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문제 정의
- 본 연구에서는 2차 방벽의 온도 별 기계적 거동을 살펴보기 위하여 응력-변형도 선도를 나타내었다. 응력의 경우는 인장시험에서의 하중을 2차 방벽의 면적 37.
제안 방법
- 2012) 실험온도를 설정하였으며 각 온도 별 시편은 열적 평형 상태를 고려하여 액체질소(LN2)로 채워진 극저온 단열 챔버 안에 1시간 동안의 예비냉각을 실시하였다. 2차 방벽 재료로는 FSB와 RSB를 사용하였으며 섬유방향을 고려하여 수직 및 수평 방향으로 구분하였고 각 설정온도마다 5 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 열팽창 계수 측정은 ASTM C 479 시험규격에 따라 수행하였다.
- 본 연구에서는 기존 2차 방벽 FSB와 RSB의 이방성 복합재료를 대상으로 상온에서 극저온 사이의 온도 별 인장시험을 수행하였고 기계적 성능을 분석하였다. 또한 실제 LNG 운송선의 경우, 하역 시 극저온과 상온 사이 주기적으로 발생하는 열응력에 의해 2차 방벽의 기계적 성능이 저하됨을 고려하여 상온과 극저온 사이 2차 방벽의 열팽창 계수 측정을 수행하였다. 본 연구는 2차 방벽의 방향에 따라 기계적 성능에 차이가 있을 것으로 보이며 하중고려 설계 시 활용가치가 있을 것으로 사료된다.
- 만능재료시험기는 –200~50℃까지 단열이 되는 특수 제작된 극저온용 챔버가 장착되어 있으며 온도구현을 위해 챔버 내부에 액체질소를 주입하였고, 자동 온도조절 장치를 통해 설정 온도를 유지하였다.
- 본 연구에서는 2차 방벽의 온도 별 인장시험을 수행하기 위해 일정한 속도로 움직이는 크로스헤드를 장착한 만능재료시험기 (KSU-5M, KYONG SONG)을 이용하였다. 만능재료시험기는 –200~50℃까지 단열이 되는 특수 제작된 극저온용 챔버가 장착되어 있으며 온도구현을 위해 챔버 내부에 액체질소를 주입하였고, 자동 온도조절 장치를 통해 설정 온도를 유지하였다.
- 본 연구에서는 MARK-III LNG CCS의 2차 방벽 FSB, RSB에 대한 온도 별 인장시험 및 열팽창 계수 측정을 수행하였다. 이방성 재료임을 고려하여 FSB(X), FSB(Y), RSB(X), RSB(Y)를 대상으로 기계적 성능을 분석하였다.
- 본 연구에서는 MARK-III LNG CCS의 2차 방벽을 대상으로 -150℃에서 20℃ 사이의 열팽창 계수를 측정하였다. 유리섬유 방향에 따라 측정하였으며, 측정결과 방향 별 열팽창 계수가 서로 다름을 확인하였다.
- 본 연구에서는 기존 2차 방벽 FSB와 RSB의 이방성 복합재료를 대상으로 상온에서 극저온 사이의 온도 별 인장시험을 수행하였고 기계적 성능을 분석하였다. 또한 실제 LNG 운송선의 경우, 하역 시 극저온과 상온 사이 주기적으로 발생하는 열응력에 의해 2차 방벽의 기계적 성능이 저하됨을 고려하여 상온과 극저온 사이 2차 방벽의 열팽창 계수 측정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 섬유방향, 실험온도, 2차 방벽 재료를 변수로 선정하였으며 ISO 1421의 스트립 시험 규격에 따라 인장시험을 수행하였다. 섬유방향의 경우는 이방성재료임을 고려하여 2차 방벽의 실제 기계방향(machine direction)을 X방향, 기계횡방향을 Y방향으로 설정하였다.
- 시험 간의 정확한 변위를 측정하기 위해 극저온용 신율계(3542-050-100-LT, Epsilon)를 시험 편 중앙부에 장착하여 인장 시험을 수행하였다. 또한 열팽창 계수 측정을 수행하기 위해 수직형 열팽창계수 측정 장비(TMA 402 F1, NETZSCH)을 이용하였다.
- 섬유방향의 경우는 이방성재료임을 고려하여 2차 방벽의 실제 기계방향(machine direction)을 X방향, 기계횡방향을 Y방향으로 설정하였다. 온도의 경우는 MARK-III LNG CCS의 열구조해석의 적층 구간 별 온도를 기반으로 (Choi et al. 2012) 실험온도를 설정하였으며 각 온도 별 시편은 열적 평형 상태를 고려하여 액체질소(LN2)로 채워진 극저온 단열 챔버 안에 1시간 동안의 예비냉각을 실시하였다. 2차 방벽 재료로는 FSB와 RSB를 사용하였으며 섬유방향을 고려하여 수직 및 수평 방향으로 구분하였고 각 설정온도마다 5 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 MARK-III LNG CCS의 2차 방벽을 대상으로 -150℃에서 20℃ 사이의 열팽창 계수를 측정하였다. 유리섬유 방향에 따라 측정하였으며, 측정결과 방향 별 열팽창 계수가 서로 다름을 확인하였다. 이러한 열팽창 계수의 차이는 굽힘 변형을 야기 시키며 형상왜곡 및 기계적 성능을 저하 시키는 요인으로 보고된다(Kim et al.
