FLNG 혹은 FSRU와 같이 대량의 LNG를 처리하는 공정에서의 LNG 누출 사고 시, 강재의 급격한 온도변화는 구조물의 취성파괴를 야기시킬 가능성이 있다. 본 논문에서는 극저온 유출 실험을 통해 극저온 유체가 강판에 형성되는 원리 및 과정을 알아보고, 노즐로부터의 거리 및 노출시간에 따른 강판의 온도변화의 상관관계를 분석하고자 한다. 극저온 유체는 LN2(비점 -192℃) 및 LNG(비점 -162℃) 두 가지 종류를 사용하였으며, 유출량은 LN2의 경우 1.6L/min 및 LNG 1.5L/min로 강판의 상부에서 분사하였다. 강재는 DH계열 이용하였으며, 총 10 지점에서 온도를 측정하였다. 실험 결과 극저온 유출 초기 강재표면에서 Leidenfrost 효과가 관찰 되었으며, 극저온 유체가 흐르는 경로 및 유체의 증발열에 차이에 따라 강재의 온도분포가 다르게 나타나는 것을 발견하였다.
FLNG 혹은 FSRU와 같이 대량의 LNG를 처리하는 공정에서의 LNG 누출 사고 시, 강재의 급격한 온도변화는 구조물의 취성파괴를 야기시킬 가능성이 있다. 본 논문에서는 극저온 유출 실험을 통해 극저온 유체가 강판에 형성되는 원리 및 과정을 알아보고, 노즐로부터의 거리 및 노출시간에 따른 강판의 온도변화의 상관관계를 분석하고자 한다. 극저온 유체는 LN2(비점 -192℃) 및 LNG(비점 -162℃) 두 가지 종류를 사용하였으며, 유출량은 LN2의 경우 1.6L/min 및 LNG 1.5L/min로 강판의 상부에서 분사하였다. 강재는 DH계열 이용하였으며, 총 10 지점에서 온도를 측정하였다. 실험 결과 극저온 유출 초기 강재표면에서 Leidenfrost 효과가 관찰 되었으며, 극저온 유체가 흐르는 경로 및 유체의 증발열에 차이에 따라 강재의 온도분포가 다르게 나타나는 것을 발견하였다.
In the large LNG process in FLNG or FSRU, sudden temperature drops of the steel in the event of LNG leaks may cause brittle fracture of the structure. In this paper, we investigate the principle and process of forming a cryogenic fluid on a steel plate through a cryogenic spillage experiment, and an...
In the large LNG process in FLNG or FSRU, sudden temperature drops of the steel in the event of LNG leaks may cause brittle fracture of the structure. In this paper, we investigate the principle and process of forming a cryogenic fluid on a steel plate through a cryogenic spillage experiment, and analyze the correlation of the temperature distribution of the steel plate according to the distance from the nozzle and exposure time. Two types of cryogenic fluids were used: LN2 and LNG. The cyogenic liquid was released on the steel plate at 1.6L/min for LN2 and 1.5L/min for LNG. For the steel, DH was used and the temperature was measured at 10 points in total. The Leidenfrost effect was observed on the steel plate, and the temperature distribution of the steel was varied according the flow path and the heat of evaporation of the fluid.
In the large LNG process in FLNG or FSRU, sudden temperature drops of the steel in the event of LNG leaks may cause brittle fracture of the structure. In this paper, we investigate the principle and process of forming a cryogenic fluid on a steel plate through a cryogenic spillage experiment, and analyze the correlation of the temperature distribution of the steel plate according to the distance from the nozzle and exposure time. Two types of cryogenic fluids were used: LN2 and LNG. The cyogenic liquid was released on the steel plate at 1.6L/min for LN2 and 1.5L/min for LNG. For the steel, DH was used and the temperature was measured at 10 points in total. The Leidenfrost effect was observed on the steel plate, and the temperature distribution of the steel was varied according the flow path and the heat of evaporation of the fluid.
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문제 정의
LN2 실험과 동일한 조건에서 LNG와 LN2의 거동을 직접 비교하기 위해 실시하였다.
저장용기, 유리섬유로 보온된 금속 플렉시블 호스 및 파이프, 액체 분출용 노즐, 초저온용 체크밸브, 방폭형 압력계, 온도계, 온도 및 압력을 기록하는 데이터 로거로 구성되어 있다. 본 실험장치 구성에서 핵심 기술은 극저온 액체를 저장용기에서 분사 노즐까지 단열을 유지하여 액체의 기화를 최소화하는 것이다. 이를 위해, 저장용기와 분출장치는 유리섬유로 단열시킨 금속 플렉시블 호스를 사용하여 연결하였고, 초저온용 체크밸브가 장착된 분출장치도 유리섬유로 단열시켰다.
