선박의 연료로 이용되는 중유는 지구 온난화를 일으키는 유해가스를 배출한다. 이를 저감하기 위해 친환경선박으로 표현되고 있는 녹색선박이 등장하게 되었고, 천연가스를 연료로 하는 액화천연가스(LNG) 연료 선박이 대표적인 사례이다. 본 논문에서는 LNG 선박에 사용되는 극저온 환경에서 고압 하중을 받는 기화기와 출입구 배관의 구조 건전성을 ASME 코드에 따라 평가하고 실용화한 최초의 사례이다. 기화기와 배관은 유한요소법을 사용하여 구조해석을 수행하였다. 기화기는 등가응력을 바탕으로 ASME Section VIII Division 2에 제시된 허용응력과 비교하여 건전성 평가를 수행하였고, 배관은 성분별 응력을 조합하여 ASME B31.3에 제시된 허용응력과 비교 및 건전성 평가를 수행하였다. 각 하중에 대한 구조물들의 응력 결과는 허용응력 범위 이내에 있으므로 구조적 건전성을 유지하는 것으로 평가되었다.
선박의 연료로 이용되는 중유는 지구 온난화를 일으키는 유해가스를 배출한다. 이를 저감하기 위해 친환경선박으로 표현되고 있는 녹색선박이 등장하게 되었고, 천연가스를 연료로 하는 액화천연가스(LNG) 연료 선박이 대표적인 사례이다. 본 논문에서는 LNG 선박에 사용되는 극저온 환경에서 고압 하중을 받는 기화기와 출입구 배관의 구조 건전성을 ASME 코드에 따라 평가하고 실용화한 최초의 사례이다. 기화기와 배관은 유한요소법을 사용하여 구조해석을 수행하였다. 기화기는 등가응력을 바탕으로 ASME Section VIII Division 2에 제시된 허용응력과 비교하여 건전성 평가를 수행하였고, 배관은 성분별 응력을 조합하여 ASME B31.3에 제시된 허용응력과 비교 및 건전성 평가를 수행하였다. 각 하중에 대한 구조물들의 응력 결과는 허용응력 범위 이내에 있으므로 구조적 건전성을 유지하는 것으로 평가되었다.
Heavy oil used as ship propulsion has a serious issue regarding exhaust emission of global warming. Recently, among large-scale merchant ships are using LNG as green ships so called ech-ships. In this study, an vaporizer and pipes under cryogenic and high pressure load were considered to evaluate st...
Heavy oil used as ship propulsion has a serious issue regarding exhaust emission of global warming. Recently, among large-scale merchant ships are using LNG as green ships so called ech-ships. In this study, an vaporizer and pipes under cryogenic and high pressure load were considered to evaluate structural integrity according to codes. Structural analysis of the vaporizer and pipes was performed using the commercial code, ANSYS. Integrity evaluation of the vaporizer based on von Mises stress was performed in accordance with allowable stress specified in ASME Boiler & Pressure Vesssel Section VIII Division 2. To assess structural integrity of the pipes, stress components were combined and compared with ASME B31.3. The calculated stresses for all load cases are lower than allowable stresses, therefore the structural integrity of equipments are verified.
Heavy oil used as ship propulsion has a serious issue regarding exhaust emission of global warming. Recently, among large-scale merchant ships are using LNG as green ships so called ech-ships. In this study, an vaporizer and pipes under cryogenic and high pressure load were considered to evaluate structural integrity according to codes. Structural analysis of the vaporizer and pipes was performed using the commercial code, ANSYS. Integrity evaluation of the vaporizer based on von Mises stress was performed in accordance with allowable stress specified in ASME Boiler & Pressure Vesssel Section VIII Division 2. To assess structural integrity of the pipes, stress components were combined and compared with ASME B31.3. The calculated stresses for all load cases are lower than allowable stresses, therefore the structural integrity of equipments are verified.
본 논문에서는 선박의 원료로 사용되는 천연가스를 운반하는 배관과 액화 상태의 천연가스를 기화시키는 기화기에 대하여 구조 건전성 평가를 수행하고자 한다. 이를 위해 실제 운전 조건을 바탕으로 극저온, 고압 환경에서의 배관과 고압 환경에서의 기화기에 대해 구조해석을 수행하고, 각 구조물의 응력 결과를 바탕으로 ASME 코드[7][8]에 명시된 허용응력 기준과 비교하여 건전성 여부를 판단하였다.
