[논문]멤브레인형 LNG선박의 리퀴드 돔 체어 구조개발

김정환; 김유일

doi:10.3744/snak.2017.54.5.361

멤브레인형 LNG선박의 리퀴드 돔 체어 구조개발
On the New Design of Liquid Dome Chair in Membrane Type LNG Carrier 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.54 no.5, 2017년, pp.361 - 367

김정환 (인하대학교 공과대학 조선해양공학과) , 김유일 (인하대학교 공과대학 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A membrane type LNG cargo tank is equipped with a pump tower and a liquid dome for loading and unloading of LNG. However, the membrane running continuously on the tank wall to prevent leakage of LNG is interrupted by the liquid dome, hence care should be taken in the design of liquid dome and its substructures. In case of GTT NO96 membrane type cargo containment system, chair structure is arranged along the periphery of the liquid dome targeting to support the membrane which is exposed to the both hull girder and thermal load. This paper proposes a new and simple chair structure, which outperforms traditional design from productivity point of view maintaining same level of structural safety. Strength assessment on the new design was performed to guarantee the structural safety of the new design, which includes strength, fatigue and crack propagation analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 GTT사의 NO96 타입 화물창 리퀴드 돔에 적용되는 체어의 특징을 분석하고 이를 바탕으로 새로운 구조를 개발하여 설계 및 설치 효율을 극대화 하고자 하였다. 또한 구조 및 피로, 파괴강도 평가를 통해 개발된 모델의 구조안전성을 검증하 였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 수행하여 각 조건의 하중을 구현하고 구조 안전성을 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 이러한 복잡한 체어의 구조를 최대한 단순화하여 효율적인 제작이 되도록 하는 동시에 기존의 기능을 그대로 유지하도록 하였다. 또한 구조, 피로, 파괴강도 평가를 통해 개발된 모델의 구조안전성을 검증하였다.

가설 설정

2와 3에서 살펴본 바와 같이 기존 체어 모델과 그 주변요소들은 그 기능에 비하여 매우 복잡하게 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 물론 단열박스들의 배치를 최대한 유지하고, 극저온으로 인한 열수축을 최대한 유연하게 대처하기 위한 조치들이긴 하지 만 오랜 기간 특별한 개선 없이 유지된 점을 고려하면 과도하게 설계된 부분이 존재할 것이라는 가정 하에 본 연구가 시작되었다.
전체 피로손상도(total fatigue damage)는 식 (2)와 같이 항해 중(voyage)과 적하역(loading&unloading) 시의 피로손상도를 각각 계산하여 합하는 방식으로 산정하였다. 항해 중 조건의 경우 전체 수명의 90%를 운항한다고 가정하였다.

