[논문]LNG 연료추진선의 벙커링을 위한 Saddle의 구조 안전성 평가에 관한 연구

김태욱; 조수길; 김성순; 전정익; 김형우

doi:10.21289/ksic.2021.24.6.745

LNG 연료추진선의 벙커링을 위한 Saddle의 구조 안전성 평가에 관한 연구
A Study on the Evaluation of Structural Safety of Saddle for Bunkering of LNG Fueled Ship 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.24 no.6/1, 2021년, pp.745 - 751

김태욱 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 조수길 (선박해양플랜트연구소 해양에너지연구본부) , 김성순 (선박해양플랜트연구소 해양에너지연구본부) , 전정익 (정우이앤이 기술연구소) , 김형우 (선박해양플랜트연구소 해양시스템연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The International Maritime Organization(IMO) has established Emission Control Areas(ECA) in the Baltic Sea, North Sea, and sea areas in the United States since 2012, and encourages the use of clean fuels such as Natural Gas(NG). To keep pace with the increase in international demand for LNG bunkering vessels, research for the localization of key equipment for LNG bunkering must also be performed in Korea. For research and development of core bunkering equipment and systems, in this study, heat transfer analysis and structural analysis were performed by modeling the saddle, which must first be secured structurally by directly receiving the load of the hose. As a result, the suitability of the model was reviewed by analyzing the temperature distribution and stress level through the analysis results of this study.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 FE model of saddle for ABAQUS
그림 Fig. 2 Analysis case according to the position of the saddle's pin
표 Table 1. Information of FE model according to analysis case
표 Table 2. Mechanical and thermal properties of SUS316 using analysis
그림 Fig. 3 Heat transfer analysis conditions considering convection and conduction
그림 Fig. 4 Load and fixed condition for structural analysis
표 Table 3. Main specifications of hose and physical properties of LNG and ice for calculation of loads
그림 Fig. 5 Temperature distribution of upper plate of the saddle in case 1
그림 Fig. 6 Temperature distribution of upper plate of the saddle in case 2
그림 Fig. 7 Stress distribution of saddle in case 1
그림 Fig. 8 Stress distribution of saddle in case 2
표 Table 4. Structural analysis results

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라, 벙커링 선박의 수요 증가에 발맞춰 국내에서도 LNG 벙커링 핵심 기자재의 국산화를 위한 연구 또한 필수적으로 수행되어야 한다. 벙커링 핵심 기자재 및 시스템 연구개발을 위해, 본 연구에서는 Hose의 하중을 직접적으로 받아 우선적으로 구조적 안전성이 확보되어야 하는 LNG Transfer용 Saddle에 대해 모델링을 수행한 후 열 전달 해석 및 구조 해석을 수행하였다.

가설 설정

마지막으로, 본 연구에서는 선박에서 선박으로 벙커링하는 해상 벙커링 방법을 고려하여 해석을 수행하기에, 일반적으로 해상 벙커링 시 파랑 조건이 크지 않은 상태에서 벙커링을 수행하는 상황을 가정하여 벙커링 선박 및 Saddle에 작용하는 가속도를 고려하지 않고 해석을 수행하였다. 최종적으로 Fig.

제안 방법

해석 Case는 Fig. 2와 같이 Saddle의 높낮이 조절을 위해 측면에 존재하는 Hole에 고정용 핀이 삽입되는 위치가 가장 높은 부분인 Case 1과 가장 낮은 부분인 Case 2로 나누어 해석을 수행하였으며, 각각의 Case에 적용된 요소 타입 및 개수, 노드 개수는 Table 1에 함께 나타내었다.
본 연구에서 수행한 구조 해석에서는 벙커링시 에 Saddle이 지지하는 하중을 산정하기 위해 여러 가지를 하중 조건을 고려하고 해석에 적용하였다.
본 연구에서 수행한 열전달 해석에서는 Saddle 의 상부에 직접적으로 LNG 벙커링용 Hose가 접촉하는 부분의 온도 조건과 외부 공기의 온도 조건을 각각 적용하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 LNG 벙커링 핵심 기자재 중 하나인 Saddle의 설계를 위한 구조 안전성 검토를 위해, 모델링을 수행한 후 열전달 해석 및 구조 해석을 수행하였고, 온도 구배 및 응력 수준을 분석함으로써, 해당 모델의 적합성을 검토하였다.

