액화 천연가스(LNG)를 운반, 저장하는 화물창은 LNG의 기화를 막기 위해 항상 저온의 상태로 유지되어야 한다. 이러한 극한 환경으로 인해 LNG 화물창에 적용되는 단열시스템의 기술은 상당히 중요하다. 이러한 이유로 LNG 화물창 단열시스템 내에는 구조 및 단열성능을 가지는 적층형 목재인 플라이우드(plywood)가 널리 사용되고 있다. 그러나 최근 슬로싱(sloshing)으로 인한 플라이우드의 파손현상이 보고되면서 이를 해결하기 위한 강도적인 보강이 필요할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 B타입 LNG 탱크의 지지대로 사용되는 적층형 목재인 압축목재(compressed wood)를 플라이우드를 대체하기 위한 대체 재료로 고려하게 되었다. 이를 위해 압축목재에 대해 압축 및 굽힘시험을 수행하였고 기계적 물성과 파손특성을 확인하였다. 또한 온도와 적층방향을 실험변수로 설정하여 이에 따른 압축 목재의 특성 변화를 분석하였다. 마지막으로 참고문헌을 통해 획득한 플라이우드의 물성과 실험결과를 비교하여 압축 목재의 적용가능성을 평가하였다.
액화 천연가스(LNG)를 운반, 저장하는 화물창은 LNG의 기화를 막기 위해 항상 저온의 상태로 유지되어야 한다. 이러한 극한 환경으로 인해 LNG 화물창에 적용되는 단열시스템의 기술은 상당히 중요하다. 이러한 이유로 LNG 화물창 단열시스템 내에는 구조 및 단열성능을 가지는 적층형 목재인 플라이우드(plywood)가 널리 사용되고 있다. 그러나 최근 슬로싱(sloshing)으로 인한 플라이우드의 파손현상이 보고되면서 이를 해결하기 위한 강도적인 보강이 필요할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 B타입 LNG 탱크의 지지대로 사용되는 적층형 목재인 압축목재(compressed wood)를 플라이우드를 대체하기 위한 대체 재료로 고려하게 되었다. 이를 위해 압축목재에 대해 압축 및 굽힘시험을 수행하였고 기계적 물성과 파손특성을 확인하였다. 또한 온도와 적층방향을 실험변수로 설정하여 이에 따른 압축 목재의 특성 변화를 분석하였다. 마지막으로 참고문헌을 통해 획득한 플라이우드의 물성과 실험결과를 비교하여 압축 목재의 적용가능성을 평가하였다.
When liquefied natural gas (LNG) is stored in a tank, it is necessary to maintain low temperature. It is very important that insulation techniques are applied to the LNG cargo because of this extreme environment. Hence, laminated wood, especially plywood, is widely used as the structural member and ...
When liquefied natural gas (LNG) is stored in a tank, it is necessary to maintain low temperature. It is very important that insulation techniques are applied to the LNG cargo because of this extreme environment. Hence, laminated wood, especially plywood, is widely used as the structural member and insulation material in LNG cargo containment systems (CCS). However, fracture of plywood has been reported recently, owing to sloshing effect. Therefore, it is necessary to increase the strength of the structural member for solving the problem. In this study, compressed wood, which is used as a support in LNG independent type B tanks, was considered as a substitute for plywood. Compression and bending tests were performed on compressed wood under ambient and cryogenic temperatures to estimate the mechanical behaviors and fracture characteristics. In addition, the direction normal to the laminates surface was considered as an experimental variable. Finally, the feasibility of using compressed wood for an LNG CCS was evaluated from the test results.