제안 방법

체어 형상에 있어서 가장 중요한 변화는 스토퍼 위치의 변경이다. 2장에서 언급한 바와 같이 현재의 모델은 스토퍼로 인 해 목재 빔, 합판 쐐기 등의 체어 하부 구조가 둘로 나누어지는데 본 모델에서는 스토퍼를 체어의 맨 끝으로 이동시켜 하부 구조를 하나로 구성하도록 하였다. 이로 인해 멤브레인으로 인한 하중에 대해 목재 빔의 단면계수가 증가하여, 체어의 감소로 인해 발생하는 굽힘응력 증가를 완화시키는 효과를 볼 수 있다.
본 연구에서는 GTT사의 NO96 타입 화물창 리퀴드 돔에 적용되는 체어의 특징을 분석하고 이를 바탕으로 새로운 구조를 개발하여 설계 및 설치 효율을 극대화 하고자 하였다. 또한 구조 및 피로, 파괴강도 평가를 통해 개발된 모델의 구조안전성을 검증하 였다. 상기의 연구 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 복잡한 체어의 구조를 최대한 단순화하여 효율적인 제작이 되도록 하는 동시에 기존의 기능을 그대로 유지하도록 하였다. 또한 구조, 피로, 파괴강도 평가를 통해 개발된 모델의 구조안전성을 검증하였다.
본 연구에서는 먼저 체어의 개수를 최소화하여 7개로 줄이고 그 에 따라 발생하는 여러 변화에 맞추어 체어와 그 주변 요소들을 변화시켰다. 또한, 체어의 형태로 인해 불가피하게 둘로 나누어져 있는 목재 빔(wooden beam)을 체어 형상의 변화를 통해 하나로 만들어 형상을 간소화하였다.
보수적인 상황을 고려하여 목재 빔과 체어가 맞닿는 면을 -163°C 그리고 내부선각(inner hull)의 온도를 -30°C로 지정하였다.
현재의 체어 모델을 살펴보면 단열박스들의 배치를 유지한 채 극저온으로 인한 열수축을 최대한 유연하게 대처하기 위해 상당히 복잡한 형태로 각 요소들이 배치되어 있는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 먼저 체어의 개수를 최소화하여 7개로 줄이고 그 에 따라 발생하는 여러 변화에 맞추어 체어와 그 주변 요소들을 변화시켰다. 또한, 체어의 형태로 인해 불가피하게 둘로 나누어져 있는 목재 빔(wooden beam)을 체어 형상의 변화를 통해 하나로 만들어 형상을 간소화하였다.
9에서는 구조강도 평가를 위해 체어의 스토퍼와 내부선 각판(inner hull plate)에 각각 단위하중을 적용한 모습을 나타내고 있다. 본 하중의 형태는 피로강도 평가에도 그대로 사용되기 때문에 1 N/mm²의 단위하중을 적용하여 결과를 도출하였으며, 강도평가를 위해서는 계산된 결과를 120 N/mm²에 맞게 변경하여 적용하였다. Fig.
적하역 시의 피로강도는 만재(full load)시와 발라스트(ballast) 시의 온도차 즉 -163°C와 -30°C의 온도차에 따른 응력범위를 이용하여 계산하였다.
Table 1에서는 사용된 재료의 기계적 물성치를 나타내고 있다. 전체 모델의 요소 크기는 100 mm*100 mm이며, 체어는 피로해석을 고려하여 판두께 크기(t*t)로 모델링하였다.
이는 만재(full load) 상태와 발라스트(ballast) 상태에서의 리퀴드 돔의 온도를 각각 나타낸다 (Lloyd Register, 2008). 주어진 조건에 대해 열전달 해석을 수행하고 얻어진 온도 분포를 적용하여 열응력 해석을 수행하였다.
파괴강도 평가는 피로해석 시 가장 높은 손상도를 보인 FP-1을 선택하여 수행하였다. 초기균열 0.5(a)*3 mm(2c)를 가정하고 120년간의 균열진전해석을 수행한 후 구조강도 평가에 사용된 최대 응력을 적용하여 최종 파손여부를 판단하였다.
리퀴드 돔 체어의 경우는 검사가 불가능하기 때문에 IGC Code (IMO, 2014)에 따라 파괴강도 평가가 반드시 필요하다. 파괴강도 평가는 피로해석 시 가장 높은 손상도를 보인 FP-1을 선택하여 수행하였다. 초기균열 0.

대상 데이터

를 만족하도록 설계되어야 하고, 다양한 환경조건에서의 피로 및 파괴 강도가 확보되어야 한다. 본 연구에서 사용된 모델은 북대서양 해상 환경조건에서 40년 이상의 수명을 가지도록 설계되었다. 또한, 체어 구조는 검사가 불가능하기 때문에 IGC Code (IMO, 2014)에 따라 파괴해석(fracture analysis)이 요구된다.
파괴강도 평가에 사용된 SUS316L의 최종강도(ultimate stress)는 485 MPa이고, 파괴인성값(fracture toughness)은 2160 kJ/m²이다. 계산을 위해서는 BS7910 (BSI, 2005) 기반으로 만들어진 결함평가 프로그램인 RESCEW (Kang, et al.

데이터처리

계산을 위해서는 BS7910 (BSI, 2005) 기반으로 만들어진 결함평가 프로그램인 RESCEW (Kang, et al., 2015)를 이용하였으며 최종 결과는 Table 6에 나타낸 바와 같이 ‘안정적(stable)’을 나타내어 파괴강도 평가도 문제없음을 확인하였다.

이론/모형

9 MPa에 대해 만족하는 결과를 보였다. 또한 DNV CN 30.7에 따라 피로강도 평가를 수행하였다. 항해 시와 적하역시의 피로손상도를 각각 계산한 후 전체 피로손상도를 계산한 결과 0.
적하역 시의 피로강도는 만재(full load)시와 발라스트(ballast) 시의 온도차 즉 -163°C와 -30°C의 온도차에 따른 응력범위를 이용하여 계산하였다. 적하역 시의 반복횟수는 IGC Code (IMO, 2014)에 따라 20년간 1000번으로 산정하였다. 20년에 대해 계산된 피로손상도는 전체 피로손상도 계산 시에 40년에 대한 값으로 변경하여 적용되었다.
항해 중 상황에 대한 피로강도는 DNV CN 30.7 (DNV AS, 2014)에 따라 수행하였으며, 대상 위치가 모두 용접부인 점을 고려하여 Table 4에 나타낸 S-N 선도를 사용하였다.

