[논문]멤브레인형 LNG 화물창 개발을 위한 정적 구조 안전성 평가 모델 연구

황세윤; 김유일; 강중규; 이장현

doi:10.3744/snak.2016.53.2.162

멤브레인형 LNG 화물창 개발을 위한 정적 구조 안전성 평가 모델 연구
A Study on a New Concept for the Structural Strength Assessment to Development of Membrane LNG Cargo Container System under Static Load 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.53 no.2, 2016년, pp.162 - 169

황세윤 (인하대학교 공과대학 산업과학기술 연구소) , 김유일 (인하대학교 조선해양공학과) , 강중규 (대우조선해양 중앙연구원) , 이장현 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A new concept of membrane type LNG CCS was proposed. Also, its static behavior was numerically analyzed considering the interaction between primary and secondary barrier together with securing device. Hull deflection was taken into account as an external load, together with temperature distribution across the barriers. The suggested numerical model considers both sliding and contact between the two mating surfaces of both the primary and secondary barrier, and anisotropic material behavior of plywood, R-PUF was also taken into account. Furthermore, detailed local strength was evaluated for the securing device, which is arranged between two barriers to hold the primary barrier. It was confirmed through the numerical analysis that the new concept of membrane type CCS was structurally safe under static loading condition and securing concept was structurally reliable.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 −163℃의 극저온 상태의 단열 성능을 유지하며 구조안전성을 만족하기 위해 개발된 멤브레인형 LNG 화물창의 정적 구조강도를 평가 방법에 대해서 검토하고 그 결과를 통해 제시된 모델의 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 국내 조선사인 대우조선해양에서 현재 개발중인 새로운 형태의 멤브레인형 화물창을 개발하기 위하여, 선급에서 제시하는 평가기준을 만족하기 위한 정적 강도 평가 기법에 대해서 연구하였다. 제시된 멤브레인형 화물창은 2개의 단열 방벽으로 구성되어 있으며, 액체화물의 유출을 방지하기 위하여 SUS(Stainless steel)재질의 멤브레인을 적용하고 있고, 두 개의 방벽은 결속장치(Securing device)에 의해서 결속되어 있는 구조이다.

가설 설정

9에서와 같이 액체화물에 의한 정수압이 화물창의 상부에서 균일하게 작용하도록 적용하였으며, 극저온 유체화물에 의한 열하중 조건은 Fig. 10에서와 같이 화물창과 접하는 상부 Plywood 부재가 −163℃ 이고 선체와 접하는 Mastic 부재가 25℃ 이며 화물창 내부에서의 온도분포는 선형적으로 분포한다고 가정하였다. Fig.
멤브레인 LNG 화물창의 유한요소 모델에 사용된 재료물성은 Table 1에서와 같이 Plywood, R-PUF 는 직교 이방성 재료로 가정하였으며, Mastic과 Steel은 등방성 재료로 가정하였다(Lee et al., 2007).

제안 방법

따라서 정적 강도평가 모델은 이러한 멤브레인 화물창의 특징을 반영하고 효율적인 해석을 위해 단순화된 전역 해석 모델을 제시하였으며, 해석 결과를 통해서 작용하는 하중에 대한 화물창의 타당성 있는 거동을 확인하였다. 또한, 1차 방벽 결속장치의 안전성을 판단하기 위해서 상세히 모델링된 국부 해석 모델로 구성하고 이를 전역 해석 모델과 연계하여 안전성을 평가하기 위한 모델을 제시하였다. 제시된 각 모델에는 온도하중, 정수압 조건 및 선체 변형을 반영하여 강도평가를 수행하여 제시된 평가모델을 적용하기 위한 타당성에 대해서 검토하였다.
멤브레인 화물창의 구조안전성 평가는 화물창에 작용하는 하중 조건에 대해서, 각 부재의 안전성을 평가하기 위한 전역(Global) 구조 강도 평가와 화물창의 상하부 방벽을 연결하는 결속장치를 평가하기 위한 국부(Local) 해석으로 나뉘어 평가하였다.
또한, 1차 방벽 결속장치의 안전성을 판단하기 위해서 상세히 모델링된 국부 해석 모델로 구성하고 이를 전역 해석 모델과 연계하여 안전성을 평가하기 위한 모델을 제시하였다. 제시된 각 모델에는 온도하중, 정수압 조건 및 선체 변형을 반영하여 강도평가를 수행하여 제시된 평가모델을 적용하기 위한 타당성에 대해서 검토하였다.
멤브레인 화물창의 정적 강도평가 모델은 화물창을 구성하는 주요 단열 부재들의 강도평가를 위한 전역(Global) 해석 모델과 방벽의 결속장치의 안전성을 판단하기 위한 국부(Local) 해석 모델로 구성되어 있으며, 강도평가 모델에 적용된 하중조건으로는 극저온 액체에 의한 온도하중, 액체 화물에 의한 정수압 조건이 변위로서 반영되어 있다. 제시된 강도평가 모델은 적용된 하중조건에 대해서 화물창의 강도를 평가하기 위해서 정적강도평가를 위한 하중 비선형해석이 수행되었으며, 정적강도 해석 후 결과를 통해 제시된 모델의 타당성에 대해서 검토하였다.
제시된 멤브레인형 화물창은 1차 및 2차의 두 개의 단열 방벽으로 구성되어 있으며, 액체화물의 유출을 방지하기 위하여 SUS(Stainless steel)재질의 멤브레인을 적용하고 있고, 1차 방벽은 결속장치에 의해서 구속되어 2차 방벽에 고정되어 있는 형태이다. 따라서 정적 강도평가 모델은 이러한 멤브레인 화물창의 특징을 반영하고 효율적인 해석을 위해 단순화된 전역 해석 모델을 제시하였으며, 해석 결과를 통해서 작용하는 하중에 대한 화물창의 타당성 있는 거동을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 검토 중인 LNG 화물창은 1차 방벽 과 2차 방벽이 접촉된 구조이며, 결속장치에 의해서 8개 지점이 고정된 형태로 구성되어 있다. 구조강도 평가 시 이를 단순화하기 위해서 자유도를 구속 기법을 적용하여 강도평가 모델을 작성하였다.

