[논문]해양플랜트 설비 Corrugated Blast Wall의 폭발 충격응답 인자 특성에 관한 파라메트릭 연구

김봉주; 김병훈; 손정민; 백점기; 서정관

doi:10.5574/ksoe.2012.26.3.046

문제 정의

해양플랜트 설비의 안전시스템은 크게 능동적 시스템(ASS: Active safety system)과 수동적 시스템(PSS: Passive safety system)으로 분류할 수 있다. ASS는 사고 발생 전에 작동하여 사고 자체를 예방하는 것으로 사고의 빈도를 줄이는 것을 목적으로 한다. 예로서는 가스 감지기, 비상정지 밸브 같은 것들이 ASS의 장비로 분류될 수 있다.
따라서 본 논문의 목적은 가스생산용 해양플랜트 설비의 안전 시스템인 방폭벽 구조에 대하여 실제 가스누출로 인한 폭발사고의 충격하중과 단면형상에 따른 응답특성을 비교와 분석을 통해 설계자로 하여금 보다 효과적으로 최적설계를 달성할 수 있도록 지원하는 것이다. 대상 방폭벽구조는 해양플랜트 설비에 널리 사용되는 파형(Corrugation) 형상의 방폭벽을 선정하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 가스생산용 FPSO의 안전시스템인 파형 방폭 벽구조에 대하여 실험과 상용유한요소코드를 이용하여 폭발사고에 대한 충격응답특성 설계인자를 도출하였다. 이를 위해 실험과 수치해석결과에 대한 응답특성치인 영구변형, 최대처짐, 처짐형상을 비교분석하여 폭발응답특성 해석용 수치해석모델을 제시하였다.

가설 설정

연결부는 FPSO 상부구조물의 주요구조부재에 지지되므로 완전고정조건을 주었다. Fig. 4에 보여준 것과 같이 실험에서 계측된 P_peak, t_m 및 t_dur을 이용하여 수치해석용 이상화된 삼각형시계열 하중으로 가정하여 수치해석을 수행하였다. 하중의 크기는 가스생산용 설비에서 발생 가능한 최대충격하중인 1.
15은 방폭벽 설계시 실용적인 중량산정을 위한 변수영향을 분석하였다. 전체 폭이 4,432.05mm인 방폭벽으로 가정하고, 전체 125개의 시나리오 중 최소중량을 가지는 단면에 대하여 다양한 매개변수 조합에 따라 산출된 단면중량을 비로 표현하였다. 본 논문에서는 이를 중량비(Mass ratio)로 정의하였다.
그러나 본 해석에는 인접모듈에 발생한 폭발하중이 방폭벽 설계하중 반대방향인 B 방향 (모듈외부 폭발사고 경우)의 경우도 고려하였다. 충격하중면적은 폭발사고시 하중을 받는 면적이 전체면적으로 가정하여 연결부를 제외한 파형판 모든 면을 대상으로 실험과 동일한 조건을 구현하였다.
해석모델의 경계조건 Fig. 6에서 보이는 것과 같이 폭방향으로 연속된 형태이므로 파형방폭벽의 양단을 연속구조로 가정하여 대칭조건으로 적용하였다. 연결부는 FPSO 상부구조물의 주요구조부재에 지지되므로 완전고정조건을 주었다.

