[논문]다양한 작업 조건을 고려한 LNG 운반선 화물창 2차 방벽의 극저온 접착강도 분석

김정현; 김희태; 황병관; 김슬기; 김태욱; 박두환; 이제명

doi:10.21289/ksic.2023.26.3.499

Abstract ▼ AI-Helper

The core of the liquefied natural gas (LNG) carrier cargo containment system (CCS) is to store and transport LNG safely under temperatures below -163 degrees Celsius. The secondary barrier of the LNG CCS is adopted to prevent LNG leakage from CCS to the ship's hull structure. Recently, as the size o...

The core of the liquefied natural gas (LNG) carrier cargo containment system (CCS) is to store and transport LNG safely under temperatures below -163 degrees Celsius. The secondary barrier of the LNG CCS is adopted to prevent LNG leakage from CCS to the ship's hull structure. Recently, as the size of the LNG CCS increases, various studies have been conducted on the applied temperature and load ranges. The present study investigates the working condition-dependent bonding strength of the PU15 adhesives of the secondary barrier. In addition, the mechanical performance is analyzed at a cryogenic temperature of -170 degrees Celsius, and the failure surface and failure mode are investigated depending on the working condition of the bonded process. Even though the RSB and FSB-based fracture mode was confirmed, the results showed that all the tested scenarios satisfied the minimum requirement of the regulation.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Photograph of the Mark-III type LNG carrier cargo containment system (Kim et al., 2014)
그림 Fig. 2 Shape and dimension of the testing jig
그림 Fig. 3 Shape and dimension of the testing jig
그림 Fig. 4 Photograph of the cryogenic bonding test using the universal testing machine
표 Table 1. Working condition dependent lab shear test
그림 Fig. 5 Mechanical behavior of the lab shear test: (a) Upper chamfer, (b) Bottom, (c) Vertical, (d) High Humidity, (e) 20℃ 70%, and ( f) 30℃ 70%
그림 Fig. 6 Mechanical behavior of the tested bonding strength
표 Table 2. Working condition dependent test results
그림 Fig. 7 Fracture surface of the tested samples: (a) upper chamfer, (b) bottom, (c) vertical, (d) high humidity, (e) 20℃ 70%, (f) 30℃ 70%
표 Table 3. Representative failure mode of the samples

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 LNG 화물창 내 접착이 필요한 위치별 작업 조건을 다르게 하여 알루미늄 지그 시험편을 제작하였으며, LNG가 저장되는 극저온 온도에서 접착강도를 분석하였다. 현재 접착강도 의 기준으로 보고되고 있는 프랑스 Gaztransport & Technigaz(GTT)에서 제시한 규정과 비교를 통 해 해당 방식이 기본적인 강도 규정을 만족하는지 를 조사하였고, 파단 이후의 형상을 통해 향후 추 가로 진행되어야 할 연구에 대해 논의하였다.
현재 접착강도 의 기준으로 보고되고 있는 프랑스 Gaztransport & Technigaz(GTT)에서 제시한 규정과 비교를 통 해 해당 방식이 기본적인 강도 규정을 만족하는지 를 조사하였고, 파단 이후의 형상을 통해 향후 추 가로 진행되어야 할 연구에 대해 논의하였다.

