[논문]CNG 차량 폭발의 용기 손상 평가에 관한 법공학적 연구

김의수

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.4.439

초록
AI-Helper

대기오염 등 환경에 대한 관심이 높아지면서 경유차 배출 가스 저감을 위한 최적의 대안으로 최근 세계적으로 천연가스차량의 보급이 크게 확대되고 있는 추세이다. 이러한 추세에도 불구하고 그 안전성에 대해서는 많은 논란을 불러 일으키고 있으며 최근 그 이용에 따른 안전사고 또한 빈번하게 발생하고 있다. 천연가스버스 압력용기 파열 사고는 대중들이 많이 이용한다는 점에서 대형참사로 이어질 수 있는 잠재력을 가지고 있어 그 심각성은 매우 크다고 할 수 있다. 이에 법공학적인 측면에서 좀 더 전문화되고 체계적인 사고조사와 원인 규명을 통해서 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종재해의 발생을 최소화해야 한다. 본 연구에서는 구조해석을 통한 용기의 설계 검증과 용기의 파손형태 검사 및 재료 물성평가 등을 통해 용기파손에 의한 CNG 차량 폭발 사고에 관한 정확한 사고 원인을 규명함으로써 동일 형태의 차량 안전사고 예방에 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Forensic Engineering is the art and science of professionals qualified to serve as engineering experts in courts of law or in arbitration proceedings. Buses using compressed natural gas (CNG) trend to be extended in use internationally as optimal counterplan for reducing discharge gas of light oil d...

Forensic Engineering is the art and science of professionals qualified to serve as engineering experts in courts of law or in arbitration proceedings. Buses using compressed natural gas (CNG) trend to be extended in use internationally as optimal counterplan for reducing discharge gas of light oil due to high concern about environment. However, CNG buses have to be equipped with composite pressure vessels (CPVs); since the CPVs contain compressed natural gas, the risks in the case of accident is very high. Hence, the investigation of such accidents is usually associated with engineering analysis. Among the possible reasons for such CNG explosion accidents is vehicle fire and vessel fracture. By conducting formal inspection and engineering tests, in this study, the cause of vessel explosion is investigated by analyzing the failure mechanism by fractography and by comparing the material properties of a reference part with those of a problem part by adopting instrumented indentation technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

⁽³⁾ 이러한 CNG 차량의 폭발사고를 예방하기 위해서는 법공학적인 측면에서 좀 더 전문화되고 체계적인 사고조사와 원인 규명을 통해서 사전에 예방대책을 마련함으로써 유사 및 동종재해의 발생을 최소화할 수 있다. 본 연구에서는 구조해석을 통한 용기의 설계 검증과 용기의 파손형태 검사 및 재료 물성평가 등을 통해 용기 파손에 의한 CNG 차량 폭발 사고에 대한 정확한 사고 원인을 규명함으로써 동일 형태의 차량 안전사고 예방에 기여하고자 한다.
사회가 점점 고도한 기술사회로 접어들고 국내 공판중심주의 도입으로 인해 공학과 법이 함께 관련된 문제들을 다루는 법공학에 대한 필요성은 더욱 대두되고 있다. 본 연구에서는 법공학에서 다루는 내용 중 피난시간이 없고 발생시 큰 폭압에 의해 대형참사를 일으킬 수 있는 천연가스 자동차의 가스용기 폭발 원인분석에 관한 연구를 진행하고자 한다. 천연가스 자동차는 연료의 사용 형태에 따라 압축된 천연가스를 연료원으로 사용하는 압축천연가스(CNG) 자동차와 액화 상태의 천연가스를 사용하는 액화천연가스(LNG) 자동차, 천연가스를 연료 용기에 흡착·저장하였다가 사용하는 흡착천연가스(ANG) 자동차 등이 있다.

