고압가스 압력용기의 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 본 연구에서 고려한 강재용기의 내압은 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$, 가스충전 최고압력 $18.6kg/cm^2$, 안전변 작동 최고압력 $24.5kg/cm^2$, 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$이다. FEM 해석결과에 의하면, 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$와 충전최고압력 $18.6kg/cm^2$에 대한 강도안전성은 가스용기에 걸리는 응력이 강재의 항복강도 이내에 있기 때문에 안전한 것으로 나타났다. 그러나 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$을 가하였을 때에 발생하는 응력은 항복강도를 충분히 넘어서기 때문에 불안전하지만, 인장강도 이내에 존재하기 때문에 아직은 안전하다. 수압시험압력을 용기에 자주 공급하면 용기는 소성변형에 의한 피로잔류응력이 특히 하단반구부에 축적되므로 파손될 수 있다. 계산결과에 의하면, 스커트 지역에 작용하는 집중하중은 하단반구부에 영향을 미치지 않지만, 용기에 서 가장 취약한 부분은 용기의 몸체와 스커트 사이에 위치한 하단반구부의 중간부분임을 알 수 있다. 따라서 하단반구부의 형상은 고압가스 저장용기 설계에서 중요한 요소라는 것을 보여주는 FEM 해석결과를 제공하고 있다.
고압가스 압력용기의 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 본 연구에서 고려한 강재용기의 내압은 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$, 가스충전 최고압력 $18.6kg/cm^2$, 안전변 작동 최고압력 $24.5kg/cm^2$, 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$이다. FEM 해석결과에 의하면, 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$와 충전최고압력 $18.6kg/cm^2$에 대한 강도안전성은 가스용기에 걸리는 응력이 강재의 항복강도 이내에 있기 때문에 안전한 것으로 나타났다. 그러나 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$을 가하였을 때에 발생하는 응력은 항복강도를 충분히 넘어서기 때문에 불안전하지만, 인장강도 이내에 존재하기 때문에 아직은 안전하다. 수압시험압력을 용기에 자주 공급하면 용기는 소성변형에 의한 피로잔류응력이 특히 하단반구부에 축적되므로 파손될 수 있다. 계산결과에 의하면, 스커트 지역에 작용하는 집중하중은 하단반구부에 영향을 미치지 않지만, 용기에 서 가장 취약한 부분은 용기의 몸체와 스커트 사이에 위치한 하단반구부의 중간부분임을 알 수 있다. 따라서 하단반구부의 형상은 고압가스 저장용기 설계에서 중요한 요소라는 것을 보여주는 FEM 해석결과를 제공하고 있다.
The strength safety of high pressure gas cylinder has been analyzed by using a finite element method. In this study, the internal gas pressures of a steel bombe include a service charging pressure of $9kg/cm^2$, high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$, high limit of safet...
The strength safety of high pressure gas cylinder has been analyzed by using a finite element method. In this study, the internal gas pressures of a steel bombe include a service charging pressure of $9kg/cm^2$, high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$, high limit of safety valve operation pressure $24.5kg/cm^2$, and hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$. The computed FEM results indicate that the strength safety for a service charging pressure of $9kg/cm^2$ and high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$ is safe because the stress of a gas cylinder is within yield strength of steel. But the stress for a hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$ sufficiently exceeds the yield strength and remains under the tensile strength. If the hydraulic testing pressures frequently apply to the gas cylinder, the bombe may be fractured because a fatigue residual stress is accumulated on the lower round end plate due to a plastic deformation. The computed results show that the concentrated force in which is applied on a skirt zone does not affect to the lower round end plate, and the most weak zone of a bombe is a middle part of a lower round end plate between a bombe body and a skirt for a gas pressure. Thus, the FEM results show that the profile of a lower round end plate is an important design parameter of a high pressure gas cylinder.
