천연가스 연료선박의 고압 이중 배관 설계를 위한 열-구조 해석에 관한 연구

2.1 장비 및 시나리오

본 연구에서는 Shimadzu사의 만능재료시험기(UH-1000KNI)와 Epsilon Tech사의 인장실험용 신율계(3542-050M-100-LT)가 사용되었다.

상온에서의 어닐링 열처리 시간에 따른 재료 거동의 변화를 파악하기 위해 4개의 후판을 Thermolyne사의 고온로( premium large muffle furnace)를 이용해 어닐링 열처리 후 빠르게 퀜칭(quenching) 처리를 수행하였다. 본 실험에서 사용된 sDSS 시편은 1100℃의 온도에서 20분간 고용화 처리를 수행한 시편으로써, 따로 고용화 처리 없이, 1℃/s의 속도로 850℃까지 후판을 가열하여, 10분, 30분, 60분간의 어닐링 열처리 후 퀜칭 처리하였다. 열처리 작업이 완료된 4개의 후판을 한국산업규격(KS B0801 10)에 따라 시편을 제작하였다. 반복성 검증을 위해 각 시나리오 당 5개씩 준비하여 준정적 속도 범위인 0.001/sec의 변형률 속도로 실험하였고, 그 중 평균에 가깝다고 여겨지는 3개의 데이터를 기반으로 결과를 정리하였다.

2.2 실험 결과 및 분석

상온에서의 인장시험에서는 전반적으로 어닐링 열처리 시간이 길어질수록 인장 응력이 증가하는 경향을 보이고 있으나 연신율은 감소하는 경향을 나타내고 있다. 열처리를 하지 않은 시편은 네킹(necking) 현상이 발생하였으나, 10분 이상의 어닐링 열처리를 행한 시편에서는 나타나지 않았으며, 이는 시그마상과 같이 취성을 나타내는 석출물의 증가로 인해 결정 구조의 슬립(slip) 발생이 어려워지기 때문인 것으로 사료된다. 즉, 고온 영역에서는 δ 상이 불안정해 짐으로써, γ 상과 σ 상으로 변태하게 된다[7]. 이러한 현상은 감소하는 연신율 및 증가하는 인장 응력을 설명하는 데에도 이용될 수 있을 것이다. Table 1에 실험의 결과(항복 응력, 인장 응력, 연신율, 탄성계수)를 정리하여 나타내었다.

Table 1:

Test results of a sDSS tensile test

3.1 해석 대상 및 재질

본 연구는 10,000 TEU 급 컨테이너선의 LNG 연료 추진 시스템에서 기화기와 엔진 사이를 연결하여 고온 및 고압의 천연가스를 엔진으로 운송해주는 이중 배관을 대상으로 하여 해석을 수행하였다. 이러한 고온-고압 이중 배관은 크게 내관과 외관, 지지대로 이루어져 있다. 내관은 약 35MPa의 압력이 작용하는 천연가스의 이동 통로이며, 외관은 내관의 열 손실을 외부로부터 어느 정도 차단해주고, 내관에 균열이 발생하여 천연가스가 누출되었을 때, 가스가 배관 시스템의 외부로 새어나가지 않도록 장벽(barrier) 역할을 한다. 지지대(support)는 외관과 내관 사이에 설치되어 내관을 지지해주는 역할을 수행하며, 실제 운용 시 내관의 열, 압력으로 인한 팽창을 흡수하고, 열 손실을 줄여주는 중요한 기능을 수행하게 된다. 이러한 이중 배관에 사용되는 재료는 고압의 환경에서 견딜 만한 우수한 강도를 가져야 하고, 균열과 부식에 강한 재료를 사용하여야 한다. 따라서 높은 기계적 강도, 낮은 열팽창 계수를 가지고, 응력부식, 공식, 틈새부식과 마모, 침식에 대한 저항력이 매우 우수한 sDSS를 외관 및 내관의 재료로써 사용하였다. 지지대의 경우, 고온 및 고압의 천연가스에 의한 내관의 평창 변형을 흡수하기 때문에, 장시간의 하중에도 우수한 성능을 유지하는 PEEK(poly-ether-ehter-ketone)를 채택하였다. 해석에 사용된 재료의 물성치를 정리하여, Table 2에 나타내었다. 특히 sDSS의 경우, 본 연구에서 직접 실험을 수행한 결과를 바탕으로 물성치를 적용하였다.

Table 2:

Properties of the materials

3.2 유한요소 모델 및 해석 조건

Figure 2에서 보인 바와 같이, 배관의 전체 길이는 1본에 해당하는 6000mm이고, 사이에 지지대를 총 4세트를 설치하게 된다. 본 연구에서는 지지대에 의한 내관과 외관의 영향을 자세하게 살펴보기 위하여, 지지대 1세트인 1200mm만 고려하였고, 지지대는 배관의 길이 방향의 정 중앙에 설치되게 된다. 본 연구에서 사용된 외관과 내관의 직경 및 두께를 Table 3에 나타내었다.

