댐핑안전 구조물을 고려한 완전밀페식 LNG 저장탱크 시스템의 강도안전성에 관한 유한요소해석 FE Analysis on the Strength Safety of a Full Containment LNG Storage Tank System with Damping Safety Structures원문보기
본 논문에서는 유한요소법을 사용하여 댐핑안전 구조물을 설치한 완전밀폐식 LNG 저장탱크 시스템의 강도안전성에 대해 해석하였다. 내부탱크의 FEM 해석을 위해, 탱크에 저장된 LNG에 의한 유체정압, 초저온 온도하중, BOG 압력, LNG 자중량, 내부탱크의 코너 측벽면에 가해진 침하하중 등과 같은 모든 복합하중을 내부탱크 구조물에 적용하였다. FEM 계산결과에 의하면 기존의 내부탱크는 주어진 모든 하중 조건에 대하여 안전하지만, 압축 스프링과 같은 댐핑안전 구조물은 탱크시스템의 안전성을 확보하는데 대단히 유용한 구조물일 것이라는 사실이다. 따라서 스프링의 강점도를 높이고 최적의 설치위치를 찾으면 스프링 구조물에 의해 탱크시스템의 댐핑강도 안전성을 증가시킬 수 있는 중요한 설계요소가 될 것이다.
본 논문에서는 유한요소법을 사용하여 댐핑안전 구조물을 설치한 완전밀폐식 LNG 저장탱크 시스템의 강도안전성에 대해 해석하였다. 내부탱크의 FEM 해석을 위해, 탱크에 저장된 LNG에 의한 유체정압, 초저온 온도하중, BOG 압력, LNG 자중량, 내부탱크의 코너 측벽면에 가해진 침하하중 등과 같은 모든 복합하중을 내부탱크 구조물에 적용하였다. FEM 계산결과에 의하면 기존의 내부탱크는 주어진 모든 하중 조건에 대하여 안전하지만, 압축 스프링과 같은 댐핑안전 구조물은 탱크시스템의 안전성을 확보하는데 대단히 유용한 구조물일 것이라는 사실이다. 따라서 스프링의 강점도를 높이고 최적의 설치위치를 찾으면 스프링 구조물에 의해 탱크시스템의 댐핑강도 안전성을 증가시킬 수 있는 중요한 설계요소가 될 것이다.
This paper presents the finite element analysis on the strength safety of a full containment LNG storage tank system with damping safety structures. For the FEM analysis of the inner tank, the combined loads in which are related to a hydrostatic pressure, a cryogenic temperature load, BOG pressure, ...
This paper presents the finite element analysis on the strength safety of a full containment LNG storage tank system with damping safety structures. For the FEM analysis of the inner tank, the combined loads in which are related to a hydrostatic pressure, a cryogenic temperature load, BOG pressure, LNG weight, and a sinking force at the comer of the inner tank have been applied to the inner tank structure. The FEM computed results show that the conventional inner tank is safe for the given combined loads, but the damping safety structure such as compressive springs may be more useful structures to increase the safety of the tank system. The increased stiffness and the appropriate position of the springs are very important design parameters for increasing the damping strength safety of the tank system.
This paper presents the finite element analysis on the strength safety of a full containment LNG storage tank system with damping safety structures. For the FEM analysis of the inner tank, the combined loads in which are related to a hydrostatic pressure, a cryogenic temperature load, BOG pressure, LNG weight, and a sinking force at the comer of the inner tank have been applied to the inner tank structure. The FEM computed results show that the conventional inner tank is safe for the given combined loads, but the damping safety structure such as compressive springs may be more useful structures to increase the safety of the tank system. The increased stiffness and the appropriate position of the springs are very important design parameters for increasing the damping strength safety of the tank system.
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문제 정의
LNG 저장탱크 시스템의 구조 안전성이 아무리 우수하다고 주장해도 공학설계 구조물은 항상 완벽할 수 없으므로 지속적인 연구개발을 통해 안전성과 효율성을 개량하고 보완하는 것이다. 본 연구에서는 기존의 완전 밀폐식 LNG 저장탱크 시스템에 대한 강도안전성을 유한요소법으로 해석하고, 기존의 LNG 저장탱크의 시스템적 강도안전성을 보강하기 위해 새로운 스프링 댐핑안전 구조물을 설치하고 시스템 구조물의 강도 안전성을 증가시켜 LNG 저장탱크의 사고발생을 줄이는데 기여하고자 한다.
보완하는 것이다. 본 연구에서는 기존의 완전 밀폐식 LNG 저장탱크 시스템에 대한 강도안전성을 유한요소법으로 해석하고, 기존의 LNG 저장탱크의 시스템적 강도안전성을 보강하기 위해 새로운 스프링 댐핑안전 구조물을 설치하고 시스템 구조물의 강도 안전성을 증가시켜 LNG 저장탱크의 사고발생을 줄이는데 기여하고자 한다.
