LNG는 -162℃의 초저온 액체상태로 5~9% Ni강인 내부탱크의 변형인자를 보면 온도와 액의 하중에 의하여 발생하게 된다. 내부탱크 벽체의 온도변화는 LNG가 충전되면 온도가 강하하고, 배출되면 기체 공간이 증가하여 온도가 상승하게 된다. 온도의 저하는 탱크 내측 방향으로 수축을 가져와 블랭킷과 펄라이트에 작용하는 압력을 감소시키며, LNG액 하중은 가해지는 압력을 증가시키게 된다. LNG의 경우 온도에 의한 변형이 액하중에 의한 변형보다 크기 때문에 블랭킷 설계에서는 액하중에 의한 변형은 무시한다.

Figure 2: 
Inner wall contraction of tank with inner LNG temperature.

Figure 2는 탱크 폭 30 m, 길이 20 m, 30 m, 40 m 경우 온도에 따른 내부탱크의 수축을 나타낸다. 탱크길이 가 크고 온도가 낮을수록 수축 변형량은 증가하여 길이 30 m, 폭 30 m인 탱크의 경우 -170℃에서 44.9 mm, 상부 증기의 온도인 -80℃에서는 27.7 mm의 탱크 수축이 발생하게 된다. 온도에 따른 열팽창계수는 6단계로 나누어 적용하였다[7]. 이 내부탱크의 수축값은 외부탱크의 변형값과 함께 내외부 탱크 사이의 블랭킷과 펄라이트에 가해지는 압력의 산정에 적용된다. 이 내부 탱크 변형량은 탱크벽체에 적용되는 펄라이트의 압력산정에 적용되는 데, 온도변화에 의한 내 탱크 변형량을 합한 값이 적용된다. 즉, 변형이 증가하면 내부 탱크 간격이 증가하여 펄라이트 충전량이 증가하면서 벽체에 가하는 압력이 증가하게 되는 것이다.

Figure 3은 내외탱크 사이에 압력 흡수제인 블랭킷이 없이 펄라이트만을 충전할 때 상기 조건에서 내외탱크 간격 크기에 따른 압력변화를 산정한 결과를 나타낸 것이다. 내외탱크의 간격이 클수록 펄라이트가 탱크벽체에 가하는 압력이 증가하였다. 즉, 펄라이트가 탱크에 가하는 압력은 탱크 길이보다는 내외탱크의 폭 간격 즉 단열 공간에 의한 영향이 큰 것으로 나타났으며, 탱크 적정 탱크 단열간격인 55~60 cm의 경우 압력이 301.0~ 325.2 Pa이 되었다.

Figure 3: 
Infill pressure with no blanket and various tank length.

블랭킷은 기공율이 크고 탄성이 있는 그라스울로 제작한 것으로 탱크의 움직임에 따라 수축과 팽창을 반복하게 되며, 압축율과 복원력의 정도에 따라 펄라이트의 압력을 흡수하는 능력이 다르게 된다. Figure 4는 블랭킷에 적용되는 압력에 따른 압축율 변화 전형적 특성곡선으로 제품마다 각기 다른 특성치를 갖는다. 그림에서 아래쪽 곡선 A의 블랭킷이 곡선 B의 블랭킷 보다 압력에 대한 특성이 좋은 것으로, 동일압력이 가해질 때 압착이 더 적게 발생되는 것이다. 압축율(C_i) 값이 크게 되면 펄라이트의 충전압이나 설계압 등이 증가하게 된다. 또한, 그림의 곡선 A는 부하가 가해지는 압축곡선이고 곡선 B는 부하가 없어져 복원되는 특성 곡선도 되며, 곡선 B가 곡선 A에 근접할수록 블랭킷 압력흡수 능력이 좋게 되어 블랭킷의 복원력(B_a)은 1.0에 가깝게 된다. 역으로 곡선 B가 곡선 A에서 이격될수록 펄라이트가 탱크에 가하는 압력이 증가하게 된다. 복원력의 값은 제품마다 다르게 되므로 본 해석에서는 통상 제품의 설계 기준값이 되는 0.6을 적용하였다.

또한, 선박용 LNG저장탱크의 단열재로 펄라이트 분말과 블랭킷을 적용할 때 충전압(Infill pressure)과 설계압(Design pressure)의 산정을 위하는 적용하는 블랭킷의 고유 특성값이 필요하며, 본 연구에서는 Figure 4의 압력-압축 그래프 값이 아래의 식으로 나타내지는 대표적 블랭킷 값을 적용하였다[8].