제안 방법

대상 방폭벽구조는 해양플랜트 설비에 널리 사용되는 파형(Corrugation) 형상의 방폭벽을 선정하여 해석을 수행하였다. 2장에서 문헌에서 제시하고 있는 방폭벽 실험결과를 이용하여 단면형상응답특성분석용 수치해석모델을 제시하였다. 3장에서는 실제 폭발사고하중을 적용하여 파형 단면형상에 따른 충격응답특성 설계인자영향을 분석하였다.
Fig. 12-14는 실제 FPSO에 설치된 방폭벽 치수를 기준으로 각각 Θ=30°, h=100mm, B=100mm을 고정하여 각각 B, h, Θ 변화시키면서 형상변수에 따른 영구처짐 영향을 분석하였다.
구현 가능한 모든 단면형상에 대하여 각 변수별로 5수준 (B=100, 120, 140, 170, 200mm, Θ= 30, 45, 60, 75, 90 °, h=100, 130, 160, 180, 200mm)으로 정의하였다.
파형방폭벽은 크게 파형판과 설치되는 구조물과 연결부가 주요한 충격응답특성에 영향을 미치는 부재이다. 대상구조의 정밀한 수치해석 위해 기하학적 모델링, 재료적 모델링을 고려하여 해석을 수행하였다. Fig.
또한 실제 설치된 FPSO의 폭발하중을 적용하여 세 개의 단면형상변수에 대한 응답특성영향을 분석하였다. 구현 가능한 총 125개의 단면형상에 대하여 파형방폭벽 설계인자 (h>Θ>B)를 도출하였다.
또한, 경제적인 설계측면서도 중량최소화 설계변수(Θ)에 대하여 분석하였다.
충격하중 작용시 비선형구조거동인 좌굴 및 소성변형을 구현하기 위해 파형판은 4절점 shell 요소를 사용하였으며, 연결부는 기하학적인 굴곡부 및 굽힘 변형을 구현하기 위해 8절점 Solid 요소를 채택하였다. 방폭판과 연결부는 용접으로 고정되어 있으므로 접합된 위치의 상이한 요소자유도에 대하여 유한요소모델 시 공유절점으로 실험조건과 동일하게 구현하였다. 파형판의 요소크기 결정은 동일한 충격하중에 대하여 흡수에너지, 최대변형량을 기준으로 요소의 크기 (1x1, 2x2, 4x4, 6x6, 8x8, 10x10mm)를 변화하여 요소개수에 대한 수렴도분석을 통하여 유한요소의 Mesh size를 4mm (총 20,606개)로 결정하였다.
영구처짐에 지배적인 변수 h보다 단면형상구현성이 높은 변수 Θ(=30, 45, 60, 75°)를 변화 하면서 중량비에 따른 영구처짐 영향을 분석하였다.
폭발설계하중 결정은 설비의 설치장소의 환경특성, 모듈의 내부의 장비의 밀집도, 가스누출의 속도 및 양, 누출 위치, 가스구름의 특성 등 다양한 변수를 고려하여 폭발사고를 확률적으로 접근하여 시나리오를 생성한다. 이러한 시나리오를 바탕으로 정밀한 CFD 해석을 통하여 모듈별, 장비 위치별 폭발하중을 구하여 해당위치에 대한 누적발생빈도에 대한 과압(Overpressure)으로 정의하여 위험도 기반 설계하중으로 적용한다. 이에 본 연구에서는 실제폭발하중을 정밀한 폭발사고를 구현할 수 있는 폭발해석 전용CFD 해석코드를 사용하여 실제 FPSO 상부 모듈에서 발생할 수 있는 최대 압력시계열결과(Paik and Czujko, 2010)를 사용하였다.
본 논문에서는 가스생산용 FPSO의 안전시스템인 파형 방폭 벽구조에 대하여 실험과 상용유한요소코드를 이용하여 폭발사고에 대한 충격응답특성 설계인자를 도출하였다. 이를 위해 실험과 수치해석결과에 대한 응답특성치인 영구변형, 최대처짐, 처짐형상을 비교분석하여 폭발응답특성 해석용 수치해석모델을 제시하였다.
실제크기의 방폭벽 폭발응답특성 분석 실험은 다양한 실험적 제약 조건이 따르게 된다. 이에 본 연구에서는 1/4-scale 방폭벽구조를 대상으로 수행된 실험(HSE, 2003)을 통하여 충격하중특성 분석 및 수치해석용 유한요소모델링기법을 확립하였다. 또한 확립된 유한요소해석모델을 활용하여 대상구조의 충격응답특성 인자 산정하기 위한 매개변수분석을 수행하였다.
을 고려하여 이상화된 삼각형 혹은 사각형으로 가정할 수 있다 (Lee and Kim, 1999; Paik and Shin, 2006). 이에 실제 충격하중구현과 수치해석모델검증을 위하여 PPLR(Pulse pressure loading rig) 장비를 이용한 실험결과(HSE, 2003)와 해석모델을 비교분석하였다. Fig.
5는 파형판과 연결부의 유한요소모델이다. 충격하중 작용시 비선형구조거동인 좌굴 및 소성변형을 구현하기 위해 파형판은 4절점 shell 요소를 사용하였으며, 연결부는 기하학적인 굴곡부 및 굽힘 변형을 구현하기 위해 8절점 Solid 요소를 채택하였다. 방폭판과 연결부는 용접으로 고정되어 있으므로 접합된 위치의 상이한 요소자유도에 대하여 유한요소모델 시 공유절점으로 실험조건과 동일하게 구현하였다.
파형방폭벽의 충격응답특성 인자를 산정하기 위하여 Fig. 10과 같이 기하학적으로 구현 가능한 파형단면의 형상변수를 고찰하였다. 폭발하중이 면외방향, 면내방향으로 적용되는 관련변수인 폭(B), 기울기(Θ) 그리고 연관된 변수인 높이 (h)로 크게 세가지로 선정하였다.
방폭판과 연결부는 용접으로 고정되어 있으므로 접합된 위치의 상이한 요소자유도에 대하여 유한요소모델 시 공유절점으로 실험조건과 동일하게 구현하였다. 파형판의 요소크기 결정은 동일한 충격하중에 대하여 흡수에너지, 최대변형량을 기준으로 요소의 크기 (1x1, 2x2, 4x4, 6x6, 8x8, 10x10mm)를 변화하여 요소개수에 대한 수렴도분석을 통하여 유한요소의 Mesh size를 4mm (총 20,606개)로 결정하였다.
폭발하중이 면외방향, 면내방향으로 적용되는 관련변수인 폭(B), 기울기(Θ) 그리고 연관된 변수인 높이 (h)로 크게 세가지로 선정하였다.
4에 보여준 것과 같이 실험에서 계측된 P_peak, t_m 및 t_dur을 이용하여 수치해석용 이상화된 삼각형시계열 하중으로 가정하여 수치해석을 수행하였다. 하중의 크기는 가스생산용 설비에서 발생 가능한 최대충격하중인 1.0bar를 기준으로 상대적으로 높은 충격하중(1.92bar, 1.18bar)과 낮은 충격하중(0.91bar, 0.94bar)으로 시험 및 해석을 수행하였다(FABIG, 1999, HSE, 2003).
해석코드는 상용 비선형유한요소 해석코드를 이용하여, 모든 해석시나리오에 동일한 경계 조건과 하중 조건을 적용시켰다. 전술한 것과 같이 해양플랜트 설비는 위험도 기반으로 설계가 되고 있다.

