[논문]LNG CCS 구조설계를 위한 슬로싱 해석 프로시져 개발

이장현; 황세윤

문제 정의

(4) 3D short term simulation: 3D tank를 이용하여 실제 슬로싱 현상의 특징을 파악하는 것이 목적이다. Step 3에서 결정된 가장 극한의 시나리오를 바탕으로 시뮬레이션에 적용할 시나리오를 생성한다.
Membrane 형 LNG CCS(Cargo Containment System)의 슬로싱 강도평가에 대한 Procedure를 현재까지 발표된 연구 내용을 바탕으로 ① 선급 규정 및 Guidance, ② 국내 조선소의 논문, ③ 국외 연구 기관의 발표 자료를 통하여 연구 동향을 살펴보았다. 최근에 선급 및 각 연구 기관에서 LNG CCS의 슬로싱에 따른 구조적 안전성을 판단하기 위한 직접 평가 절차 (Direct assessment procedure)를 제시하거나 새롭게 절차를 정립하고 있다(Ito et al.
본 절은 몇몇 대형 조선소의 강도 평가 사례를 소개하고자 한다. 다만, 논문 또는 학술대회 자료를 근간으로 분석한 것이기에, 모든 절차를 대별하는 것은 아니지만, 중요한 특징만을 요약하고자 한다.
앞서 언급한 데로, CFD 해석에 의한 정확도는 신뢰할 수있다고 가정한 만큼 본 절차를 통한 결과는 개선의 여지가 많다. 방열재의 파단 기준 및 제반 사항에 대한 Acceptace criteria 또한 아직 마련되지 않았기 때문에 본 연구에서 제시하는 결과는 그 경향을 파악하는 데 중점을 두었다. 앞서 제시한 1-way FSI 방법 이외에도 똑같은 방열재와 선각 구조를 이용한 해석모델에 정적하중과 동적하중을 적용하여 구조 해석을 수행하였으며, 각 Level 별 응력과 변형 수준은 다음과 같다.
본 고는 슬로싱 하중 산정 및 강도 평가 절차의 기술 현황과 단순화된 단방향 유체구조 연성 기법을 적용한 기술 결과에 대하여 설명하였다. 각 선급, 조선소 및 연구 단체에서의 관련 내용을 간략하게 정리하였으며, 이를 바탕으로 방열재의 구조 강도 평가 분야에 대한 절차 사례를 제시하였다.
본 절은 몇몇 대형 조선소의 강도 평가 사례를 소개하고자 한다. 다만, 논문 또는 학술대회 자료를 근간으로 분석한 것이기에, 모든 절차를 대별하는 것은 아니지만, 중요한 특징만을 요약하고자 한다.
본고는 현재 지식경제부 지원으로 수행되고 있는 산업원천 기술 개발 사업 - “LNG CC 설계적용 및 구조안전성 평가기술 개발 (수행기간：2011. 06. 01 ~ 2013. 05. 31, 주관기관 서울대학교)” - 의 결과 중에서‘슬로싱 하중 평가, 구조 강도 평가 절차 등을 포함한 설계 적용 절차’를 소개하고, 최근에 이루어지고 있는 LNG 슬로싱 하중 선정 및 화물차 강도 평가 절차에 대한 연구 동향 및 기술 수준을 개략적으로 살펴보고자 한다.
제안된 절차에 대한 타당성에 대해서는 개선의 여지가 있는 것은 사실이다. 특히, 구조 강도 평가 절차 중 각 해석 단계에서의 정확성을 배제한 체 슬로싱 평가 절차를 제시하는데 초점을 맞추고 있다. 각 단계에서의 정확성은 실제 LNG CCS의 설계 및 평가 과정에서 사용될 수 있도록 개선되어야 할 것이다.