Figure 2:

Geometry and target structure of the double walled piping system

Table 3:

Dimensions of the double walled piping system

기존에 사용되고 있는 내관에 완전 구속된 지지대의 유한요소 모델의 격자 형상을 Figure 3에 나타내었다. 이러한 지지대는 직경 10mm의 원통과 반구로 이루어져 있다. 내관과 지지대에 대한 결합 조건을 정의하여 실제 배관의 형상을 구현하였으며, 본 유한요소 모델에 사용된 요소의 수와 절점의 수를 Table 4에 나타내었다.

Figure 3:

Finite element model of the double walled pipe with fixed and sliding support

Table 4:

Mesh information of the finite element model

전술한 바와 같이, 내관과 지지대가 고정된 부분에서 응력집중이 발생하게 되고, 이러한 응력 집중은 피로 파괴의 원인이 된다. 따라서 응력 집중을 완화해주는 슬라이딩 지지대에 대한 새로운 형상들을 제안하였고, 총 7가지의 유한요소 모델의 격자 형상을 Figure 3에 나타내었다. 이러한 슬라이딩 지지대의 경우, 두께는 10mm이고 외관과 지지대가 맞닿는 부분의 지름은 32.3mm이다. 슬라이딩 지지대는 내관에 고정되지 않기 때문에, 지지대와 내관 사이에 슬라이딩이 가능한 상태의 접촉 조건을 정의하였다. 제안된 슬라이딩 지지대를 가지는 유한요소 모델에 사용된 요소의 수와 절점을 수를 Table 4에 나타내었다.

실제 운용 환경에서 고온-고압 이중 배관에 발생하는 열 하중을 계산하기 위하여 먼저 ANSYS WORKBENCH V14 프로그램을 이용하여 열 해석을 수행하였다. 천연가스가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 실제 시스템에서 주변 환경으로 전달되는 열의 대류 현상에 관한 환경을 구현하기 위하여 외관의 외벽에는 수평 파이프에 대한 대류 조건을 부여하였다. 이러한 열 해석을 통해 얻은 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였고, 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에는 사용 압력 35MPa을 적용하였다. 배관의 양단에는 축방향의 변형을 제한하여 배관이 연속으로 연결된 환경을 구현하였다.

4.1 열 하중의 영향에 관한 고찰

50℃의 열하중이 고압 배관에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 가장 먼저 열하중을 고려하지 않고 구조해석을 수행하였고, 동일한 환경에서 열 하중을 고려한 구조해석을 추가적으로 수행하여, 그 결과를 Figure 4에 나타내었다.

Figure 4:

Maximum stress of the double-walled pipeline

구조 해석만 수행한 결과, 최대 등가 응력은 159.71MPa로 나타났다. 반면 열-구조 연성 해석 결과, 최대 등가 응력은 213.07MPa임을 확인할 수 있었다. 또한 최대 등가 응력이 발생된 지점도 상이했는데, 구조 해석만 진행했을 때에는 내관의 내부에서 최대 등가 응력이 발생했지만, 열-구조 연성 해석을 진행했을 때에는 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생된 지점에서 최대 등가 응력이 발생하였고, 열팽창 현상 또한 발생한 것을 확인할 수 있다. 두 해석결과의 최대 응력 값의 차이는 기존의 구조 해석 결과 대비 31% 증가하는 등, 응력에 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 이러한 차이는 무시할 수 없을 정도로 크다고 판단된다. 따라서 천연가스용 고압 배관의 구조 해석 시에는 열하중이 반드시 고려되어야 한다는 결론에 도달하였다.

4.2 열-구조 해석 결과 분석

이중 배관의 내관에는 50℃의 천연가스가 이동하기 때문에 각 부분 별 온도 분포를 계산하고자 열 해석을 수행하였다. 일한 이중 배관의 열 해석을 수행하여 얻은 온도 분포를 열 하중의 형태로 구조해석에 반영하였다. 각 지지대 별 내관에서 발생하는 응력 값을 비교한 그래프를 Figure 5 (a)에 나타내었다, 내관의 가스와 직접 맞닿는 부분에서는 175MPa의 등가 응력이 발생하였고, 내관과 지지대가 연결되어 구조적 불연속이 발생하는 지점에서 국부적으로 213.07MPa의 최대 등가응력이 발생하였다. 이는 강재의 항복응력(yield strength)인 685MPa 이내의 탄성 영역에 존재하므로, 구조적으로 안전하다고 판단되지만, 지지대의 구조적 불연속 지점, 즉 접합부에 국부적으로 발생한 응력 집중 현상은 장기적으로 봤을 때, 국부적인 파손의 원인이 되는 등 구조물에 취약한 문제를 야기하게 될 것으로 사료되므로, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 형상을 가지는 지지대를 제안하였다.

