[논문]슬로싱 충격압력에 대한 LNG CCS의 동적 구조응답 해석법

노인식; 김성찬

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문제 정의

본 고에서는 LNG선 CCS 설계를 위한 핵심적인 과정으로서 최근 이루어지고 있는 슬로싱 충격압력에 의해 발생되는 CCS의 구조거동 예측 및 안전성 평가 과정에 대한 기술 수준과 연구동향을 전반적으로 살펴보고자 하였다.
대표적인 예로서 2005년부터 시작된 Sloshel project는 GTT, MARIN, Shell등의 기업들과 ABS, DNV, NK, BV, Lloyd 등 선급이 공동으로 참여한 Joint industry project를 들 수 있다(Brosset et al, 2009). 이 공동연구에서는 축척 모형시험의 한계를 극복하기 위하여 실제 크기의 CCS 방열구조에 대한 실험을 통하여 여러 가지 다양한 측면에서 슬로싱 현상에 대한 물리적 이해의 폭을 넓히고자 하였다. Sloshel project의 가장 큰 특징은 통상 이루어지고 있는 축척 모형실험에서 벗어나 Full scale CCS의 방열 panel을 직접 이용한다는 점이다.

제안 방법

Sloshel project의 가장 큰 특징은 통상 이루어지고 있는 축척 모형실험에서 벗어나 Full scale CCS의 방열 panel을 직접 이용한다는 점이다. 길이 240m, 깊이 7m, 폭 5m의 대형 수로에서 다양한 형태의 단방향 진행파를 생성하여 No96 방식 방열 박스에 부딪히는 실험을 진행하고 그 결과를 계측하고 고찰하였다.
슬로싱을 유발하는 LNG 탱크 내부의 유체 유동은 선체 운동과 직접적인 연관이 있다. 따라서 다양한 해상상태와 항해 시나리오를 바탕으로 LNG선의 운동해석을 수행하고 탱크에 과도한 동요를 유발할 가능성이 있는 운동 시계열을 추출한다. 이를 기반으로 슬로싱 모형실험 장비(Fig.
슬로싱으로 인한 유체충격압력 추정법으로 부터 출발하여 CCS의 구조적 안전성을 평가하는 전 과정에 대한 현 시점의 연구동향을 개괄하였다.
따라서 다양한 해상상태와 항해 시나리오를 바탕으로 LNG선의 운동해석을 수행하고 탱크에 과도한 동요를 유발할 가능성이 있는 운동 시계열을 추출한다. 이를 기반으로 슬로싱 모형실험 장비(Fig.1)에서 1/40~1/50 정도 축척의 모형탱크를 가진하여 이때 모형탱크의 벽과 천장에서 발생되는 유체 충격압력을 압력 게이지로 계측한다. 현재까지는 가장 현실적인 방법으로 간주되고 있지만 모형실험을 통한 슬로싱 충격압력 추정법은 다음과 같은 당장 해결하기 어려운 몇 가지 문제점들을 안고 있기 때문에 앞으로의 이의 개선을 위한 지속적인 기술개발이 필요한 것으로 판단된다.
이를 통하여 유체 충격하중의 특성과 CCS 및 지지구조의 구조 응답을 분석하고, CFD 및 FE 해석의 결과 검증을 위하여 database를 구축함과 동시에 모형실험, CFD, FEA 등 기존에 이루어지고 있는 슬로싱 해석 방법에 대한 합리적인 평가를 시도하고 있다. 이 연구 결과들은 2009년 이후 매년 ISOPE에서 독자 session을 통하여 발표되고 있다.
1) 정적 해석 : 슬로싱 압력을 단순한 정적 하중으로 가정하여 구조 강도를 평가하는 방법이다. 적용 하중은 모형실험 및 CFD 해석을 통하여 얻어진 최대 충격압력이 정적하중으로 작용하는 것으로 간주하여 CCS의 구조적 거동을 고찰한다. 이 방법은 대체로 매우 보수적인 결과를 주기 때문에 허용 기준을 만족하기 힘들며 주로 최대 응력 및 변형을 갖는 구역(Critical location)을 찾는데 주목적이 있다.

