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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 LNG 연료 추진 시스템에 사용되는 고온-고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 고온-고압 이중 배관의 외관과 내관에 사용되는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 스틸(sDSS, super duplex stainless steel)에 대한 어닐링 시간(annealing time)에 따른 상온에서의 인장 실험 결과를 통해 파이프 용접부 혹은 단조의 영향을 분석하였고, 이러한 재료 실험 결과를 이중 배관의 열-구조 해석에 물성치로 적용하였다.
- 본 연구는 10,000 TEU 급 컨테이너선의 LNG 연료 추진 시스템에서 기화기와 엔진 사이를 연결하여 고온 및 고압의 천연가스를 엔진으로 운송해주는 이중 배관을 대상으로 하여 해석을 수행하였다. 이러한 고온-고압 이중 배관은 크게 내관과 외관, 지지대로 이루어져 있다.
- 본 연구에서는 LNG 연료 공급 시스템의 이중배관에 대한 구조적 안전성 평가를 위해, 이에 대한 열-구조 해석 수행을 통해, 이중 배관의 고정식 지지대 부위의 응력의 분포를 확인하였고, 기존의 고정식 지지대에 비해 구조적으로 안전성이 뛰어난 슬라이딩 지지대의 형상을 제안하였으며, 이에 대 한 열-구조 해석을 통해 구조적으로 가장 안전한 형상을 선택하였다. 본 연구 결과를 아래와 같이 간단히 요약한다.
- 07MPa의 최대 등가응력이 발생하였다. 이는 강재의 항복응력(yield strength)인 685MPa 이내의 탄성 영역에 존재하므로, 구조적으로 안전하다고 판단되지만, 지지대의 구조적 불연속 지점, 즉 접합부에 국부적으로 발생한 응력 집중 현상은 장기적으로 봤을 때, 국부적인 파손의 원인이 되는 등 구조물에 취약한 문제를 야기하게 될 것으로 사료되므로, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 형상을 가지는 지지대를 제안하였다.
제안 방법
- 50℃의 열하중이 고압 배관에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 가장 먼저 열하중을 고려하지 않고 구조해석을 수행하였고, 동일한 환경에서 열 하중을 고려한 구조해석을 추가적으로 수행하여, 그 결과를 Figure 4에 나타내었다.
- Yun, et al. [2]은 차량용 LNG 연료 탱크의 지지 시스템에 대한 열전달 해석을 수행하였고, 열응력 해석을 수행함으로 인해 해당 시스템의 적용가능성을 평가하였고. Choi, et al.
- 고정식 지지대로 인한 응력 집중을 최소화하기 위하여 새로운 슬라이딩 지지대를 제안하였으며, 동일한 해석 조건을 적용하여 다시 열-구조 해석을 수행하였다. 고정식 지지대의 해석 결과와 비교하였을 때, 새로운 지지대로 인한 응력 집중 현상은 발견되지 않았다.
- 먼저 고온-고압 이중 배관의 외관과 내관에 사용되는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 스틸(sDSS, super duplex stainless steel)에 대한 어닐링 시간(annealing time)에 따른 상온에서의 인장 실험 결과를 통해 파이프 용접부 혹은 단조의 영향을 분석하였고, 이러한 재료 실험 결과를 이중 배관의 열-구조 해석에 물성치로 적용하였다. 다음으로, 기존에 사용되는 고정식 지지대를 가지는 고온-고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석을 수행하여 구조물의 응력 분포를 확인함으로써, 기존 배관 시스템의 구조적 안전성을 평가하였다. 또한, 고정식 지지대에 비해 내관에 미치는 영향이 적은 다양한 형상의 슬라이딩 지지대를 제안하고, 고정식 지지대를 가지는 이중 배관의 구조해석 시에 설정했던 동일한 환경에서 열-구조 연성 해석을 수행하였으며, 해석 결과들과 기존의 고정식 지지대를 갖는 이중 배관과의 비교/ 분석을 통해 구조적으로 최적의 형상을 가지는 슬라이딩 지지대를 제안하였다.