가설 설정

본 장에서는 현재 개발 중인 LNG 화물창 설계 적용 절차의 일부를 정리하였다. 구조강도평가에 이용될 스로싱하 중 이력은 모형 실험과 데이터 처리를 통해 이미 주어진 것으로 가정하였다. 일반적으로 슬로싱 강도 평가 및 설계를 위한 절차 요소로는 ① 해상 운항 상태를 고려한 운동 조건 반영 ② Sloshing 모형 실험 ③ 설계 하중 산정 ④ 구조 강도 평가 ⑤ 안전성 기준 검토 (Failure Criteria & Reliability Assessment) 등이 고려된다.
Stage C는 모형 실험에서 계측한 슬로싱 압력 이력으로부터 설계 하중을 산정하기 위한 과정이다. 본 연구는 이 단계를 거쳐 결정된 설계 하중이 주어진 것으로 가정하였다. 모형실험에서 선택한 설계 압력은 최대값, 압력의 주기 및 skewness를 Scale-law를 적용하여 실선으로 확장하는 방법을 선택하였다.
제시된 예제는 Mark-III 타입의 화물창 CCS 시스템을 가정하였다. Mark-III 타입의 CCS 시스템의 경우 thin corrugated membrane, plywood, R-PUF(Reinforced PUF), triplex 그리고 mastic의 순서로 구성되어 있다.