성능/효과

1) 방열 panel 의 거동은 Fig.9에서 보는 바와 같이 선체의 탄성지지 영향을 크게 받지만 선측구조의 전체적인 강성 분포의 영향보다는 panel에 부착된 부분의 국부적 영향으로 한정됨을 밝혔으며 따라서 유한요소해석 모델링의 범위를 Fig.8에서 보는 바와 같이 방열 panel 부근의 선체구조만을 모델링하여도 충분한 정도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다. 이 사실은 한 시점에서 압력의 공간적 분포에 대한 정보를 종합적으로 고려할 필요가 없다는 것을 보여주고 있으므로 최대 압력이 작용하는 지점 주위로 모델링 범위를 축소시킴으로써 해석에 대한 노력을 상당히 줄일 수 있음을 의미한다.
2) 모형실험에 사용되는 유체는 안전성과 초저온으로 인한 난점 때문에 LNG를 직접 사용하기 어렵고 따라서 통상 상온의 물이 사용되고 있다. ullage gas 역시 천연 가스가 아닌 공기가 주로 사용되고 있어 실제 LNG 탱크와 비교하여 내부 유동 유체의 비중 및 상변환 관점에서 현격한 차이가 있기 때문에 실험의 정확도를 보장하기 어렵다.
3) 압력계측을 위한 게이지의 크기와 종류에 따라 압력의 피크치가 민감하게 변화하는 등 계측의 정도가 달라질 수 있다.
4) 슬로싱 현상을 관측하기 위하여 투명한 아크릴제 탱크를 사용하고 있기 때문에 방열구조와 탱크 지지구조의 강성을 제대로 구현할 수 없어 실제 탱크에서 발생하는 유탄성 거동에 대한 고려가 불가능하다. 유탄성 효과에 대한 실험 연구가 시도된 적은 있으나 탱크의 강성에 대한 정확한 축척이 고려되지 않았기 때문에 정성적인 고찰에 그치고 있어 의미 있는 결론은 도출되지 않았다.

후속연구

실선 계측법은 실험 자체의 어려움과 더불어 비용, 인력, 소요기간 측면에서 볼 때 현실성 있는 대안은 아닌 것으로 판단된다. CFD에 바탕을 둔 정밀 수치계산법 역시 방대한 계산 및 전후처리 시간과 해의 신뢰도 문제 때문에 실제 탱크 구조의 내 충격 설계에 그대로 활용되기에는 앞으로도 많은 추가적인 연구가 필요한 시점으로 보인다.
모형시험이나 CFD 해석에서 얻어진 슬로싱 압력의 시계열(time history)을 이용한다. 선형해석이라는 한계와 CCS의 유탄성 거동을 고려하지 못한다는 문제점이 있지만 모형시험 결과로 부터 최대 응답을 주는 시점을 pre-screening 하는 과정에 유용하며 차후 정밀 유탄성해석으로 결과를 확인해야 할 필요가 있다.
결국 허용기준 설정을 위해서는 실험이 동반되어야 하므로 국내 주요 조선사에서는 자체 실험 등을 통하여 변위 및 변형률에 의한 방열 재료들의 파괴기준을 설정하고자 노력하고 있다. 이에 따라 CCS의 강도평가 및 유체충격압력의 계측을 위하여 실제 방열 구조에 대한 wet drop test 또는 dry drop test, 극저온에서의 피로강도실험 등이 시도되고 있으나 많은 실험비용과 정확한 data를 얻기 위한 실험상의 난점은 앞으로 해결해야 할 과제이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

FLNG의 발주와 건조가 증가하고 있는 이유는?

최근, LNG 운반선의 탱크 용량이 점차 대형화 되는 추세에 있고 해상에서의 LNG 생산 및 저장을 위한 FLNG(LNG FPSO)의 발주/건조가 점증하고 있다. 이에 따라 LNG선 CCS(Cargo containment system)의 설계에 있어서도 탱크 내부의 슬로싱에 의한 손상이 시급히 해결해야 할 가장 큰 문제점으로 대두되고 있으며 학계 및 산업계에서도 이에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다.

FLNG의 발주와 건조가 증가하고 있는 것에 따라 대두되는 문제점은?

최근, LNG 운반선의 탱크 용량이 점차 대형화 되는 추세에 있고 해상에서의 LNG 생산 및 저장을 위한 FLNG(LNG FPSO)의 발주/건조가 점증하고 있다. 이에 따라 LNG선 CCS(Cargo containment system)의 설계에 있어서도 탱크 내부의 슬로싱에 의한 손상이 시급히 해결해야 할 가장 큰 문제점으로 대두되고 있으며 학계 및 산업계에서도 이에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 슬로싱이나 슬래밍과 같은 유체유동으로 인한 충격현상은 본질적으로 복잡하고 아직 그 물리적 거동이 이론적으로 완전하게 규명되지 못한 상태이기 때문에 유체유동의 엄밀한 해석을 바탕으로 충격압력을 계산하여 실선의 구조설계에 그대로 적용하는 것은 현실적으로 아직 여러 측면에서 어려움이 남아 있는 것으로 판단된다.

CCS 구조설계의 가장 큰 관심사 중 하나는 무엇인가?

CCS 구조설계에 있어서의 가장 큰 관심사 중 하나는 구조해석 결과의 안전성 평가 기준을 설정하는 문제이다. 각 선급에서는 허용응력 관점에서 여러 가지 부재들의 설계기준을 제시하고 있으나, 방열구조에 사용되는 재료들이 모두 고도의 비선형 재료특성과 다양한 파괴 모드를 보이고 있어 기존의 허용응력 관점의 설계기준 만으로는 여러 가지 문제점이 발생되기 때문에 일부 분야에서는 변위 및 변형에 대한 설계기준도 적용되고 있다.

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