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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 LNG CCS의 실제 압축 환경과 섬유방향에 의존되는 목재의 특성을 고려하여, 섬유방향과 상온에서부터 극저온까지의 광범위한 온도 범위에서 압축실험을 수행하여 플라이우드의 기계적 특성을 거시적으로 분석하였고, 극저온까지 온도가 감소함에 따른 plywood의 균열 진전 예측에 대한 실험적 연구를 수행하였다.
- 그리고 열수축으로 인한 플라이우드의 균열 진전의 심화와 파단까지의 거동을 예측할 수 있도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 극저온 유체의 유출통로의 원인이 될 수 있는 위험성을 줄이기 위해 플라이우드의 압축강도 및 탄성계수 등의 기계적 거동 분석과 함께 파단 형상에 대한 내용을 기술적으로 고찰하였다. 저온과 극저온에서의 신뢰성 확보를 위해 파단면 분석을 바탕으로 기계적 거동과 파단 거동을 묘사한 모델을 통한 해석 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.
- 본 실험에서는 실제 LNG CCS운용환경에서 발생 될 문제인 극한의 환경에서의 노출과 슬로싱 충격하중으로 인한 극한 강도에 도달이 플라이우드에 큰 영향을 미칠 것을 고려하여 압축실험을 수행하였다. 압축실험 결과에서 나타난 기계적 거동과 파단 표면 분석을 통해, 플라이우드의 각 층에 부착된 접착제가 기계적 물성치에 주는 영향과 극저온에서의 열수축으로 인한 균열진전을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 2mm/min의 하중속도로 압축실험을 수행하였으며, 시험편의 열적 평형 상태를 고려하기 위해 챔버 내부의 목표 온도 도달 시점부터 약 1시간의 예비 냉각 하였다. 그리고 5번의 반복실험을 통해 자연적으로 발생하는 편중현상을 최소화하였다. 앞서 설명한 실험 방법을 바탕으로 수행될 시나리오는 Table 1과 같다.
- 압축 실험은 섬유방향에 따라 상온, 저온, 극저온의 온도조건에서 수행되어졌다. 그리고 본 논문에서 수행된 압축실험은 ISO 604 규격에 따라 X축과 Y축 방향에서는 2.5mm/min, Z축방향에서는 0.9mm/min, 1.2mm/min의 하중속도로 압축실험을 수행하였으며, 시험편의 열적 평형 상태를 고려하기 위해 챔버 내부의 목표 온도 도달 시점부터 약 1시간의 예비 냉각 하였다. 그리고 5번의 반복실험을 통해 자연적으로 발생하는 편중현상을 최소화하였다.
- 또한 진전된 미세균열은 플라이우드의 횡방향 균열을 시작으로 층과 층사이의 박리현상을 유발시킬 수 있는 위험성을 확인 할 수 있었다. 그리고 열수축으로 인한 플라이우드의 균열 진전의 심화와 파단까지의 거동을 예측할 수 있도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 극저온 유체의 유출통로의 원인이 될 수 있는 위험성을 줄이기 위해 플라이우드의 압축강도 및 탄성계수 등의 기계적 거동 분석과 함께 파단 형상에 대한 내용을 기술적으로 고찰하였다.
- 다음으로, 실험변수인 광범위한 온도범위를 바탕으로 기계적 특성에 대한 영향을 확인하였다. Fig.
- 또한 극저온에서 그 균열의 정도는 매우 심해지며, 이는 극저온에서의 열 수축 심화로 인한 박리현상 및 샌드위치 구조물의 파괴로 발생으로 인한 것으로 사료된다. 따라서 균열의 원인인 온도에 따른 열 수축의 영향을 분석하기 위하여 파괴변형률로 계산하여 열수축의 정도를 비교 분석하였고 SEM을 통해 균열의 정도를 예측하였다.
- 따라서 플라이우드의 균열예측에 중요한 요소로 작용되는 파괴 변형률의 개념을 바탕으로 회귀분석을 통해 다항식 형태의 모델로 표현하여 균열 심화의 정도를 예측하였다. 저온, 극저온으로 갈수록 급격히 증가하는 파괴변형률을 통해 열 수축이 극저온에서 크게 발생한다는 것이 분석 가능하였으며, 이를 Fig.
- 6과 7에서 볼 수 있듯이, Z축에 비해 X축과 Y축에서 균열 거동이 확연히 드러났다는 본 연구 결과를 바탕으로, 온도가 감소함에 따른 플라이우드에 끼치는 영향을 확인하기 위하여 균열 거동이 두드러지게 보이는 X축과 Y축 방향의 압축 거동을 중점적으로 분석하였다. 또한 9t와 12t 모두 유사한 경향성을 가지고 있어 대표적으로 9t의 X축과 Y축방향의 균열 거동을 분석하였다.
- 본 연구에서는 LNG CCS에 사용되는 단열 재료인 플라이우드를 대상으로 압축실험을 진행하였다. 본 실험에서의 변수로 X, Y, Z축 방향의 섬유방향과 25℃, -20℃, -65℃, -110℃, -165℃의 온도들로 두어 압축목재의 기계적 거동과 파손 거동에 대한 분석을 기반으로 샌드위치 구조물인 플라이우드의 균열진전을 예측하고자 하였다. 본 연구에서의 압축실험 결과는 아래와 같이 정리하였다.