가설 설정

이를 통 해 실제 공정에서의 작업환경을 최대한 반영할 수 있도록 하였다. High Humidity는 작업환경에서의 습도가 상대적으로 높은 조건에서 작업하는 조건을 가정했다. 5번과 6번 조건은 같은 습도 조건과 서로 다른 온도 조건을 고려한 것으로, 작업환경에서 여 름철 고온다습한 환경의 영향을 분석하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 극저온 챔버(Cryogenic Chamber) 가 탑재된 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 이용하여, LNG가 저장되는 온 도보다 다소 낮은 온도인 -170℃ 환경에서 진행되 었다. 해당 극저온 환경을 조성하기 위해 특수 제 작된 극저온용 챔버 내부에 -196℃의 액체질소를 분사시켰고, 자동으로 제어되는 온도 조절 시스템 을 이용해 챔버 내부 온도계 및 제어 시스템이 액 체질소의 유동을 제어하고 일정한 온도가 유지될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 실제 LNG 운반선 화물창에 적 용되는 2차 방벽을 대상으로 시공 위치별 다른 자세를 취하여 작업이 진행되는 부분을 고려하여 시나리오를 구성했고, 추가로 경화되는 환경에 대 해서도 변수를 설정하여 접착부 품질검증을 수행 하였다. 본 연구에서 획득한 연구 내용을 하기와 같이 요약하였다.
Table 1은 본 연구에서 진행한 시험 시나리오를 나타낸 표이다. 표에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는 PU15 접착제를 이용하여 2차 방벽을 알루미늄 지 그에 접합시켰고, 각각의 시나리오는 실제 화물창 내에서 해당 위치에서의 작업을 진행하는 부분을 고 려하여 자세를 바꿔가며 접합을 진행했다. 이를 통 해 실제 공정에서의 작업환경을 최대한 반영할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 실제 LNG 운반선 화물창 내 2 차 방벽 시공 공정과 같은 환경에서 제작된 시험 편의 접착강도를 검증하기 위해 프랑스 GTT의 Lap process 002-05 Revision 04에 따라 시험편 을 준비하였다. Fig.

데이터처리

환경조건에 의존한 하중 특성을 보다 정량적으로 비교 및 분석하기 위해 5번의 반복 시험 결과 중 최대하중 기준으로 최댓값과 최솟값을 제외한 3개의 데이터 평균값을 이용해 상대적인 비교를 진행했다. Fig.

성능/효과

ㆍUpper chamfer 조건에서 접착부 하중 평균 은 62 kN으로 가장 높았고, bottom 및 vertical 조건에서는 각각 56.4 kN, 55.1 kN 의 평균 접착강도를 보였다. 이들 위치에서는 GTT에서 규정하고 있는 접착부 품질 합격 기준인 37.
ㆍWorking condition과 high humidity에서는 FSB substrate, 그리고 경화 단계에서 온도 및 습도를 유지했던 조건에서는 RSB support 파손 모드를 확인했다.
ㆍ상대적으로 30℃ 70% 조건에서 가장 낮은 수준의 접착강도를 보였지만, 이를 포함하여 모든 시나리오에서 GTT의 접착부 품질 합격 기준을 충족했다.
5 kN이 다. 시험을 시행한 다양한 시나리오에서는 이들 기준을 모두 만족하는 것을 확인했고, 30℃ 30% 를 제외한 모든 조건에서 해당 기준을 상회하는 것을 확인할 수 있었다.
ㆍ대부분의 파단은 접착제를 도포한 부분이 아 닌 RSB와 FSB에서 파단이 발생했다. 이는, 이미 검증된 경화 조건에서 폴리우레탄 계열 의 접착부 품질 확보가 가능하다는 것을 의미한다.
1 kN 의 평균 접착강도를 보였다. 이들 위치에서는 GTT에서 규정하고 있는 접착부 품질 합격 기준인 37.5kN을 충분히 만족하였다.