- 본 연구에서는 MARK-III LNG CCS의 2차 방벽 FSB, RSB에 대한 온도 별 인장시험 및 열팽창 계수 측정을 수행하였다. 이방성 재료임을 고려하여 FSB(X), FSB(Y), RSB(X), RSB(Y)를 대상으로 기계적 성능을 분석하였다. 시험결과를 통해 분석한 2차 방벽의 특성을 아래와 같이 정리하였다.
데이터처리
- 실험의 신뢰성 확보를 위해 각 시나리오 별 5회의 반복실험을 수행하였으며, 최대 최솟값을 제외한 3개의 데이터의 평균값을 이용하여 결과값을 나타내었다. Table 1은 인장시험을 수행하기 위한 시험 시나리오를 나타내었고 Table 2는 열팽창 계수를 측정하기 위한 시험 시나리오를 나타내었다.
이론/모형
- 시험 간의 정확한 변위를 측정하기 위해 극저온용 신율계(3542-050-100-LT, Epsilon)를 시험 편 중앙부에 장착하여 인장 시험을 수행하였다. 또한 열팽창 계수 측정을 수행하기 위해 수직형 열팽창계수 측정 장비(TMA 402 F1, NETZSCH)을 이용하였다. Fig.
- 2차 방벽 재료로는 FSB와 RSB를 사용하였으며 섬유방향을 고려하여 수직 및 수평 방향으로 구분하였고 각 설정온도마다 5 mm/min의 속도로 인장시험을 수행하였다. 열팽창 계수 측정은 ASTM C 479 시험규격에 따라 수행하였다.
성능/효과
- (1) 2차 방벽의 정적인장시험 결과, 극저온으로 갈수록 대체적으로 기계적 강도가 증가하는 경향을 확인하였다. 이러한 현상은 2차 방벽의 복합재료가 저온으로 갈수록 취성화가 일어나는 것으로 사료된다.
- (2) FSB의 경우, 상온에서 -70℃의 온도 범위에서의 응력-변형도 선도는 초기 비선형구간(toe region)이 길게 나타났지만 이후 극저온으로 갈수록 초기 비선형구간이 확연하게 줄어든 것을 확인하였다. 이는 FSB의 유리섬유가 고무로 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 고무의 저온취성이 유리섬유의 권축신장에 영향을 준 것으로 사료된다.
- (3) RSB의 경우, 온도에 상관없이 초기 비선형구간이 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 이는 RSB의 유리섬유가 레진과 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 레진의 경화가 유리섬유의 권축신장을 억제한 것으로 사료된다.
- (4) FSB의 경우, 방향 별 기계적 성능이 달랐으며 이는 유리섬유의 경사 인터로크 구조와 관련이 있는 것으로 보인다. X방향으로 인장력이 가해질 경우 Stick-slip 현상에 의해 전단력이 발생하여 비교적 기계적 강도가 높고 파단연신율이 낮은 것으로 사료된다.
- (5) 열팽창계수 측정 결과, 극저온과 상온 사이 2차 방벽의 열팽창계수가 섬유 방향별 차이가 있다는 것을 확인하였다. 이러한 열팽창 계수의 차이는 굽힘 변형을 야기 시키며 형상왜곡 및 기계적 성능을 저하 시키는 요인으로 보고된다.
- , 2013). FSB와 RSB를 살펴보면, 기계적 강도 측면에서 RSB가 FSB보다 약 50% 이상 우수하였다. 이는 RSB의 접착제인 레진이 인장 에너지를 대신 흡수하여 기계적 강도가 증가한 것으로 보고된다(Lee et al.
- 이러한 열팽창 계수의 차이는 굽힘 변형을 야기 시키며 형상왜곡 및 기계적 성능을 저하 시키는 요인으로 보고된다. FSB의 경우 -144℃, RSB의 경우 20℃에서 방향 별 열팽창계수 차이가 가장 큰 것을 확인 하였고, 이는 하역 시 발생하는 반복, 지속적인 열응력을 받을 시 2차 방벽의 기계적 성능 감소에 영향을 줄 것으로 사료된다.
