KR 웹진 166호

KR은 최근 멤브레인형 LNG 운반선의 온도 분포 해석 절차서를 개발하여 LNG 운반선의 선체 온도를 계산하고 적정 강재 등급을 선정하는 연구를 수행하고 있습니다. 더불어 액화 가스 운반선의 독립형 탱크 유형에 대한 온도 계산을 위해 절차서를 개발 중에 있으며, 연구 개발 중인 내용을 탱크 유형에 따라 그 특징과 온도 계산에 대한 내용과 멤브레인형 탱크에 대한 온도 분포 해석 소프트웨어의 개발에 대해 설명하겠습니다.

IMO 분류에 따르면, 액화 천연가스 운반선은 멤브레인형(Membrane) 탱크와 독립형(Independent self-supporting) 탱크 두 가지 유형이 있습니다. 독립형 탱크는 Type A, Type B, Type C 탱크 유형으로 분류됩니다. 멤브레인형 탱크는 오늘날 가장 보편적인 형태로서 많은 선박에 채택되어 사용되고 있으며, 특허는

Gaz Transport & Technigaz(GTT)가 소유하고 있습니다.

GTT의 기술은 두 가지 유형의 CCS (Cargo Containment System) 즉, Mark III 와 No.96으로 대표하고,

최근 전 세계적으로 CCS 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 이에 따른 기술력을 축척해 가고 있습니다.

LNG 운반선은 극저온의 화물을 운반함으로 선체의 온도를 파악하고 그에 맞는 강재를 사용하는 것이 무엇 보다 중요합니다. 선체 강재는 저온에서 부서지기 쉬우므로 온도 분포 해석을 수행하여 정확한 선체 온도를 계산해야 합니다. 온도 분포 해석으로 계산 된 온도를 기준으로 선체 강재의 등급이 선택됩니다.

현재 GTT (Mark III, No.96), KOGAS (KC-1) 및 한국 조선소(SOLIDUS, DSC-16, SCA-WS)는 자체 개발한 CCS 시스템에 대한 온도 분포 해석을 수행하고 있지만, 개발되는 CCS 시스템의 온도 분포 계산은 가정이 서로

다릅니다.

또한, 타 선급은 LNG 운반선의 온도 계산에 대한 가이드라인을 갖고 있지 않습니다. 따라서 KR은 객관적으로 검증하기 위한 규칙 및 지침의 필요성을 인식하여 LNG 운반선의 온도 계산 절차를 개발하고 있습니다. 현재 멤브레인형 탱크의 온도 계산에 대한 절차 개발을 완료하였으며, 독립형 탱크에 대한 온도 분포 해석에 관한 연구가 진행 중입니다. 진행 중인 연구가 완료되면 KR 온도 분포 해석 가이드라인에 독립형 탱크의 온도 분포 절차를 포함할 계획입니다.

온도 분포 계산에 대한 방법은 다음과 같습니다.
- 분석적 온도 분포 해석 방법(Analytical temperature distribution analysis method)
- 유한요소 온도 분포 해석 방법(Finite Element temperature distribution analysis method)

1. 독립형 탱크의 온도 분포 계산에 대한 설명

IMO에서 규정하는 독립형 탱크는 Type A, Type B, Type C 유형으로 정의됩니다. Type A형은 일반 액체 탱크 규정에 따름으로 액화 화물의 유출 가능성이 있다고 가정되면 만일의 대량 유출에 대비하여 완전 2차 방벽이 요구됩니다. Type B형은 광범위한 구조해석에 의해 탱크의 신뢰성을 확인하므로 작은 크랙(Crack) 발생을 가정하여 파괴 해석을 통해 누출량을 산정하여 이를 적재할 수 있을 만큼의 부분 2차 방벽을 요구합니다. Type C형은 압력용기로 안정성과 신뢰성이 확보되어 있어 누출의 우려가 없으므로 2차 방벽이 불필요합니다. 이와 같이 각각의 탱크 유형에 따른 특징 및 온도 계산에 대한 설명을 다음과 같이 설명합니다.

(1) Type A 탱크:

액화가스 운반선은 크게 LPG 운반선과 LNG 운반선으로 구분됩니다. LPG는 약 -55℃ 정도이며 LNG는 -163℃로서, 극저온 상태의 LNG를 운반하기 위한 LNG 탱크와 LPG 탱크는 구조적으로 차이가 있습니다.
통상적으로 LPG 탱크는 Type A형으로 분류되는 완전 2차 방벽 탱크 구조이며, 탱크의 재질은 저온 강이며 2차 방벽이 되는 선체의 재질도 탱크와 동등한 재질을 적용합니다.