When liquefied natural gas (LNG) is stored in a tank, it is necessary to maintain low temperature. It is very important that insulation techniques are applied to the LNG cargo because of this extreme environment. Hence, laminated wood, especially plywood, is widely used as the structural member and insulation material in LNG cargo containment systems (CCS). However, fracture of plywood has been reported recently, owing to sloshing effect. Therefore, it is necessary to increase the strength of the structural member for solving the problem. In this study, compressed wood, which is used as a support in LNG independent type B tanks, was considered as a substitute for plywood. Compression and bending tests were performed on compressed wood under ambient and cryogenic temperatures to estimate the mechanical behaviors and fracture characteristics. In addition, the direction normal to the laminates surface was considered as an experimental variable. Finally, the feasibility of using compressed wood for an LNG CCS was evaluated from the test results.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 상온 및 -163℃의 극저온 환경에서의 적층방향에 따른 압축목재의 압축 및 굽힘시험을 수행하여 극저온 기계적 특성을 분석하였고, 적층방향에 따른 강도의 변화와 파손특성을 확인하였으며, 이를 통해 LNG 화물창 단열시스템 내 부재로의 적용가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 압축 목재를 대상으로 재료단위 압축 및 굽힘시험을 수행하여 적층방향, 온도에 의존한 압축목재의 기계적 거동에 대해 분석하였다. 본 연구결과를 아래와 같이 간단히 요약한다.
-163℃ 시험의 경우 시험편 내부의 열평형을 위해 1시간동안 예랭작업을 수행하였다. 적층방향의 경우, 시험편의 적층방향을 다르게 제작하여 적층방향에 수평하게 하중이 가해지는 경우와 적층방향에 수직하게 하중이 가해지는 경우를 고려하여 이에 대한 영향을 확인하고자 하였다. Table 1는 이에 대한 시험 시나리오를 나타낸다.
제안 방법
시험편 제작 및 시험방법은 EN-310(wood-based panels: determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength)을 적용하였으며, 굽힘시험을 수행하기 위한 압축목재 시험편의 길이(L), 폭(W), 두께(T)는 각각 230mm,50mm, 9mm으로, 시험속도는 3mm/min으로 설정하였다. 마찬가지로 실험결과의 정확성 검증을 위해 5회 반복 실험하였다. Figure 6 와 7은 적층방향별 굽힘 시험편과 굽힘시험 장비를 도식적으로 실험장면을 나타내었다.
굽힘시험의 경우는 3점 굽힘 시험법을 채택하였다. 시험편 제작 및 시험방법은 EN-310(wood-based panels: determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength)을 적용하였으며, 굽힘시험을 수행하기 위한 압축목재 시험편의 길이(L), 폭(W), 두께(T)는 각각 230mm,50mm, 9mm으로, 시험속도는 3mm/min으로 설정하였다. 마찬가지로 실험결과의 정확성 검증을 위해 5회 반복 실험하였다.
Figure 4은 적층방향에 따른 압축 시험편을 Figure 5은 도식적인 압축시험 장비를 나타낸다. 실험변수는 온도와 적층방향으로 설정하였으며, 실험결과의 정확성을 검증하기 위해 각 케이스 별로 5회씩 반복적으로 실험하였다.
실험은 압축목재에 대해 압축 및 굽힘시험을 수행하였고, 실험변수로 온도 및 적층방향을 고려하였다. 실험 수행을 위해 만능재료시험기(universal test machine)를 이용하였으며, LNG 액화온도 -163℃를 구현하기 위해 특수 제작된 극저온용 챔버를 이용하였다.
앞서 언급한대로 압축목재의 적층방향 및 실험온도에 따른 영향을 살펴보기 위해 이를 고려하여 압축, 굽힘시험 시나리오를 결정하였다. 먼저 온도의 경우, 상온 25℃와 실제 LNG의 극저온 환경을 고려하여 -163℃로 설정하였다.
