[논문]수상함 격실기밀시험 결과의 신뢰성 확보를 위한 압력 보정 시스템 개발

민일홍; 김준우; 손기중

doi:10.5762/kais.2021.22.1.409

수상함 격실기밀시험 결과의 신뢰성 확보를 위한 압력 보정 시스템 개발
Development of Pressure Correction System for Surface Vessel to Ensure Reliability of Compartment Test Result 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.409 - 414

민일홍 (국방기술품질원) , 김준우 (국방기술품질원) , 손기중 (국방기술품질원)

초록
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수상함이 전투 환경에서 우수한 임무수행능력과 생존성을 구현하기 위해서는 구획을 차단하는 수밀/기밀 성능이 중요하다. 위와 같은 요구사항을 충족을 위해 함정 건조 후 시운전에서 구조요소(격실 및 탱크)에 대한 밀폐성과 특정부위에 대한 강도의 적합성을 검사하며, 특히 수선에 인접한 격실들의 격실기밀시험(Air test)을 수행한다. 격실기밀시험은 대상 격실에 공기를 주입하여 시운전 평가서 상의 요구압력까지 압을 적용하고, 일정 시간동안 압력강하 값을 확인하여 해당 구역의 요구조건 충족여부를 판단한다. 검사 기준은 10분 동안 감소된 압력이 시운전 평가서의 압력강하 허용치 이내이어야 한다. 하지만 외기온도의 영향이 큰 여름철에 격실기밀시험 진행 간 유입되는 열이 내부 공기의 온도를 상승시키고, 이로 인해 공기가 팽창하여 격실 내 압력이 증가하는 현상이 식별되었다. 이러한 현상은 격실기밀시험에서 최종 압력강하 값을 정확히 판단할 수 없게 하고 평가결과에 대한 신뢰성을 결여시킬 수 있다. 본 연구를 통해 격실 내 온도변화 영향을 보정하기 위한 시스템을 고안하였다. 개발된 시스템은 격실 내 온도변화에 의한 압력 변화량을 계산하여 보정값을 출력한다. 이상기체 방정식을 통해 압력변화량을 계산하며, 격실기밀시험 간 온도유지 및 증가/감소를 반영할 수 있도록 개발되었다. 계산된 압력 보정값을 NIST REFPROP의 데이터 베이스와 비교하였을 때, 최소 0.126 %에서 최대 0.253 %의 차이를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tightness performance that blocks compartments is important for surface ships to achieve superior mission performance and survivability in combat environments. To meet the above requirements, airtightness of the structural elements and the appropriate strength to specific areas are checked during a test run after ship construction. In particular, air tests of compartments adjacent to the water surface are performed. In an air test, air is injected into the compartment up to the test pressure of the test memo. The pressure drop value is checked after 10 minutes to determine if the requirements of the corresponding area are satisfied. In summer, however, when the influence of the outside temperature is large, a phenomenon in which the internal pressure increases during the air test was identified. This phenomenon reduces the reliability of the test result. Therefore, a system was designed to compensate for temperature changes in the compartments through this study. The developed system calculates the amount of pressure change caused by a temperature change in the compartment and outputs a correction value. The pressure change was calculated using the ideal gas equation, reflecting the maintenance, increase, and decrease in temperature during the test process. A comparison of the calculated pressure correction value with the database of NIST REFPROP revealed a difference of 0.126% to a maximum of 0.253%.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Conceptual diagram of research procedures
그림 Fig. 2. Configuration of pressure calibration device
표 Table 1. Permissible pressure drop of compartments
표 Table 2. Test procedure of air test
그림 Fig. 3. Calculation process of pressure correction device
표 Table 3. Initial conditions for calculating the corrected pressure
그림 Fig. 4. Simulation result under irregular temperature change
그림 Fig. 5. Simulation result under the assumption of compartment defects
표 Table 4. Simulation result (Test pressure: 140 g/cm²)