- 온도의 관점에서 2차 방벽의 기계적 거동을 보면 대체적으로 저온으로 갈수록 기계적 강도가 증가하였으며 이는 저온에서 취성화되기 때문이라고 사료된다. 기계방향의 FSB는 극저온에서 상온대비 기계적 강도를 약 100% 이상 증가시켰으며 기계횡방향의 FSB는 기계적 강도를 약 50% 이상 증가시켰다. FSB의 기계적 거동차이가 확연하게 드러나는 온도구간을 살펴보면, -70℃ 전후로 다른 것을 확인하였다.
- 이는 FSB의 유리섬유가 고무로 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 고무의 저온취성이 유리 섬유의 권축신장에 영향을 준 것으로 사료된다. 기계방향의 RSB는 극저온에서 상온 대비 기계적 강도를 약 100% 이상 증가시켰고, 기계횡방향의 RSB는 상온 대비 기계적 강도를 약 110% 이상 증가시켰다. RSB의 경우, 온도에 상관없이 초기 비선형구간이 거의 나타나지 않음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 섬유 방향 및 온도에 따라 2차 방벽의 기계적 성능이 차이가 많이 나는 것을 확인하였다. 또한 열팽창계수 측정 및 분석을 수행하였고 섬유 방향에 따라 극저온과 상온 사이 열팽창계수의 차이가 있는 것을 확인하였다. 이는 열팽창계수 차이에 의해 굽힘 변형이 발생할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 섬유 방향 및 온도에 따라 2차 방벽의 기계적 성능이 차이가 많이 나는 것을 확인하였다. 또한 열팽창계수 측정 및 분석을 수행하였고 섬유 방향에 따라 극저온과 상온 사이 열팽창계수의 차이가 있는 것을 확인하였다.
- 10은 방향 별 열팽창 계수의 차이를 곡선으로 나타내었다. 비교 결과, FSB의 경우 -144.4℃ 에서 차이가 가장 컸으며 RSB의 경우 상온 20℃에서 가장 차이가 큰 것을 확인하였다.
- 7은 응력변형도 선도의 탄성영역의 선형적 기울기를 통해 방향 별 인장탄성계수를 막대그래프로 나타내었다. 비교 결과, 인장탄성계수는 섬유 방향에 상관없이 저온으로 갈수록 증가하는 것을 확인하였다.
- , 2014). 상온에서 -70℃의 온도 범위에서의 응력-변형도 선도는 초기 비선형구간이 길게 나타났지만 이후 극저온으로 갈수록 초기 비선형구간이 확연하게 줄어든 것을 확인하였다. 이는 FSB의 유리섬유가 고무로 접착되어 있는 것을 고려 할 때, 고무의 저온취성이 유리 섬유의 권축신장에 영향을 준 것으로 사료된다.
- 8(a)-(b)는 FSB의 유리섬유 실 구조의 실제사진 및 구조 모식도를 나타낸다. 아라미드 섬유의 경사 인터로크(warp interlock) 구조의 방향 별 인장시험 (Abtew et al., 2018)과 본 연구의 방향별 인장시험을 비교하였을 때, 기계방향의 FSB의 인장 거동은 위사 방향(weft direction)의 거동과 유사하였고, 기계횡방향은 경사방향(warp direction)의 거동과 유사함을 확인하였다. 위사 방향 실구조는 경사 방향과는 다르게 위 아래로 구부러진 형태로 섬유 실 길이가 더 긴 특징을 가진다.
후속연구
- 또한 실제 LNG 운송선의 경우, 하역 시 극저온과 상온 사이 주기적으로 발생하는 열응력에 의해 2차 방벽의 기계적 성능이 저하됨을 고려하여 상온과 극저온 사이 2차 방벽의 열팽창 계수 측정을 수행하였다. 본 연구는 2차 방벽의 방향에 따라 기계적 성능에 차이가 있을 것으로 보이며 하중고려 설계 시 활용가치가 있을 것으로 사료된다.
- 현재까지 보고된 연구 결과는 대부분 2차 방벽의 구조 단위를 대상으로 연구가 수행되었으며 2차 방벽 복합재료 FSB와 RSB의 재료단위에 대한 개별적인 실험은 찾아보기 어려웠다. 이는 LNG CCS의 크기 및 두께가 증가하는 반면 2차 방벽은 기존과 동일한 두께를 사용함을 고려할 때, 새로운 LNG CCS의 안전한 설계를 위해 기존 2차 방벽 복합재료들의 온도 별 기계적 성능 평가가 필요할 것으로 사료된다.
- 이는 열팽창계수 차이에 의해 굽힘 변형이 발생할 것으로 사료된다. 이는 LNG 하역과 같은 지속적인 열 수축응력을 받을 시 굽힘 변형에 의해 기계적 성능이 감소할 것으로 판단되며 반복 열응력에 대한 2차 방벽의 기계적 성능에 대한 추가적인 실험을 수행할 예정이다.
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