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문제 정의
- 이 연구에서는 LNG 저장탱크의 수명평가를 위해서 내조탱크에 대해 피로수명평가, 외조탱크에 대해서는 내구성평가의 일환으로 탄산화 및 염해평가가 가능한 수명평가 자동화 프로그램을 개발하였다.
제안 방법
- Abaqus 해석을 통하여 사용자가 필요한 해석 정보는 온도 해석 결과, 응력 해석 결과, 변형 해석 결과의 3가지이며 온도 해석인 경우에는 온도 전체 해석 결과와 온도가 가장 크게 영향을 주는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 온도 해석을 Post-Processing화 하였다. 응력 해석인 경우에는 온도 해석인 경우와 동일하게 응력 전체 해석 결과와 응력이 가장 크게 영향을 주는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 응력 해석을 Post-Processing화 하였다.
- 상세한 해석 및 내용은 이승림 외 논문에서 확인을 할 수 있다[3]. Abaqus와 FEMFAT을 자동화 해석을 하기 위해서 batch command를 적용하였다.
- Civil Analysis 메뉴는 탄산화(Carbonation) 해석과 염해(Chloride Attack) 해석이 수행되고 이용자가 다양한 조건을 입력해야 하는 염해 해석의 경우에는 공개 프로그램인 Life-365 [8]를 실행시키고 별도의 입력 메뉴없이 사용자가 다양하게 해석을 진행 하여 결과를 지정된 출력 파일로 저장하여 Report 메뉴에서 Post-Processing을 진행하도록 하였다.
- Code 메뉴는 LNG 저장탱크의 최종 평가 및 판단을 하기 위하여 기존의 API, ASTM 및 AWS 등 을 용이하게 찾아볼 수 있도록 하였다.
- Fig. 2는 LNG 저장탱크 재료물성치의 초기값을 보여주며 LNG 저장탱크를 구성하는 중요 재료인 9% Nickel Steel, Concrete & Screed, Form Glass 800, Perlite, Perlite Con. 1000, PUF, Resilient Blanket의 7가지 재료의 물성치를 DB화 하였다.
- LNG 저장탱크에 대해서 내조탱크의 구조해석 및 피로수명 평가에 대한 자동화 해석 및 외조탱크 탄산화 및 염해평가가 가능한 프로그램을 개발하였다.
- LNG 저장탱크의 수명평가를 위하여 사용자가 검토하고 확인해야 할 Code 파일들을 링크시켜 놓았다. Code 파일들은 API, ASTM, AWS, BS, NFPA의 총 5가지 Code별 파일들을 저장하였으며 Fig.
- Material DB 메뉴는 LNG 저장탱크에 필수적으로 들어가는 재료물성치 DB를 구축하며 초기 값이 저장 되어 있으며 필요에 따라 사용자가 물성치값을 변경 가능하도록 프로그래밍 되었다.
- 1과 같고 5가지 Menu로 구성된다. Material DB 메뉴는 Mechanical Analysis(피로수명 평가)와 Civil Analysis(탄산화 및 염해 평가)를 위한 물성값을 정의하며, Mechanical Analysis메뉴는 내조의 피로해석을 수행하고, Civil Analysis메뉴는 외조탱크의 내구성(탄산화, 염해) 해석을 수행한다. 수행된 결과는 Report메뉴를 통하여 인쇄가 되며 해석을 위한 관련 기본 Code내용은 Code메뉴에서 검토할 수 있다.
- Mechanical Analysis는 내조탱크에 대해 3가지 주요 시나리오로 내조탱크, Column 및 지지구조물 및 코너프로텍션과 관련된 구조해석과 피로수명 해석을 수행한다. 피로수명 예측은 마이너의 손상법칙을 적용하였다.
- 개발된 프로그램은 내조와 외조를 동시 평가가 가능한 LNG 저장탱크 구조물의 종합적 건전성 평가 프로그램으로 운영자가 LNG 저장탱크의 유지 관리를 하는데 있어서 편리성 및 신속성 등의 장점이 있다. 또한, 에너지 저장 핵심설비의 수명연장을 통한 LNG supply chain의 건전성 확보로, 원활한 수급 지원을 통한 에너지안보 구축에 기여할 것이라고 판단된다.
- 내조탱크 수명평가와 관련하여 3가지 시나리오를 정의하고 구조해석 및 피로해석을 수행하였다.
- 응력 해석인 경우에는 온도 해석인 경우와 동일하게 응력 전체 해석 결과와 응력이 가장 크게 영향을 주는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 응력 해석을 Post-Processing화 하였다. 변형 해석인 경우에는 변형 전의 형상과 변형 후의 형상 변화에 관심이 있기 때문에 변형 전후의 전체 해석 결과와 역시 변형이 가장 크게 발생하는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 변형 전후 해석을 Post-Processing화 하였다. Fig.
- 탄산화 해석은 이산화탄소 함량(CO2%)과 침투 깊이(mm)를 입력하면 속도계수를 계산하여 콘크리트 피복두께에 따른 탄산화 진전을 예측한다. 염해해석은 다양한 입력 조건 고려와 보다 신뢰도 높은 결과를 도출하기 위해 공인된 공개 프로그램인 Life-365프로그램을 연동해서 적용하는 방안으로 구축하였다.