실험 수행을 위해 만능재료시험기(universal test machine)를 이용하였으며, LNG 액화온도 -163℃를 구현하기 위해 특수 제작된 극저온용 챔버를 이용하였다. 챔버 내부의 온도계 및 제어시스템이 액체질소 분사량을 조절하여 일정온도를 유지시켜 원하는 온도에서 실험을 진행할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용되는 압축목재는 너도밤나무로 제작되었고 접착제로는 페놀수지(phenol formaldehyde)를 이용하였다. 기존의 목재합판의 경우 적층면 사이에만 접착제를 도포하여 적층하는 방식이었으나 사용된 압축목재의 경우는 여러 개의 단판 모두를 페놀수지에 함침시켜 전체에 도포된다.
압축시험의 시험편 제작 및 실험은 ISO604를 따라 수행하였다. 시험편의 길이(L), 폭(W), 두께(T) 는 각각 20mm, 20mm, 15mm이고 시험속도는 1.5mm/min이다. Figure 4은 적층방향에 따른 압축 시험편을 Figure 5은 도식적인 압축시험 장비를 나타낸다.
실험은 압축목재에 대해 압축 및 굽힘시험을 수행하였고, 실험변수로 온도 및 적층방향을 고려하였다. 실험 수행을 위해 만능재료시험기(universal test machine)를 이용하였으며, LNG 액화온도 -163℃를 구현하기 위해 특수 제작된 극저온용 챔버를 이용하였다. 챔버 내부의 온도계 및 제어시스템이 액체질소 분사량을 조절하여 일정온도를 유지시켜 원하는 온도에서 실험을 진행할 수 있도록 하였다.
따라서 LNG 누설로 인한 더 큰 피해를 막기 위해서는 더 큰 강도를 가지는 재료의 사용이 요구된다. 이 때문에 우수한 강도를 가진다고 알려진 압축목재를 플라이우드의 대체 재료로 고려하게 되었다.
이론/모형
압축시험의 시험편 제작 및 실험은 ISO604를 따라 수행하였다. 시험편의 길이(L), 폭(W), 두께(T) 는 각각 20mm, 20mm, 15mm이고 시험속도는 1.
성능/효과
1. 압축목재의 상온 압축시험 결과, 적층 방향에 따라 큰 강도의 차이를 보였다. z축 방향으로 적층된 CW1의 강도는 평균 276 MPa, y축 방향으로 적층된 CW2는 평균 159 MPa로 CW1가 약 120 MPa 높게 계측 되었다.
2. 극저온 환경에서의 압축시험의 경우, CW1은 평균 9MPa, CW2는 평균 160 MPa의 강도증가를 보였다. 그 결과 상온의 결과와 달리 CW2가 약 30 MPa 더 높은 강도를 보였다.
3. 굽힘시험의 결과 역시 상온의 결과보다 -163℃의 극저온에서 더 높게 굽힘강도가 계측되었다. z축 방향으로 적층된 CW3는 평균 158 MPa에서 334 MPa, y축 방향의 CW4는 평균 130 MP에서 235 MPa로 높은 증가 폭을 보였다.
또한 온도가 낮아짐에 따라 취성화의 영향으로 변형량이 감소하였고, 파단 후의 시험편은 상온에 비해 훨씬 더 많은 조각으로 파단 되었다. CW2의 경우는 기존의 상온에서의 압축강도에 비해 약 2배, 즉 150 MPa의 강도증가가 발생하였고, 파단형상은 상온의 결과와는 달리 극저온에 의한 취성화로 여러 조각으로 파단되는 것을 확인하였다. 압축목재의 이 같은 강도증가의 원인은 접착제(matrix)의 영향으로 볼 수 있다.
압축목재의 상온 압축시험 결과, 적층 방향에 따라 큰 강도의 차이를 보였다. z축 방향으로 적층된 CW1의 강도는 평균 276 MPa, y축 방향으로 적층된 CW2는 평균 159 MPa로 CW1가 약 120 MPa 높게 계측 되었다.
굽힘시험의 결과 역시 상온의 결과보다 -163℃의 극저온에서 더 높게 굽힘강도가 계측되었다. z축 방향으로 적층된 CW3는 평균 158 MPa에서 334 MPa, y축 방향의 CW4는 평균 130 MP에서 235 MPa로 높은 증가 폭을 보였다.
