논문/ 초저온 액체질소 저장 탱크의 지지대 용접부 설계

[바람]

논문/ 초저온 액체질소 저장 탱크의 지지대 용접부 설계

효율성·경제성 우수한 2점 용접 타당
최동준 <부영CST>, 오정택, 조종래, 정재현 <한국해양대학교>

▲ 부영CST 최동준 사장

1. 서 론

초저온 저장 탱크는 저온의 내부 압력용기와 단열을 위한 외부용기로 구성되어 있다. 두 용기 사이는 단열을 위해 진공을 만들고 펄라이트(perlite)로 충전하고 있다.

펄라이트 단열은 펄라이트 충전 후 작용하는 진공도가 순수 진공만으로 단열시키는 高 진공단열(high-vacuum insulation)과 비교하여 상대적으로 낮고 단열성이 좋기 때문에 많이 사용되고 있다. 그러나 펄라이트 분말은 분말의 입자에 따라 열전도도(thermal conductivity)를 정확히 알 수 없고 진공도에 따라서 열전도도가 달라진다.

또한 초저온의 압력용기는 단열이 무엇보다 중요하기 때문에 내부 압력용기를 지지하는 지지대도 그림1과 같이 단열층 내부에 만들어 외부와 분리시키며 용접부의 면적도 작게하여 열전달에 의한 열유입을 최소화하려고 한다.

▲ <그림1> 3D model of storage tank with double walls

현재까지 초저온 압력용기의 연구 분야는 대형 저장탱크의 구조의 건전성과 설계 안전성에 대한 연구와 주로 열유동 및 액체의 기화에 따른 압력상승 연구 등에 초점을 두고 있다.

본 연구에서는 먼저 펄라이트 열전도도에 의한 단열효과를 평가하고, 지지대(support)와 내부 용기의 용접부에서 용접길이와 형상에 따른 지지응력 및 열응력을 평가하며 열유속(heat flux)을 비교하여 용접부 설계의 기준을 설정하는 것이 목적이다.

2. 2중벽의 단열 해석
2.1 모델링 및 해석

▲ <그림2> Dimension and structure of cross section for the storage vessel (unit:mm)

액체 질소 탱크는 이중 벽면으로 되어 있고 두 벽면사이는 단열재인 펄라이트를 채우고(그림 2) 단열효과를 높이기 위해서 진공으로 만든다. 그림 3은 진공도에 따른 펄라이트의 열전도도를 나타내고 있다.

탱크의 단면은 ANSYS를 이용하여 축대칭으로 모델링하고 재료의 물성치는 표1과 같다. 펄라이트 분말과 양측벽면은 밀착되어 있는 것으로 가정하여 접촉저항은 무시하였다.

2.2 해석 결과

▲ <그림3> Thermal conductivitiy of perarlite verses gas pressure

표2에서는 진공도가 낮아 펄라이트의 열전도율이 높은 경우와 진공도가 높아 펄라이트의 열전도율이 낮은 두가지 경우에 대해 각 구간별 온도 분포와 열유속을 비교한 것이다. 쉘 내에서는 온도 구배가 거의 없으며 펄라이트의 열전도율이 6.25배로 커진 경우에 열유속은 6.25배 증가함을 알 수 있다.

3. 지지대 용접부 크기에 따른 단열성 및 구조해석
3.1 모델링

지지대는 탱크에 그림4와 같이 필렛(fillet) 용접으로 부착되어 있고 이 지지대는 단열층을 지나 밖으로 노출되어 열전도가 예상된다. 따라서 탱크 벽에 직접적으로 접촉하는 용접부의 크기에 따른 열유속을 예측할 필요가 있다. 보강 및 용접을 하기 위한 패드(pad)는 압력용기의 쉘과 직접 접촉하지 않고 용접부를 통해 연결되어 있는 것으로 가정하였다.