제안 방법

(1) Sea-keeping 해석: 해상 조건 및 운항 조건 시나리오를 기반으로 한 Sea-keeping 해석을 수행하고 Motion RAO 와 슬로싱 test rig의 작동을 위한 time history의 예측을 수행하였다.
(1) Ship Motion Analysis 탱크의 크기, 형상 및 기하학적 특징, 운동 모드 및 크기, filling ratio 및 해상 환경을 고려하여 운동 해석을 수행한다. 운동 해석을 통하여 속도, 가속도등 을 하고 슬로싱 유동을 얻기 위한 시뮬레이션 및 모형 실험조건을 결정한다.
(2) Model Test: Critical 시나리오를 바탕으로 모형 실험을 수행하여 압력을 측정한다.
(2) Sloshing simulation: 운동해석에 따른 시나리오 별로 슬로싱 모형 실험 및 CFD 해석을 수행한다.
(3) Stage G (Level 3): CFD 해석을 이용하여 구한 최대 속도를 균일한 유체에 초기 속도로 부여하여 국부 방열 구조를 대상으로 압력 분포 및 그에 따른 동적 거동을 평가한다.
(4) Effective Pressure Method의 validation: 비선형 구조 해석을 수행하여, Effective pressure를 하였다.
(6) 2-D slice models: 2D slice model을 생성하여 FSI 기반의 국부 해석을 수행하여 구조 강도를 평가한다.
(6) 구조 안전성 평가: 구조의 동적 응답을 통하여 얻은 응력 및 구조의 변형을 통하여 단열 구조물 및 선각의 안전성을 평가한다. 평가의 기준은 금속 재료의 경우 좌굴 및 소성 변형, 비금속 재료의 경우 압괴, 취성 파괴 등의 파괴 조건이다.
(7) 상세 구조 모델 평가: 상세 구조 모델의 피로 강도나 응력 집중 효과에 대하여 평가한다.
(2) Data processing: 측정된 압력의 통계모델링(Generalized Extreme Value Distribution)을 수행하였다. Bootstraping method를 이용하여 GEVD parameter(Gumbel, Frechat, Weibull)의 분포를 예측하였으며, GEVD 압력에 내재된 불확실성을 평가하였다.
(2) Stage F (Level 3): 모형 실험과 동일한 운동 조건에 대한 CFD 해석을 수행하고, 최대 압력을 유발하는 유체의 최대 속도를 구한다. CFD 해석에서 얻은 압력과 실험에서 얻은 압력을 비교한다.
삼성중공업은 ABS의 Guidance 에서 제시하고 있는 Level 3와 같은 non-linear dynamic analysis를 통한 슬로싱 하중 산정 및 구조 강도 평가를 제안한다. CFD 해석을 통하여 LNG CCS의 critical location 및 압력을 결정하고 결정된 critical location에서의 국부적인 유체-구조 연성 해석을 수행하여 안전성을 판단한다. 간략하게 정리한 절차는 다음과 같다.
유체 충격 해석 결과를 통해 충돌 시 생성한 압력의 분포를 surface 단위로 추출하여 구조 모델에 적용하였다. CFD 해석을 통해 획득한 Surface force를 CCS 구조 및 선각 구조를 포함한 모델의 적용 하중으로 이용하며 그 과정을 에 나타내었다.
Level 1의 모델에 LNG를 추가하여 모델을 구성한다. Level 1에서 정의된 critical location에서의 stress와 displacement를 허용 기준과 비교하여 안전성을 평가한다. 3단계의 구조해석은 순차적으로 구성되면 그 절차는 와 같다.
본 고는 슬로싱 하중 산정 및 강도 평가 절차의 기술 현황과 단순화된 단방향 유체구조 연성 기법을 적용한 기술 결과에 대하여 설명하였다. 각 선급, 조선소 및 연구 단체에서의 관련 내용을 간략하게 정리하였으며, 이를 바탕으로 방열재의 구조 강도 평가 분야에 대한 절차 사례를 제시하였다.
(1) Ship Motion Analysis: 해상 상태 및 하중 조건을 고려한 시나리오 별로 탱크 중심에서의 운동과 가속도를 구한다. 계산된 응답 결과 중 critical한 해상 상태를 선정하여 모형 실험에 적용한다.
그러나, 가장 중요한 특징은 위험 구역의 (1) Hydro-elastic 평가과 (2) Dry drop test를 통해 멤브레인의 영구 변형을 기준으로 구조 안전성을 제안한 방법으로, 기존의 응력 및 변형율 기반의 안전성 평가를 보완한 것이다.
따라서 본 연구에서 제안한 주요 절차는 슬로싱 모형실험 및 CFD 해석, linear static 구조 해석, linear dynamic 구조해석, 그리고 one-way FSI 해석을 연계하여 진행하는 것이다. 다만, 본 연구에서는 방열재의 structural capacity 및 안전성 파단 기준에 대한 고려를 제외하였다.