대상 데이터

구현 가능한 총 125개의 단면형상에 대하여 파형방폭벽 설계인자 (h>Θ>B)를 도출하였다.
따라서 본 논문의 목적은 가스생산용 해양플랜트 설비의 안전 시스템인 방폭벽 구조에 대하여 실제 가스누출로 인한 폭발사고의 충격하중과 단면형상에 따른 응답특성을 비교와 분석을 통해 설계자로 하여금 보다 효과적으로 최적설계를 달성할 수 있도록 지원하는 것이다. 대상 방폭벽구조는 해양플랜트 설비에 널리 사용되는 파형(Corrugation) 형상의 방폭벽을 선정하여 해석을 수행하였다. 2장에서 문헌에서 제시하고 있는 방폭벽 실험결과를 이용하여 단면형상응답특성분석용 수치해석모델을 제시하였다.
는 변형률 속도이고, 재료별 C와 q는 동적 인장실험을 바탕으로 결정할 수 재료상수이다. 본 연구에서 316L 스테인레스강과 연강재의 재료상수는 실제 계측한 실험값(Langdon and Schleyer, 2004; Chung et al., 2005)을 이용하였다. 재료모델은 탄소성구간, 항복응력, Cowper-symonds 모델이 적용 가능한 Plastic kinematic bilinear 재료모델을 사용하였다.
폭발사고에 대한 방폭벽은 크게 두 가지 형태인 보강판구조 (Stiffened plate structure)와 파형판구조(Corrugated plate structure)로 구분할 수 있으며, 주로 폭발사고 시 탈출로와 인접 모듈에 피해확산방지의 목적으로 해양플랜트 설비의 모듈 및 거주구 주위에 설치된다. 본 연구에서는 FPSO 상부구조물에 실제 설치된 파형판형태의 방폭벽을 대상 모델로 사용하였다.

데이터처리

이에 본 연구에서는 1/4-scale 방폭벽구조를 대상으로 수행된 실험(HSE, 2003)을 통하여 충격하중특성 분석 및 수치해석용 유한요소모델링기법을 확립하였다. 또한 확립된 유한요소해석모델을 활용하여 대상구조의 충격응답특성 인자 산정하기 위한 매개변수분석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

구현 가능한 모든 단면형상에 대하여 각 변수별로 5수준 (B=100, 120, 140, 170, 200mm, Θ= 30, 45, 60, 75, 90 °, h=100, 130, 160, 180, 200mm)으로 정의하였다. 3개의 변수와 5개의 수준은 일종의 실험계획법인 완전요인배치법 (Full factorial design)을 이용하여 총 125개 시나리오 대하여 해석을 수행하였다. 이러한 시나리오 선정은 실용적인 관점에서 설계자가 효과적으로 파형방폭벽 설계 시 제안된 변수와 수준에 대하여 중복되지 않는 조합이라 할 수 있다.
이러한 시나리오를 바탕으로 정밀한 CFD 해석을 통하여 모듈별, 장비 위치별 폭발하중을 구하여 해당위치에 대한 누적발생빈도에 대한 과압(Overpressure)으로 정의하여 위험도 기반 설계하중으로 적용한다. 이에 본 연구에서는 실제폭발하중을 정밀한 폭발사고를 구현할 수 있는 폭발해석 전용CFD 해석코드를 사용하여 실제 FPSO 상부 모듈에서 발생할 수 있는 최대 압력시계열결과(Paik and Czujko, 2010)를 사용하였다.
조선해양구조물용 강재의 변형률 속도에 관련한 구성 방정식의 재료상수 결정은 구조물의 동적 거동 측면에서 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 변형률 속도로 인한 경화를 고려한 실험데이터 혹은 경험식을 활용하여 재료상수를 유추해야 한다(정준모 등, 2011). 이에 본 연구에서는 재료의 변형률 속도에 관련한 구성방정식들(Jones, 1989) 중에서, 가장 널리 사용되고 있는 Cow per-symonds 모델을 사용하였고, Cowper-symonds 식 (1)에서의 재료상수 값 C, q는 Table 1에 표기하였다.
, 2005)을 이용하였다. 재료모델은 탄소성구간, 항복응력, Cowper-symonds 모델이 적용 가능한 Plastic kinematic bilinear 재료모델을 사용하였다.
)을 정리하였다. 해석코드는 상용 비선형유한요소 해석코드 (ANSYS/LS-DYNA, 2011)를 이용하였다. Fig.