제안 방법

CNG 복합재 압력용기의 설계 검증을 위해 상용 프로그램인 ANSYS 를 이용하여 Fig. 2, Fig. 4 와 같이 사고 용기 형상을 모델링하고 유한요소모델을 생성하였다. 본 해석에서 라이너는 34Cr-Mo4, 라미네이트(Laminate)는 E-Glass/Epoxy 재질에 대한 물성치를 설정하였으며 적용된 값을 Table 1 와 Table 2 에 나타내었다.
금속재 라이너에 대해서는 8 절점 6 면체 요소인 Solid 185 요소를, 적층판(라미네이트)에 대해서는 8 절점 6 면체 쉘요소인 Solid 46 를 사용하였고 해석시간을 줄이기 위해 라이너 상부 돔부분과 실린더의 1/4 부분만을 모델링하였으며 쉘요소는 3 차원형상에만 적용함으로써 원주방향으로 10 °만큼 회전시켜 체적을 생성하였다.
본 연구에서는 CNG 차량 폭발사고에 따른 용기 폭발 원인을 규명하기 위해 법공학적 관점에서 구조해석을 통한 용기의 설계 검증과 프랙토그래피(Fractography)를 이용한 용기의 파손형태 검사 및 계장화 압입시험법 사용한 재료 물성평가등을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다. 첫째, ANSYS 비선형 해석을 통한 설계검증 결과 본 사고 용기는 규정된 모든 압력, 특히 파열압력에서 발생 최대등가응력(Maximum equival -ent stress)이 87.
고로 본 폭발 사고의 근본 원인은 용기 자체 문제에서 찾을 수 있을 것이다. 본 연구에서는 용기의 손상원인은 크게 구조해석을 통한 설계적 측면, 재료분석을 통한 제조적 측면(용접, 열처리), 프랙토그래피(Fractography)를 이용한 사용환경적 측면(부식, 열, 피로)으로 나누어 이를 평가하고 이를 종합 하여 복합재 압력용기의 손상 요인을 진단하였다.
금속재 라이너에 대해서는 8 절점 6 면체 요소인 Solid 185 요소를, 적층판(라미네이트)에 대해서는 8 절점 6 면체 쉘요소인 Solid 46 를 사용하였고 해석시간을 줄이기 위해 라이너 상부 돔부분과 실린더의 1/4 부분만을 모델링하였으며 쉘요소는 3 차원형상에만 적용함으로써 원주방향으로 10 °만큼 회전시켜 체적을 생성하였다. 접촉이 일어나는 부분인 라이너 표면과 적층판 사이의 접촉처리는 면 대 면 접촉요소(Point to surface contact element)를 사용하였고 접촉 처리를 하고 있기 때문에 인접하고 있는 면에서는 절점 의 위치가 같아야 하고 라이너가 변형을 일으킬 경우 섬유도 함께 변형하게 되고 이로 인해 고정된 전체 좌표계에 대한 섬유의 상대적인 위치도 변하게 되므로 경계조건은 절점좌표계에 대해 부여 했다.⁽⁴⁾ 내부에 작용하는 가스의 압력은 사용압력(Working pressure, 207bar), 수압시험압력(Hydraulic test pressure, 311bar), 파열압력(Bursting test pressure, 467bar)으로 구분하여 라이너 내벽에 압력 경계조건으로 부여했다.

대상 데이터

본 사고는 Fig. 1 에서 보듯 CNG 충전소에서 CNG 버스 충전 중 차량에 장착된 CNG 용기가 폭발하면서 용기의 하부돔이 본체에서 분리되어 인근에 주차되어 있던 버스의 상부를 관통하고 주변에 피해를 준 사고이다. 버스에는 총 8 개의 라이너(Liner)가 설치되고 공통배관을 통하여 가스가 충전되는 형식으로 폭발된 라이너는 버스 전방으로부터 6 번째 라이너이며 충전기의 충전 상태는 모니터 되고 기록이 저장되는 형식으로 충전기에는 기계식의 안전밸브, 압력스위치 및 제어프로그램에 의한 압력 조정 등의 세가지 안전장치가 장착 되어 있다.
4 와 같이 사고 용기 형상을 모델링하고 유한요소모델을 생성하였다. 본 해석에서 라이너는 34Cr-Mo4, 라미네이트(Laminate)는 E-Glass/Epoxy 재질에 대한 물성치를 설정하였으며 적용된 값을 Table 1 와 Table 2 에 나타내었다. 금속재 라이너에 대해서는 8 절점 6 면체 요소인 Solid 185 요소를, 적층판(라미네이트)에 대해서는 8 절점 6 면체 쉘요소인 Solid 46 를 사용하였고 해석시간을 줄이기 위해 라이너 상부 돔부분과 실린더의 1/4 부분만을 모델링하였으며 쉘요소는 3 차원형상에만 적용함으로써 원주방향으로 10 °만큼 회전시켜 체적을 생성하였다.