본 연구에서는 LNG 액화 공정 내 극저온 유출 사고 발생 시 선박 강 구조물에 극저온 유체인 LNG 풀(Pool)이 형성되는 원리 및 과정을 모의 실험을 통해 알아 보고자 한다. LNG는 대기 조건에서 비점이 -162℃로 저장탱크에서 유출될 경우 대기온도에 노출되어 자연 증발할 것으로 예상하나, 상황에 따라 유출에서 증발까지 소요되는 시간이 길어질 경우 LNG 풀이 형성되고 선박의 강 구조물과 접촉하는 시간도 늘어날 수 있으며, 경우에 따라 강재의 취성파괴를 방지하기 위해 극저온 보온재를 적용해야 할 수도 있다.
이는 액화질소가 대기 조건에서 비점이 -192℃으로 LNG 유출 시보다 더 가혹한 극저온 환경을 조성할 수 있을 것이라는 가정에 기인한 것이다. 본 연구에서는 이러한 가정의 타당의 검증을 위해 LN2 뿐만 아니라 관심 대상인 LNG를 직접 실험 유체로 사용하여, 실제 LNG 유출 사고 발생 시 극저온 풀 형성 과정을 살펴보고자 한다.
제안 방법
LNG는 대기 조건에서 비점이 -162℃로 저장탱크에서 유출될 경우 대기온도에 노출되어 자연 증발할 것으로 예상하나, 상황에 따라 유출에서 증발까지 소요되는 시간이 길어질 경우 LNG 풀이 형성되고 선박의 강 구조물과 접촉하는 시간도 늘어날 수 있으며, 경우에 따라 강재의 취성파괴를 방지하기 위해 극저온 보온재를 적용해야 할 수도 있다.(1,2) 지금까지의 극저온 실험 또는 저온 환경 제품 인증시험 등에는 가연성인 LNG의 넓은 폭발범위(주성분인 메탄 기준 5 ~ 15%)로 인해 극저온 물질을 액화질소(LN2)로 대체하여 사용하였다. 이는 액화질소가 대기 조건에서 비점이 -192℃으로 LNG 유출 시보다 더 가혹한 극저온 환경을 조성할 수 있을 것이라는 가정에 기인한 것이다.
극저온 액체가 강 구조물에 풀을 형성하는 상황에서 극저온 유체의 거동을 분석하기 위하여 앞 장에서 기술한 대로 그림 3과 같이 극저온 유체 노출 실험을 실시하였다. 극저온 액체 노출 시험에서 분출 노즐은 수직 아래 방향을 향하고 있으며 강재 샘플의 정 중앙에서 약간 벗어난 위치를 조준하도록 하였다. 그림 4는 LN2 및 LNG를 이용한 극저온 실험 결과를 보여준다.
극저온 액체가 강 구조물에 풀을 형성하는 상황에서 극저온 유체의 거동을 분석하기 위하여 앞 장에서 기술한 대로 그림 3과 같이 극저온 유체 노출 실험을 실시하였다. 극저온 액체 노출 시험에서 분출 노즐은 수직 아래 방향을 향하고 있으며 강재 샘플의 정 중앙에서 약간 벗어난 위치를 조준하도록 하였다.
극저온 유체 노출 시험장치는 상기 극저온 유체 누출 시험장치에 기-액 분리기 및 지지구조물 등을 추가하여 구성하였다. 액체 분출량은 노출 개시 직전과 시험 종료 직전에 노즐에서 분출되는 액체를 계량컵에 받아 산출하였다.
분사노즐은 수시로 탈·부착이 필요하여 단열재를 적용하기 어려우므로, 테플론(PTFE) 재질로 제작하여 열 전달을 최소화 하였다. 또한, 노즐 말단 안쪽에 구멍을 설치하여 열전대를 넣어 분출 직전 액체의 온도를 측정할 수 있도록 하였다.
배관 압력은 기-액 분리기 전단에 방폭형 디지털 압력계를 설치하여 액체 분사 직전 파이프 내 압력을 실시간 기록하였다. 강재 샘플은 SUS재질의 액체 받침 안에 내화벽돌로 받쳐놓았다.
분사노즐은 수시로 탈·부착이 필요하여 단열재를 적용하기 어려우므로, 테플론(PTFE) 재질로 제작하여 열 전달을 최소화 하였다.
본 실험장치 구성에서 핵심 기술은 극저온 액체를 저장용기에서 분사 노즐까지 단열을 유지하여 액체의 기화를 최소화하는 것이다. 이를 위해, 저장용기와 분출장치는 유리섬유로 단열시킨 금속 플렉시블 호스를 사용하여 연결하였고, 초저온용 체크밸브가 장착된 분출장치도 유리섬유로 단열시켰다. 분사노즐은 수시로 탈·부착이 필요하여 단열재를 적용하기 어려우므로, 테플론(PTFE) 재질로 제작하여 열 전달을 최소화 하였다.
글루건 비드를 만듦으로써 극저온 액체가 열전대에 직접 접촉하지 않게 되어 액체의 온도가 아닌 샘플의 온도를 측정할 수 있다. 전도면에는 글루건 비드를 사용하지 않고 직접 은박 테이프로 열전대를 고정하였다.