앞선 내용과 같이, Type A형의 특징으로는 내부재를 포함하고 있는 독립형 저온 강 탱크로서 Prismatic 혹은 기울어진 형상이며, 독립 탱크를 선체 내부에 적재하는 형상으로 탱크 하부와 상부에 탱크 지지 구조물(Key Support)를 배치하는 특징이 있습니다. 탱크의 최대 허용 설계 압력은 0.7bargs이며, 탱크 외부 폴리우레탄 폼(PUF) 의 두께는 약 120mm 정도입니다. 또한 선체(Hull)가 2차 방벽 역할을 하는 것이 특징입니다. 온도계산은 2차 방벽에 화물 온도를 적용한다는 가정하에 정적 만재 하중 조건 상태와 30º 기울어진 상태에서

진행합니다.

Type A형의 온도 계산은 분석적(Analytical) 방법 및 유한 요소(FEM) 방법으로 수행할 수 있으며, 2D FEM 방법은 선체의 횡단면을 따라 온도를 계산하기 위해 적용하였습니다. 그리고 3D FEM 방법은 코퍼댐의 전-후방(Forward & After)의 온도를 계산하는데 사용됩니다.

그림1은 2D FEM을 사용하는 일반적인 Type A형 탱크의 온도 계산 결과를 보여주고 있습니다.

그림1. 2D FEM을 사용하는 Type A형 탱크의 온도 계산

(2) Type B 탱크:

독립형 탱크 Type B형은 평평하거나 구형의 독립형 탱크 형상을 주로 설계하며 탱크 내 최대 허용 설계 압력은 0.7bargs이다. Type B형 단열은 탱크 외부에 폴리우레탄 폼(PUF)을 사용하며 누설 시 액체를 저장하는 Drip tray 형태로 국부적으로 하부에 2차 방벽을 설치합니다. 탱크는 밀폐, 단열, 내압에 견디는 설계를 하며, 탱크를 지지하는 구조로 선체에 설계됩니다.
Type B형 탱크의 온도 분포 해석은 분석적 방법과 2D, 3D FEM 방법으로 주요 구조 부재의 온도 계산을 수행합니다.

그림 2는 3D FEM을 사용하는 LNG 운반선 Type B형의 코퍼댐에 대한 온도 계산 결과를 보여주고 있습니다.

그림2. 3D FEM를 사용하여 코퍼댐의 온도 분포 계산

멤브레인형 LNG 운반선의 코퍼댐 격벽 사이에 열원을 공급하지 않으면 -30℃ 이하로 내려갑니다. 그리고

독립형 Type B형의 코퍼댐 격벽에 열원을 공급하지 않아도 온도는 영하30도 이상으로 유지됨으로 강재 등급은 E 또는 DH를 사용할 수 있는 특징이 있습니다.

(3) Type C Tank:

Type C형 독립형 탱크는 일반적으로 2barg 보다 높은 설계 압력을 갖는 구형 및 원통형 압력 용기를 사용합니다. Type C형은 LNG 연료 추진 선박에 맞게 설계되었지만 소형 LNG 또는 LPG 운반선에서도 사용됩니다.
Type C형은 다른 Type A형과 Type B형 탱크와 같이 온도 분포 해석은 분석적 방법과 2D, 3D FEM 방법으로 주요 구조 부재의 온도 계산을 수행합니다.

현재 KR은 Type C형의 온도 분포 해석을 위해 고려해야 할 이슈들을 확인하고 해결하기 위해 더 많은 연구를 수행하고 있습니다.  

2. 온도 분포 해석 소프트웨어 개발

KR은 분석적 방법(Analytical Method)에 기초한 선체의 횡방향에 따른 온도 분포 계산에 적용 할 수 있는 멤브레인형 온도 계산 소프트웨어를 개발 중에 있습니다.
KR에서 개발한 소프트웨어의 검증은 GTT에 의해 계산된 LNG 운반선의 선체 온도 분포 해석 결과를 비교였으며, 향후 온도 분포 해석 소프트웨어 프로그램을 업데이트하고 독립형 탱크 Type에 대해 계산 기능을 확장하기 위한 개발 업무를 계속 진행할 계획입니다.

그림3. LNG 운반선 선체 온도 분포 해석 프로그램

온도 분포 해석은 LNG 운반선의 설계를 위한 필수적이고 중요한 과제입니다.
KR의 온도 분포 해석 지침서에 따라 온도 분포 해석 소프트웨어를 사용하면 사용자는 쉽고 빠르게 온도 분포 해석을 수행하고 선체 온도를 정확하게 계산할 수 있습니다.