선박 및 해양플랜트의 거동과 환경에 따른 장비와 배관의 구조안전성 평가

Abstract

화석연료에 의한 기후위기의 영향으로 대안 연료에 대한 관심이 증가하고 있다. IMO의 전략을 충족하기 위해 사용할 수 있는 연료에는 수소, 액화천연가스(LNG), 바이오가스, 메탄올, 에탄올, 풍력 그리고 전기추진까지 많은 대체 연료가 있다. 그중에서 액화천연가스와 수소가 대체 가능한 연료로서 주목받고 있어 이와 관련한 연구가 필요하다. 또한, 해양플랜트 산업이 침체기에 있지만 미래 성장 산업으로써 향후 시장 경쟁력 확보를 위한 관련 장비의 개발 및 국산화 준비가 필요한 시점이다. 이에 따라, 본 논문에서는 선박 및 해양플랜트의 거동과 실제 환경조건에 따른 배관 및 장비의 응답과 응력에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 선박과 해양플랜트의 배관 및 장비에 작용하는 온도와 움직임에 대해서 각각의 응답이 어떻게 나타나는지 수치해석 모델을 구현하고 구조해석과 열-구조 연성 해석을 수행하였다. 연구에 사용된 모델은 최근의 환경규제로 인한 대안 연료 적용되는 액화천연가스와 액화수소 연료 선박과 해양플랜트에서 많이 활용되고 있는 장비 2종(HPU, N2 Generator)을 선정하였다. 선박의 Cargo 구역과 Engine room 구역의 배관과 해양플랜트 장비에 대하여 온도 조건과 운동 조건을 고려하여 총 15가지 하중 조합을 만들 수 있었다. 각 조건에 맞춰 상용 프로그램인 MSC Patran으로 모델링을 하고 MSC Natran으로 해석을 진행하였으며, 열 해석은 Steady-state 해석방법인 Sol 153으로 구조해석과 열-구조 연성 해석은 Linear-static 방법인 Sol 101로 해석을 수행하였다. 해석 결과, 선박 및 해양플랜트의 실제 거동에 따라 구조안전성을 평가하였고, 그 응력의 경향은 수직가속도성분이 포함된 하중조건에서 응력이 크게 발생하였음을 알 수 있었다. 즉, 선박과 해양플랜트의 거동에 따른 전체적인 응력분포의 경향은 수직 하중이 가장 큰 요인이라고 할 수 있다. 또한 선박 및 해양플랜트에 작용하는 온도 하중에 의한 결과로부터, 응력의 경향은 배관의 내부온도와 외부온도의 온도차가 큰 순서대로 응력 수준도 높아졌음을 알 수 있었다. 하지만, 온도 하중만 작용한 하중조건과 운동 하중만 작용한 하중조건에 대한 응력의 합은 온도와 운도 하중의 복합 하중에 의한 응력과 같은 값을 나타내지는 않았다. 즉, 운동 하중에 의한 영향은 운동의 방향, 배관의 배치 그리고 지지대의 배치 등에 따라서 응력이 집중될 수도 있고 그것이 상쇄될 수도 있음을 나타내고 있다. 따라서, 배관과 장비를 설계할 시에 각각의 사용 온도뿐만 아니라 선박의 움직임, 배관의 배치와 지지대의 위치 등을 복합적으로 고려할 필요가 있다.

In ships and marine plants, interest in alternative fuels is increasing due to climate change caused by the use of fossil fuels. Some of the fuels that can be used to meet the growing regulations of IMO may be hydrogen, liquefied natural gas (LNG), bio-gas, methanol, ethanol, wind power and electricity. Among them, liquefied natural gas and hydrogen are spotlight as marine alternative fuels. The marine plant industry, which is closely linked to LNG and hydrogen production, is in the depression, but as a future growth industry, it is time to develop related equipment and technologies to secure market competitiveness in the future. Offshore plants must meet the various requirements required by the owner at the time of design and the customized design according to the environment of the installation areas as well as the technical requirements specified in the Classification Rules and Regulations. In addition, gas used as a fuel for ships is used in cryogenic environments such as liquefied natural gas and hydrogen, which requires technology that can be safely used in harsh sea and cold conditions. Thus, this research conducted a study on the motion of ships and offshore plants and its response to actual environmental conditions. And stress of piping and equipment in each condition is considered on this study as well. Finite element analysis was carried out. And structural analysis and thermo-structural coupling analysis were also performed to examine how every response appears to temperature and motion acting on piping and equipment of ships and offshore plants. A total of 15 load combinations have been established to assess the structural safety for piping in cargo and engine room areas and HPU/N2 generator in offshore plant, taking into account temperature and motion conditions. For each environmental condition, it was modeled as a commercial program, MSC Patran, and a thermal/structure analysis was conducted with MSC Natran. The thermal analysis was performed using the steady-state analysis method, Sol 153. And, also the structural and thermal-structural analysis were analyzed by applying the linear-static method, Sol 101. Following the analysis, the safety of the structure was evaluated according to the actual motion of ships and offshore plants. And it was found that the stress tendency occurred largely under the load condition including the vertical acceleration component. In other words, the overall trend of stress distribution due to the movement of ships and offshore plants is the most important factor in vertical loads. Furthermore, results of the temperature load on structure of ships and offshore plants have shown that the higher the temperature difference between the internal temperature and the external temperature of the piping, the greater level of stress. However, the sum of the stresses for the loading conditions which only the temperature load was applied and for the loading conditions which only the motion load was applied did not equal the stresses under the combined load of the temperature and the motion load. The effect of motion load means that stress can be concentrated or offset depending on the direction of motion, the arrangemnet of the piping, and the position of the support. Therefore, in design stage of piping and equipment, it is necessary to consider the temperature of each use, as well as the movement of ships, the arrangement of pipes, and the location of supports in combination.