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문제 정의
- 본 연구에서는 ASME 내압용기 첫째 기준에 해당하는 심해 2000 m 급 내압용기를 대상으로, 일반적인 학술적 압력용기 설계식과 ASME Section VIII Division 1 규정을 기초로 하여 초기설계 후 구조해석을 하고, 내압용기 시료를 제작하여 내압시험을 통해 좌굴되기까지의 과정을 소개한다
제안 방법
- 1. 국제규격인 ASME 규정에 의하여 설계를 진행하였으나, 규정에 적용된 알루미늄 재질의 강성이 실제 실험 시 적용된 시료의 재질보다 약하여 시험이 어려울 수 있었으나, 본 연구에서는 안전계수를 낮추어 설계를 한 후 압력챔버 시험을 수행하였다. 설계 전에 사용 될 알루미늄의 재질에 대한 문헌이나 규정의 자료보다는 실제 재질에 대해 정확하게 파악하는 것이 무엇보다 중요하였다.
- 모든 연결을 완료한 후 내압용기를 보조용 치구에 고정한 후 고압챔버 내부에 배치하여 시험을 진행하였다. 시험은 고압챔버의 상단 덮개를 닫은 후에 고압챔버 내부에 시험용수(청수)를 채워 정해진 시험 조건에 따라 가압 및 유지하는 형식으로 진행하였다. 전체적인 시험 과정은 Fig.
- 2. 유한요소 해석의 응력값 분석을 통해 챔버시험시의 스트레인 게이지 부착위치와 방향을 결정하였다. 해석과 시험의 스트레인 값의 경향은 대체로 일치하였고 일부 구간에서 최대 20여 퍼센트의 차이를 보였다.
대상 데이터
- (1) UG-10; 해양용으로 사용되는 알루미늄 AA 6061-T6 bar를 가공하여 제작하였다.
- (5) UG-23; ASME 규정에 의한 알루미늄 6061-T6 허용응력인 82.7 MPa (안전계수 2.9) 보다 큰 160 MPa (안전계수 1.5)가 적용되었다.
- ANSYS Solid 요소 3040개를 사용하였고 덮개와 실린더가 만나는 부분의 접속조건은 Bonded가 사용되었다. 해석 시 산출 된 스트레인(변형률) 값이 큰 3점(Location A, B, C)의 위치에 스트레인 게이지를 부착하여 내압실험을 진행하였다.
- 본 연구에서 내압용기는 총길이 650 mm (덮개 포함), 외경 300 mm 이내인 원통형 실린더에 양 끝에 평평한 덮개가 볼트로 고정되어 있는 것이다. 덮개와 실린더가 접하는 부분에 2개의 방수용 링이 있다.
- 해석결과, A와 B 점에서는 축 방향과 원주방향 스트레인 측정을 위해 90° T Rosette 방식으로 부착하였고, 덮개 중심은 모든 방향이 동일하므로 1개의 게이지를 부착하여 총 5개의 스트레인 게이지를 부착하였다. 시험에 사용된 게이지 및 부속재료는 독일 HBM社 제품(K-LY-43-6/350)을 사용하였고, 게이지의 표면 방수를 위해 Putty 재질의 표면 보호제를 사용하였다. 시험 설비 및 스트레인 계측 시스템의 구성은 Fig.
- 제작된 내압용기로 선박해양플랜트연구소에 설치된 고압챔버를 이용하여 내압시험을 수행하였다. 시험에 이용된 고압챔버의 형상과 주요사양은 Fig. 7, Table 9와 같다.
- 제작된 내압용기로 선박해양플랜트연구소에 설치된 고압챔버를 이용하여 내압시험을 수행하였다. 시험에 이용된 고압챔버의 형상과 주요사양은 Fig.
- 치수 설계 후, 내압용기 시료 제작에 앞서 AA 6061-T6에 대하여 공인 시험기관에서, 금속재료의 인장시험법인 KS B 0802 규격에 따라, 항복강도와 인장강도 및 연신율을 구하였다. 총 5개의 시료 (Fig. 6) 시험 결과 인장강도는 평균 385.
이론/모형
- (9) UG-99; 이 시험은 내부에 압력이 있는 용기에 대한 것이고 본 시험에는 미 국방성 시험표준 (MIL-STD-810G)이 수행되었다.
- 1차와 2차 내압시험은 미 국방성 시험표준(MIL-STD-810G)을 적용하여 운용압력 200 bar에서 30분간 유지하는 조건으로, 가압 중간에는 중간 압력 상태를 10분간 유지시켜 안정적인 데이터 확보를 하도록 하였다. 1, 2차 내압시험 조건은 Fig.
- 치수 설계 후, 내압용기 시료 제작에 앞서 AA 6061-T6에 대하여 공인 시험기관에서, 금속재료의 인장시험법인 KS B 0802 규격에 따라, 항복강도와 인장강도 및 연신율을 구하였다. 총 5개의 시료 (Fig.