그림4의 type 1의 경우 패드와 쉘은 3곳의 용접부로 결합되어 있고 이것이 일반적이지만, 그림5의 type 2의 경우는 2곳의 용접부로 결합되어 있다. 총 용접부 길이는 거의 같지만 현장의 작업효율과 경제성 관점에서 type 2가 type 1에 비해서 우수한 방법이다. 따라서 type 1과 type 2를 비교 해석하여 type 2 방법의 타당성을 확인하고자 한다.

3차원 형상 모델링 및 해석은 Unigraphics NX4와 ANSYS Workbench을 활용하였다. 표3은 해석에 사용한 SUS304의 물성치를 나타내고 있다. 계산 시간과 메모리 용량을 줄이고자 대칭을 고려하여 그림 6과 그림 8과 같이 절반만 모델링하였으며 3D 사면체요소와 육면체요소를 사용하였으며, Type 1과 Type 2의 요소의 수는 각각 7993, 6904이다.

3.2 탱크 자중에 의한 응력해석

▲ <그림8> Boundary condition of structure analysis

주어진 탱크의 자중(45kN)과 지지대의 개수를 고려하여 지지대 바닥에서 하중이 작용하는 것으로 하였다<그림9>. 내부 탱크 벽면을 구속시키고 지지부(leg) 절단면에는 대칭 조건을 부여한다. 따라서 탱크의 자중은 용접부가 지지하고 있다.

그림9와 10은 두 가지 경우의 전체변위(total displacement)를 계산한 결과를 보여준다.

그림11와 12는 von Mises 응력 분포와 최대 응력이 발생하는 부분을 나타낸다. 최대응력의 발생 지점은 type 1의 경우 파이프와 판 사이의 용접부, type 2의 경우 판과 패드사이의 용접부이다.

3.3 열응력 해석

온도 분포에 의한 지지대부의 열응력 대해서 해석하였다. 그림13은 온도 경계 조건을 나타내고 있다. 쉘의 안쪽면은 액체의 온도와 동일한 것으로 가정하였고, 쉘의 바깥면과 지지대 주위는 단열된 것으로 가정하였으며 지지대와 외부 용기가 만나는 용접부를 상온으로 가정하였다.

그림14과 그림15는 각각의 온도분포를 나타내는데 서로 유사한 경향을 보여주고 있다.

▲ <그림13> Boundary condition of thermal analysis

그림 16과 그림17은 온도 구배에 의한 열응력분포를 나타내고 있다. 최대응력은 패드와 탱크 벽면의 용접부에 발생하였으며, Type 2의 경우 73.6MPa으로 Type 1의 58.6MPa에 비해서 큰 것으로 나타났다.

표4에서는 결과를 비교한 것으로 Type 2의 경우 정적응력과 열응력이 15~25% 증가 하였으나 허용응력보나 훨씬 낮은 값이며 열유속도 차이가 없어 2점 용접부인 type 2로의 설계변경이 가능한 것으로 나타났다.

4. 결론

▲ <그림16> Thermal stress distribution type 1

이중벽으로 단열시키는 초저온 탱크에서 하중을 지지하는 3개의 파이프 지지대는 패드와 탱크 쉘을 용접으로 부착한다. 패드와 쉘은 일반적으로 3점 용접과 2점 용접 방법이 있으나 주로 3점 용접을 하고 있다. 이 두가지 경우의 정적응력과 열응력을 해석하였으며 계산된 온도분포에서 열유속도 비교하여 2점 용접의 타당성을 검토하였다.

(1) 이중 벽 사이의 진공도가 낮아지면 충전된
펄라이트의 열전도도가 급격히 증가하며 탱크의 외부에서 내부에 유입되는 열유속이 열전도도에 비례하여 증가한다.

▲ <그림17> Thermal stress distribution type 2

 (2) 2점 용접의 경우 3점 용접에 비해서 응력은 다소 증가하지만 건전성에는 문제가 없으며 열유속도 거의 차이가 없다. 따라서 작업 효율성과 경제성이 우수한 2점 용접이 구조해석을 통해 타당함을 확인하였다.

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