The strength safety of high pressure gas cylinder has been analyzed by using a finite element method. In this study, the internal gas pressures of a steel bombe include a service charging pressure of $9kg/cm^2$, high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$, high limit of safety valve operation pressure $24.5kg/cm^2$, and hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$. The computed FEM results indicate that the strength safety for a service charging pressure of $9kg/cm^2$ and high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$ is safe because the stress of a gas cylinder is within yield strength of steel. But the stress for a hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$ sufficiently exceeds the yield strength and remains under the tensile strength. If the hydraulic testing pressures frequently apply to the gas cylinder, the bombe may be fractured because a fatigue residual stress is accumulated on the lower round end plate due to a plastic deformation. The computed results show that the concentrated force in which is applied on a skirt zone does not affect to the lower round end plate, and the most weak zone of a bombe is a middle part of a lower round end plate between a bombe body and a skirt for a gas pressure. Thus, the FEM results show that the profile of a lower round end plate is an important design parameter of a high pressure gas cylinder.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 LP가스 용기에 작용하는 가스압력, 즉 서비스 충전압력, 최고충전압력, 안전변 작동 최고압력, 수압시험압력 등을 고려하여 LPG 용기에 대한 강도안전성을 FEM으로 해석하고자 한다.
가설 설정
용기가 낙하 또는 전도하기 때문에 발생하는 충격하중을 모사하기 위해 Fig. 1(b)에서 보여준 것처럼, 스커트 부분에 집중하중이 작용한다고 가정하고 강도안전성을 유한요소법으로 해석하였다. 용기의 하단반구부와 스커트에 가해지는 집중하중은 Fig.
1(b)과 같이 적용하였다. 용기는 가스충전을 위해 사용처와 충전소 사이를 자주 이동하기 때문에 낙하나 전도 등에 의해 스커트에 충격하중이 가해진다고 가정한다.
4와같은 해석모델에 대해 가스압력이 작용할 때는 특히 반구형상의 곡면부분에 응력이 집중된다. 용기의 원통몸체와 반구형상을 연결하는 용접부, 하단 반구부와 스커트를 연결하는 용접부는 용접상태에 따라 강도안전성이 달라지기 때문에 본 해석에서는 이들 용접부의 접합상태가 완벽하여 동일한 소재로 제작된다고 가정하고 FEM 강도해석을 수행 하였다.
제안 방법
FEM 강도해석에서 고려한 용기는 내경에 비해 두께가 얇은 박판의 용기이지만, 하단반구부와 스커트를 연결되는 용접부에서는 응력이 집중되는 점을 고려하여 쉘요소(shell element) 대신에 QUAD4 요소를 사용하였고, 국부적으로 집중하중이 작용할 때는 3D요소인 HEX8을 사용하여 해석하였다.
강재로 제작한 LP가스 용기의 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 해석결과에 의하면, 서비스 충전압력 9kg/cm2와 충전최고압력 18.
LPG 용기의 대부분은 강판(steel plate)을 프레스로 성형한 다음 용접으로 제작 한다. 강판의 성형가공과 용접과정에서 발생한 잔류 응력을 제거하기 위해 열처리를 실시하여 용기의 안전성을 확보한다.
따라서 본 연구에서는 용기의 반구형상부와 스커트가 연결되는 용접지역을 중심으로 FEM 해석모델을 설정하였다. 이때 용기에는 LP가스가 채워져 있고, 스커트에는 집중하중을 가한상태에서 용기의 강도안전성을 FEM으로 해석한 것이다.
본 연구에서 이들 하중조건을 모두 고려하기는 어렵다. 따라서 용기가 넘어지거나 떨어 지기 때문에 스커트에 작용하는 64.58g의 충격력에 의해 용기에 걸리는 응력을 유한요소법으로 해석하고자 한다.
LP가스 용기의 강도 안전성을 고찰하기 위해 범용의 FEM 프로그램 MARC[7]를 사용하였다. 본 연구에서는 용기의 하단부 스커트와 용접으로 연결되는 하단반구부를 FEM 해석모델로 설정하고, 용기에 공급되는 LP가스 충전압력과 스커트에 작용하는 국부적인 하중을 Fig. 1(b)과 같이 적용하였다. 용기는 가스충전을 위해 사용처와 충전소 사이를 자주 이동하기 때문에 낙하나 전도 등에 의해 스커트에 충격하중이 가해진다고 가정한다.