- 압축 실험 결과 Fig. 6과 7에서 볼 수 있듯이, Z축에 비해 X축과 Y축에서 균열 거동이 확연히 드러났다는 본 연구 결과를 바탕으로, 온도가 감소함에 따른 플라이우드에 끼치는 영향을 확인하기 위하여 균열 거동이 두드러지게 보이는 X축과 Y축 방향의 압축 거동을 중점적으로 분석하였다. 또한 9t와 12t 모두 유사한 경향성을 가지고 있어 대표적으로 9t의 X축과 Y축방향의 균열 거동을 분석하였다.
- 열수축으로 인해 극명하게 균열의 정도가 드러나는 극저온 (-165℃)에서의 SEM(Some Electron Micrographs)사진을 기반으로 균열의 진전방향과 균열의 정도를 확인하였다.
- 이렇듯, 열 수축은 균열의 중요한 요소로 작용하고 이에 따라 온도에 따른 열수축의 정도를 확인하기 위하여 열적 변형률을 비교 분석하였다. 이때, 파괴변형률로 표현하여 X, Y축 방향에서 항복강도에 이르기 전 또는 항복 강도 근처에서 파단 됨에 따른 극한강도를 압축강도로 계산하여 아래와 같이 나타내었다 (Jones, 2014).
- 따라서 플라이우드의 균열예측에 중요한 요소로 작용되는 파괴 변형률의 개념을 바탕으로 회귀분석을 통해 다항식 형태의 모델로 표현하여 균열 심화의 정도를 예측하였다. 저온, 극저온으로 갈수록 급격히 증가하는 파괴변형률을 통해 열 수축이 극저온에서 크게 발생한다는 것이 분석 가능하였으며, 이를 Fig. 10에서 횡방향 미세 균열 진전을 시작으로 박리현상 발생까지 균열 진전 방향과 결함에 대해 기술적으로 고찰하였다.
- 5는 실험 변수인 상온, 저온, 극저온에서의 평균압축강도와 평균탄성계수를 그래프로 나타낸 것이며, 실험 결과 데이터 값은 오차범위 ±10% 내외로 하여 데이터를 추출하였다. 평균압축강도의 계산은 X, Y 축 방향의 경우, 실험결과에서 항복강도에 이르기 전 또는 항복 강도 근처에서 파단 됨에 따라 극한강도를 압축강도로 계산하였고, Z축 방향에서는 선형탄성구간을 지나 소성구간을 지나기 때문에 항복강도를 압축강도로 계산하여 Fig. 5와 같이 나타내었다. 본 평균압축강도 그래프 Fig.
- 해당 시험편으로 섬유방향에 따른 상온, 저온, 극저온까지의 온도범위에서의 압축실험을 수행하기 위하여 특수제작한 극저온 챔버와 만능재료시험기(UH1000KNI, Shimadzu)를 사용하여 실험환경을 구축하였으며, 자동온도조절장치를 이용하여 질소가스를 분사하는 방법으로 실험을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 2와 같이, 본 연구에 사용되는 재료 는 섬유방향과 같은 방향인 0°와 이에 수직한 방향인 90°를 이루는 직교 이방성 재료이며, 홀수의 장수로 여러 겹 층을 이룬 구조이다.
- 2와 같이, 본 연구에 사용되는 재료 는 섬유방향과 같은 방향인 0°와 이에 수직한 방향인 90°를 이루는 직교 이방성 재료이며, 홀수의 장수로 여러 겹 층을 이룬 구조이다. 본 실험에 사용된 시험편은 적층형 목재이고 경질 재료임을 고려하여 표준시험규격 ISO604를 바탕으로 시험편을 제작 및 실험하였다. 실험 규격에 따라 균일한 기계적 특성을 갖는 합판의 소형 시편을 25mm × 25mm × 9mm, 25mm × 25mm × 12mm (width × length × thickness)의 크기로 제작하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 LNG CCS에 사용되는 단열 재료인 플라이우드를 대상으로 압축실험을 진행하였다. 본 실험에서의 변수로 X, Y, Z축 방향의 섬유방향과 25℃, -20℃, -65℃, -110℃, -165℃의 온도들로 두어 압축목재의 기계적 거동과 파손 거동에 대한 분석을 기반으로 샌드위치 구조물인 플라이우드의 균열진전을 예측하고자 하였다.
- 시험편의 두께 선정은 실제 LNG CCS 환경에서 사용되는 플라이우드의 두께를 기반으로 하여 9mm, 12mm로 선정하였다 (Lee et al., 2007). Fig.
- 실험 규격에 따라 균일한 기계적 특성을 갖는 합판의 소형 시편을 25mm × 25mm × 9mm, 25mm × 25mm × 12mm (width × length × thickness)의 크기로 제작하여 실험을 수행하였다.