대상 데이터

Saddle에 사용된 재질은 대표적인 저온용 오스테나이트계 스테인리스강인 SUS316이며, 해당 강재의 열적, 기계적 물성을 적용하여 해석을 수행하였다. Table 2는 해석에 적용한 SUS316의 물성치를 나타내며, 구조해석 결과 검증 시에도 SUS316의 항복 응력인 205 MPa을 기준으로 안전계수를 도출하고 평가하였다.

데이터처리

Saddle에 사용된 재질은 대표적인 저온용 오스테나이트계 스테인리스강인 SUS316이며, 해당 강재의 열적, 기계적 물성을 적용하여 해석을 수행하였다. Table 2는 해석에 적용한 SUS316의 물성치를 나타내며, 구조해석 결과 검증 시에도 SUS316의 항복 응력인 205 MPa을 기준으로 안전계수를 도출하고 평가하였다.

성능/효과

해석 결과, 열전달에 의해서는 Saddle의 상부 플레이트의 주요 파트와 하부 구조물에는 큰 열 변형을 발생시키지 않을 것이라 판단된다. 또한, 구조해석 결과를 통해 Case 1과 Case 2에서 최대 응력을 기반으로, 적용 재료 기준 각각 안전계수를 13.14와 7.71을 확보한 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 해석 모델의 실적용은 적합하다고 판단된다.
본 연구를 통해 도출된 안전계수상으로는 설계상 문제가 없다고 판단되나, 본 해석에서는 가속도를 고려하지 않고 고정핀 파트의 간소화 등 해석 모델의 전체적인 구조에 대한 안전성을 평가한 결과이다. 그러므로 정밀한 구조적 안전성을 확인하기 위해서는 더 상세한 모델의 설계 및 경계조건 산정을 통한 정밀 해석이 필요하다고 판단되며, 추후에 이에 대한 추가적인 해석적 연구 또한 수행할 예정이다.
해석 결과, 열전달에 의해서는 Saddle의 상부 플레이트의 주요 파트와 하부 구조물에는 큰 열 변형을 발생시키지 않을 것이라 판단된다. 또한, 구조해석 결과를 통해 Case 1과 Case 2에서 최대 응력을 기반으로, 적용 재료 기준 각각 안전계수를 13.

후속연구

본 연구를 통해 도출된 안전계수상으로는 설계상 문제가 없다고 판단되나, 본 해석에서는 가속도를 고려하지 않고 고정핀 파트의 간소화 등 해석 모델의 전체적인 구조에 대한 안전성을 평가한 결과이다. 그러므로 정밀한 구조적 안전성을 확인하기 위해서는 더 상세한 모델의 설계 및 경계조건 산정을 통한 정밀 해석이 필요하다고 판단되며, 추후에 이에 대한 추가적인 해석적 연구 또한 수행할 예정이다.

참고문헌 (9)

Det Norske Veritas (DNV), "Greener Shipping in the Baltic Sea", Technical report, (2010).
T. Unseki, "Environmentally Superior LNG-Fueled Vessels", Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, vol. 50, no. 2, pp. 37-43, (2013).
Shell, "Shell LNG Outlook 2020", (2020).
도현재, 이소영, "국제해사기구의 환경규제 강화에 따른 벙커링 산업 대응 전략 연구", 기본연구보고서 2020-10, 에너지경제연구원, (2020).
S. C. Jang, M. C. Seo, M. S. Kwen, J. P. Eom, H. C. Jung, "Design and Basic Performance Test of 4 Inch QC/DC Bellows for LNG Bunkering", Journal of The Korean Society of Industry Convergence, vol 22, no. 2, pp. 81-86, (2019).

원문보기 상세보기
ABAQUS Users Manual, Version 2016, Dassault Systems, (2016).
EN 1474-2, Installation and equipment of liquefied natural gas - Design and testing of marine transfer systems - Part 2: Design and testing of transfer hoses, European Standard, (2008).
EN 1474-3, Installation and equipment of liquefied natural gas - Design and testing of marine transfer systems - Part 3: Offshore transfer systems, European Standard, (2008).
ISO 21593, Ships and marine technology - Technical requirements for dry-disconnect/connect couplings for bunkering liquefied natural gas, International Standard, (2019).

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