이론/모형

본 연구에서 검토 중인 LNG 화물창은 1차 방벽 과 2차 방벽이 접촉된 구조이며, 결속장치에 의해서 8개 지점이 고정된 형태로 구성되어 있다. 구조강도 평가 시 이를 단순화하기 위해서 자유도를 구속 기법을 적용하여 강도평가 모델을 작성하였다. 본 절에서는 앞 절에서 정의한 전역 해석 모델의 타당성을 1차적으로 검토하기 위해서, 자유도 구속으로 정의한 결속장치의 고정 유무와 방벽간의 접촉부에서 슬라이딩의 발생 여부를 검토하였다.
멤브레인 LNG 화물창의 유한요소해석모델에 사용된 요소는 Reduced 적분법을 사용하고 hourglass control이 적용된 8-node linear brick 요소를 사용하여 구성하였다. 분할된 요소의 사이즈는 10mm를 기준으로 하여 분할하였으며, 1차 방벽과 2차방벽의 상하부 Plywood는 두께방향으로 요소가 2개의 층을 가지도록 분할하고, Mastic의 경우도 두께 및 폭 방향으로 2개의 층을 가지도록 분할하였다.
6에서와 같이 결속장치의 복잡한 형상을 삭제하고 단순화된 원기둥(Cylinder) 형상으로 대체하여 적용하였다. 이때 수직방향 변위 구속 및 Washer 등의 부재들의 효과를 구현하기 위해서 자유도 구속(Degree of freedom coupling)과 Collar stud 부재의 강성을 단순한 수직 스프링(Vertical Spring) 모델링 방법을 사용하여 적용하였다.

성능/효과

제시된 멤브레인형 화물창은 1차 및 2차의 두 개의 단열 방벽으로 구성되어 있으며, 액체화물의 유출을 방지하기 위하여 SUS(Stainless steel)재질의 멤브레인을 적용하고 있고, 1차 방벽은 결속장치에 의해서 구속되어 2차 방벽에 고정되어 있는 형태이다. 따라서 정적 강도평가 모델은 이러한 멤브레인 화물창의 특징을 반영하고 효율적인 해석을 위해 단순화된 전역 해석 모델을 제시하였으며, 해석 결과를 통해서 작용하는 하중에 대한 화물창의 타당성 있는 거동을 확인하였다. 또한, 1차 방벽 결속장치의 안전성을 판단하기 위해서 상세히 모델링된 국부 해석 모델로 구성하고 이를 전역 해석 모델과 연계하여 안전성을 평가하기 위한 모델을 제시하였다.

후속연구

추후 본 연구에서 제시된 모델을 기반으로 현재 개발 중인 멤브레인 화물창의 선급규정을 만족하기 위한 정적 강도평가 및 슬로싱 하중을 적용한 동적 강도평가에 적용할 예정이다.

참고문헌 (8)

DNV-GL, 2015. Sloshing Analysis of LNG Membrane Tanks, Classification Notes No.30.9.
Gaztransport & Technigaz, 2014, NO 96 Evolution, http://www.gtt.fr/product/no-96-evolution/ (accessed on 1 May 2014).
Jin, K.K, Oh, B.T., Kim, Y.K., Yoon, I.S. & Yang, Y.C. 2013, An Assessment of Structure Safety for Basic Insulation Panel of KC-1 LNG Cargo Containment system under Sloshing Load, Journal of The Korean Institute of Gas, 17(2), pp.85-89.

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Johan P.T., 2015, LNG Powering the Future of India, LNG Carriers ？ Design and Technology Update. DNV-GL.
Kim, J.H. & Yoon, I.S., 2009. Stability evaluation of closed mock-up tank for developing Korean LNG carrier cargo containment system, Proceedings of the Korean Society of Mechanical Engineers Spring Annual Meeting, pp. 470-475.
Lee, C.S., Cho, J.R., Kim, W.S., Noh, B.J. Kim, M.H. & Lee, J.M., 2013, Evaluation of sloshing resistance performance for LNG carrier insulation system based on fluid-structure interaction analysis, International Journals of Naval Architecture and Ocean Engineering, 5(1), pp. 1-20.

원문보기 상세보기
Lee, J.W., Kim, T.W., Kim, M.H., Kim, W.S., Nho, B.J., Choe, I.H. & Lee, J.M., 2007, Numerical assessment of dynamic strength of membrane type LNG carrier insulation system, Journal of the Society of Naval Architectures of Korea, 44(3), pp. 305-313.

원문보기 상세보기
Lee, J.W., Choi, W.C., Kim, M.H., Kim, W.S., Nho, B.J., Choe, I.H. & Lee, J.M., 2007, Experimental assessment of dynamic strength of membrane type LNG carrier insulation system, Journal of the Society of Naval Architectures of Korea, 44(3), pp. 296-304.

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