그림 14와 그림 15는 해석에 사용된 모델의 형상을 보여주고 있으며 방열재는 위에서부터 순서대로 upper plywood, upper R-PUF, lower R-PUF, lower plywood, 그리고 mastic 순의 적층 구조를 이루고 있다. 방열재와 함께 선각 구조도 고려하였으며, inner hull, web, girder, stiffener로 구성하였다. 현재로서는 활용할 수 있는 상온 및 저온 상태의 여러 가지 재료 특성 정보가 제한적이기 때문에 기존의 연구 및 각 선급에서 제시한 자료를 이용하였으며, 특히 ABS 선급에서 제시한 자료를 사용하였다.
(2009)이 수행한 방열재의 구조강도 평가는 physical test와 비선형 수치해석의 결합으로 진행되었다. 복합재료의 재료 실험과 방열재의 limit state와 같은 비선형 응답을 정의하기 위한 component test가 수행되었으며, 최종강도의 산정을 위한 비선형 FE 해석이 수행된 후 극저온 및 실온 환경에서의 buckling, drop test와 같은 해석을 수행하였다. 압력 시계열을 통해 얻어진 lowest capacity 및 component test을 통해 항복 응력 기준의 governing limit state를 정의하였다.
일반적으로 슬로싱 강도 평가 및 설계를 위한 절차 요소로는 ① 해상 운항 상태를 고려한 운동 조건 반영 ② Sloshing 모형 실험 ③ 설계 하중 산정 ④ 구조 강도 평가 ⑤ 안전성 기준 검토 (Failure Criteria & Reliability Assessment) 등이 고려된다. 본 연구에서는 상기 ② 모형 실험 결과를 이용한 구조 강도 평가 절차, 모형 실험과 CFD 해석 결과와 비교를 통한 활용 방안, ④ 구조 강도 평가 및 해석을 중심으로 설계 절차를 정리하였다. 본 기사에서 제시하는 절차는 아직 연구가 계속 진행 중에 있다.
복합재료의 재료 실험과 방열재의 limit state와 같은 비선형 응답을 정의하기 위한 component test가 수행되었으며, 최종강도의 산정을 위한 비선형 FE 해석이 수행된 후 극저온 및 실온 환경에서의 buckling, drop test와 같은 해석을 수행하였다. 압력 시계열을 통해 얻어진 lowest capacity 및 component test을 통해 항복 응력 기준의 governing limit state를 정의하였다.
방열재의 파단 기준 및 제반 사항에 대한 Acceptace criteria 또한 아직 마련되지 않았기 때문에 본 연구에서 제시하는 결과는 그 경향을 파악하는 데 중점을 두었다. 앞서 제시한 1-way FSI 방법 이외에도 똑같은 방열재와 선각 구조를 이용한 해석모델에 정적하중과 동적하중을 적용하여 구조 해석을 수행하였으며, 각 Level 별 응력과 변형 수준은 다음과 같다.
Level 1에는 균일 분포 하중을, Level 2에는 이상화된 삼각형 압력을 적용하였다. 언급한 바와 같이 Level 3 단계에서는 일방향 유체-구조 연성해석을 수행하였다. CFD 해석을 통하여 산출된 슬로싱 유발 유체의 최대 속력을 scale up 과정을 거쳐 국부 CFD 해석의 초기 조건으로 사용하였다.
이때 속도는 Froude의 비교법칙을 통해 실선 크기로 확장하였으며, 이를 통해 실선에서와 최대한 유사한 결과를 얻고자 하였다. 유체 충격 해석 결과를 통해 충돌 시 생성한 압력의 분포를 surface 단위로 추출하여 구조 모델에 적용하였다. CFD 해석을 통해 획득한 Surface force를 CCS 구조 및 선각 구조를 포함한 모델의 적용 하중으로 이용하며 그 과정을 에 나타내었다.
슬로싱 시뮬레이션을 통하여 결정한 critical location에 clustered pressure sensor를 설치한다. 이때 선체 운동 RAO와 파 스펙트럼을 결합하여 tank motion 응답 스펙트럼을 얻으며, 각 시나리오에서 3시간 동안 최대 압력을 얻기 위해서 5시간 동안 모델 테스트를 수행한다.
제시한 사례는 모형 실험, 정적/동적 해석 그리고 one-way FSI 해석을 통합한 구조 강도 평가 절차를 제안한 것이다. 제안된 절차에 대한 타당성에 대해서는 개선의 여지가 있는 것은 사실이다.
여기에 특정 threshold를 설정하고 그 이하의 peak value를 필터링한다. 최고 압력점 부근의 time history를 triangular impulse화하여 압력 이력의 최적화를 수행한다.