이 노출면과 전도면 모두 P0 ~ P4 위치의 온도를 측정하였다. 즉, 총 10개의 지점에 온도센서를 측정하였으며, 노출면의 P0는 EP0, 전도면의 P0는 CP0의 규칙으로 각 측정 지점을 명명하였다. 오른쪽 그림과 같이 열전대를 노출면에 설치할 때, 열전대 끝 부위를 각 측정지점에 위치시키고, 글루건으로 비드(bead)를 만든 후, 은박 테이프로 고정시켰다.
대상 데이터
배관 압력은 기-액 분리기 전단에 방폭형 디지털 압력계를 설치하여 액체 분사 직전 파이프 내 압력을 실시간 기록하였다. 강재 샘플은 SUS재질의 액체 받침 안에 내화벽돌로 받쳐놓았다. 액체 받침은 가연성 LNG가 강재 샘플 접촉 후 시험장 바닥에 떨어져 실험장소 주변으로 흘러나가지 못하도록 하는 기능을 한다.
성능/효과
둘째, LNG의 Leidenfrost 온도가 LN2의 경우보다 높아 Nucleate Boiling이 쉽게 발생한다(3). Nucleate Boiling이 발생하기 시작하면 앞서 설명한 높은 기화열과 같이 액체 잔류 가능성을 높이는 효과가 있다.
본 연구에서의 실험 관찰한 결과, LNG에서 자기구속현상이 빠르게 나타났으며, 이로부터 극저온 LNG유출 사고 발생 시 LNG가 기저 공간에 모여있을 가능성이 매우 클 수 있다는 것을 유추할 수 있다. 또한, 위험성 평가 실증시험 시 가연성인 LNG를 대신하여 비가연성인 LN2를 사용할 경우, 이러한 체류 문제에 대한 정확한 예측 및 분석이 어려울 수도 있다.
실험 결과에서 알 수 있듯이, 유체 자체의 온도는 LN2가 LNG보다 낮음에도 불구하고 LNG가 강재 샘플의 온도를 훨씬 더 빨리 강하시켰다. 이러한 현상의 가장 핵심 원인은 두 가지로 요약된다.
후속연구
극저온 유체 노출실험은 정사각형 샘플의 중심에 극저온 액체를 연속적으로 분사할 때 시간에 따른 샘플 각 부위의 온도를 측정하고 샘플 상부에서 극저온 액체의 거동 특징을 관찰하는 것이다. 이 실험 결과를 바탕으로 실제 LNG 유출 사고 발생 시 저장탱크에서 유출된 LNG의 선박 내 확산 양상과 강재 구조물의 피해범위를 예측하여 사고예방 안전설계에 반영하는데 활용할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 각 강재 샘플에서 온도 측정 지점을 그림2과 같이 지정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자자기구속현상이란 무엇인가?
Nucleate Boiling이 발생하기 시작하면 앞서 설명한 높은 기화열과 같이 액체 잔류 가능성을 높이는 효과가 있다. Leidenfrost 현상이 발생하면 액체와 고체 사이에 얇은 기체 막이 형성되어 두 물질 간 열전달이 잘 이루어지지 않는다. 강재 샘플 노출면이 충분히 냉각되어 Leidenfrost 현상이 사라지면, 분출된 액체가 샘플 표면과의 접촉각이 작아지게 된다. 본 연구에서는 이러한 현상을 자기구속(Self-entrapment) 현상이라 명하였다.
극저온 유체 누출실험의 장치 구성에서 핵심 기술은 무엇인가?
극저온 유체 누출실험의 장치는 LNG 또는 LN2 저장용기, 유리섬유로 보온된 금속 플렉시블 호스 및 파이프, 액체 분출용 노즐, 초저온용 체크밸브, 방폭형 압력계, 온도계, 온도 및 압력을 기록하는 데이터 로거로 구성되어 있다. 본 실험장치 구성에서 핵심 기술은 극저온 액체를 저장용기에서 분사 노즐까지 단열을 유지하여 액체의 기화를 최소화하는 것이다. 이를 위해, 저장용기와 분출장치는 유리섬유로 단열시킨 금속 플렉시블 호스를 사용하여 연결하였고, 초저온용 체크밸브가 장착된 분출장치도 유리섬유로 단열시켰다.
극저온 유체 누출실험의 장치는 어떻게 구성되어 있는가?
극저온 유체 누출실험의 장치는 LNG 또는 LN2 저장용기, 유리섬유로 보온된 금속 플렉시블 호스 및 파이프, 액체 분출용 노즐, 초저온용 체크밸브, 방폭형 압력계, 온도계, 온도 및 압력을 기록하는 데이터 로거로 구성되어 있다. 본 실험장치 구성에서 핵심 기술은 극저온 액체를 저장용기에서 분사 노즐까지 단열을 유지하여 액체의 기화를 최소화하는 것이다.
참고문헌 (3)
J. Pujol, Y. Ryu, 2017, 'Advanced cryogenic risk for FLNGs and FSRUs', FABIG TM92.
Y. Hwang, 2016,' Cryogenic Risk Analysis and Protection of FLNG', FABIG TM89.
Bernardin J.D. and Mudawar I., 1999, The Leidenfrost point: experimental study and assessment of existing model, J. Heat Transfer 121, 884-903.
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