본 연구에서는 탱크무게를 받치고 있는 지반의 부등침하로 인해 내부탱크 바닥면의 압력균형이 깨졌을 경우 저장탱크의 측벽면에 스프링 안전장치를 설치하여 내부 탱크의 강도안전성을 확보하자는 것이다. 이것을 위해 내부탱크와 외부탱크 사이의 공간에 90°의 간격으로 스프링 댐퍼를 설치하여 스프링의 강성도와 설치 위치에 따른 내부탱크 구조물의 응력과 팽창 변위량 특성을 해석하여 스프링 구조물의 효용성에 대해 고찰하였다.
가설 설정
침하량 발생에 의해 발생되는 변형 거동 불안전성을 해소하기 우]해, 즉 저장탱크 시스템의 안전성 확보를 위해 내부탱크와 외부탱크를 연결하는 압축댐핑 스프링을 원주방향을 따라서 90° 간격으로 4개 설치하여 강도안전성을 보강하도록 하였다. 내부탱크와 외부탱크 사이의 단열재 공간을 통과하여 설치된 스프링은 내부탱크의 벽면에 부착할 때 단열되었다고 가정하여 내부탱크에서 전달되는 초저온온도에 의해 발생될 수 있는 스프링의 강성도 변화에 의한 강도저하를 차단하였다.
거동특성을 해석한다. 즉, 저장탱크의 바닥면과 지반 사이에 바닥면에 불균일한 하중(Fig. 3 참조)을임의로 적용하여 저장탱크가 국부적으로 약 4cm 침하한 것으로 가정한다. 침하량 발생에 의해 발생되는 변형 거동 불안전성을 해소하기 우]해, 즉 저장탱크 시스템의 안전성 확보를 위해 내부탱크와 외부탱크를 연결하는 압축댐핑 스프링을 원주방향을 따라서 90° 간격으로 4개 설치하여 강도안전성을 보강하도록 하였다.
제안 방법
3은 -162。(2의 LNG를 안전하게 저장하기 위해 완전 밀폐식 내부탱크에 작용하는 초저온 온도하중, 초저온 액체의 자중량에 의한 유체하중, BOG 발생에 의한 가스압력 등을 적용한 경계조건을 보여주고 있다. 본 유한요소해석에서는 저장탱크를 받치고 있는 지반 구조물의 부등침하로 인해 발생하는 내부탱크의 변형 거동이 비대칭적으로 발생할 것으로 예상되며, 저장 탱크의 강도안전성에 대한 신뢰성을 높이기 위해 Fig. 2에서 보여준 것과 같은 3차원 유한요소 해석모델을 사용하였다.
완전 밀폐식 LNG 저장탱크의 강도안전성을 고찰하기 위해 내부탱크 구조물에서 발생되는 응력 및 변형 거동특성을 앞에서 제시한 하중조건과 사용소재 데이터를 사용하여 해석하였다. Fig.
이것을 위해 내부탱크와 외부탱크 사이의 공간에 90°의 간격으로 스프링 댐퍼를 설치하여 스프링의 강성도와 설치 위치에 따른 내부탱크 구조물의 응력과 팽창 변위량 특성을 해석하여 스프링 구조물의 효용성에 대해 고찰하였다.
저장탱크 지반의 부등침하로 인해 탱크의 바닥 면에 작용하는 하중의 균형이 깨어진 상황에서 내부 탱크의 측벽 면의 거동특성을 해석한다. 즉, 저장탱크의 바닥면과 지반 사이에 바닥면에 불균일한 하중(Fig.
3 참조)을임의로 적용하여 저장탱크가 국부적으로 약 4cm 침하한 것으로 가정한다. 침하량 발생에 의해 발생되는 변형 거동 불안전성을 해소하기 우]해, 즉 저장탱크 시스템의 안전성 확보를 위해 내부탱크와 외부탱크를 연결하는 압축댐핑 스프링을 원주방향을 따라서 90° 간격으로 4개 설치하여 강도안전성을 보강하도록 하였다. 내부탱크와 외부탱크 사이의 단열재 공간을 통과하여 설치된 스프링은 내부탱크의 벽면에 부착할 때 단열되었다고 가정하여 내부탱크에서 전달되는 초저온온도에 의해 발생될 수 있는 스프링의 강성도 변화에 의한 강도저하를 차단하였다.
대상 데이터
본 해석에 사용된 내부탱크의 소재는 9% 니켈 강재로 물리적 특성을 Table 1에서 제시한다. 사용된 9% 니켈 강재의 항복강도는 670MPa이고, 탄성계수는 191 GPa로 다른 강재에 비해 높고, 특히 초저온 특성이 우수하기 때문에 완전밀폐식 LNG 저장탱크 제작에 적합하다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 유한요소해석 프로그램은 선형 및 비선형 해석이 가능한 MSC/MARC를 사용하였다 [5].
