KR101367554B1 - 탱크 구조물 - Google Patents

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KR101367554B1
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아르네 젤레
카레 바켄
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에커 엔지니어링 앤드 테크놀로지 에이에스
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Abstract

본 발명의 이중 격실 각기둥형 탱크는, H-보 섹션들을 서로 적층하고 종방향 플랜지 에지를 따라 조인트(5)에서 H-보 섹션들의 접합 단부면에서 H-보 섹션들을 결합함으로 형성되는 외벽(1) 및 내벽(2)을 구비한다. 조인트 영역에서, 내부 지주(인장보)(3)는 탱크의 구조적 효율성을 증대시키기 위해 내벽(2)에 연결된다. 지주(3)는 조인트(5) 영역의 측으로 부드럽고 테이퍼진 방식으로 연장하는 브래킷(6)에 의해 내벽(2)에 연결된다. 조인트(5)에서, 보(4)의 외부 플랜지(7) 및 내부 플랜지(8)는 용접부(10)에 의해 결합된다. 그러나, 보(4)의 웨브(9)는 조인트에서 함께 용접되지 않는 대신, 개구(11)를 형성하기 위해 오목하게되어 부드러운 곡선 형태로 이어짐으로써, 모재 외에는 외벽(7)과 내벽(8) 사이에 어떠한 접촉물도 존재하지 않도록 막아 내벽(2)으로부터 외벽(1)으로 피로 크랙이 전달될 위험을 막는다. 보 섹션(4)의 내부 플랜지(8)에는 플랜지(7, 8)들 사이의 웨브(9)의 외부 연장부인 리브(12)가 갖춰진다. 브래킷(6)은 용접부(13)를 통해 리브(12)에 부착되며, 이 영역에서의 응력 집중 및 크랙 전달을 막기 위해 접합 내부 플랜지(8)들 사이의 용접부(10)에 인접하게, 리브(12) 및 브래킷(6)을 통해 제2 구멍(14)이 형성된다.
보 섹션, 플랜지, 용접부, 개구, 리브, 웨브

Description

탱크 구조물 {A TANK STRUCTURE}
본 발명은, 저온 액화 천연 가스를 포함하는 탄화수소와 같은 유체의 저장 및 운송용 탱크에 관한 것이다. 상기 탱크는, 선박용, 중력식 및 부유식 해양 구조물용, 육지식 설비(land-based installation)용 탱크 등을 포함한다.
탱크는 다양하고 상이한 형상[예를 들어, 각기둥형(prismatic shape)은 물론, 일반적으로는 구형, 원통형, 원추형, 쉘형 등]으로 설계될 수 있다. 각기둥 형상의 원리적인 장점은, 서로 촘촘하게 포개어져서 상기 탱크에 의해 차지되는 체적을 최소화시킨다는 것이다. 단순한 각기둥형 탱크는 강도 변화로 인한 굽힘 작용에 영향을 받기 때문에 구조적인 면에서 효율성이 떨어진다. 쉘형은, 쉘의 평면에 형성되는 직접 장력(direct tension)을 통해 강도를 향상시킨다. 쉘형은 동일한 양의 재료로 보다 높은 강도를 형성한다.
내부 지주(internal stay)[인장보(tension beam)]를 결합함으로써 각기둥형의 설계를 보다 효율적으로 구축할 수 있다. 이러한 각기둥형 지주 탱크는, 내부 하중 또는 압력을 억제하는 주요 수단으로서 장력을 개량하기 때문에, 구조적인 효율성 면에서 쉘형과 유사하다. 국제공개특허공보 WO 2006/001711 A1호는 이러한 탱크를 개시하며, 본원에 참조로 포함된다. 또한 상기 공보는 제1항의 전제부에 대한 근거를 형성한다.
또한, 항복성(yielding)을 억제하기 위해 충분한 강도를 갖는 것과는 별도로, 탱크 구조물은 피로에 기인한 크랙 전달을 방지하도록 설계되어야 한다. 이러한 구조물의 근본적인 문제는, 크랙 전달이 매우 느리게 진행되거나 심지어는 억제되는 모재(base metal)에서와는 대조적으로 용접 위치에서 크랙 전달이 이루어진다는데 있다.
본 발명의 목적은, 피로 크랙이 하나의 액체 베리어로부터 다른 액체 베리어로 전달되지 않게 하기 위해 두 베리어들 사이의 모든 연결부에 국부적 응력 증가가 없는 모재를 갖추는, 이중 베리어(barrier) 탱크를 설계하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립항 제1항에 명시되어 있는 각기둥형 탱크에 의해 달성된다. 상기 탱크의 이로운 실시예는 종속항에서 명시된다.