이론/모형

14 와 같이 물성평가를 수행하였다. 본 평가에서는 사고 시편의 경우 기존의 기계적 물성 평가법들이 가지는 시편 제작의 단점으로 인해 적용될 수 없었던 다양한 분야들에 대해 폭넓게 응용되고 있는 계장화 압입시험법을 이용하였다. 계장화 압입시험법은 다양한 기계적인 특성을 비파괴적으로 측정하는 최신기술로서 재료에 하중 인가 및 제거 과정 중 하중과 변위를 연속적으로 측정하여 획득된 압입하중-변위곡선의 분석을 통해 유동물성, 잔류응력, 파괴인성 등의 기계적 특성을 평가 할 수 있는 방법이다.

성능/효과

21 kgf/mm² 로 설계된 용기는 안정된 것으로 평가 되어진다. 둘째, SEM 을 이용한 파단면 관찰 결과 국부적으로 부식층이 식별되고 벽개파괴와 내압에 의한 섬유상의 파괴형태가 관찰된다. 셋째, 재료 분석에 대해 라이너는 화학적 조성비가 만족되지만 기계적 성질 중 특히 경도값이 설계치를 만족하지 못하는데 이는 부적절한 열처리등으로 인해 취성이 높아져 소성변형을 거의 하지 않은 채 유리처럼 단번에 깨지는 취성 파괴를 유발할 수 있다.
둘째, SEM 을 이용한 파단면 관찰 결과 국부적으로 부식층이 식별되고 벽개파괴와 내압에 의한 섬유상의 파괴형태가 관찰된다. 셋째, 재료 분석에 대해 라이너는 화학적 조성비가 만족되지만 기계적 성질 중 특히 경도값이 설계치를 만족하지 못하는데 이는 부적절한 열처리등으로 인해 취성이 높아져 소성변형을 거의 하지 않은 채 유리처럼 단번에 깨지는 취성 파괴를 유발할 수 있다. 이상의 분석 및 검토 결과 본 사고 용기는 부적절한 열처리로 인해 재질상태 및 외부 부식환경등이 복합적으로 작용하여 폭발된 것으로 판단된다.
셋째, 재료 분석에 대해 라이너는 화학적 조성비가 만족되지만 기계적 성질 중 특히 경도값이 설계치를 만족하지 못하는데 이는 부적절한 열처리등으로 인해 취성이 높아져 소성변형을 거의 하지 않은 채 유리처럼 단번에 깨지는 취성 파괴를 유발할 수 있다. 이상의 분석 및 검토 결과 본 사고 용기는 부적절한 열처리로 인해 재질상태 및 외부 부식환경등이 복합적으로 작용하여 폭발된 것으로 판단된다. 법공학적 연구를 통해서 본 사고의 법적 책임소재는 용기 결함을 잠재시킨 용기 제조사와 사용시 부식환경등을 조성시킨 점검자, 운영자에 대해 일정부분을 과실상계하여 최종 판단 되어야 할 것으로 사료된다.
⁽⁴⁾ 내부에 작용하는 가스의 압력은 사용압력(Working pressure, 207bar), 수압시험압력(Hydraulic test pressure, 311bar), 파열압력(Bursting test pressure, 467bar)으로 구분하여 라이너 내벽에 압력 경계조건으로 부여했다. 자긴처리에 의해 압축잔류응력을 발생시킨 후 각 시험 압력을 적용하여 해석을 수행한 결과 Fig. 5, fig. 6, Fig. 7 과 같이 규정된 모든 압력, 특히 파열압력에서 발생 최대 등가응력(Maximum equivalent stress)이 850MPa 로 인장강도 940MPa 대비 이하의 값을 나타내므로 복합재 용기 설계는 안정된 것으로 평가 되어진다.
여기서, n 는 가공경화지수, YS 는 항복강도, UTS 는 파단강도, E 는 탄성계수, HV 는 비커스(Vickers) 경도, HRA 는 로크웰(Rockwell) 경도를 나타낸다. 재료 분석에 대해 이를 종합하면 라이너는 화학적 조성비는 만족되지만 기계적 성질 중 특히 경도값이 설계범위를 만족시키지 못하는 상태로 일반적으로 경도값의 편차가 제작 과정 중 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering)등의 부적절한 열처리에 의하여 용이하게 발생되는 경향을 가지는 것으로 보아 본사고 용기의 경우도 부적절한 열처리로 인해 경도값이 설계조건을 훨씬 상회하고 있는 것으로 사료된다. 경도값이 커지면 취성이 높아지므로 소성변형을 거의 하지 않은 채 유리처럼 단번에 깨지는 형태의 파괴 가능성이 매우 높아진다.
본 연구에서는 CNG 차량 폭발사고에 따른 용기 폭발 원인을 규명하기 위해 법공학적 관점에서 구조해석을 통한 용기의 설계 검증과 프랙토그래피(Fractography)를 이용한 용기의 파손형태 검사 및 계장화 압입시험법 사용한 재료 물성평가등을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다. 첫째, ANSYS 비선형 해석을 통한 설계검증 결과 본 사고 용기는 규정된 모든 압력, 특히 파열압력에서 발생 최대등가응력(Maximum equival -ent stress)이 87.21 kgf/mm² 로 설계된 용기는 안정된 것으로 평가 되어진다. 둘째, SEM 을 이용한 파단면 관찰 결과 국부적으로 부식층이 식별되고 벽개파괴와 내압에 의한 섬유상의 파괴형태가 관찰된다.