Figure 4: 
Blanket characteristic curve with pressure load.

블랭킷의 두께에 따른 펄라이트의 탱크 내벽에 가하는 압력의 산정은 먼저 Figure 3의 블랭킷이 없는 경우의 압력값을 블랭킷에 적용하여 식 (3)에서 압축율을 구한다. 그 압축율 값을 식 (1)에 대입하여 탱크에 걸리는 압력을 얻게 된다.

Figure 5의 블랭킷의 두께에 따른 탱크 내벽에 가하는 펄라이트 압력 산정 결과를 보면, 내외탱크 간격 크기 즉 단열공간인 60 cm의 경우 200 mm 블랭킷을 가설하게 되면 244.5 Pa로 75%로 감소하게 된다. 블랭킷 복원율 등 산정기준은 Table 1을 기준한 것이며, LNG를 저장하는 내부 탱크 수력직경은 40 m로 한 것이다. 그림에서 내외탱크 간격이 적을수록 그리고 블랭킷의 두께가 두꺼울수록 압력 흡수 효과가 증가함을 알 수 있다.

Figure 5: 
Infill pressure with various blanket thickness.

탱크의 움직임에 따라 압축과 팽창을 반복하는 블랭킷은 복원력의 정도에 따라 펄라이트 압력의 흡수력이 다르게 된다. Figure 6은 복원력에 따른 충전압으로 복원력이 클수록 충전압이 감소함을 보여준다. 내외탱크의 간격은 단열 두께인 60 cm의 전 후를 비교하였다. 블랭킷 두께를 단열간격의 30%로 기준하였을 때 복원율이 0.5에서 0.7로 커지면 압력도 309.9 Pa에서 214.1 Pa로 69%로 감소한다.

Figure 6:  
Infill pressure with hysteresis factor of blanket.

선박의 탱크내 LNG충전과 방출은 내부 벽체의 반복된 열적 기계적 변형을 발생시키며, 이에 따라 충전되어 있는 펄라이트 분말은 압력이 증가하게 되고 이 압력이 블랭킷에 가해지게 된다. 이 것이 또한 내부 탱크에 가해지는 최대 압력값으로 최종 설계압력이 된다. 블랭킷은 이 반복 변형에 따라 복원력이 감소하여 압축율이 증가하게 된다.

Figure 7은 수력직경 40 m, 높이 30 m 저장탱크의 블랭킷 두께와 단열재 충전공간 변화에 따른 설계압력을 보여준다. 내외탱크 간격 즉 단열간격이 클수록 탱크에 걸리는 압력이 증가하며, 블랭킷의 두께가 탱크 단열간격의 약 25~30% 이하가 되면 압력이 급격히 상승함을 알 수 있다. 그러므로 그림에서 적정 설계압력은 1,500 Pa 이하가 되어야 함을 알 수 있다. 이에 따른 블랭킷의 설계 두께는 내외탱크 간격 즉 단열 간격의 1/4이상, 1/3이하 사이로 적절한 설계 두께는 30% 정도가 되었다. 블랭킷이 두꺼우면 압력은 낮으나 단열에의 영향과 블랭킷의 비틀림 변형 등의 문제를 초래하게 된다.

Figure 7: 
Design pressure with various blanket thickness.

Figure 8은 블랭킷의 복원력에 따른 설계압력의 변화를 나타낸 것이다. 복원력의 값이 클수록 압력이 감소하고 있으며 작으면 급격히 상승하게 된다. 요구되는 블랭킷의 적정 복원력은 내외탱크 단열간격으로 널리 설계되는 55~60 cm 경우 0.5이상이 요구되고 이때 설계압력은 1,500 Pa이 되고 있다. 내외탱크 단열간격의 크기에 관계없이 동일한 추세를 보이며 복원력 0.4이하에서는 압력 2,000 Pa 정도에서 급격히 상승하게 되므로 복원율 0.5이상의 제품이 바람직하게 된다.

Figure 8: 
Design pressure with various hysteresis factor of blanket.

그러므로 Figure 7과 Figure 8의 결과를 고려할 때 분석 범주인 내외탱크 간격 55~60 cm에서 블랭킷의 적정 설계기준 압력은 1,500 Pa이하가 바람직함을 알 수 있다. 이와 같이 적정 설계압력 기준은 내외탱크 간격, 블랭킷의 복원력 등을 고려하여 LNG탱크의 적용 블랭킷 두께를 결정하고 설계압력 기준을 설정하여야 한다.