대상 데이터

Mark-III 타입의 CCS 시스템의 경우 thin corrugated membrane, plywood, R-PUF(Reinforced PUF), triplex 그리고 mastic의 순서로 구성되어 있다. 본 예제는 R-PUF, Plywood, 그리고 응력이 주로 크게 발생하는 Mastic에서의 응력 및 변형 거동을 평가하기 위한 것이며, 유한요소모델은 triplex와 primary membrane을 제외하였다.
방열재와 함께 선각 구조도 고려하였으며, inner hull, web, girder, stiffener로 구성하였다. 현재로서는 활용할 수 있는 상온 및 저온 상태의 여러 가지 재료 특성 정보가 제한적이기 때문에 기존의 연구 및 각 선급에서 제시한 자료를 이용하였으며, 특히 ABS 선급에서 제시한 자료를 사용하였다. 그림 16은 Level 2 단계의 응력 해석 결과이다.

데이터처리

(3) Result Data Processing: 크게 네 단계로 정리할 수 있다. Critical location 추정, 추정된 위치에서의 압력센서 데이터 분석, 주변 클러스터의 압력을 조합, 통계적 분석을 통해 설계 슬로싱 하중 및 하중 rise time 분석을 각각 수행한다. 눈 값인 skewness를 통해 impact pressure를 이상화 한다.
Level 1에서는 압력 이력 중 최대값을 적용하기 때문에 구조해석의 결과가 매우 보수적이며 Level 2, Level 3에서 중점적으로 고려할 critical location 을 필터링 하는 것이 주 목적이다. Level 2는 Linear Dynamic Analysis를 수행하며 Parametric study와 Drop test 결과를 이용하여 Damage index를 생성한다. Level 1과 같은 모델을 사용하지만 LNG에 의한 Damping을 고려 하기 위하여 dashpot system 을 upper plywood에 추가한다.
Level 3의 슬로싱 CFD 해석에는 상용코드인 ANSYS CFX 를 이용하였다. 해석을 통해 계산된 유체의 최대 속도를 이용 하여 1-Way FSI 해석을 수행하였다.
Level 3의 슬로싱 CFD 해석에는 상용코드인 ANSYS CFX 를 이용하였다. 해석을 통해 계산된 유체의 최대 속도를 이용 하여 1-Way FSI 해석을 수행하였다.

이론/모형

(2) Data processing: 측정된 압력의 통계모델링(Generalized Extreme Value Distribution)을 수행하였다. Bootstraping method를 이용하여 GEVD parameter(Gumbel, Frechat, Weibull)의 분포를 예측하였으며, GEVD 압력에 내재된 불확실성을 평가하였다.
Ito et al.(2008)의 연구 내용을 바탕으로 삼성중공업의 슬로싱 하중 평가 절차를 분석하였다. 삼성중공업은 ABS의 Guidance 에서 제시하고 있는 Level 3와 같은 non-linear dynamic analysis를 통한 슬로싱 하중 산정 및 구조 강도 평가를 제안한다.
(5) Dynamic FSI 해석 수행: 강체 슬로싱 해석 결과로부터 준비된 유체 운동을 FSI 해석 모델에 적용하여 해석을 수행한다.
모형실험에서 계측한 압력은 Froude 상사 법칙을 사용하여 각각 균일한 압력 하중 및 삼각 하중 (Triangular pressure)으로 이상화하여 구조 해석 모델에 적용하였다. Level 3는 단위 방열판을 고려한 국부 모델을 대상으로 one-way FSI 해석을 수행하였으며, 그림 12에 개략적인 흐름을 정리하였다.
본 연구는 이 단계를 거쳐 결정된 설계 하중이 주어진 것으로 가정하였다. 모형실험에서 선택한 설계 압력은 최대값, 압력의 주기 및 skewness를 Scale-law를 적용하여 실선으로 확장하는 방법을 선택하였다. 또한, Safety criteria는 실험적인 연구가 선행되어야 하기에 현재로서는 고려하지 않았다.
Level 1, 2는 모형실험의 압력을 실선으로 확장하여 이용하였으며, Level 3는 수치해석에서 구한 유체 속도를 실선으로 확장하여 이용하였다. 상사법칙은 Froude scale law 및 Time scale law 를 이용하였다. (b)는 최대 압력을 이상화 시킨 것이며, (c)는 실선으로 확장된 압력이다.
따라서, Level 3 절차에서는 우선 모형실험과 동일한 형상 및 운동 조건을 가진 유동해석을 우선 수행한다. 압력의 실선 확장 방법을 대신하여 모형 실험과 동일한 조건의 CFD 해석에서 얻은 유체의 최대 속도를 이용하여 국부 CCS 패널 모델에 Water jet을 적용하여 one-way FSI를 수행하였다. 물론, 이러한 가정은 슬로싱 압력의 유형을 단순화시킨 것으로 현재로서는 검증이 필요한 상황이다.
즉, 모형 실험에 대한 CFD 결과로 측정한 최대 속도를 이용하여 유체를 유입시킨 후 구조물에 충돌시킨다. 이때 속도는 Froude의 비교법칙을 통해 실선 크기로 확장하였으며, 이를 통해 실선에서와 최대한 유사한 결과를 얻고자 하였다. 유체 충격 해석 결과를 통해 충돌 시 생성한 압력의 분포를 surface 단위로 추출하여 구조 모델에 적용하였다.

