중고속 선박 엔진용 IMO C형 LNG 저장탱크와 연료공급시스템 배관의 구조건전성에 관한 연구

Abstract

선박용 기관에서 배출되는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 및 매연미립자의 배출규제가 강화되고 있다. 유해배기물질들은 각기 다른 저감기술이 요구되기 때문에 규제만족을 위해서는 많은 비용과 장치들이 필요하다. LNG연료는 선박으로부터 배출되는 모든 유해배기물질들을 한꺼번에 저감할 수 있는 큰 장점이 있어 신조를 중심으로 적용이 크게 증가되고 있다. 하지만 LNG 연료를 활용하기 위한 저장 탱크 및 연료 공급 배관은 높은 외부 온도와 초저온 내부 온도차로 인한 큰 열부하를 고려한 설계가 요구된다. 이러한 열부하를 최소화하기 위한 LNG 저장탱크 및 연료공급시스템 배관의 설계와 관련하여 연구가 많이 부족한 실정이다.

본 논문은 IMO C-형 LNG 저장탱크에서 이중벽 사이의 단열방법 및 지지대의 구속조건에 따른 열전달 및 응력특성을 분석하였다. 또한 배관시스템의 외부배관과 내부배관 사이의 지지대 구속조건에 따른 열전달 및 응력특성을 분석하였으며 연료공급시스템 배관의 건전성을 평가하였다.

극저온에 노출되어 있는 LNG 저장탱크의 내부 쉘과 고온에 노출되어있는 외부 쉘 사이의 단열을 위하여 진공 단열방법과 펄라이트 단열방법을 적용하였으며 단열방법에 따른 열전달특성을 비교 분석하였다. 펄라이트를 적용한 경우가 진공단열의 경우보다 2배 이상의 단열효과를 나타내었다. 이는 진공단열의 경우 복사열전달이 큰 온도차이로 인하여 크게 증가된 반면 펄라이트 분말로 채워진 경우는 복사 열전달이 없어지고 단열성능이 좋은 펄라이트 분말을 통한 열전도만이 존재하기 때문인 것으로 판단된다. LNG 저장탱크에 9% 니켈강과 스테인리스강을 적용한 경우의 열전달특성을 비교분석하였다. 스테인리스강의 경우가 9% 니켈강의 경우보다 낮은 값을 나타내지만 그 영향은 크지 않았다.

LNG 저장탱크 지지대의 구속 조건에 따른 응력분석을 수행하였다. 내벽과 외벽 사이에 두 개의 지지대가 있으며 왼쪽 지지대는 항상 내벽과 외벽에 고정되어 있는 구조이다. 오른쪽 지지대의 구속조건에 따라 세 가지 계산 케이스로 분류되었는데 지지대의 내부가 고정되고 외부가 미끄러지는 경우가 가장 높은 응력을 나타내었다. 지지대의 외부가 고정되고 내부가 미끄러지는 경우가 중간 값을 나타내고 지지대의 외부와 내부가 모두 고정되지 않고 미끄러지는 경우가 가장 낮은 값을 나타낸다.

LNG 이중배관시스템의 외부배관과 내부배관 사이의 지지대의 구조 및 구속조건에 따른 열전달특성과 응력특성을 분석하였다. 지지 종류에 따른 열유속의 정도를 비교하면 지지대의 부착면적이 4분의 1로 줄어든 부분 지지가 전체 지지의 열유속 보다 매우 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 전체지지 구조의 경우에는 지지원판이 내부와 외부배관에 전체적으로 부착되어있기 때문에 지지구조물이 설치된 외부배관의 원주 전체에 균일하게 높은 열전달특성을 나타낸다. 반면, 부분 지지구조의 경우 부착된 부분은 전체지지 보다 두 배 이상의 높은 열유속을 나타내고 부착되지 않은 부분은 매우 낮은 열전달 특성을 나타낸다. 배관시스템의 최대응력은 지지대의 양쪽이 모두 부착된 경우에 매우 큰 최대응력을 나타낸다. 부분지지구조의 경우가 전체지지구조의 경우보다 훨씬 높은 값을 나타낸다.

유한요소해석법을 이용하여 연료공급시스템의 배관 시스템에 대해 극저온 환경에서의 응력과 변형에 대해 분석하였으며 건전성은 국제규정에 의거하여 평가하였다. 극저온 환경으로 인해 배관 내부와 외부의 온도차로 인해 열응력이 배관 전체에 큰 영향을 나타냈으며 계장품들의 무게를 직접 받는 끝부분에서 큰 응력이 발생되었다. 지관의 중앙부로 갈수록 응력이 저감된 후에 곡관부분에 접근하면서 응력이 증가되었다. 곡관과 곡관사이의 배관 역시 곡관부분에서 큰 응력을 나타내었다. T-배관의 경우는 두 배관이 부착되는 경계면을 중심으로 높은 응력을 나타내었다. 곡관과 T-배관의 불연속부에서 발생한 최대응력을 평가한 결과 허용응력 범위 이내로 ASME BPVC Sec.VIII Div.2 Part 5에서 요구하는 구조적 건전성을 만족함을 확인하였다.