성능/효과
- Division 2; Alternative Rules
- Division 3; Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels
- Table 4ASME UG procedure
- 총 5개의 시료 (Fig. 6) 시험 결과 인장강도는 평균 385.4 MPa, 항복 강도는 평균 369 MPa, 연신율은 평균 17.8%로 측정되었다. Park의 논문(Park, et al.
- 4. 본 연구에서는 심해저용 압력챔버로 시험할 수가 있어 기존에 발표된 연구보다 좀 더 진일보된 구체적인 결과가 도출되었다. 향후, 재료의 특성이 설계 규정과 다른 현실적인 문제를 해결해야 하는 점과 강철이나 티타늄 등의 재질로 2000 m 이상의 설계와 시험을 시도해야 하는 연구가 필요하다.
- 챔버시험 시, 사용된 알루미늄의 인장시험에서 도출된 항복응력 값에서 항복이 발생함을 알 수 있었다. 이는 내압용기 중앙 위치에서 스트레인 값이 410 bar 이후로 비선형화되기 시작하여 450 bar 이후에서는 급격히 증가하며 항복상태에 도달함을 그래프에서 분명하게 확인할 수 있었다. 향후 비선형 구조해석으로 시험과 같은 결과를 도출하는 연구도 필요하다.
- 해석과 시험의 스트레인 값의 경향은 대체로 일치하였고 일부 구간에서 최대 20여 퍼센트의 차이를 보였다. 이론에서 제시된 바와 같이 Hoop 방향 응력이 축방향 응력 보다 크게 나오며 두께 방향 응력은 수압 값과 같게 나왔다. 위치 A 점 (115 mm 위치)에서의 응력이 위치 B점 보다 크게 나왔으며, 이는 덮개로 지지되어 있어 위치 A 부근의 모멘트가 커서 스트레인 값이 커지는 현상 때문이다.
- 3. 챔버시험 시, 사용된 알루미늄의 인장시험에서 도출된 항복응력 값에서 항복이 발생함을 알 수 있었다. 이는 내압용기 중앙 위치에서 스트레인 값이 410 bar 이후로 비선형화되기 시작하여 450 bar 이후에서는 급격히 증가하며 항복상태에 도달함을 그래프에서 분명하게 확인할 수 있었다.
- 유한요소 해석의 응력값 분석을 통해 챔버시험시의 스트레인 게이지 부착위치와 방향을 결정하였다. 해석과 시험의 스트레인 값의 경향은 대체로 일치하였고 일부 구간에서 최대 20여 퍼센트의 차이를 보였다. 이론에서 제시된 바와 같이 Hoop 방향 응력이 축방향 응력 보다 크게 나오며 두께 방향 응력은 수압 값과 같게 나왔다.
후속연구
- 향후, 재료의 특성이 설계 규정과 다른 현실적인 문제를 해결해야 하는 점과 강철이나 티타늄 등의 재질로 2000 m 이상의 설계와 시험을 시도해야 하는 연구가 필요하다. 이번 연구로 재질 특성에 관한 관심을 높이는 계기가 될 것이다. ASME 규정의 경우 오래 전에 발표되었기에 재질의 자료가 현재 사용 중인 것들과 다를 수 있다.
- ASME 규정의 경우 오래 전에 발표되었기에 재질의 자료가 현재 사용 중인 것들과 다를 수 있다. 정확한 설계를 위해서는 내압용기의 재질에 대한 인장시험 시 항복과 최대인장응력 그리고 내구성 등을 확인 할 필요가 있다.
- 이는 내압용기 중앙 위치에서 스트레인 값이 410 bar 이후로 비선형화되기 시작하여 450 bar 이후에서는 급격히 증가하며 항복상태에 도달함을 그래프에서 분명하게 확인할 수 있었다. 향후 비선형 구조해석으로 시험과 같은 결과를 도출하는 연구도 필요하다.
- 위치 A 점 (115 mm 위치)에서의 응력이 위치 B점 보다 크게 나왔으며, 이는 덮개로 지지되어 있어 위치 A 부근의 모멘트가 커서 스트레인 값이 커지는 현상 때문이다. 향후 해석과 시험 결과의 차이를 최소화하기 위한 연구가 필요하다.
- 이번 시험을 통하여 덮개 부분이 다소 취약한 점이 인지되었다. 향후, ASME 규정에 의한 덮개 설계로 시편을 만들 필요가 있고, 유한요소 해석에서도 덮개와 실린더의 접속 조건과 볼트를 고려한 모델을 통하여 시험결과와 비교하여 시험과 해석의 관계를 더 면밀히 분석하여 규정에 기반한 설계에 참조할 필요가 있다.
- 본 연구에서는 심해저용 압력챔버로 시험할 수가 있어 기존에 발표된 연구보다 좀 더 진일보된 구체적인 결과가 도출되었다. 향후, 재료의 특성이 설계 규정과 다른 현실적인 문제를 해결해야 하는 점과 강철이나 티타늄 등의 재질로 2000 m 이상의 설계와 시험을 시도해야 하는 연구가 필요하다. 이번 연구로 재질 특성에 관한 관심을 높이는 계기가 될 것이다.
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