Composite impact absorbing structure for the primary barrier of LNG cargo containment systems

Abstract

액화천연가스의 운반은 특수한 저장시스템이 갖춰진 선박을 사용한다. 멤브레인 타입의 저장시스템의 경우 약 50,000 입방 미터의 용적을 갖는 팔각 기둥 형태이며, 구조는 크게 일차방벽, 이차방벽, 단열재로 구성이 된다. 일차방벽은 액화천연가스와 직접 닿기 때문에, 저온에서 취성이 없는 재료인 스테인리스 강판으로 용접 시공이 된다. 또한 선적과 하적 시 극심한 온도차이로 인해 발생하는 열 잔류응력을 완화시키기 위해 굴곡 (Corrugation)이 형성되어 있다. 이차방벽은 일차방벽이 파손되어 액화천연가스가 유출되었을 때 이차 누설을 방지하기 금속 박판으로 접착 시공되고 있다. 마지막으로 폴리우레탄 폼 재질의 단열재는 액화천연가스 운반 중에 증발 손실되는 것을 최소화하기 위하여 외부로부터 유입되는 열에너지를 줄여준다. 액화천연가스 운반선이 운행 중에 롤링과 피칭을 겪게 되면, 운반 중인 액화천연가스의 유속의 변화로 인해 압력차이가 생기고 캐비테이션 현상이 발생할 수 있다. 액화천연가스 유속 증가로 내부압력이 순간적으로 감소하게 되면 버블이 형성되고, 다시 안정상태로 돌아오면 급속도로 액화된다. 이 과정에서 버블 젯 (Jet)이 발생하여 일차방벽에 충격을 가하게 된다. 실제로 일차방벽 굴곡부의 좌굴 (Buckling)이 보고된 바 있으며, 단열재과 이차방벽까지 파손되어 액화천연가스의 유출이 발생하면 심각한 문제를 초래할 수 있다. 따라서 캐비테이션 버블 젯으로 인한 충격을 완화시키고, 취약한 부분을 보강하여 액화천연가스 저장시스템의 신뢰성 향상이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 액화천연가스 저장시스템의 일차방벽의 신뢰성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 첫 번째로, 캐비테이션 버블 젯으로 인해 일차방벽 평탄부에 가해지는 충격을 흡수하여, 하부의 단열재와 이차방벽을 보호하기 위한 복합재료 판 스프링 형태의 충격 흡수 구조체 (Impact absorbing structure, IAS)를 개발하였다. 일방향 유리섬유 복합재료의 적층 순서에 따른 충격에 대한 민감도를 평가하여, 충격 저항성이 가장 높은 적층 순서를 충격 흡수 구조체 설계에 채택하였다. 충격을 가한 후의 인장강도 (Tensile strength after impact, TAI)를 측정하여 변화율을 비교하였으며, [±15]s가 설계에 사용될 적층 순서로 선정되었다. 다음으로 캐비테이션 충격에 필요한 요구 조건을 결정하고, 이를 만족하는 형상을 유한요소해석을 통해 설계하였다. 설계된 충격 흡수 구조체의 굴곡 형상은 파장 20 mm, 진폭 1 mm의 사인 파형 (Sinusoidal wave), 두께는 0.4 mm로 결정되었다. 압축 성형 (Compression molding)으로 제작한 시편은 설계대로 정확하게 제작되었고, 완전한 압축에도 변형이나 손상이 발생하지 않았다. 반복하중에 대한 내구성을 평가하기 위해 충격 피로 실험을 수행하였고, 완전 압축을 일으킬 수 있는 동적 하중을 최대 10,000회까지 가하였음에도 충격 흡수 성능이 유지됨을 검증하였다. 다음으로 일차방벽 굴곡부를 보강하기 위한 개방형 외압 지지구조 (Open type pressure resisting structure, OTPRS)를 개발하였다. 기존 폐쇄형 외압 지지구조의 단점이었던 낮은 생산성을 개선하고 충분한 외압성능을 확보하고자 하였다. 일방향 유리섬유 복합재료를 사용하여 일차방벽 굴곡부의 형상과 동일하게 제작되었으며, 내압성능을 평가하기 위해 유압실험을 수행하였다. 새롭게 개발된 개방형 외압 지지구조의 내압성능은 6.6 MPa으로 기존에 비해 10% 향상된 성능을 확인하였다. 또한 진동 실험과 충격 실험을 수행하여 동적 특성을 평가하였다. 개방형 외압 지지구조로 보강 시에 일차방벽 굴곡부의 감쇠비가 6배 증가하였고, 최대 액셀러런스 값은 94% 감소함으로써 우수한 진동 감쇠 특성을 확인할 수 있었다. 충격실험에서는 전달되는 충격 하중이 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며, 이는 기존의 외압 지지구조 보강 시에 충격 하중이 증가했었던 결과와 대비되고, 이 결과들을 통해 개발된 개방형 외압 지지구조가 우수한 내압성능과 동적 특성을 달성하였음을 확인하였다. 액화천연가스 저장시스템에 본 연구에서 개발된 충격 흡수 구조체와 개방형 외압 지지구조를 적용한다며 시스템의 신뢰성을 효과적으로 높일 수 있을 것이다. 충격 흡수 구조체는 일차방벽의 평탄부에 가해지는 충격 하중을 효과적으로 감소시켜주고, 개방형 외압 지지구조는 굴곡부의 내압성능을 크게 향상시켜준다. 결과적으로, 액화천연가스 운반선은 40년 이상의 긴 수명 동안 안전하고, 경제적이고, 신뢰할 수 있는 저장시스템을 갖출 수 있을 것이다.