[논문]극저온 액화가스 누출에 의한 선체 구조용 강재의 샤르피 충격성능에 관한 연구

강동혁; 김정현; 김슬기; 김태욱; 박두환; 박기범; 이제명

doi:10.21289/ksic.2023.26.2.333

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Environmental regulations are being strengthened worldwide to solve global warming. For this reason, interest in eco-friendly gas fuels such as LNG and hydrogen is continuously increasing. However, when adopting eco-friendly gas fuel, liquefying at a cryogenic temperature is essential to ensure econ...

Environmental regulations are being strengthened worldwide to solve global warming. For this reason, interest in eco-friendly gas fuels such as LNG and hydrogen is continuously increasing. However, when adopting eco-friendly gas fuel, liquefying at a cryogenic temperature is essential to ensure economic feasibility in storage and transportation. Although austenitic stainless steel is typically applied to store cryogenic liquefied gas, structural steel can experience sudden heat shrinkage in the case of leakage in the loading and unloading process of LNG. In severe cases, the phase of the steel may change, so care is required. This study conducted Charpy impact tests on steel material in nine different temperature ranges, from room to cryogenic temperatures, to analyze the effects of cryogenic liquefied gas leaks. As a result of the study, it was not easy to find variations in ductile to brittle transition temperature (DBTT) due to the leakage of cryogenic liquefied gas. Still, the overall impact toughness tended to decrease, and these results were verified through fracture surface analysis. In summary, brittle fracture of the steel plate may occur when a secondary load is applied to steel for hull structural use exposed to a cryogenic environment of -40 ℃ or lower. Therefore, it needs to be considered in the ship design and operating conditions.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1 Preparation of the cryogenic leakage test to obtain the testing samples
표 Table 1. Chemical composition of AH36 steel
그림 Fig. 2 Temperature-dependent absorbed energy for AH36 considering the cryogenic leakage
표 Table 2. Scenario for charpy V-notch impact test
표 Table 3. Performance degradation caused by experiencing the cryogenic leakage
$Fig. 3 Temperature-dependent fracture surface for AH36 on the tested temperatures: (a) 20 and (b) -60℃.$ 그림 Fig. 3 Temperature-dependent fracture surface for AH36 on the tested temperatures: (a) 20 and (b) -60℃.
그림 Fig. 4. Fractured surface of AH36 steel depending on the tested temperatures: (a) 20, (b) -40, (c) -60, and (d) -163℃.

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문제 정의

본 연구에서는 극저온 액화가스 누출에 의한 선체 주변 강재의 영향을 분석하기 위한 연구로 AH36에 대한 샤르피 충격시험을 수행하였다. 극 저온 액화가스에 노출된 시험편을 제작하기 위해 판을 고정한 상태에서 액화가스에 노출시켰으며, 충분한 시간이 지난 후에 시험편을 제작하여 상온 과 극저온에 이르는 총 9개의 온도 영역에서 테 스트를 수행했다.

제안 방법

본 연구에서는 극저온 액화가스 누출에 의한 선체 주변 강재의 영향을 분석하기 위한 연구로 AH36에 대한 샤르피 충격시험을 수행하였다. 극 저온 액화가스에 노출된 시험편을 제작하기 위해 판을 고정한 상태에서 액화가스에 노출시켰으며, 충분한 시간이 지난 후에 시험편을 제작하여 상온 과 극저온에 이르는 총 9개의 온도 영역에서 테 스트를 수행했다. 본 연구를 통해 확보한 내용을 아래에 간단히 정리하였다.
본연구에서는 극저온 액화가스 누출에 의한 선 체 구조용 강재의 영향을 분석하기 위해 극저온 액화가스에 노출된 시험편과 노출되지 않은 시험 편을 대상 강재로 선정하였고, 상온에서 LNG 저 장에 사용되는 -163도에 이르는 총 9개의 온도 (20, 0, -20, -30, -40, -50, -60, -100, -163℃) 환경을 조성하여, 샤르피 충격시험을 수행했다. Table 2는 본 연구를 통해 수행한 시험 시나리오 를 정리한 표이다.

대상 데이터

본 연구에서 진행한 대상 강재는 고강도 구조 용 강재인 AH36으로, 각종 컨테이너선, 벌크선, 페리 등 다양한 선박에 적용되는 강재이다. Table 1 에 본 연구 대상 강재에 대한 화학적 조성비를 나타내었다.
극저온 액화가스에 노출된 판재 가 30분 이상 지속된 이후에 충분한 시간을 통해 강재가 회복할 수 있도록 하였다. 이후 액체질소 에 직접적으로 노출된 지점을 중심으로 샤르피 충 격 시험편을 제작하였다.

성능/효과

․ AH36은 -20도에서 -50도 사이의 온도 영역 에서 DBTT가 발생하였으며, 이로 인해 설계 시 DBTT 발생 이전 온도에서 사용될 수 있 도록 고려되어야 한다.
․ DBTT 범위에 있는 -40도 온도 조건에서 미 세구조 분석을 한 파단면에서 연성과 취성에 의한 파단면을 확인할 수 있었다.
대체로 액체수소 누출을 경 험하여 판재가 급격한 수축을 경험하고 난 이후에 상대적으로 충격 흡수 에너지가 감소하는 것을 확 인할 수 있었다. 극저온 누출을 경험한 시험편은 DBTT 구간에서의 충격 흡수 에너지 감소율이 약 74%로써, 누출을 경험하지 않은 시험편의 에너지 감소율인 67% 대비 약 7%가량의 차이가 더 나타난 것으로 확인되었다. Table 3에 온도별 충격 흡수 에 너지에 대해 정리하였다.
․ 상온에서는 딤플이 다수 분포된 연성파괴를, 그리고 DBTT 이후의 온도 영역에서는 가장 자리가 날카롭고 불연속적인 취성파괴 거동을 보였다.
사고에 의해 극저온 환경에 노출될 수 있으며, 다행히 노출에 의해서는 충격 흡수 에너지가 큰 폭으로 감소하지 않는 경향을 보였다. 다만, -40 도 이하의 극저온 환경에 노출된 조건에서 2차적인 하중이 가해지면 판재의 취성파괴로 이어질 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다고 생각된다.