Figure 5:

Maximum stress of (a) inner pipe and (b) support and other pipes according to the type of support

동일한 해석 조건을 적용하여 새롭게 제안된 지지대를 갖는 이중 배관의 열 및 구조 연성해석 수행하였으며, Figure 5 (a)에 제안된 슬라이딩 지지대를 가지는 이중 배관의 내관에 대한 최대 응력 값을 나타내었고, 외관, 지지대에 발생하는 최대 응력 값을 Figure 5 (b)에 나타내었다. 슬라이딩 지지대를 가지는 모든 이중 배관에서의 최대 등가 응력은 175.06MPa로써 내압에 의해 내관의 가스와 직접 맞닿는 지점에서 발생하였다. 이러한 슬라이딩 지지대의 경우, 내관에 완전 구속되지 않음으로써 미끄러질 수 있도록 설계되었기 때문에, 내관의 지지대와 맞닿는 부분에서 응력 집중 현상이 거의 발생되지 않은 것으로 사료된다. Figure 6은 각각의 슬라이딩 지지대에 대한 응력 분포를 나타내는데, 슬라이딩 지지대의 경우도 고정식 지지대와 마찬가지로 외관과 지지대가 맞닿는 부분에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 6:

Analysis results for each type of support

제안된 지지대를 사용한 이중배관 모두에서 내관, 외관, 지지대에 응력이 고정식 지지대에 비해서 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지지대와 외관의 경우, 지지대의 접촉 면 수와 각 접촉부의 면적이 지지대 형상에 따라 달라지기 때문에 Figure 5 (b)와 같은 경향을 보이는 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 제안된 지지대 중, 구조적으로 가장 안정적이고, 제작 및 설치가 용이한 T7을 최적 지지대 형상으로 채택하였다.

5.1 해석 대상 및 해석 조건

앞서 선정한 구조적으로 최적의 형상을 가지는 T7 지지대를 실제 LNG 연료 공급 시스템에 사용되는 이중 배관에 적용하여 구조적 안전성을 평가하였다. Figure 6은 실제로 LNG 연료 공급 시스템에 사용되는 고온-고압 이중 배관의 형상과 격자 형상을 나타낸다. 전체 이중 배관 시스템에 대하여 총 9개의 슬라이딩 지지대를 설치하였으며, 플랜지(flange)를 통해 두 개의 배관을 연결하고 있는 구조이다. 본 연구에서 사용된 고온-고압 이중 배관의 격자의 수는 759,344개이며, 요소의 수는 291,784개이다.

슬라이딩 지지대는 전술한 바와 같이 내관에 고정되지 않기 때문에, 지지대와 내관 사이에 슬라이딩이 가능한 상태의 접촉 조건을 정의하였다. 또한 좌측 상단의 배관에는 상대적으로 크기가 큰 고압 기화기(high pressure vaporizer)가 연결되어 있으므로 고정 지지를 적용하였고, 우측의 배관에는 또 다른 배관이 연결되어 있으므로 축 방향으로의 변형을 제한하는 구속 조건을 설정하였다. 연료가 이동하는 내관의 내부에는 50℃의 온도를 부여하였고, 열의 대류 현상을 고려하였으며, 이러한 조건을 적용하여 수행한 열 해석 결과를 열 하중의 형태로 구조 해석에 적용하였다. 구조 해석 단계에서는 배관의 자중을 고려하였으며, 내관의 내부에 사용 압력 35MPa을 적용하였다.

Figure 7:

Geometry and finite element model of the whole pipeline model

5.2 열-구조 해석 결과 분석

Figure 8은 전체 배관 모델에 대한 응력 분포를 나타낸다. Figure 8 (a)에서 보인 바와 같이, 지지대에서는 초기 모델 해석 결과에서 보인 응력 분포와 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 외관과 지지대, 내관과 지지대가 접하는 지점에는 응력이 크게 걸리지 않는 것을 볼 수 있는데, 이는 접하는 면적이 상대적으로 커 하중의 분산이 잘 이루어지고 있음을 뜻한다.

Figure 8:

Analysis results of the whole pipeline model: (a) flange/support and (b) T-pipe

전체 모델 해석 결과에서 최대 응력은 이중 배관의 이음부인 플랜지와 내관이 연결된 부분에서 최대응력이 발생하였는데, 이는 수직으로 설치된 좌측의 이중 배관의 자중이 영향을 미친 것임을 알 수 있다. 하지만 그 응력 값이 sDSS의 항복하중인 685MPa에 미치지 못하므로, 해당 이중 배관 시스템은 적절히 설계된 것으로 판단할 수 있다. 하지만 최대 응력이 걸린 부분에서 내관과 플랜지는 용접으로 접합되는데, 전술한 바와 같이, sDSS의 어닐링 시간이 길어질수록, 취성화 되기 때문에 해당 부분에서 응력집중으로 인한 국부 파손, 피로 파괴 등을 고려하여야 한다.

또한 눈여겨 살펴보아야 할 부분으로는 T-형 배관을 꼽을 수 있다. 해당 지점에서도 구조적 불연속부에서 응력집중이 발생하였다. 이 부분의 최적화에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.