굽힘 탄성계수 역시 압축시험의 결과와 마찬가지로 -163℃의 극저온 환경에서 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 온도에 의한 취성화 영향으로 인한 강성의 증가 때문인 것으로 판단된다.
극저온 환경에서의 압축시험의 경우, CW1은 평균 9MPa, CW2는 평균 160 MPa의 강도증가를 보였다. 그 결과 상온의 결과와 달리 CW2가 약 30 MPa 더 높은 강도를 보였다. 이는 페놀수지의 영향으로 저온에서 내마모성(wear resistance)가 증가되어 상대적으로 취약하였던 적층면의 접착강도가 크게 증가하였기 때문이다.
먼저 CW3(z-direction-laminate)의 결과를 살펴보면 압축시험과 마찬가지로 -163℃에서 강도의 증가를 보였으며 온도에 의한 취성화로 인해 변형량이 감소하였다. 또한 CW3의 경우, 가장 아래쪽의 단판에서 균열(crack)이 발생하였고, 두께방향으로 진행되던 중 임의의 적층면 사이에서 박리(delamination)가 발생하면서 파단이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
먼저 CW3(z-direction-laminate)의 결과를 살펴보면 압축시험과 마찬가지로 -163℃에서 강도의 증가를 보였으며 온도에 의한 취성화로 인해 변형량이 감소하였다. 또한 CW3의 경우, 가장 아래쪽의 단판에서 균열(crack)이 발생하였고, 두께방향으로 진행되던 중 임의의 적층면 사이에서 박리(delamination)가 발생하면서 파단이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
먼저 상온의 경우, CW1(z-direction-laminate)이 CW2(y-direction-laminate)에 비해 높은 하중을 견디는 것을 확인하였다. CW1의 경우, 높은 압축강도를 보이며 비교적 변형이 적고 여러 조각으로 파단되는 취성재료의 거동을 보였다.
본 연구의 결과를 통해 압축목재가 극저온에서 사용이 적합한 재료임을 확인 할 수 있었다. 또한 참고문헌 조사를 통해 플라이우드와 굽힘강도 비교를 수행하였고 압축목재의 강도에 대한 우수성을 확인하였고, 이를 통해 LNG 화물창 단열시스템 내 플라이우드의 파손문제를 해결하기 위한 대체재로의 사용이 가능할 것으로 보인다.
압축 탄성계수(elastic modulus) 또한 온도에 따라 변하는 것을 확인하였다. 상온과 -163℃의 시험결과를 비교하였을 때 CW1, CW2 모두 -163℃에서 더 높은 압축 탄성계수를 가졌다. 특히 극저온에서의 CW2의 압축 탄성계수의 경우, CW1에 비해 상온에서의 압축 탄성계수 값과 큰 차이를 보였으며, 이는 앞서 언급한 바와 같이 접착제의 영향으로 판단된다.
-163℃ 시험의 시험편은 잘게 나눠져 일정한 형태를 갖지 않아서 나타내지 않았다. 압축목재의 압축시험 결과를 살펴보면, 전체적으로 적층방향 및 온도에 따라 기계적 거동이 확연히 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 상온에서 압축목재와 플라이우드의 굽힘 강도가 큰 차이를 보였고 일부 참고문헌이 제시한 플라이우드의 -163℃의 굽힘강도와도 큰 차이를 보였다. 이를 통해 강도 측면에서 압축목재의 굽힘강도가 플라이우드에 비해 높음을 확인하였다. 또한 굽힘 탄성계수 역시 압축목재가 높게 측정되어 더 큰 강성을 가짐을 확인하였다.
