합하중에 의해 파손되면서 코너 프로텍션(CP) 구조물에 의해 모든 복합하중이 지지된 다는 가정을 하고, -170。(2의 초저온 액체가 벽면을 따라서 빠져나가는 열유동 평형 온도 해석을 수행하였다. 여기서 코너 프로택션(CP)은 5.
Fig. 2에서 보여주는 것처럼, 내부탱크 하단부를 구성하는 파이버 글라스 블랑켓但ber glass blanket: FGB), 펄라이트 파우더 (perlite powder: PP), 코너 프로텍션 (CP), 셀루러 글라스(cellular 이ass: CG), 예응력 콘크리 트(PC) 구조물(외부탱크)로 조립된 저장탱크 시스템에 대한 누설 안전성 해석을 수행하고자 한다. 여기서 단 열재, CP, PC 등의 구조물을 조립하는 과정에서 상호 간 접촉에 의해 형성된 공기층의 열저항 현상을 고려해야 누설 안전성에 대한 해석이 보다 엄밀해진다.
또한, 9% 니켈강재로 제작된 내부 탱크는는 -162P의 LNG 액체에 의해 접촉하기 때문에 초 저온 하중을 상시적으로 받는다. 결국, LNG 저장탱크는 LNG에 의한 액압과 초저온 하중 등을 항상 받으므 로 이들 복합하중을 동시에 고려하여 해석하였다.
유한요소해석(FEM)에서 이러한 접촉 열저항 특성을 고려할 수 없기 때문에 소재의 열특성과 공간 존재에 따른 총합 열전달 계수를 고려한 접촉면의 열저항 문제로 열유동 차단효과를 반영하였다.
대상 데이터
여기서 단 열재, CP, PC 등의 구조물을 조립하는 과정에서 상호 간 접촉에 의해 형성된 공기층의 열저항 현상을 고려해야 누설 안전성에 대한 해석이 보다 엄밀해진다. 본 연구에서 고려한 저장용량은 140, 000nr5이고, 최고액위는 28.6 m인 초대형 LNG 저장탱크이다. 최고액 위로 채워진 탱크에 걸리는 유체정압은 약 0.
성능/효과
그러나, 누설 LNG의 복합하중이 CG 단열재에 가해지 게 되면 CG는 강도부족으로 금방 파손되므로 CG에 의한 LNG의 누설 안전성은 확보할 수 없다는 결론이다. 따라서, 코너 프로텍션이 파손된 모델에서는 누설 안전 성을 확보할 수 없게 된다.
여기에 외부탱크인 PC 구조물의 기계적 강도는 충분하므로 누설 안전성은 최소한 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 열저항 평형온도의 영향을 고려한 유 한요소해석 결과에 의하면, 9% 니켈강재식 LNG 저장 탱크에 대한 누설 안전성은 확보되었다 할 수 있다.
그렇지만, 9% 니켈강제로 제작된 코너 프로텍션(CP)은 강도와 누설 LNG를 체류하는 안전성을 확보할 수 있다. 여기에 외부탱크인 PC 구조물의 기계적 강도는 충분하므로 누설 안전성은 최소한 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 열저항 평형온도의 영향을 고려한 유 한요소해석 결과에 의하면, 9% 니켈강재식 LNG 저장 탱크에 대한 누설 안전성은 확보되었다 할 수 있다.
1 이까지는 체류 시키는 역할을 충분히 한다. 여기에 외부탱크인 예응력 콘크리트 구조물은 기계적 강도를 만족하므로, 누설 안 전성은 충분히 확보한 것으로 나타났다. 따라서, 9% 니 켈강재식 LNG 저장탱크의 시스템적 누설 안전성은 이론적으로 볼 때 충분한 것으로 생각된다.
누설 LNG와 접촉하는 단열재나 구조물의 누설 안전 성을 검토하기 위해서 여러가지 파손 프로세스를 가 정하였다. 즉, 9% 니켈강재식 LNG 저장탱크에서 내부 탱크가 파손되었다는 가정할 경우 누설 안전성은 단열재, 코너 프로텍션, 콘크리트 구조물 모두가 누설 LNG의 복합하중을 담당할 수 있다는 가정을 하면, LNG 저장 탱크 시스템의 누설 안전성은 충분하다는 해석결과를 확보할 수 있다. 그러나, 실제의 단열재는 강도가 대단히 취약하기 때문에 누설 LNG에 의해 모두 파손되므로 누설 안전성은 보장할 수 없다.
8은 9% 니캘강재의 CP 구조물이 파손하면서 LNG가 누설되었을 때 벽면을 따라서 발생한 열평형 온도분포를 보여주고 있다. 즉, 누설 LNG의 모든 복합 하중이 CG 단열재에 작용한다고 가정할 경우 CG-PC 구조물에 분포하는 열평형 누설 안전성을 해석한 결과이다.
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