- 슬라이딩 지지대는 전술한 바와 같이 내관에 고정되지 않기 때문에, 지지대와 내관 사이에 슬라이딩이 가능한 상태의 접촉 조건을 정의하였다. 또한 좌측 상단의 배관에는 상대적으로 크기가 큰 고압 기화기(high pressure vaporizer) 가 연결되어 있으므로 고정 지지를 적용하였고, 우측의 배관에는 또 다른 배관이 연결되어 있으므로 축 방향으로의 변형을 제한하는 구속 조건을 설정하였다. 연료가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 열의 대류 현상을 고려하였으며, 이러한 조건을 적용하여 수행한 열 해석 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였다.
- 다음으로, 기존에 사용되는 고정식 지지대를 가지는 고온-고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석을 수행하여 구조물의 응력 분포를 확인함으로써, 기존 배관 시스템의 구조적 안전성을 평가하였다. 또한, 고정식 지지대에 비해 내관에 미치는 영향이 적은 다양한 형상의 슬라이딩 지지대를 제안하고, 고정식 지지대를 가지는 이중 배관의 구조해석 시에 설정했던 동일한 환경에서 열-구조 연성 해석을 수행하였으며, 해석 결과들과 기존의 고정식 지지대를 갖는 이중 배관과의 비교/ 분석을 통해 구조적으로 최적의 형상을 가지는 슬라이딩 지지대를 제안하였다. 마지막으로 제안된 슬라이딩 지지대를 전체 고온-고압 이중배관 시스템에 적용하여, 실제로 사용되는 이중 배관에서의 구조 건전성을 평가하였다.
- 또한, 고정식 지지대에 비해 내관에 미치는 영향이 적은 다양한 형상의 슬라이딩 지지대를 제안하고, 고정식 지지대를 가지는 이중 배관의 구조해석 시에 설정했던 동일한 환경에서 열-구조 연성 해석을 수행하였으며, 해석 결과들과 기존의 고정식 지지대를 갖는 이중 배관과의 비교/ 분석을 통해 구조적으로 최적의 형상을 가지는 슬라이딩 지지대를 제안하였다. 마지막으로 제안된 슬라이딩 지지대를 전체 고온-고압 이중배관 시스템에 적용하여, 실제로 사용되는 이중 배관에서의 구조 건전성을 평가하였다.
- 따라서 본 연구에서는 LNG 연료 추진 시스템에 사용되는 고온-고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 고온-고압 이중 배관의 외관과 내관에 사용되는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 스틸(sDSS, super duplex stainless steel)에 대한 어닐링 시간(annealing time)에 따른 상온에서의 인장 실험 결과를 통해 파이프 용접부 혹은 단조의 영향을 분석하였고, 이러한 재료 실험 결과를 이중 배관의 열-구조 해석에 물성치로 적용하였다. 다음으로, 기존에 사용되는 고정식 지지대를 가지는 고온-고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석을 수행하여 구조물의 응력 분포를 확인함으로써, 기존 배관 시스템의 구조적 안전성을 평가하였다.
- 열처리 작업이 완료된 4개의 후판을 한국산업규격(KS B0801 10)에 따라 시편을 제작하였다. 반복성 검증을 위해 각 시나리오 당 5개씩 준비하여 준정적 속도 범위인 0.001/sec의 변형률 속도로 실험하였고, 그 중 평균에 가깝다고 여겨지는 3개의 데이터를 기반으로 결과를 정리하였다.
- 이러한 열 해석을 통해 얻은 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였고, 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에는 사용 압력 35MPa을 적용하였다. 배관의 양단에는 축방향의 변형을 제한하여 배관이 연속으로 연결된 환경을 구현하였다.