- Abaqus 해석을 통하여 사용자가 필요한 해석 정보는 온도 해석 결과, 응력 해석 결과, 변형 해석 결과의 3가지이며 온도 해석인 경우에는 온도 전체 해석 결과와 온도가 가장 크게 영향을 주는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 온도 해석을 Post-Processing화 하였다. 응력 해석인 경우에는 온도 해석인 경우와 동일하게 응력 전체 해석 결과와 응력이 가장 크게 영향을 주는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 응력 해석을 Post-Processing화 하였다. 변형 해석인 경우에는 변형 전의 형상과 변형 후의 형상 변화에 관심이 있기 때문에 변형 전후의 전체 해석 결과와 역시 변형이 가장 크게 발생하는 Corner protection 부분을 확대한 2가지 변형 전후 해석을 Post-Processing화 하였다.
- 재료 물성치 DB는 초기값 물성치를 저장하였으며 LNG 저장탱크의 수명평가에 큰 영향을 미치기 때문에 사용자가 다시 한번 검토를 할 수 있도록 하였다. Fig.
- FEMFAT 해석은 자동화를 통하여 2가지 해석이 가능하다. 첫 번째로 안전계수(Safety Factor)를 구하기 위하여 FEMFAT을 한번 해석하고 난 후에 Damage와 피로수명을 계산하기 의한 두 번째 해석을 진행한다.
- 탄산화 해석은 엑셀 프로그램을 활용하여 개발하였다. 엑셀 프로그램을 활용한 중요한 이유는 사용자가 탄산화 해석을 위하여 구축한 엑셀 파일 안에 존재하는 모든 수식을 직접 이용할 수 있다는 점이다.
- Abaqus 해석을 자동화하기 위해 batch command를 적용하면 어떠한 해석도 자동화할 수 있다. 특히 Abaqus는 Python이라고 불리는 Script 언어를 채택하였기 때문에 모델링 및 해석 프로세스를 모두 Python언어로 모듈화를 시켜놓고 batch command를 적용하였다.
- 4와 같다. 해석에 적용된 재료뮬성치 값들을 표시하도록 하였으며 최종 피로수명 해석 결과인 안전계수(Safety Factor)와 피로 수명(Cycle, Damage)을 표시하도록 하였다.
대상 데이터
- 이 연구의 프로그램에서 수명평가 대상은 현재 단계에서 이미 건설되어 운전 중인 16만5천㎘ LNG 저장탱크에 대한 것이며 상세한 사양은 Table 1과 Fig. 5와 같다.
- 국내에서 많이 건설되어 운영하고 있는 9% 니켈 강형 내조를 가지는 LNG저장탱크는 완전방호식 LNG저장탱크로서 내조탱크와 외조탱크가 각각 독립적으로 LNG를 저장할 수 있는 기능을 갖는 이중 구조의 탱크를 말한다 [1, 4-5]. 정상운전 시에 초저온의 LNG를 직접 접촉, 저장하는 내부탱크의 재료로는 초저온 성능이 우수한 9% 니켈강이 사용된다. 그리고 외부탱크는 프리스트레스 콘크리트 구조물로서 내부탱크의 파손 시에 2차적으로 LNG를 저장할 수 있도록 설계되어있다 [5].
데이터처리
- 유한요소해석 프로그램을 적용한 응력(구조/열) 해석 및 산출 된 응력 결과를 기반을 한 피로수명 해석이다. 다양한 유한요소해석 프로그램 중에서 LNG 저장탱크 해석을 위하여 Abaqus 프로그램을 이용하였으며 피로수명 해석은 FEMFAT 프로그램을 활용하여 계산하였다. 상세한 해석 및 내용은 이승림 외 논문에서 확인을 할 수 있다[3].
이론/모형
- FEMFAT 해석도 자동화 해석을 위해 batch command를 적용하였다. 하지만 FEMFAT에서는 batch command를 실행하기 위하여 ffj라는 입력 파일을 생성하며 ffj 입력 파일에 용접 조건과 같은 상세한 내용이 포함되어 있다.
- 피로손상은 최대응력이 피로한도 응력보다 큰 경우에 만 일어난다는 마이너 손상법칙(Miner’s Rule)과 피로해석을 통해 구한 Damage 값을 이용하여 피로 수명을 예측하였다.
- Mechanical Analysis는 내조탱크에 대해 3가지 주요 시나리오로 내조탱크, Column 및 지지구조물 및 코너프로텍션과 관련된 구조해석과 피로수명 해석을 수행한다. 피로수명 예측은 마이너의 손상법칙을 적용하였다.
후속연구
- 개발된 프로그램은 LNG 저장탱크 외조에 대해 서는 내구성만을 고려한 것이며 향후에 구조적 안전성 평가 및 내진 성능 평가 등이 추가된 LNG 저장탱크 통합 건전성 평가 프로그램을 개발할 필요가 있다.
- 개발된 프로그램은 내조와 외조를 동시 평가가 가능한 LNG 저장탱크 구조물의 종합적 건전성 평가 프로그램으로 운영자가 LNG 저장탱크의 유지 관리를 하는데 있어서 편리성 및 신속성 등의 장점이 있다. 또한, 에너지 저장 핵심설비의 수명연장을 통한 LNG supply chain의 건전성 확보로, 원활한 수급 지원을 통한 에너지안보 구축에 기여할 것이라고 판단된다.
- 엑셀 프로그램을 활용한 중요한 이유는 사용자가 탄산화 해석을 위하여 구축한 엑셀 파일 안에 존재하는 모든 수식을 직접 이용할 수 있다는 점이다. 추후 탄산화 프로그램뿐만 아니라 기타 자체 프로그램(In-house program)도 엑셀기반으로 개 발한다면 아주 용이하게 LNG 자장탱크 수명평가 프로그램에 모두 Plug-In할 수가 있다.
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