성능/효과
Fig. 3은 -162。(2의 LNG를 안전하게 저장하기 위해 완전 밀폐식 내부탱크에 작용하는 초저온 온도하중, 초저온 액체의 자중량에 의한 유체하중, BOG 발생에 의한 가스압력 등을 적용한 경계조건을 보여주고 있다. 본 유한요소해석에서는 저장탱크를 받치고 있는 지반 구조물의 부등침하로 인해 발생하는 내부탱크의 변형 거동이 비대칭적으로 발생할 것으로 예상되며, 저장 탱크의 강도안전성에 대한 신뢰성을 높이기 위해 Fig.
특히 탱크에 저장된 LNG에 의한유체정압을 비롯한 LNG 자중량은 탱크의 팽창거동에 큰 영향을 미치고 있다. FEM 강도해석 결과에 의하면 탱크에 걸리는 최대응력 247MPae 9% 니켈강재의 항복강도 670 MPa의 36.8% 수준으로 우수한 강도 안전성을 보여주고 있다. 그럼에도 불구하고 내부탱크의 안전성을 보강할 필요가 있다.
7은 LNG 저장탱크의 강도안전성을 보강하기 위해 스프링 댐핑안전 구조물을 내부탱크와 외부탱크 사이에 원주방향을 따라서 90° 간격으로 4개를 설치하고, 내부탱크의 측벽면에 발생하는 팽창 변위 량 분포도를 보여주고 있다. FEM 구조해석 결과에 의하면, 탱크의 팽창거동은 바닥면으로 갈수록 LNG의 유체정압과자중량에 의한 거동량이 크게 증가되면서 탱크의 중간부와 하단부로 내려갈수록 큰 팽창량이 발생되고 있음을 보여준다.
내부탱크에 별도의 스프링 안전장치를 설치하면 탱크의 반경방향 팽창 변형 량을 줄여주고, 강도를 보강하는 역할을 하고 있음을 고찰하였고, 특히 스프링 강성도와 설치위치에 따라 내부탱크 시스템의 강도 안전성을 제어할 수 있다는 가능성을 확인한 결과를 제시하였다. 따라서 LNG 저장탱크의 용량과 구조물 특성에 적합한 스프링 안전댐퍼를 최적의 작동조건으로 설계하면 대단히 우수한 LNG 저장탱크를 건설할 수 있을 것이다.
더욱이 LNG 저장탱크의 국부적인 침흐}.는 LNG 저장탱크 시스템의 토탈 강도 안전성으로 제어하면 현재의 LNG 저장탱크보다는 안전성이 우수하고, 효율적인 안전설계가 가능할 것으로 예상된다.
본 연구에서 해석한 결과에 의하면, 저장탱크의 안전성 확보에 스프링 안전댐퍼를 사용하면 우수한 강도 안전성을 확보하게 될 것이라는 가능성을 확인하였다. 이것을 위해 LNG 저장탱크에 설치되어야 하는 스프링 댐퍼의 강성도와 설치수량은 저장탱크에 걸리는 전체하중과 설치위치를 잘 선정하면 응력 및 변위량을 우수하게 제어를 할 수 있다.
상기의 해석결과를 볼 때 내부탱크에 스프링의 장착은 그 값의 크기가 미세하기는 하나 내부탱크의 반경 방향 변위 제어에 긍정적인 영향을 주고 있다는 사실을 알 수 있다.
후속연구
그러나 부등침하가 직접 작용한 위치, 즉 0。가 아닌 90。와 180。의 위치에서 예측한 팽창 변위량은 같게 나타났다. 결국은 저장탱크에서 발생된 부등 침하량은 저장탱크의 안전성에 어느 정도는 영향을 미치고 있다는 사실을 예상하는 결과로 향후 탱크의 안전설계에 활용될 수 있다.
따라서 LNG 저장탱크의 용량과 구조물 특성에 적합한 스프링 안전댐퍼를 최적의 작동조건으로 설계하면 대단히 우수한 LNG 저장탱크를 건설할 수 있을 것이다.
연구되어야 한다. 새로운 기술이 개발되면 기존의 LNG 저장탱크에 적용되어 개량되고 보완되어야 저장탱크의 생산성과 효율성, 안전성이 확보된다. 세계에서 2번째로 많은 LNG 저장탱크를 보유한 우리나라는 최근에 평택생산기기, 통영생산기기, 인천 생산기지에서 LNG 저장탱크에 관련된 크고 작은 가스누출 사고가 발생되면서 많은 위험성을 노출하고 있다[2, 3、LNG 저장탱크 관련 사고는 천재지변이나 전혀 예상치 못한 상태에서 우연하게 발생하기보다는 설계, 운전, 안전시스템 구축 등에서 문제점이 발생되고 있다는 사실을 인식해야 한다.
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