- 상온에서의 어닐링 열처리 시간에 따른 재료 거동의 변화를 파악하기 위해 4개의 후판을 Thermolyne사의 고온로( premium large muffle furnace)를 이용해 어닐링 열처리 후 빠르게 퀜칭(quenching) 처리를 수행하였다. 본 실험에서 사용된 sDSS 시편은 1100℃의 온도에서 20분간 고용화 처리를 수행한 시편으로써, 따로 고용화 처리 없이, 1℃/s의 속도로 850℃까지 후판을 가열하여, 10분, 30분, 60분간의 어닐링 열처리 후 퀜칭 처리하였다. 열처리 작업이 완료된 4개의 후판을 한국산업규격(KS B0801 10)에 따라 시편을 제작하였다.
- 상온에서의 어닐링 열처리 시간에 따른 재료 거동의 변화를 파악하기 위해 4개의 후판을 Thermolyne사의 고온로( premium large muffle furnace)를 이용해 어닐링 열처리 후 빠르게 퀜칭(quenching) 처리를 수행하였다. 본 실험에서 사용된 sDSS 시편은 1100℃의 온도에서 20분간 고용화 처리를 수행한 시편으로써, 따로 고용화 처리 없이, 1℃/s의 속도로 850℃까지 후판을 가열하여, 10분, 30분, 60분간의 어닐링 열처리 후 퀜칭 처리하였다.
- 앞서 선정한 구조적으로 최적의 형상을 가지는 T7 지지대를 실제 LNG 연료 공급 시스템에 사용되는 이중 배관에 적용하여 구조적 안전성을 평가하였다. Figure 6은 실제로 LNG 연료 공급 시스템에 사용되는 고온-고압 이중 배관의 형상과 격자 형상을 나타낸다.
- 또한 좌측 상단의 배관에는 상대적으로 크기가 큰 고압 기화기(high pressure vaporizer) 가 연결되어 있으므로 고정 지지를 적용하였고, 우측의 배관에는 또 다른 배관이 연결되어 있으므로 축 방향으로의 변형을 제한하는 구속 조건을 설정하였다. 연료가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 열의 대류 현상을 고려하였으며, 이러한 조건을 적용하여 수행한 열 해석 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였다. 구조 해석 단계에서는 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에 사용 압력 35MPa을 적용하였다.
- 천연가스가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 실제 시스템에서 주변 환경으로 전달되는 열의 대류 현상에 관한 환경을 구현하기 위하여 외관의 외벽에는 수평 파이프에 대한 대류 조건을 부여하였다. 이러한 열 해석을 통해 얻은 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였고, 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에는 사용 압력 35MPa을 적용하였다. 배관의 양단에는 축방향의 변형을 제한하여 배관이 연속으로 연결된 환경을 구현하였다.
- 이중 배관의 내관에는 50℃의 천연가스가 이동하기 때문에 각 부분 별 온도 분포를 계산하고자 열 해석을 수행하였다. 일한 이중 배관의 열 해석을 수행하여 얻은 온도 분포를 열 하중의 형태로 구조해석에 반영하였다.
- 이중 배관의 내관에는 50℃의 천연가스가 이동하기 때문에 각 부분 별 온도 분포를 계산하고자 열 해석을 수행하였다. 일한 이중 배관의 열 해석을 수행하여 얻은 온도 분포를 열 하중의 형태로 구조해석에 반영하였다. 각 지지대 별 내관에서 발생하는 응력 값을 비교한 그래프를 Figure 5 (a)에 나타내었다, 내관의 가스와 직접 맞닿는 부분에서는 175MPa의 등가 응력이 발생하였고, 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생하는 지점에서 국부적으로 213.
- 실제 운용 환경에서 고온-고압 이중 배관에 발생하는 열 하중을 계산하기 위하여 먼저 ANSYS WORKBENCH V14 프로그램을 이용하여 열 해석을 수행하였다. 천연가스가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 실제 시스템에서 주변 환경으로 전달되는 열의 대류 현상에 관한 환경을 구현하기 위하여 외관의 외벽에는 수평 파이프에 대한 대류 조건을 부여하였다. 이러한 열 해석을 통해 얻은 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였고, 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에는 사용 압력 35MPa을 적용하였다.
- 해석에 사용된 재료의 물성치를 정리하여, Table 2에 나타내었다. 특히 sDSS의 경우, 본 연구에서 직접 실험을 수행한 결과를 바탕으로 물성치를 적용하였다.