성능/효과

결론적으로 폭발사고에 대한 파형방폭벽 설계 시 응답특성치인 흡수에너지와 영구처짐 측면에서는 단면형상변수 h, Θ를 조절하는 것이 가장 효율적이고 실용적이라 할 수 있다.
따라서 폭발하중에 대한 충격응답특성을 고려한 파형방폭벽 설계인자는 h, Θ, B의 순서로 작용하는 것을 확인 할 수 있었다.
7은 4가지 경우에 대하여 시간에 따른 응답특성을 최대변형이 발생하는 중앙부에서 계측하여 도시하였다. 예상한 것과 같이, 최대변형량과 영구처짐은 상대적은 높은 충격 하중 (1.92bar, 1.18bar)의 (FABIG, 1999) 경우가 낮은 충격하중(0.91bar, 0.94bar)에 비해 많은 변형량이 발생하는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

0 bar영역과 모듈내부 폭발방향의 경우 (A방향)가 실험결과와 잘 대응하고 있다고 할 수 있다. 또한 실제 설계환경과도 유사한 조건이므로 충격응답특성 인자를 산정하기 위한 매개변수분석 수치해석모델로서 적절하다고 판단된다.
본 논문에서 분석된 내용은 향후 설계자로 하여금 보다 효과적으로 PSS 시스템의 최적구조설계를 달성할 수 있는 유용한 자료로 사용될 것이다. 또한, 본 연구에서는 파형방폭벽구조에 대하여 폭발응답특성을 분석하였으나 향후 다양한 형태의 방폭벽(보강판)구조에 대한 비교분석이루어지면 해양플랜트설비의 안전시스템 설계 시 보다 실용적인 자료로 사용 될 것이다.
본 논문에서 분석된 내용은 향후 설계자로 하여금 보다 효과적으로 PSS 시스템의 최적구조설계를 달성할 수 있는 유용한 자료로 사용될 것이다. 또한, 본 연구에서는 파형방폭벽구조에 대하여 폭발응답특성을 분석하였으나 향후 다양한 형태의 방폭벽(보강판)구조에 대한 비교분석이루어지면 해양플랜트설비의 안전시스템 설계 시 보다 실용적인 자료로 사용 될 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양플랜트 설비는 어떻게 분류되는가?	따라서 경제성이 낮았던 심해자원 개발용 해양플랜트 설비가 증가 하는 추세이다. 해양플랜트 설비는 크게 다양한 수심과 형태에 따라서 고정식 구조물, 중력식 구조물, 반잠수 구조물에서 부유식 구조물로 분류될 수 있다. 특히 FPSO를 포함한 부유식구조물은 설계 목적 상 원유의 생산, 분리, 저장, 하역과 그에 수반된 다양한 작업 대부분이 상부구조물 (Topsides)에서 이루어지며, 육상설비와는 다르게 공정설비가 제한된 공간에서 설치가 되므로 이를 고려한 설계와 운영이 필요하다.
	PSS 대표적인 예에는 무엇이 있는가?	PSS는 사고 자체의 빈도를 줄이지 못하지만 사고 이후 피해규모를 최소화하는 것이다. 대표적인 예로 폭발 사고에 대비한 방폭벽(Blast wall), 방화벽(Fire wall)등이 있다.
	해양플랜트 설비의 안전시스템은 어떻게 분류되는가?	해양플랜트 설비의 안전시스템은 크게 능동적 시스템(ASS: Active safety system)과 수동적 시스템(PSS: Passive safety system)으로 분류할 수 있다. ASS는 사고 발생 전에 작동하여 사고 자체를 예방하는 것으로 사고의 빈도를 줄이는 것을 목적으로 한다.

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해양플랜트 설비 Corrugated Blast Wall의 폭발 충격응답 인자 특성에 관한 파라메트릭 연구
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