제안 방법
본 논문에서는 선박의 원료로 사용되는 천연가스를 운반하는 배관과 액화 상태의 천연가스를 기화시키는 기화기에 대하여 구조 건전성 평가를 수행하고자 한다. 이를 위해 실제 운전 조건을 바탕으로 극저온, 고압 환경에서의 배관과 고압 환경에서의 기화기에 대해 구조해석을 수행하고, 각 구조물의 응력 결과를 바탕으로 ASME 코드[7][8]에 명시된 허용응력 기준과 비교하여 건전성 여부를 판단하였다.
대상 데이터
배관은 기화기의 입/출구를 기준으로 하여 두 구간으로 나누고 파이프 요소를 사용하여 모델링하였다. Figure 3과 Figure 4는 각각 입구 및 출구에 연결된 배관의 유한요소 모델이다.
본 해석에서 사용된 기화기는 고압의 환경에서 사용하기에 적합한 셸 -튜브 유형의 열교환기이다. 기화기의 최외각부인 셸 구간과 기화기의 지지대는 구조물의 크기에 비해 상대적으로 얇은 두께를 갖기 때문에 셸 요소를 사용하였고, 배관이 접해있는 채널 구간에는 솔리드 요소를 사용하여 Figure 2와 같이 모델링하였다.
이론/모형
배관의 건전성 평가는 다음과 같이 ASME B31.3 코드를 따르며 압력하중에 의해서 발생한 응력 결과와 온도하중에 의해서 발생한 응력 결과를 각각 평가한다.
성능/효과
(1) 압력 및 노즐 하중 조건에서 발생하는 기화기의 응력 결과가 ASME 코드에 제시된 허용 응력 범위 이내에 있으므로 구조적 건전성을 유지할 수 있다.
(3) 압력 및 온도 하중에서 발생하는 배관의 응력 결과가 ASME 코드에서 제시된 허용 응력 범위 이내에 있으므로 구조적 건전성을 유지 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 연료로 이용되는 중유가 유해가스를 배출하기때문에 등장한 것은?
선박의 연료로 이용되는 중유는 지구 온난화를 일으키는 유해가스를 배출한다. 이를 저감하기 위해 친환경선박으로 표현되고 있는 녹색선박이 등장하게 되었고, 천연가스를 연료로 하는 액화천연가스(LNG) 연료 선박이 대표적인 사례이다. 본 논문에서는 LNG 선박에 사용되는 극저온 환경에서 고압 하중을 받는 기화기와 출입구 배관의 구조 건전성을 ASME 코드에 따라 평가하고 실용화한 최초의 사례이다.
환경 오염의 원인되는 선박연료에서 배출되는 유해가스의 예는?
최근 지구온난화로 인하여 국제적인 환경 규제가 강화되고 있다. 선박 연료로 많이 이용되는 벙커C유외 중유에서는 이산화탄소, 질소산화물, 황화합물 등의 유해가스가 배출되는데 이는 환경 오염의 원인이 된다[1][2]. 이러한 이유로 국제해사기구에서는 선박의 유해가스 배출 기준을 강화하고 있다.
천연가스는 연료탱크에서 어떤상태로 저장되는가
천연가스는 연료 탱크에서 극저온, 고압의 액화된 상태로 저장되어 있고, 배관을 통해 기화기(vaporizer)로 전달된다. 기화기에서 액화 상태의 천연가스는 기화 되고, 고압 상태로 엔진에 공급된다[3].
참고문헌 (9)
Y. C. Park, H. S. Park and S. P. Kim, "Analysis method on structural safety evaluation of Butterfly valve of piping for LNG carrier," Journal of the Korea Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 7, no. 4, pp. 76-81, 2008.
Y. H. Lee, Y. T. Kim, and H. K. Kang, "An analysis on the characteristics of regasfication system for gas fuelled ship depending on the mixing ratio of eglycol and water," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 38, no. 7, pp. 799-805, 2014.
D. C. Lee, H. Afrianto, H. S. Chung, and H. M. Jeong, "Numerical analysis of LNG vaporzier heat transfer characteristic in LNG fuel ship", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 1, pp. 22-28, 2013.
Y. G. Kim, S. B. Choi, J. B. Choi, H. C. Lee, and I. J. Hwang, "A study on the structural behavior of pipes operating under cryogenic environment," The Society of Air-Conditional and Refrigerating Engineering, Proceeding of Winter Conference, pp. 47-51, 2009.
S. K. Min and M. J. Choi, "A study on design criteria of piping system in pertochemical plant," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, vol. 19, no. 6, pp. 192-199, 2002.
S. B. Park, M. J. Sim, M. S. Kim, J. H. Kim, and J. M. Lee, "A study of thermo-mechanical analysis for the design oh high pressure piping system for natural gas fuel vessel," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 39, no. 4, pp. 425-431, 2015.
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