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초록
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환경 문제로 인해 기존 연료를 대체하는 천연가스의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다. 수치해석을 통해 주응력 범위 및 최대 주응력이 발생하는 위치를 계산하였으며 이를 통해 1차 방벽의 피로수명을 수치적으로 평가하였다. 또한, 다양한 단열시스템 타입에 대해 모델링을 실시하였으며, 피로수명 평가 결과를 통해 1차 방벽의 피로 파괴 안전성을 확보하는 최적의 단열시스템에 대해 제안하였다. 본 연구의 결과는 Mark-III 타입 1차 방벽의 피로 기반 설계에 있어 활용가치가 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The demand of liquified natural gas is increasing due to environmental issues. This reason has resulted in increasing the capacity of liquified natural gas cargo tank. The Mark-III type primary barrier directly contacts liquified natural gas. Also, the primary barrier is under various loading condit...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 1차 방벽의 형상이 복잡하여 단열시스템의 피로시험은 수행하기가 어려우므로, 본 연구에서는 1차 방벽의 피로수명 평가를 위한 수치해석을 수행한다.
  • 따라서 본 연구에서는 1차 방벽만을 고려한 경우 및 1차 방벽을 포함한 단열시스템의 피로수명을 평가하였다. 1차 방벽의 형상이 복잡하여 단열시스템의 피로시험은 수행하기가 어려우므로, 본 연구에서는 1차 방벽의 피로수명 평가를 위한 수치해석을 수행한다.
  • 또한, 단열시스템의 구조 배치가 1차 방벽의 피로수명에 미치는 영향을 분석하기 위해 다양한 모델에 대해 수치해석을 수행하고 이 결과를 바탕으로 최적배치 모델에 대해 제안하였다.
  • 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽에 대해 피로수명 평가를 위해 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 통해 주응력을 계산하여, 이를 통해 피로수명에 대해 평가하였다. 또한 Knot, Corrugation의 배치 및 단열패널 유무에 따른 1차 방벽 피로수명 영향을 검토하기 위해 9개의 모델에 대해 수치해석을 수행하여 1차 방벽의 주응력 및 피로수명을 계산하였다.
  • 또한 Knot, Corrugation의 배치 및 단열패널 유무에 따른 1차 방벽 피로수명 영향을 검토하기 위해 9개의 모델에 대해 수치해석을 수행하여 1차 방벽의 주응력 및 피로수명을 계산하였다. 본 연구에서는 유한요소 해석을 통해 단열시스템 1차 방벽의 피로 접근법을 위한 피로수명 가이드라인을 제시하였다. 본 연구의 결과를 아래에 간략히 정리하였다.

가설 설정

  • 1차 방벽과 강체 또는 상부 Plywood 사이의 마찰계수는 0.1로 가정하여 수치해석을 수행하였다[6].
  • 과거 수행된 피로 시험은 응력비 R=0의 하중 제어 방식으로 실험을 진행하였으며 5×106회 이상의 하중 반복수를 무한수명이라 가정하였으며 피로수명은 강재의 완전 파단시의 수명으로 정의하였다.
  • 1로 가정하여 수치해석을 수행하였다[6]. 또한, 슬로싱으로 인한 1차 방벽에 작용하는 하중을 1차 방벽의 윗면에 압력이 작용하는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽의 역할은 무엇인가? 이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다.
슬로싱 하중은 1차 방벽에 어떤 문제를 야기하는가? 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다.
1차방벽에 대한 피로수명 평가가 필수적인 이유는 무엇인가? Mark-III 타입의 단열시스템은 Figure 1과 같이 두께 방향으로 1차 방벽(Primary barrier), 상부 Plywood, Primary R-PUF(Reinforced polyurethane foam), Triplex, Secondary R-PUF, 그리고 하부 Plywood가 균일하게 배치된 구조이다. 1차 방벽은 LNG와 직접 접촉하여 LNG 누설을 방지하는 역할을 하고 있으며 슬로싱(Sloshing) 하중, 온도 하중 및 LNG의 자중을 받게 된다. 또한, LNG 수요가 증가함에 따라 LNG 운반선의 화물창이 거대화되면서 다른 하중에 비해 강한 슬로싱 하중이 나타난다[1]. 이러한 슬로싱 하중이 지속적으로 가해지는 화물창 내의 1차 방벽은 피로 파괴가 야기될 수 있으며 이로 인한 LNG 누설이 발생할 수 있으므로 이에 대한 피로수명 평가가 필수적이다.
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참고문헌 (12)

  1. M. S. Chun, M. H. Kim, W. S. Kim, S. H. Kim, and J. M. Lee, "Experimental investigation on the impact behavior of membrane-type LNG carrier insulation system," Journal of Loss Prevention in the Process Industries, vol. 22, no. 6, pp. 901-907, 2009. 

  2. S. K. Kim, C. S. Lee, J. H. Kim, M. H. Kim, B. J. Noh, T. Matsumoto, and J. M. Lee, "Estimation of fatigue crack growth rate for 7% nickel steel under room and cryogenic temperatures using damage-coupled finite element analysis," Metals, vol. 5, no. 2, pp. 603-627, 2015. 

  3. C. S. Lee, M. H. Kim, and J. M. Lee, "Computational study on the fatigue behavior of welded structures," International Journal of Damage Mechanics, vol. 20, no. 3, pp. 423-463, 2011. 

  4. M. H. Kim, S. M. Lee, J. M. Lee, B. J. Noh, and W. S. Kim, "Fatigue strength assessment of MARK-III type LNG cargo containment system," Ocean Engineering, vol. 37, no. 14-15, pp. 1243-1252, 2010. 

  5. M. H. Kim, Y. P. Kil, J. M. Lee, M. S. Chun, Y. S. Suh, W. S. Kim, B. J. Noh, J. H. Yoon, M. S. Kim, and H. S. Urm, "Cryogenic fatigue strength assessment for MARK-III insulation system of LNG carriers," Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, vol. 133, no. 4, pp. 1-10, 2011. 

  6. B. C. Kim, S. H. Yoon, and D. G. Lee, "Pressure resistance of the corrugated stainless steel membranes of LNG carriers," Ocean Engineering, vol. 38, no. 4, pp. 592-608, 2011. 

  7. J. H. Kim, S. K. Kim, M. H. Kim, and J. M. Lee, "Numerical model to predict deformation of corrugated austenitic stainless steel sheet under cryogenic temperatures for design of liquefied natural gas insulation system," Materials and Design, vol. 57, pp. 26-39, 2014. 

  8. W. S. Lee and C. F. Lin, "Impact properties and microstructure evolution of 304L stainless steel," Materials Science and Engineering A, vol. 308, no. 1-2, pp. 124-135, 2001. 

  9. J. H. Kim, W. S. Park, M. S. Chun, J. J. Kim, J. H. Bae, and J. M. Lee, "Effect of pre-straining on low-temperature mechanical behavior of AISI 304L," Materials Science and Engineering A, vol. 543, pp. 50-57, 2012. 

  10. D. N. Veritas, Sloshing Analysis of LNG Membrane Tanks DNV, Classification Notes No. 30.9, Det Norske Veritas, Norway, 2014. 

  11. M. Graczyk, and T. Moan, "A probabilistic assessment of design sloshing pressure time histories in LNG tanks," Ocean Engineering, vol. 35, no. 8-9, pp. 834-855, 2008. 

  12. S. J. Yoon, An Experimental Study on Mechanical Properties and Fatigue Performances of SUS304L Sheet for LNG CCS, M. S. Thesis, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Inha, Korea, 2016 (in Korean). 

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