탱크 벽을 형성하기 위해 보 섹션을 연속적으로 결합시키는 보다 일반적인 방법은, 플랜지에서의 축방향 응력이 0이고 전단 하중이 별로 크지 않은 변곡점(inflection point)에 근접하게 보들 사이의 조인트를 위치시키는 것이다. 그러나, 본 발명에서, 보 섹션들 사이의 조인트는 내부 지주의 연결점에 위치된다. 보 조인트에서는, 보의 플랜지들만이 서로 연결되며 웨브는 연결되지 않는다. 대신, 웨브는 부드러운 곡선 형태로 오목하게됨으로써, 오목하게된 웨브들의 단부면은 둥근 윤곽을 갖는 개구를 형성한다. 이에 따라, 웨브의 단부면들 사이에 용접부나 다른 연결부가 형성되지 않음으로써, 피로 크랙 전달이 용이할 수 있는 재료의 변화 및 응력 집중을 피할 수 있다. 웨브와 대체로 동일 평면상에 놓이는 탱크의 내벽에 적용되는 보강 브래킷에 의해, 개구에 기인한 전단 강도(shear strength)의 감소가 상쇄될 수 있다. 이러한 브래킷은 탱크의 내부 지주를 이중 벽에 부착하기 적합하게 제조될 수 있다.
본 발명은, 첨부된 도면에 개략적으로 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 후술될 것이다.
도 1은 지붕이 제거된 각기둥형 이중 벽 탱크의 평면도이다.
도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 도 1에서 Ⅲ으로 상세하게 표시된 확대도이다.
도 4는 도 3의 라인 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취해진 확대 단면도이다.
도 5는 도 2의 바닥의 좌측 코너에 도시된, 연결 피스에 결합되기 전의 두 개의 보 섹션의 단부도이다.
도 6은 함께 결합된 도 5의 보 섹션의 단부도이다.
도 7은 탱크의 벽과 탱크의 지붕 사이의 코너를 형성하는, 도 6의 연결 피스의 개략도이다.
도 8은 탱크의 두 벽 사이에 코너가 형성될 수 있는 방법을 도시한 개략도이다.
도 1은 외벽(1), 내벽(2), 탱크의 양벽을 연결하는 내부 지주(3)를 구비한 이중 격실의 평면도이다. 탱크의 벽은 H 형상의 단면을 갖는 횡방향 보 섹션(4)들을 함께 용접함으로 형성되며, 상기 보 섹션(4)들은 서로 적층되어 인접한 종방향 에지를 따라 단부면에서 함께 결합되며, 상기 단부면은 보 섹션(4)의 다른 단부면 또는 도 1에서 도면부호 5로 표시된 연결 피스와 접한다. 지주(3)는 브래킷(6)에 의해 조인트(5) 위치에서 각각의 벽들에 연결된다. 지주(3)는, 수납하고 있는 유체로부터 내부 압력을 받을 때 탱크 벽이 팽창하는 것을 사실상 감소시킨다. 또한, 탱크가 운항중 롤링(rolling) 또는 피칭(pitching)하는 선박의 화물 탱크인 경우, 지주(3)는 사실상 다공성 "격벽(bulkhead)"을 형성하여 슬로싱(sloshing)으로 알려진 화물의 움직임을 감소시킨다.
도 2는 도 1의 탱크의 바닥 및 측벽 부분의 단면도이다. 도 2는 H-보 섹션(4)이 서로 적층되는 방법을 도시하는바, H-보 섹션(4)의 평행한 플랜지(7, 8)는 이중 벽 탱크의 외벽(1) 및 내벽(2)을 형성한다. 보 섹션의 플랜지(7, 8)는, 도 4에 보다 명확하게 도시된 바와 같이 횡방향 웨브(9)에 의해 연결된다. 내벽(2)에 지주(3)를 연결하는 브래킷(6)은 웨브(9)와 정렬되어 탱크의 내측에 웨브의 연장부를 형성함으로써, 인장 하중을 가장 잘 처리할 수 있는 보 섹션(4)의 영역에서 각 지주(3)로부터의 인장 하중을 전달한다.
도 3은 도 1에서 Ⅲ으로 지시된 원영역의 확대도이다. 이 평면도는 용접부(10)에 의해 외부 플랜지(7)와 내부 플랜지(8)에서 서로 용접되는 두 개의 보 섹션(4)을 도시한다. 이 영역에서, 보 섹션의 웨브(9)는 부드럽고 둥근 윤곽을 갖는 제1 개구(11)를 형성하도록 오목하게된다. 따라서, 용접부는 조인트(5) 영역에서 플랜지(7)와 플랜지(8) 사이로 연장되지 않는다.
또한, 도 3은 종방향 리브(12)가 갖춰진 보 섹션(4)을 도시하는바, 종방향 리브(12)는 웨브(9)의 연장부로서 도 4에 잘 도시된 바와 같이 내부 플랜지(8)상에 위치된다. 플레이트(6)는 지점(13)에서 리브(12)에 용접되어 조인트(5) 영역의 어느 한 측에서 상당한 거리를 두고 부드러운 테이퍼 형태로 연장한다. 이에 따라 브래킷(6)은, 조인트(5) 영역에서의 웨브(9)의 불연속이 조인트의 강도를 약화시키지 못하도록 한다. 또한, 브래킷(6)의 형상은, 지주(3)로부터 주기적 하중이 전달될 때 브래킷의 자유 에지에 크랙이 형성되지 않도록 한다. 또한, 내부 용접부(10)의 영역에 크랙이 형성되고 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 용접부에 인접한 리브(12)와 브래킷(6)에 제2 개구(14)가 형성된다.