- 4 를 통해 나타내었다. 실험에 사용된 시편은 직교이방성의 특성을 지닌 플라이우드로 압축실험결과, Fig.4 에서 보듯이, 복잡한 파괴모드가 나타남을 확인할 수 있었다.
성능/효과
- (1) X축과 Y축에서 상온과 저온에서는 선형탄성 거동 후, 극한 응력을 지나 시편에 파단이 일어나지만, 부분적으로 –110℃와 극저온 영역(-165℃)에서는 선형구간을 지나 소성거동 없이 파단에 이르는 전형적인 취성재료의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 저온으로 갈수록 탄성계수와 압축강도가 증가하는 경향성을 보였고. 본 현상은 원자 및 분자 진동에 대한 파괴적인 영향이 감소하는 것으로 인해 원자력과 분자간의 힘이 증가하는 경향성 때문이다.
- (3) X축과 Y축의 방향으로 압축하였을 때, 파단형상을 관측한 결과, 횡 방향에 균열의 진전이 시작되고 심화된 균열은 박리현상 및 파손의 발생까지 이어지는 것으로 관측되어졌다. 또한 극저온에서 그 균열의 정도는 매우 심해지며, 이는 극저온에서의 열 수축 심화로 인한 박리현상 및 샌드위치 구조물의 파괴로 발생으로 인한 것으로 사료된다.
- 상온, 저온, 극저온에서의 압축 실험 결과, X축과 Y축에 비해 Z축에서는 거의 균열이 발생하지 않았고, 파단면의 형상이 저온으로 갈수록 y축 방향에서 균열 진전이 시작 되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 y축 섬유방향의 층에서 균열 및 박리현상이 발생되는 것을 관측할 수 있었다. 이 때, 발생한 균열의 종류를 Fig.
- 압축실험 결과에서 나타난 기계적 거동과 파단 표면 분석을 통해, 플라이우드의 각 층에 부착된 접착제가 기계적 물성치에 주는 영향과 극저온에서의 열수축으로 인한 균열진전을 확인할 수 있었다. 또한 진전된 미세균열은 플라이우드의 횡방향 균열을 시작으로 층과 층사이의 박리현상을 유발시킬 수 있는 위험성을 확인 할 수 있었다. 그리고 열수축으로 인한 플라이우드의 균열 진전의 심화와 파단까지의 거동을 예측할 수 있도록 하였다.
- 5와 같이 나타내었다. 본 평균압축강도 그래프 Fig. 5에서 볼 수 있듯이, 9t와 12t 모두 저온으로 갈수록 앞서 확인한 탄성계수와 압축 강도가 높아지는 같은 경향성을 확인할 수 있었다. 그리고 Fig.
- 7에 나타내었고 이를 바탕으로 파단면 분석을 수행 하였다. 상온, 저온, 극저온에서의 압축 실험 결과, X축과 Y축에 비해 Z축에서는 거의 균열이 발생하지 않았고, 파단면의 형상이 저온으로 갈수록 y축 방향에서 균열 진전이 시작 되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 y축 섬유방향의 층에서 균열 및 박리현상이 발생되는 것을 관측할 수 있었다.
- 본 실험에서는 실제 LNG CCS운용환경에서 발생 될 문제인 극한의 환경에서의 노출과 슬로싱 충격하중으로 인한 극한 강도에 도달이 플라이우드에 큰 영향을 미칠 것을 고려하여 압축실험을 수행하였다. 압축실험 결과에서 나타난 기계적 거동과 파단 표면 분석을 통해, 플라이우드의 각 층에 부착된 접착제가 기계적 물성치에 주는 영향과 극저온에서의 열수축으로 인한 균열진전을 확인할 수 있었다. 또한 진전된 미세균열은 플라이우드의 횡방향 균열을 시작으로 층과 층사이의 박리현상을 유발시킬 수 있는 위험성을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 하지만 LNG 운반선의 경우, LNG 적하역(loading, unloading)시에 상, 저온 그리고 극저온까지 광범위한 온도범위에 노출된다. 또한 이와 같은 극한 환경의 노출은 LNG CCS에 있어, 미세균열을 야기 시킬 수 있고 더 나아가 복합 샌드위치 구조물의 파괴를 야기 시킬 수 있는 큰 요인으로 작용하게 되므로 (Goetz et al., 2000) 샌드위치 적층 구조의 경우 미세균열의 파악과 균열예측에 대한 연구가 필요하다.
- 본 연구는 LNG CCS 뿐 아니라 수소선박 등 천연에너지를 운반하기 위한 저장용기의 단열재 제작에 있어 -252.6℃의 초극저온에서의 단열재 연구 이전의 기초자료로서도 활용가능 할 것이라 사료된다.
- 따라서 본 연구에서는 극저온 유체의 유출통로의 원인이 될 수 있는 위험성을 줄이기 위해 플라이우드의 압축강도 및 탄성계수 등의 기계적 거동 분석과 함께 파단 형상에 대한 내용을 기술적으로 고찰하였다. 저온과 극저온에서의 신뢰성 확보를 위해 파단면 분석을 바탕으로 기계적 거동과 파단 거동을 묘사한 모델을 통한 해석 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.
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