외부하중이 용기에는 작용하지 않지만, 서비스 충전압력부터 수압시험압력에 이르는 안전에 관련된 가스압력이 작용할 경우에 대한 용기의 강도안전 성을 FEM으로 해석하였다. 해석에서 고려한 내압은 서비스 충전압력인 9kg/cm2, 가스를 최대로 충전할 때의 최고충전압력 18.
LPG 용기의 제작에서 가장 중요한 용접규격, 재료의 선정, 재충전용 용접 강재용기에 대한 정기검사, 시험평가 등에 관련된 규격은 KS B 6211[5], KS D 3533[6] 등에 명시되어 있다. 이들 규격에 의거 LPG 용기의 강도안전성을 평가하기 위한 FEM 해석을 수행하였다.
대상 데이터
FEM 강도해석에 사용한 20kg 용기의 소재는 ASTM A283 steel, Grade D를 사용하였고, 이 소재에 대한 물성치는 Table 1에서 주어진다.
이론/모형
LP가스 용기의 강도 안전성을 고찰하기 위해 범용의 FEM 프로그램 MARC[7]를 사용하였다. 본 연구에서는 용기의 하단부 스커트와 용접으로 연결되는 하단반구부를 FEM 해석모델로 설정하고, 용기에 공급되는 LP가스 충전압력과 스커트에 작용하는 국부적인 하중을 Fig.
성능/효과
또한, 용기의 스커트에 작용하는 국부적인 하중은 용기의 강도안전성에 영향을 미치지 않은 것으로 나타났고, 용기에서 가장 취약한 부분은 하단반구 형상의 중간부분임을 알 수 있다. 용기의 원통부와 반구부를 용접으로 연결하는 반구부의 곡률반 경이 중요하다는 사실은 본 연구에서 제시한 상단 반구부와 하단반구부의 곡률반경 차이에 따라 용기에 걸리는 응력의 크기가 달라진다는 사실로부터 유추할 수 있다.
5kg/cm2 이다. 용기에 작용 하는 최악의 안전성을 평가하기 위해 34.5kg/cm2의 내압을 30초간 유지할 때 강재용기에 작용하는 von Mises 최대응력은 377MPa로 계산되었다. 이 값은 Table 1에서 제시한 인장강도의 평균값 455MPa을 고려하면 83%정도로 아직은 안전하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고압가스 용기는 어떤 형상으로 설계하는가?
고압가스 용기는 모든 가스압에 견디면서 가볍게 제작해야 하므로 강도안전성이 우수한 실린더 형상으로 설계하는 것이 일반적이다. LP가스 용기를 강재로 제작하면 고압가스에 대한 안전성이 높고, 제작이 용이하며, 단가는 낮아지지만, 용기는 무거워져 운반하기가 어렵고, LPG를 사용하고 남은 잔량을 확인할 수 없다.
액화석유가스(LPG)와 같은 가스연료를 저장하는 용기는 어떻게 만드는가?
액화석유가스(LPG)와 같은 가스연료를 안전하게 저장하고 운반하기 위해서는 특별하게 제작한 압력 용기(pressure vessel)를 사용한다. 용기는 저장하는 가스의 압축정도에 따라 강재로 제작하거나, 또는 강재나 알루미늄으로 제작한 원통용기의 외부에 카본/에폭시와 같은 복합소재를 감아서 사용하기도 한다. LP가스 용기로 가장 많이 사용하는 것은 원통형 상의 20kg 강재용기이지만, 도시가스가 많이 보급 되면서 LG가스용 용기 생산량이 크게 줄어든 실정 이다.
LPG 용기가 폭발한다는 것은 무엇을 말하는가?
LPG 용기가 폭발한다는 것은 안전하게 충전된 LPG가 외부와의 온도차, 압력차 등에 의해 액상의 LPG가 기상으로 상변환을 일으키면서 급격하게 팽창한 가스의 체적증가로 인해 용기의 강성도가 더이상 견디지 못하고 터지는 현상이다.
참고문헌 (7)
강주완, "LPG 산업의 성장동력 - AutoGas," Proceedings of 1st Joint Technical Symposium of Industry and Academy of KIGAS, (2006)
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