후속연구

아울러, 시험을 시행했 던 시나리오 중에서 경화 온도에 대한 조건에서 시공 위치 시나리오 대비 다른 파단 형상을 보였 고, 접착강도의 민감도도 크게 차이가 나는 것을 확인하여, 향후 보다 세밀한 시나리오를 설정하여 결과의 민감도에 대한 정밀한 분석이 필요할 것으 로 생각된다. 본 연구는 현재 LNG 운반선 화물창 형태나 단열재 두께가 다변화되는 시점에서 기초 연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 시험편 접합 후 상온에서 일주 일 동안 경화시키는 방식에 대한 부분을 고려했지 만, 이들 외에도 자동경화 혹은 고온에서 경화하 는 방식도 채용되고 있는 만큼 이들 방식과의 비 교 분석이 필요해 보인다. 아울러, 시험을 시행했 던 시나리오 중에서 경화 온도에 대한 조건에서 시공 위치 시나리오 대비 다른 파단 형상을 보였 고, 접착강도의 민감도도 크게 차이가 나는 것을 확인하여, 향후 보다 세밀한 시나리오를 설정하여 결과의 민감도에 대한 정밀한 분석이 필요할 것으 로 생각된다.
본 연구에서는 시험편 접합 후 상온에서 일주 일 동안 경화시키는 방식에 대한 부분을 고려했지 만, 이들 외에도 자동경화 혹은 고온에서 경화하 는 방식도 채용되고 있는 만큼 이들 방식과의 비 교 분석이 필요해 보인다. 아울러, 시험을 시행했 던 시나리오 중에서 경화 온도에 대한 조건에서 시공 위치 시나리오 대비 다른 파단 형상을 보였 고, 접착강도의 민감도도 크게 차이가 나는 것을 확인하여, 향후 보다 세밀한 시나리오를 설정하여 결과의 민감도에 대한 정밀한 분석이 필요할 것으 로 생각된다. 본 연구는 현재 LNG 운반선 화물창 형태나 단열재 두께가 다변화되는 시점에서 기초 연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

D. H. Kang, J. H. Kim, S. K. Kim, T. W.？Kim, D. H. Park, K. B. Park, and J. M. Lee, "A study on the Charpy impact performance of？structural steel considering the leakage of？cryogenic liquefied gas", Journal of the Korean？Society of Industry Convergence, vol 26, pp.？333-340, (2023).
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).
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. H. Kim, W. S. Park, M. S. Chun, J. J. Kim,？J. H. Bae, M. H. Kim, and J. M. Lee, "Effect？of pre-straining on low-temperature mechanical？behavior of AISI 304L", Materials Science and？Engineering A, vol 543, pp. 50-57, (2012)

상세보기
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).
C. S. Lee, M. S. Chun, M. H. Kim, and J. M.？Lee, "Debonding failure characteristics of？multi-laminated bonding system under cryogenic？temperature", International Journal of Adhesion？& Adhesives, vol. 31, pp. 226-237, (2011).
L. E. Crocker, B. C. Duncan, and W. R.？Broughton, "Assessment of test methods for a？cryogenic liquid containment system",？International Journal of Adhesion & Adehsives,？vol. 70, pp. 126-136, (2016).
J. H. Kim, S. W. Choi, D. H. Park, S. B.？Park, S. K. Kim, K. J. Park, and J. M. Lee,？"Effects of cryogenic temperature on the？mechanical and failure characteristics of？melamine-urea- formaldehyde adhesive plywood",？Cryogenics, vol 91, pp. 36-46.
J. B. Song, J. M. Park, J. S. Kim, H. K. Ju ng,？and W. S. Choi, A Study on the bonding？strength of titanium artificial teeth for baking？dental ceramics using micro-arc oxidation？surface treatment technology, Journal of the？Korean Society of Industry Convergence, vol？25, pp. 309-314, (2022).

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

다양한 작업 조건을 고려한 LNG 운반선 화물창 2차 방벽의 극저온 접착강도 분석
Investigation of the Bonding Stress of the 2nd Barrier for LNG Carrier Cargo Containment System Considering Various Working Conditions 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (10)

표/그림 (10)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

다양한 작업 조건을 고려한 LNG 운반선 화물창 2차 방벽의 극저온 접착강도 분석 Investigation of the Bonding Stress of the 2nd Barrier for LNG Carrier Cargo Containment System Considering Various Working Conditions 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (10) 모든 표/그림 보기

표/그림 (10) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김정현 (26) 김슬기 (16) 김태욱 (6) 박두환 (6) 이제명 (78)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

다양한 작업 조건을 고려한 LNG 운반선 화물창 2차 방벽의 극저온 접착강도 분석
Investigation of the Bonding Stress of the 2nd Barrier for LNG Carrier Cargo Containment System Considering Various Working Conditions 원문보기

표/그림 (10)

표/그림 (10)

AI 본문요약
AI-Helper