후속연구
그러나 저온환경의 LNG B형 독립 탱크의 지지대로 이미 사용되고 있음에도 불구하고 저온에서의 압축목재의 기계적 특성에 관한 연구는 거의 수행되지 않아 이에 대한 연구가 필요한 것으로 보인다. 또한 저온환경의 LNG CCS 내의 플라이우드 대체하기 위해서는 저온환경에서의 연구가 반드시 필요하다.
본 연구의 결과를 통해 압축목재가 극저온에서 사용이 적합한 재료임을 확인 할 수 있었다. 또한 참고문헌 조사를 통해 플라이우드와 굽힘강도 비교를 수행하였고 압축목재의 강도에 대한 우수성을 확인하였고, 이를 통해 LNG 화물창 단열시스템 내 플라이우드의 파손문제를 해결하기 위한 대체재로의 사용이 가능할 것으로 보인다. 이외에도 우수한 압축, 굽힘 강도를 바탕으로 선박, 해양플랜트 등 극저온 환경에서 다양하게 적용될 수 있을 것이다.
다만 본 연구는 플라이우드의 파손현상을 염두에 두고 강도적인 보강에 초점을 두어 수행되었기 때문에, 이러한 관점에서는 플라이우드와 비슷한 적층형 목재인 압축목재의 활용의 가능성은 충분하다고 보여진다. 이 밖에도 우수한 압축, 굽힘 강도를 바탕으로 선박 및 해양플랜드 등의 분야에서 다양한 용도로 적용될 수 있을 것이다.
또한 참고문헌 조사를 통해 플라이우드와 굽힘강도 비교를 수행하였고 압축목재의 강도에 대한 우수성을 확인하였고, 이를 통해 LNG 화물창 단열시스템 내 플라이우드의 파손문제를 해결하기 위한 대체재로의 사용이 가능할 것으로 보인다. 이외에도 우수한 압축, 굽힘 강도를 바탕으로 선박, 해양플랜트 등 극저온 환경에서 다양하게 적용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멤브레인 타입 LNG CCS은 어떻게 나눌 수 있는가?
최근 많은 건조량을 보이는 멤브레인 타입 LNG CCS(cargo containment system)은 크게 Mark-III 타입과 NO96 타입으로 나눌 수 있는데, 모든 멤브레인 타입 LNG CCS에서 적층형 목재인 플라이우드가 사용되고 있다. Mark-III의 경우, 주름진 STS304L이 1차 방벽의 역할을 하고 강화 폴리우레탄 폼(reinforced polyurethane foam)이 1차 및 2차 단열재로 이용되고 있으며, 플라이우드는 강화 폴리우레탄 폼과의 접착을 통해 단열 시스템의 강도를 보강해주고, 특히 마스틱(mastic) 부분에서의 집중 하중을 분산시켜주는 역할을 한다.
천연가스의 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 이유는 무엇인가?
계속해서 강화되고 있는 환경 규제로 인해 친환경 연료,친환경 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 최근 셰일가스(shale gas)의 개발로 인해 각광받고 있는 친환경 연료인 천연가스의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 천연가스는 액화 시 600분에 1로 부피가 감소하는 특징을 가지고 있는데, 이러한 특징을 이용하여 -163℃의 액체상태로 보관 및 운반하게 되면 가스상태보다 훨씬 큰 용량을 저장할 수 있기 때문에 특수한 단열시스템을 탑재한 액화 천연가스 운반선의 건조가 활발하게 이루어지고 있다.
플라이우드의 파손현상이 선체에 어떤 영향을 미치는가?
이 같은 하중의 영향으로 Mark-III을 대상으로 충격하중을 반복적으로 가해 슬로싱 효과를 분석한 연구에서 Figure 2와 같이 플라이우드의 파손현상이 보고된 바 있다[4][5]. 이 같은파손 현상은 LNG 누설로 이어져 선체에 큰 피해를 줄 수 있다. 이렇듯 LNG 화물창의 단열시스템에는 극저온 환경에서도 우수한 강도와 뛰어난 단열성능을 갖는 적합한 재료의 적용이 반드시 요구된다.
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