대상 데이터
- 고정식 지지대의 해석 결과와 비교하였을 때, 새로운 지지대로 인한 응력 집중 현상은 발견되지 않았다. 구조적인 안전성의 측면에서 7가지 새로운 지지대 중 T7를 최적의 형상으로 채택하였다.
- 이러한 이중 배관에 사용되는 재료는 고압의 환경에서 견딜 만한 우수한 강도를 가져야 하고, 균열과 부식에 강한 재료를 사용하여야 한다. 따라서 높은 기계적 강도, 낮은 열팽창 계수를 가지고, 응력 부식, 공식, 틈새부식과 마모, 침식에 대한 저항력이 매우 우수한 sDSS를 외관 및 내관의 재료로써 사용하였다. 지지대의 경우, 고온 및 고압의 천연가스에 의한 내관의 평창 변형을 흡수하기 때문에, 장시간의 하중에도 우수한 성능을 유지하는 PEEK(poly-ether-ehter-ketone)를 채택하였다.
- 또한 지지대와 외관의 경우, 지지대의 접촉 면 수와 각 접촉부의 면적이 지지대 형상에 따라 달라지기 때문에 Figure 5 (b)와 같은 경향을 보이는 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 제안된 지지대 중, 구조적으로 가장 안정적이고, 제작 및 설치가 용이한 T7을 최적 지지대 형상으로 채택하였다.
- 전체 이중 배관 시스템에 대하여 총 9개의 슬라이딩 지지대를 설치하였으며, 플랜지 (flange)를 통해 두 개의 배관을 연결하고 있는 구조이다. 본 연구에서 사용된 고온-고압 이중 배관의 격자의 수는 759,344개이며, 요소의 수는 291,784개이다.
- 본 연구에서는 Shimadzu사의 만능재료시험기(UH-1000K NI)와 Epsilon Tech사의 인장실험용 신율계(3542-050M-100-LT)가 사용되었다.
- Figure 2에서 보인 바와 같이, 배관의 전체 길이는 1본에 해당하는 6000mm이고, 사이에 지지대를 총 4세트를 설치하게 된다. 본 연구에서는 지지대에 의한 내관과 외관의 영향을 자세하게 살펴보기 위하여, 지지대 1세트인 1200mm 만 고려하였고, 지지대는 배관의 길이 방향의 정 중앙에 설치되게 된다. 본 연구에서 사용된 외관과 내관의 직경 및 두께를 Table 3에 나타내었다.
- 본 실험에서 사용된 sDSS 시편은 1100℃의 온도에서 20분간 고용화 처리를 수행한 시편으로써, 따로 고용화 처리 없이, 1℃/s의 속도로 850℃까지 후판을 가열하여, 10분, 30분, 60분간의 어닐링 열처리 후 퀜칭 처리하였다. 열처리 작업이 완료된 4개의 후판을 한국산업규격(KS B0801 10)에 따라 시편을 제작하였다. 반복성 검증을 위해 각 시나리오 당 5개씩 준비하여 준정적 속도 범위인 0.
데이터처리
- 실제 운용 환경에서 고온-고압 이중 배관에 발생하는 열 하중을 계산하기 위하여 먼저 ANSYS WORKBENCH V14 프로그램을 이용하여 열 해석을 수행하였다. 천연가스가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 실제 시스템에서 주변 환경으로 전달되는 열의 대류 현상에 관한 환경을 구현하기 위하여 외관의 외벽에는 수평 파이프에 대한 대류 조건을 부여하였다.
성능/효과
- 구조 해석만 수행한 결과, 최대 등가 응력은 159.71MPa 로 나타났다. 반면 열-구조 연성 해석 결과, 최대 등가 응력은 213.