후속연구

유사사고의 재발을 예방하기 위해 용기 결함을 최초 발견할 수 있는 기술적, 시스템적 체계 수립 및 개발이 우선시 되어지고 CNG 차량 내의 안전 상황을 모니터링 할 수 있는 단말기를 설치하여 배관계의 가스누출상태, 각 부분의 건전성, 온도, 압력 및 차량상태등을 실시간 모니터링하는 시스템의 도입도 고려해야 한다. 또한 정기적 용기 검사가 이루어 질 수 있도록 검사주기 및 항목에 있어서 좀 더 세분화된 검사 의무 규정의 제정이 필요하다고 판단된다. 충전 및 정비 시 작업자등에게 CNG 차량의 화재 및 폭발에 대한 안전교육을 강화할 필요가 있으며 정기적, 상시적 교육이수를 의무화하여 이용자 과실 및 부주의에 의한 사고를 최소화하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CNG 차량 폭발사고에 따른 용기 폭발 원인의 법공학적 규명 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 CNG 차량 폭발사고에 따른 용기 폭발 원인을 규명하기 위해 법공학적 관점에서 구조해석을 통한 용기의 설계 검증과 프랙토그래피(Fractography)를 이용한 용기의 파손형태 검사 및 계장화 압입시험법 사용한 재료 물성평가등을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다. 첫째, ANSYS 비선형 해석을 통한 설계검증 결과 본 사고 용기는 규정된 모든 압력, 특히 파열압력에서 발생 최대등가응력(Maximum equival -ent stress)이 87.21 kgf/mm2 로 설계된 용기는 안정된 것으로 평가 되어진다. 둘째, SEM 을 이용한 파단면 관찰 결과 국부적으로 부식층이 식별되고 벽개파괴와 내압에 의한 섬유상의 파괴형태가 관찰된다. 셋째, 재료 분석에 대해 라이너는 화학적 조성비가 만족되지만 기계적 성질 중 특히 경도값이 설계치를 만족하지 못하는데 이는 부적절한 열처리등으로 인해 취성이 높아져 소성변형을 거의 하지 않은 채 유리처럼 단번에 깨지는 취성 파괴를 유발할 수 있다. 이상의 분석 및 검토 결과 본 사고 용기는 부적절한 열처리로 인해 재질상태 및 외부 부식환경등이 복합적으로 작용하여 폭발된 것으로 판단된다. 법공학적 연구를 통해서 본 사고의 법적 책임소재는 용기 결함을 잠재시킨 용기 제조사와 사용시 부식환경등을 조성시킨 점검자, 운영자에 대해 일정부분을 과실상계하여 최종 판단 되어야 할 것으로 사료된다.
	법공학은 어떤 학문인가?	법공학(Forensic Engineering)은 각종 사고에 관한 법적 문제에 대해서 이를 공학적으로 해명하는 학문 분야로 공학과 관련된 분야에서 사고가 발생했을 경우 이 분야의 전문지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다.(1,2) 사고 원인 규명 과정에 있어서 일반적인 공학적 관점이 사고가 발생하는 메케니즘을 설명하고 파악하는데 주안점을 둔 반면 법공학은 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임문제를 해명하는 목적으로 외에 전문지식을 가지고 있는 법공학 조사관들의 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적규제에 대한 규격 및 정책을 제안하여 안전하고 안정된 사회를 실현하는데 공헌하는 것이라 할 수 있다.
	법공학의 목적은 무엇인가?	법공학(Forensic Engineering)은 각종 사고에 관한 법적 문제에 대해서 이를 공학적으로 해명하는 학문 분야로 공학과 관련된 분야에서 사고가 발생했을 경우 이 분야의 전문지식과 경험을 갖추고 있는 전문가가 법적인 관점에서 문제점을 규명하는 학문이다.(1,2) 사고 원인 규명 과정에 있어서 일반적인 공학적 관점이 사고가 발생하는 메케니즘을 설명하고 파악하는데 주안점을 둔 반면 법공학은 안전사고 및 재난사고에 대한 법적 책임문제를 해명하는 목적으로 외에 전문지식을 가지고 있는 법공학 조사관들의 정확한 원인분석을 통해 원인을 규명하고 이를 예방하기 위해 각종 제도와 법적규제에 대한 규격 및 정책을 제안하여 안전하고 안정된 사회를 실현하는데 공헌하는 것이라 할 수 있다. 사회가 점점 고도한 기술사회로 접어들고 국내 공판중심주의 도입으로 인해 공학과 법이 함께 관련된 문제들을 다루는 법공학에 대한 필요성은 더욱 대두되고 있다.