후속연구

특히, 구조 강도 평가 절차 중 각 해석 단계에서의 정확성을 배제한 체 슬로싱 평가 절차를 제시하는데 초점을 맞추고 있다. 각 단계에서의 정확성은 실제 LNG CCS의 설계 및 평가 과정에서 사용될 수 있도록 개선되어야 할 것이다. 따라서 차후 연구로는 각 단계에 대한 검증 작업과 함께 상사법칙을 이용한 수치적인 확장 및 효과적인 one-way FSI를 반영할 수 있는 유동해석 모델에 대한 개선이 이루어져야 할 것이다.
각 선급뿐만 아니라 조선소 및 연구 기관에서 슬로싱 하중을 고려한 해석 절차 및 설계 절차를 제시하고 있으며, 지속적인 보완 연구를 수행하고 있다. 그러나 슬로싱 현상은 과격한 유체 유동뿐만 아니라 열화학적인 특성이 포함된 물리적 특징과 더불어 유체-구조 연성을 가진 충격 문제라는 점 때문에 정확한 해석 과정이나 평가 과정을 정립하는 것은 매우 어렵다.
각 단계에서의 정확성은 실제 LNG CCS의 설계 및 평가 과정에서 사용될 수 있도록 개선되어야 할 것이다. 따라서 차후 연구로는 각 단계에 대한 검증 작업과 함께 상사법칙을 이용한 수치적인 확장 및 효과적인 one-way FSI를 반영할 수 있는 유동해석 모델에 대한 개선이 이루어져야 할 것이다. 또한, 구조 안전성 평가를 위한 판단 기준 마련 및 LNG CCS의 상온 및 저온 재료 물성치가 좀 더 세밀하게 반영되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 차후 연구로는 각 단계에 대한 검증 작업과 함께 상사법칙을 이용한 수치적인 확장 및 효과적인 one-way FSI를 반영할 수 있는 유동해석 모델에 대한 개선이 이루어져야 할 것이다. 또한, 구조 안전성 평가를 위한 판단 기준 마련 및 LNG CCS의 상온 및 저온 재료 물성치가 좀 더 세밀하게 반영되어야 할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 화물창 설계의 핵심 요소기술은?	1970년대 말부터 LNG 운반 선박의 화물용적은 145,000 m3(이하 145K급) 크기로 정형화되었다. LNG 운반선 설계에 있어 슬로싱 압력을 고려한 설계 절차 및 구조 안전성 평가/해석 기술은 LNG 화물창 설계의 핵심 요소기술이다. 145K급 LNG 운반선은 정형화된 크기 및 유형을 지속적으로 설계하는 과정에서 설계 기술 축적, 손상 원인 추적의 경험이 쌓이면서 비교적 신뢰성이 확보된 설계 기술로 안정화를 이루어 왔다.
	1970년대 말 LNG 운반 선박의 화물용적은?	1970년대 말부터 LNG 운반 선박의 화물용적은 145,000 m3(이하 145K급) 크기로 정형화되었다. LNG 운반선 설계에 있어 슬로싱 압력을 고려한 설계 절차 및 구조 안전성 평가/해석 기술은 LNG 화물창 설계의 핵심 요소기술이다.
	LNG 운반 선박이 안정화를 이루어 온 과정은?	LNG 운반선 설계에 있어 슬로싱 압력을 고려한 설계 절차 및 구조 안전성 평가/해석 기술은 LNG 화물창 설계의 핵심 요소기술이다. 145K급 LNG 운반선은 정형화된 크기 및 유형을 지속적으로 설계하는 과정에서 설계 기술 축적, 손상 원인 추적의 경험이 쌓이면서 비교적 신뢰성이 확보된 설계 기술로 안정화를 이루어 왔다. 그러나 2000년대부터 200,000 m3가 넘는 대형 용적과 더불어, LNG FSRU (Floating Storage Re-gasification Unit), FPSO (Floating Production Storage and Off-loading), RV (Regasification Vessel)와 같은 해상 LNG 터미널 건조가 증가되고 있다.

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