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 현상은 실제로 격실 기밀시험의 압력강하 결괏값이 Table 1의 압력강하 허용치에 근접한 결과를 보였을 때, 외기온도로 인한 격실 내부 압력증가의 영향이 요구조건 충족 여부에 대한 신뢰성을 결여시키며, 시험결과에 대해 관련 기관들의 의견충돌을 초래할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 외기온도의 영향으로 변화하는 격실 내부압력을 바로잡기 위한 압력보정 장치를 개발하였고, 개발된 장치에 대해 다음 장에서 설명한다.
국방기술품질원 내부 절차서를 참고한다. 또한, 본 연구에서는 격실기밀시험 간 변화하는 압력을 보정하기 위해 압력보정 장치를 적용하고자 한다. 이를 위한 연구 절차는 Fig.
본 논문에서는 여름철 외부 높은 온도와 복사에너지의 영향을 최소화하여 격실 기밀시험 시 발생하는 압력증가 현상을 최소화하기 위해 격실 내부에 설치하여 온도변화를 통해 압력을 보정하는 방법의 개념과 적용 방안에 관해 서술한다.
이러한 현상은 격실기밀시험 결과에 대한 신뢰성을 결여시킬 수 있다. 본 논문에서는 위와 같은 문제를 개선하기 위하여 수상함의 격실기밀시험 시높은 외기온도에 의한 내부압력 증가 현상을 배제 시킬 수 있는 압력보정 시스템을 고안하였다. 압력보정 시스템은 내부 온도변화를 감지하여 증가한 압력을 계산하고, 압력보정 값을 도출한다.
시험 진행 간 온도가 유지되거나 감소하는 상황이 발생할 때, 개발된 압력보정 장치가 이를 반영할 수 있는지 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 Fig.

가설 설정

6개의 조건을 가정하여 압력보정 장치의 계산 과정을 시뮬레이션하였다. 이를 위한 도구로 Excel VBA를 활용하였다.
8 m³을 적용하였고, 격실 내부의 초기 온도는 25 ℃를 가정하였다. 각 조건별로 시험 진행 간 외부로부터의 열 유입을 통한 온도 증가를 가정하여 압력보정 장치의 보정 값을 계산하였다. 계산된 결과를 같은 조건에서 NIST REFPROP Database 와 비교하였다.
설계된 수식을 프로그래밍하여 시험 진행 간 온도변화에 따른 압력 변화량을 도출하였다. 압력조건과 격실의 부피는 각각 140 g/cm², 40.8 m³을 적용하였고, 격실 내부의 초기 온도는 25 ℃를 가정하였다. 각 조건별로 시험 진행 간 외부로부터의 열 유입을 통한 온도 증가를 가정하여 압력보정 장치의 보정 값을 계산하였다.

제안 방법

격실 내부에 온도계와 연산장치가 설치되고, 외부에 연산 결과를 출력하는 보정압력 출력장치가 설치된다. 기존과 같이 격실기밀시험을 진행한다. 시험 진행 간 온도계를 통해 증가하는 내부 온도를 측정하여, 이에 따른 압력 변화량을 연산장치가 계산한다.
보장하지 못한다. 따라서, 수상함의 충분한 침수구획차단 능력 확보를 위해, 건조과정 중 구조요소(격실 및 탱크)에 대한 밀폐성과 특정 부위에 대한 강도의 적합성을 검사하며, 특히 수선에 인접한 구획들의 격실 기밀시험을 수행한다. 격실기밀시험은 검사 대상 구획에 공기를 주입하여 시운전 평가서상의 요구 압력까지 가압한 뒤, 해당 구역의 기밀 성능 및 공기 누출 결함 여부를 판단하는 시험이다.
최종적으로 시험종료 시점에 측정된 격실 압력에서 계산된 값을 제외하면 온도에 의한 압력변화를 보정한 최종 격실 압력을 확인할 수 있다. 보정을 거친 압력강하 결과값을 통해 격실 기밀시험 요구조건 충족 여부를 판단한다.
이를 위한 도구로 Excel VBA를 활용하였다. 설계된 수식을 프로그래밍하여 시험 진행 간 온도변화에 따른 압력 변화량을 도출하였다. 압력조건과 격실의 부피는 각각 140 g/cm², 40.
수밀(기밀)로 지정된 모든 격실에 대해서 공기압력을 이용하여 실시한다. 해당 시험 격실로부터 공기의 누출을 방지하기 위해 다른 격실과 통하는 통풍, 배관계통, 출입구는 폐쇄하여야 한다.
기존과 같이 격실기밀시험을 진행한다. 시험 진행 간 온도계를 통해 증가하는 내부 온도를 측정하여, 이에 따른 압력 변화량을 연산장치가 계산한다. 시험 종료 시, 출력장치를 확인하여 온도변화에 의한 압력변화의 총량을 확인할 수 있다.
이러한 압력상승은 격실기밀시험 평가서에서 요구하는 압력강하 허용치를 판별할 때 장애 요인이 되며, 격실 기밀시험의 요구조건 충족 여부 판별 시 논란을 야기할 수 있다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 격실 내부의 온도를 측정하여 증가한 압력을 계산하고, 이를 배제하는 압력보정 장치를 고안하였다.
초기 온도는 시험 시작 시 온도계를 통해 측정된 값이 사용된다. 초기 온도(Ti)를 기점으로 시험이 진행되는 동안 격실 내부의 온도를 측정하여 계산 단계를 기점으로 온도 차를 계산하고, 그 값을 통해 압력 변화량을 계산한다. 시험 진행 간 온도가 유지되거나 감소하는 상황을 반영할 수 있도록 계산 과정을 단계적으로 수립하였으며, 이 과정을 Fig.