참고문헌 (9)

Goldenberg, A. A. and Bezerghi, A., 1985, "APreview Approach to Force Control of RobotManipulators," Mechanism and Machine Theory, Vol.20, No. 5, pp. 449-464.

상세보기
Brian, H. and Mohamed, T. K., 2007, “Non-Destructive Testing Techniques for the ForensicEngineering Investigation of Reinforced ConcreteBuildings,” Forensic Science International, Vol. 167, pp. 167 - 172.

상세보기
Kim, E. S., Park, N. K. and Kim, Y. H., 2008, “AForensic Engineering Study on Bursting Accident ofComposite Pressure Vessel in CNG Bus,” KOSOS, Vol.23, No. 5, pp.15 - 21.
Kim, E. S., Kim, J. H., Park, Y. S., Kim, C. and Choi, C. J., 2003, “Development of an Automated DesignSystem of CNG Composite Vessel Using Steel LinerManufactured by D.D.I Process,” KSPE, Vol. 20, No.1, pp. 205 - 213.
Kim, J. H., 2004, “Research of Fracture Analysis byFractographical Method,” KSHT, Vol. 17, No. 4, pp.254 - 262.
Han, C. S., 2007, “The Basis and Technique ofFractography,” KSHT, Vol. 20, No. 2, pp. 98 - 104.
Kim, K. H., Choi, Y., Kim, S. H., Lee, J. S. and Kwon,D. I., 2005, “Application of Instrumented IndentationTechnique for Nondestructive/Mechanical PropertiesMeasurement of In-service, Components and Materials,”Spring conference of KSME, pp. 336 - 343.
Kim, S. H., Choi, Y. and Kwon, D. I., 2004,“Determination of Brinell Hardness throughInstumented Indentation Test Without Observation ofResidual Indent,” Trans. Of the KSME A, Vol. 28, No.5, pp. 578 - 585.
Jeon, E. C., Kwon, D. I. and Park, J. S., 2002, “TheOptimization of Advanced Indentation Test for TensileProperties Derivation,” Spring conference of KSME,pp. 355 - 360.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

CNG 차량 폭발의 용기 손상 평가에 관한 법공학적 연구
Forensic Engineering Study on Assessment of Damage to Pressure Vessel Because of CNG Vehicle Explosion 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

CNG 차량 폭발의 용기 손상 평가에 관한 법공학적 연구 Forensic Engineering Study on Assessment of Damage to Pressure Vessel Because of CNG Vehicle Explosion 원문보기

초록 AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김의수 (21)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

CNG 차량 폭발의 용기 손상 평가에 관한 법공학적 연구
Forensic Engineering Study on Assessment of Damage to Pressure Vessel Because of CNG Vehicle Explosion 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper