[논문]Type4 복합재 용기의 돔 형상에 따른 파열형태에 관한 연구

조성민; 김광석; 조민식; 이선규; 이승국; 류성기

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.5.013

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In this work the augmented safety of Type 4 composite vessel in accordance with uniform-stress design has been demonstrated through a series of burst tests and structural analyses. For this end, three sample vessels were used: (1) designed as guided by the isotensoid dome theory (called iso-dome cyl...

In this work the augmented safety of Type 4 composite vessel in accordance with uniform-stress design has been demonstrated through a series of burst tests and structural analyses. For this end, three sample vessels were used: (1) designed as guided by the isotensoid dome theory (called iso-dome cylinder); (2) with dome longer compared to uniform-stress design (called prolate cylinder); and (3) with dome wider than uniform-stress design (called oblate cylinder). Structural analyses have been performed using ABAQUS finite element code based on the periodic symmetry to circumferential direction. As a result, the maximum stresses are induced around the bodies of all three cylinders. However, the analyses, with the assumption of possible defect demonstrate that the maximum stresses are induced around the dome knuckles for the prolate and the oblate cylinders. The results of the burst tests for the three cylinders show that the burst initiates from the cylinder body of the iso-dome cylinder and from the dome knuckles of the prolate and the oblate cylinders. Finally, it is recommended that, to comply with DOT CFFC 2007, the dome shape should be designed and fabricated as guided by the isotensoid dome theory.

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문제 정의

본 논문은 우리나라에서 유통되는 공기 호흡기용 Type4 복합재료 용기의 돔 형상에 따라 용기 파열시 파열 양상(failure mode)이 달라짐을 구조해석과 파열시험을 통해 확인하기 위해 수행하였다. 몸통 우선 파열 양상은 북미 규정인 DOT CFFC 2007에 명시되어 있으며, 다른 규정에는 없더라도 충격파가 완화될 수 있는 안전상의 이유로 국내외 실무자 들에 의해 받아들여지고 있다.

가설 설정

특히 길이 방향에 수직인 hoop층이 외부 충격에 취약하여 장시간 사용 시 내압을 담당하는 기능을 상실할 가능성이 크다. 이를 최외곽 hoop층이 존재하지 않는다고 가정하고, 앞서 기술한 동일한 조건의 구조해석을 추가로 실시하였다.

제안 방법

Prolate 용기의 경우, 약 1,100 bar에서 파열하였으며, 돔 너클 부위가 파열하였다. Oblate 용기는 약 1,144 bar에서 파열하였으며, prolate 용기와 동일한 돔 너클 부위에서 파열하였다. 등장력 설계를 벗어난 제품의 경우, 실제 파열 양상이 구조해석으로 예측한 결과와 상이하게 돔 너클이 취약한데, 이는 실제 필라멘트 와인딩 공정에서 발생하는 와인딩 밀림으로 설명할 수 있다.
8 L인 공기 호흡기용 Type4 복합재료 용기 세 가지 제품을 구입(Table 1 참조)하고, 용기 단면을 절단하여 분석하거나 제조업체로부터 라이너의 형상 데이터를 받아 3차원 형상을 얻고, 이를 바탕으로 구조해석을 통한 응력 집중 부위를 파악하였다. 또한, 수압 파열 시험을 통해 파열 부위를 관찰함으로써 해석결과를 검증하였다.^[7]
이를 구조해석에 적용하기 위하여 ABAQUS(Dassault Systems, France)에서 다점 구속 조건을 사용하였다. 또한, 필라멘트 와인딩 구조의 이방성으로 인한 실린더 몸통과 돔 연결 부위의 국부 응력 분포를 정확하게 예측하기 위해 3차원 고체 요소 중 20절점의 2차 변위 요소를 적용하고, 라이너의 소성거동과 비선형 거동을 예측하기 위한 기하학적 비선형 및 재료 비선형 해석기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석에는 육면체 mesh(size=0.
본 연구에 사용된 세 가지 형식의 용기(iso-dome, prolate, oblate)를 각각 1개씩 KGS AC 411에 규정된 절차에 따라 상온 수압 파열시험을 실시한 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 각각 나타내었다. 우선 Fig.
세 종류의 시험용기에 대하여 DOT CFFC 2007 및 KGS AC411-2015에 명시된 수압 파열 시험 (hydraulic burst test) 절차에 따라 시험을 실시하였다. 수압 파열 시험은 한국가스안전공사 가스안전 연구원에 구축된 지하 PIT에서 비 수조식으로 진행 하였으며, 용기 내부에 공기가 존재하지 않도록 수돗물을 채운 다음 일정한 속도로 가압한다. Type4 용기의 경우(full wrapped cylinder) 내압 검사 압력 (국내 기준 상 사용 압력의 5/3)의 1.
물론 DOT 규정이 등장력 설계를 의무화한 것은 아니므로 이들 용기 제조 및 유통사에 법적 제제조치를 할 수는 없으나 기술적인 측면에서 판단할 때 등장력 설계를 바탕에 둔 제품의 안전성에 대해서 강조할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 국외 유통 및 국내 개발 중인 사용압 300 bar, 내용적이 6.8 L인 공기 호흡기용 Type4 복합재료 용기 세 가지 제품을 구입(Table 1 참조)하고, 용기 단면을 절단하여 분석하거나 제조업체로부터 라이너의 형상 데이터를 받아 3차원 형상을 얻고, 이를 바탕으로 구조해석을 통한 응력 집중 부위를 파악하였다. 또한, 수압 파열 시험을 통해 파열 부위를 관찰함으로써 해석결과를 검증하였다.

대상 데이터

이를 위해, 내용적이 6.8 L, 사용압이 300 bar인 Type4 세 종류의 용기를 구매하여 단면을 절단하고 돔 형상을 그래프화 하였다. 등장력 돔 이론을 해당 용기에 적용한 결과, 한 용기는 등장력 설계대로 제작되었으며(iso-dome 용기), 다른 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 긴 타원체였고(prolate 용기), 나머지 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 짧은 타원체였다(oblate 용기).
또한, 필라멘트 와인딩 구조의 이방성으로 인한 실린더 몸통과 돔 연결 부위의 국부 응력 분포를 정확하게 예측하기 위해 3차원 고체 요소 중 20절점의 2차 변위 요소를 적용하고, 라이너의 소성거동과 비선형 거동을 예측하기 위한 기하학적 비선형 및 재료 비선형 해석기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석에는 육면체 mesh(size=0.2 cm)를 사용하였고 i5-4200U CPU(1.60 GHz)와 RAM 4 GB 조건에서 1회 계산에 약 20분이 소요되었다.

이론/모형

세 종류의 시험용기에 대하여 DOT CFFC 2007 및 KGS AC411-2015에 명시된 수압 파열 시험 (hydraulic burst test) 절차에 따라 시험을 실시하였다. 수압 파열 시험은 한국가스안전공사 가스안전 연구원에 구축된 지하 PIT에서 비 수조식으로 진행 하였으며, 용기 내부에 공기가 존재하지 않도록 수돗물을 채운 다음 일정한 속도로 가압한다.
2와 같이 헬리컬층의 존재로 인해 원통형 좌표에서 θ 방향으로 주기적 대칭성을 갖는다(예, Δθ = 15^o). 이를 구조해석에 적용하기 위하여 ABAQUS(Dassault Systems, France)에서 다점 구속 조건을 사용하였다. 또한, 필라멘트 와인딩 구조의 이방성으로 인한 실린더 몸통과 돔 연결 부위의 국부 응력 분포를 정확하게 예측하기 위해 3차원 고체 요소 중 20절점의 2차 변위 요소를 적용하고, 라이너의 소성거동과 비선형 거동을 예측하기 위한 기하학적 비선형 및 재료 비선형 해석기법을 적용하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

3(b) prolate 용기와 Fig. 3(c) oblate 용기의 경우, 돔과 몸통의 경계주변에서 최대 응력이 발생하게 됨을 확인하였다. 따라서 두용기는 파열할 때 돔과 몸통이 분리될 것으로 예측할 수 있다.
구조해석 결과, 등장력 설계와 관계없이 모든 용기가 파열 압력(1,100 bar)이 인가되었을 때 Fig. 2에서 보이는 것처럼 용기 몸통 부위 hoop층에서 최대응력이 발생하였다. 이 최대값은 섬유 파열 강도(2,548 MPa) 이상으로 용기는 몸통부위에서 파열이 발생할 것으로 예측되었다.
이는 용기 파열이 몸통부위에서 시작할수 있음을 의미한다. 그러나 용기의 제작 및 유통, 사용과정에서 발생할 수 있는 결함을 가정한 구조 해석 결과는, 등장력 설계 용기를 제외하고는 모두돔 부위에서 최대 응력이 유발되었다.
8 L, 사용압이 300 bar인 Type4 세 종류의 용기를 구매하여 단면을 절단하고 돔 형상을 그래프화 하였다. 등장력 돔 이론을 해당 용기에 적용한 결과, 한 용기는 등장력 설계대로 제작되었으며(iso-dome 용기), 다른 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 긴 타원체였고(prolate 용기), 나머지 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 짧은 타원체였다(oblate 용기). 복합재료 용기의 특징인 원주방향 주기적 대칭 조건을 적용하여 실시한 구조해석 결과, 원 용기 모두 몸통부위에서 최대 응력이 유발되는 것으로 나타났다.
등장력 돔 이론을 해당 용기에 적용한 결과, 한 용기는 등장력 설계대로 제작되었으며(iso-dome 용기), 다른 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 긴 타원체였고(prolate 용기), 나머지 한 용기는 제 3축의 길이가 등장력 설계 형상보다 짧은 타원체였다(oblate 용기). 복합재료 용기의 특징인 원주방향 주기적 대칭 조건을 적용하여 실시한 구조해석 결과, 원 용기 모두 몸통부위에서 최대 응력이 유발되는 것으로 나타났다. 이는 용기 파열이 몸통부위에서 시작할수 있음을 의미한다.
시험을 위해 세 가지 용기를 길이 방향으로 절단하여 단면형상을 관찰한 결과, 한 개의 용기가 등장력 돔으로 제작되어 있었으며 이를 iso-dome용기로 명명하였다. 다른 한 개의 용기의 돔은 제3축이 등장력 설계보다 긴 타원체였으며 이를 prolate용기로 명명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유로 제작할 경우 긍정적인 특징은 무엇인가	금속 재질 용기의 단점을 보완하고, 경량화를 위해 개발된 복합재료 용기는 맨드릴 역할의 라이너를 외곽 표면의 평탄부 또는 전체를 에폭시 수지로 함침한 탄소섬유 또는 유리섬유로 감아 제작한다. 탄소섬유의 인장강도가 금속보다 매우 높아 용기 벽면에 균열이 발생하더라도 파열 전 내용물(고압가스)이 누출하는(a. k. a. Leak Before Burst) 긍정적 특징이 있다. 복합재료 용기는 라이너 재료에 따라 Type3(금속 재질) 또는 Type4(플라스틱 재질)로 구분되며, Type4 용기는 Type3 용기에 비해 반복수명이 높고 무게도 가벼우며 기밀을 담당하는 라이너가 플라스틱인 관계로 내부식성의 특성을 가진다.
	고압가스 저장용기의 일반적인 형상을 구분하시오	고압가스 저장용기의 일반적인 형상은 몸통과 돔 (dome), 보스넥(boss neck)으로 구분한다. 오랜 경험에 따르면 예기치 못한 사고로 용기가 파열하더라도 몸통에서 파열이 발생하는 것이 가장 안전하며, DOT CFFC 2007 규정 등에서는 기본적으로 용기의 파열이 몸통에서 발생하도록 요구[1]하고 있으므로 압력용기에 관한 연구가 많이 수행되고 있다[2-5].
	등장력 이론에 따라 용기를 제작할 경우 응력은 어떻게 분포하게 되는가	이러한 요구를 충족하는 용기를 설계하기 위해 등장력 이론을 제시하였다[6]. 이 이론에 따라 용기를 제작하면 용기 가압 시 용기에 인가되는 응력이 몸통과 돔, 보스넥 부위에 고르게 분포하게 된다. 따라서 상대적으로 용기 두께가 얇은 몸통에서 파열이 발생하도록 유도하는 것이다.

참고문헌 (13)

KGS AC411-2015: Facility/Technical/Inspection Code for Manufacture of Storage Tanks and Pressure Vessels for High-pressure Gases.
Cho, S. M., Kim, K. S., Kim, C. J., Lyu G. J., Lee Y. J., Jo Y. S., Lyu S. K., "Temperature Variations of Air Pocket in Type-3 Composite Vessel during Ambient Hydraulic Cycling Test", J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 14, No. 5, pp. 120-125, 2015.
Choi, K. S., Park, J. H., Park, J. H., "A Structural Analysis by Finite Element Method under the Dropping Condition of Standardized IP-2 Metal Container for Decommissioning Radwaste Transportation", J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 14, No. 6, pp. 35-40, 2015.
Jang, J. H., Ha, C. K., Chu, B. S. Park, J. Y., "Development of Fault Diagnosis Technology Based on Spectrum Analysis of Acceleration Signal for Paper Cup Forming Machine", J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 15, No. 6, pp. 1-8, 2016.
Lee, H. R., Ahn, J. H., Shin, J. H., Kim, H. Y., "Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis", J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol. 15, No. 2, pp. 89-96, 2016.
DOT CFFC 2007: Basic Requirement for fully Wrapped Carbon-Fiber Reinforced Aluminum Lined Cylinders
ASTM E8-01, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, p. 14.
Rosata, D. V. and Grove, C. S. Filament winding : Its Development, Manufacture, Application and Design, Interscience Publishers, 1984.
Sun, X. K., Du, S. Y. and Wang, G. D., Bursting Problem of Filament Wound Composite Pressure Vessels, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 76, pp. 55-59, 1999.

상세보기
Engineering Materials Handbook-Composites, ASME International, pp. 503-518, 1987
Krolewski, S., Economic comparison of Advanced Composite Fabrication Technology, 34th International SAMPE Symposium, May 1989.
Kwang, T. K., Jung, S. K., Doh, Y. D., Cho, W. M. and Jung, B., The Performance Improvement of Filament Wound Composite Pressure Vessels, International SAMPE Symposium, pp. 1427-1438, 2000.
Loisse, M., Production Oriented Design of Filament Wound Composites, K. U. Leuven, PhD Thesis, April, 1990.

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