데이터처리

각 조건별로 시험 진행 간 외부로부터의 열 유입을 통한 온도 증가를 가정하여 압력보정 장치의 보정 값을 계산하였다. 계산된 결과를 같은 조건에서 NIST REFPROP Database 와 비교하였다. NIST REFPROPe NIST 표준 참조 데이터를 통해 배포되는 컴퓨터 프로그램으로, 액체, 기체, 초 임계상태를 포함한 다양한 조건에서 산업용 유체, 순수한 유체 및 혼합물에 대한 열, 물리적 특성을 제공한다.

이론/모형

거동한다. 따라서 고안된 장치의 계산식은 이상기체 방정식을 적용하였다. Eq.
이를 위한 도구로 Excel VBA를 활용하였다. 설계된 수식을 프로그래밍하여 시험 진행 간 온도변화에 따른 압력 변화량을 도출하였다.

성능/효과

압력보정 시스템은 내부 온도변화를 감지하여 증가한 압력을 계산하고, 압력보정 값을 도출한다. 개발된 압력보정 계산 방법은 격실 내부 온도의 증가뿐만 아니라 유지 및 감소도 반영할 수 있으며, 가정된 격실기밀 시험 조건에서 시뮬레이션 결과를 NIST REFPROP 데이터베이스와 비교하였을 때, 압력보정 값 결과는 최소 0.126 % 에서 최대 0.253 % 차이를 보였다.
또한, 격실기밀시험에서 규정하는 압력강하 허용치 기준이 8.8 g/cm² 인 구역을 고려하였을 때, 외부 온도의 영향으로 인한 압력 증가량이 시험 판정 결과에 영향을 줄 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였다. 10 g/cm² 압력강하 값을 가진 결함 격실에서 기밀시험 진행(10분) 간 내부 온도가 25 ℃에서 28 ℃로 증가한다고 가정했을 때, 압력보정을 적용한 결과와 그렇지 않은 결과는 Fig.
위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 Fig. 4와 같으며, 격실 내부의 온도가 유지되는 상황과 감소하는 상황을 고려하여 최종 보정 값을 도출하는 것이 가능하였다.

후속연구

개발된 압력보정 시스템의 실제 적용을 위해 온도계 설치 위치에 따른 영향성 등, 구체적인 방안에 관한 지속적인 연구가 필요하며, 압력보정 시스템 통해 계절과 관계없이 수상함 격실기밀시험의 신뢰성을 높이는데 이바지할 수 있을 것이다.
5과 같이 다른 판정 결과를 나타내었다. 따라서 압력보정 장치를 적용한다면 외부 온도의 영향을 배제하여 격실 기밀시험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
S. M. Choi, D. K. Park, Y. K. Beak, "A Study on the Reliability Improvement of Compartment Leak Test in Surface Vessels", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.21, No.4, pp.546-551, 2020 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.4.546

원문보기 상세보기
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National Institute of Standards and Technology, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database(REFPROP) [Internet], National Institute of Standards and Technology, c2009 [cited 2009 April 22], Available From: https://www.nist.gov/programs-projects/reference-fluid-thermodynamic-and-transport-properties-database-refprop (accessed August 31, 2020)

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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