성능/효과

12과 Table 2에서는 구조강도 평가 결과를 나타내고 있다. 결과적으로 체어와 내부선각판이 만나는 모서리에서 가장 큰 응력이 발견되었으며, Table 2와 같이 최대 등가응력이 250.6 MPa이 계산되어 허용응력 351.9 MPa에 대해 만족하는 결과를 보였다.
마지막으로 피로손상도가 가장 높게 계산된 위치에 대해 IGC Code에 따른 파괴강도 평가를 수행한 결과 해당 구조물은 총 운항기간동안 파괴가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
제안된 형상에 대해 선체거더 굽힘응력 120 MPa과 극저온에 따른 열수축을 고려하여 검증 해석을 수행한 결과 최대 등가응력이 250.6 MPa로 계산되어 허용응력 351.9 MPa에 대해 만족하는 결과를 보였다. 또한 DNV CN 30.
7에 따라 피로강도 평가를 수행하였다. 항해 시와 적하역시의 피로손상도를 각각 계산한 후 전체 피로손상도를 계산한 결과 0.0316이 계산되어 역시 허용 기준인 0.1을 만족하는 결과를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멤브레인을 고정하는 체어 구조의 단점은 무엇인가?	체어는 리퀴드 돔의 선수쪽 면에 위치하고 있으며, 11개의 체어가 120 N/mm2 의 선체거더 굽힘응력을 지지하도록 설계되어 있다. 하지만, 기존의 체어는 구조가 매우 복잡하여 설계와 설치가 까 다로운 단점이 있다. 즉, 적재 조건(loading condition)에 따라 발생하는 열변형에 적절히 대응하는 동시에 충분한 강도를 만족시키기 위해 여러 부품들이 복잡하게 결합되어 있는 형태이기 때 에 설계와 설치 시에 각별한 주의가 필요하다.
	멤브레인은 무엇인가?	멤브레인 타입의 화물창에는 LNG가 저장되는 저장 탱크와 선체의 내벽 사이에 LNG의 누설 방지를 위해 얇은 막, 즉 멤브레인을 배치한다. 이 멤브레인은 각 탱크의 코너부에 설치된 앵커링 바(anchoring bar)에 부착되어 양 코너 사이에서 연속되므로 실온과 화물온도 차이만큼의 열응력과 선박의 운동으로 인한 선체거더 굽힘응력(hull girder bending stress)을 견뎌내야 한다.
	멤브레인은 어떤 응력을 견뎌야 하는가?	멤브레인 타입의 화물창에는 LNG가 저장되는 저장 탱크와 선체의 내벽 사이에 LNG의 누설 방지를 위해 얇은 막, 즉 멤브레인을 배치한다. 이 멤브레인은 각 탱크의 코너부에 설치된 앵커링 바(anchoring bar)에 부착되어 양 코너 사이에서 연속되므로 실온과 화물온도 차이만큼의 열응력과 선박의 운동으로 인한 선체거더 굽힘응력(hull girder bending stress)을 견뎌내야 한다. 이에 GTT사에서는 멤브레인의 강도를 고려하여 내부선각(Inner hull)에서의 선체거더 굽힘응력을 120 N/mm2 이하로 할 것으로 요구하고 있다.

참고문헌 (6)

British Standard Institution (BSI), 2005. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures. BS7910. UK: BSI Standards Publication.
Det Norske Veritas AS, 2014. Fatigue assessment of ships structures. DNV classification notes No. 30.7. Norway: DNV.
DNVGL-OS-C102, 2015. Structural design of offshore ships. Norway: DNV.
IMO, 2014. International code for the construction and equipment of ships carrying liquified gasses in bulk - IGC code. UK: IMO.
Kang, B.J. Kim, Y. Ryu, C.H. Ki, H.G. Park, S.G. & Oh, Y.T., 2015. Flaw assessment on an offshore structure using engineering criticality analysis. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(6), pp.435-443.

원문보기 상세보기
Lloyd Resister, 2008. Additional design procedures: Procedure for analysis of pump tower and pump tower base. UK: LR.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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