- 또한 최대 등가 응력이 발생된 지점도 상이했는데, 구조 해석만 진행했을 때에는 내관의 내부에서 최대 등가 응력이 발생했지만, 열-구조 연성 해석을 진행했을 때에는 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생된 지점에서 최대 등가 응력이 발생하였고, 열팽창 현상 또한 발생한 것을 확인할 수 있다. 두 해석결과의 최대 응력 값의 차이는 기존의 구조 해석 결과 대비 31% 증가하는 등, 응력에 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 이러한 차이는 무시할 수 없을 정도로 크다고 판단된다. 따라서 천연가스용 고압 배관의 구조 해석 시에는 열하중이 반드시 고려되어야 한다는 결론에 도달하였다.
- 두 해석결과의 최대 응력 값의 차이는 기존의 구조 해석 결과 대비 31% 증가하는 등, 응력에 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 이러한 차이는 무시할 수 없을 정도로 크다고 판단된다. 따라서 천연가스용 고압 배관의 구조 해석 시에는 열하중이 반드시 고려되어야 한다는 결론에 도달하였다.
- 07MPa임을 확인할 수 있었다. 또한 최대 등가 응력이 발생된 지점도 상이했는데, 구조 해석만 진행했을 때에는 내관의 내부에서 최대 등가 응력이 발생했지만, 열-구조 연성 해석을 진행했을 때에는 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생된 지점에서 최대 등가 응력이 발생하였고, 열팽창 현상 또한 발생한 것을 확인할 수 있다. 두 해석결과의 최대 응력 값의 차이는 기존의 구조 해석 결과 대비 31% 증가하는 등, 응력에 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 이러한 차이는 무시할 수 없을 정도로 크다고 판단된다.
- 71MPa 로 나타났다. 반면 열-구조 연성 해석 결과, 최대 등가 응력은 213.07MPa임을 확인할 수 있었다. 또한 최대 등가 응력이 발생된 지점도 상이했는데, 구조 해석만 진행했을 때에는 내관의 내부에서 최대 등가 응력이 발생했지만, 열-구조 연성 해석을 진행했을 때에는 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생된 지점에서 최대 등가 응력이 발생하였고, 열팽창 현상 또한 발생한 것을 확인할 수 있다.
- 열 하중이 구조 해석 시에 미치는 영향에 대해 분석하기 위하여, 열 하중을 적용하지 않고 구조해석만을 수행한 결과와 열 하중을 고려하여 구조 해석을 수행한 결과를 비교해봄으로써, 천연가스용 고압 이중 배관의 구조 해석 시 열 해석을 통한 열 하중은 반드시 구조해석에 적용되어야 함을 확인할 수 있었다.
- 전체 모델 해석 결과에서 최대 응력은 이중 배관의 이음부인 플랜지와 내관이 연결된 부분에서 최대응력이 발생하였는데, 이는 수직으로 설치된 좌측의 이중 배관의 자중이 영향을 미친 것임을 알 수 있다. 하지만 그 응력 값이 sDSS의 항복하중인 685MPa에 미치지 못하므로, 해당 이중 배관 시스템은 적절히 설계된 것으로 판단할 수 있다.
- 제안된 지지대를 사용한 이중배관 모두에서 내관, 외관, 지지대에 응력이 고정식 지지대에 비해서 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지지대와 외관의 경우, 지지대의 접촉 면 수와 각 접촉부의 면적이 지지대 형상에 따라 달라지기 때문에 Figure 5 (b)와 같은 경향을 보이는 것으로 사료된다.
- 제안된 지지대를 적용한 전체 모델 해석을 통해 그 구조적 안전성을 확인하였다. 전체 모델 해석 결과, 최대 응력이 발생한 지점이 플랜지와 내관이 용접으로 연결된 부위이므로, sDSS의 취성화를 고려하여 해당 부분에 대한 국부 파손을 유의해야 한다.
후속연구
- 해당 지점에서도 구조적 불연속부에서 응력집중이 발생하였다. 이 부분의 최적화에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 추후 극심한 진동과 파손을 유발하는 엔진의 고압 분사 관에서 발생되는 충격파를 고려한 LNG 연료 추진 시스템의 고온-고압 이중배관에 대한 동적해석 수행에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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