후속연구

다만, -40 도 이하의 극저온 환경에 노출된 조건에서 2차적인 하중이 가해지면 판재의 취성파괴로 이어질 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다고 생각된다. 극저온 누출이 발생하였을 때 2차적인 피해가 발 생하지 않도록 LNG 선적 및 하역시에는 주변부 와 이격시키거나 단열에 대한 추가적인 설계 방안 에 대해서도 고려할 필요가 있을 것으로 생각한 다. 추후 연구로 용접부에 대한 영향에 대해서도 분석하여 안전성 여부를 판단해 볼 계획이다.
사고에 의해 극저온 환경에 노출될 수 있으며, 다행히 노출에 의해서는 충격 흡수 에너지가 큰 폭으로 감소하지 않는 경향을 보였다. 다만, -40 도 이하의 극저온 환경에 노출된 조건에서 2차적인 하중이 가해지면 판재의 취성파괴로 이어질 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다고 생각된다. 극저온 누출이 발생하였을 때 2차적인 피해가 발 생하지 않도록 LNG 선적 및 하역시에는 주변부 와 이격시키거나 단열에 대한 추가적인 설계 방안 에 대해서도 고려할 필요가 있을 것으로 생각한 다.
극저온 누출이 발생하였을 때 2차적인 피해가 발 생하지 않도록 LNG 선적 및 하역시에는 주변부 와 이격시키거나 단열에 대한 추가적인 설계 방안 에 대해서도 고려할 필요가 있을 것으로 생각한 다. 추후 연구로 용접부에 대한 영향에 대해서도 분석하여 안전성 여부를 판단해 볼 계획이다.

참고문헌 (11)

D. H. Lee, S. Park, H. T. Kim, J. D. Kim, J.？H. Kim, S. K. Kim, J. K. Seo, P. K. Song, J.？E. Oh, B. H. Youn, G. M. Choi, D. H. Lim,？and J. M. Lee, "Proposing a new solution for？marine debris by utilizing on？board low？temperature？eco？friendly pulverization system", Scientific？Reports, vol 11, pp. 24364, (2021).

상세보기
S. K. Kim, J. D. Kim, D. H. Lee, J. H. Kim,？J. M. Lee, "Characteristics of pre-strained？polyisocyanurate foam: Deformation recovery？and compressive mechanical behavior at？cryogenic temperature", Journal of Cellular？Plastics, vol 58, pp. 357-376, (2022).

상세보기
T. W. Kim, S. G. Cho, S. S. Kim, J. I. Jhun,？H. W. Kim, "A Study on the Evaluation of？Structural Safety of Saddle for Bunkering of？LNG Fueled Ship", Journal of the Korean？Society of Industry Convergence, vol 24, pp.？745-751, (2021).
T. W. Kim, J. W. Oh, Y. K. Seo, S. J. Han,？J. M. Lee, "A Study of Mechanical？Characteristics at Room/Cryogenic Temperature？of Powder Insulation Materials Applied to？Type C Fuel Tank", Journal of the Korean？Society of Industry Convergence, vol 24, pp.？787-793, (2021).
T. W. Kim, S. K. Kim, S. B. Park, J. M .？Lee, "Design of Independent Type-B LNG？Fuel Tank: Comparative Study between Finite？Element Analysis and International Guidance",？Advances in Materials Science and Engineering,？vol 2, pp. 1-14, (2018).
T. W. Kim, S. G. Cho, S. H. Park, J. W. Oh,？J. H. Lee, S. E. Bae, H. W. Kim, "A Study？of Wind/Earthquake Load Analysis for LNG？Vent Mast", Journal of the Korean Society of？Industry Convergence, vol 23, pp. 343-349,？(2020).
J. H. Kim, S. W. Choi, D. H. Park, J. M.？Lee, "Charpy impact properties of stainless？steel weldment in liquefied natural gas？pipelines: Effect of low temperatures", Materials？and Design, vol 65, pp. 914-922, (2015).
J. Chen, J. K. Ren, Z. Y. Liu, G. D. Wang,？"Interpretation of significant decrease in cryogenic-temperature Charpy impact toughness in a high？manganese steel", Materials Science and？Engineering: A, vol 737, pp. 158-165, (2018).

상세보기
M . H. Park, G. W. Park, S. H. Kim, Y. W.？Choi, H. C. Kim, S. H. Kwon, S. H. Noh, J.？B. Jeon, B. J. Kim, "Tensile and Charpy？impact properties of heat-treated high manganese？steel at cryogenic temperatures", Journal of？Nuclear Materials, vol 570, (2022).
L. T. H. Nguyen, J. S. Hwang, M. S. Kim, J.？H. Kim, S. K. Kim, J. M. Lee, "Charpy？Impact Properties of Hydrogen-Exposed 316L？Stainless Steel at Ambient and Cryogenic？Temperatures", Metals, vol 9, pp. 1-14, (2019).
S. S. Sohn, S. M . Hong, J. H. Lee, B. C.？Suh, S. K. Kim, B. J. Lee, N. J. Kim, S. H.？Lee, "Effects of Mn and Al contents on？cryogenic-temperature tensile and Charpy？impact properties in four austenitic high-Mn？steels", Acta Materialia, vol 100, pp. 39-52,？(2015)

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