지주(3)가 브래킷에 부착되기 전에 브래킷(6)이 리브(12)에 용접되는 것이 바람직하다. 또한, 제조적으로 유리한 측면에서 볼 때, 브래킷(6)은 두 개의 대칭 부분으로 분리될 수 있는바, 각각의 브래킷 부분은 보 섹션들이 조인트(5)에서 결합되기 전에 각 보 섹션(4)에 용접되고, 브래킷 부분들은 지주(3)에 부착되기 전에 함께 용접된다. 상기 지주는, 예를 들어 지주의 웨브(15)의 일 측 또는 양측에서 수단(미도시)에 의해 브래킷(6)에 부착될 수 있다. 이에 의해, 주로 지주(3)의 각 플랜지(16)와 브래킷(6) 사이의 접촉 영역에 형성되는 마찰력인 힘이 지주(3)와 브래킷(6) 사이에 발생된다(도 2는 지주(3)가 I형 보 형태인 경우를 도시).
도 4는 도 3의 라인 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취해진 확대도이다. 이 도면은, 도 2에 도시된 탱크의 상부 좌측 코너의 확대부로도 여겨질 수 있다.
이 도면은 용접부(17)에 의해 외부 플랜지(7)와 내부 플랜지(8)의 인접한 종방향 에지를 따라 함께 결합된 두 개의 보 섹션(4)을 도시한다. 플랜지(7)와 플랜지(8) 사이에서 연장하는 웨브(9)는 웨브에 형성된 개구(11)로서도 인식될 것이다. 내부 플랜지(8)의 내측에, 각 웨브(9)의 연장부로서 리브(12)가 있고, 리브(12)와 각 브래킷(6) 사이에 용접부(13)가 있다. 이에 더해, 제2 개구(14)도 도시된다.
또한, 도 4는 볼트에 의해 2 개의 브래킷(6) 사이에 고정된 지주(3)의 단부를 도시하는바, 상기 볼트는 여기서 중심선으로만 표시되었다. 지주(3)의 단부는 내부 플랜지(8)로부터 리브(12)의 폭의 약 5배 정도의 거리를 두고 위치되며, 제2 개구(14)의 반경은 리브의 폭과 대략 동일하다. 따라서, 이러한 개구(14)에 의해 용접부(13)에의 응력 집중이 회피된다.
또한, 도 4는 약 30 m 높이의 실제 LNG 선박 탱크로부터 취해진, 다양한 구성 부품들의 상대적인 치수를 도시한다. 보 섹션(4)과 지주(3)에 대한 플랜지, 웨브, 및 리브의 두께는 10 mm 내지 12 mm이고, 플랜지(7, 8)의 폭은 400 mm이고, 이들의 경간은 270 mm이다. 웨브는 플랜지(7, 8)의 에지들 사이에서 편심으로 위치되고, 웨브(9)로부터 최근접 플랜지 에지까지의 짧은 거리는 다른 플랜지 에지까지의 긴 거리의 약 절반이다. 이로 인해, 화물로부터 정수압(hydrostatic pressure)을 받을 경우 내벽(2)의 변곡점 부근에 용접부(17)가 형성되게 된다. 이러한 관점에서 볼 때, 플랜지의 편심률은 매우 커질 수 있지만, 본 발명에서는, 바람직하게는 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 용접부(17)를 형성하기에 충분한 공간을 제공하도록, 웨브(9)와 용접부(17) 사이의 짧은 거리가 선택되었다.
본 발명의 목적에 따르면, 탱크의 코너에서의 응력 집중 및 피로 크랙 전달을 피하는 것도 중요하다. 따라서 보 섹션의 웨브와 플랜지가 서로 용접되는 단순 이음 조인트는 만족스럽지 못할 것이다. 따라서, 본 발명은 이러한 목적을 위해 특별한 연결 피스 또는 보를 제안한다. 도 5는, 도 6에 도시된 전이 피스(19)를 형성하기 위해 함께 용접되기 전, 대칭 배치를 형성하도록 위치된 두 개의 동일한 보 섹션(18)을 도시한다. 이 부분(18)들은 사출 성형된 알루미늄 재료로 제조되는바, 보(19)를 직접 사출 성형하지 않고 상기 두 개의 보를 함께 용접하는 이유는 직각 삼각형 형상의 중공부(20)를 갖는 보를 사출 성형하기란 매우 어렵기 때문이다. 삼각형부(20)의 짧은 측면은 삼각형부로부터 연장하는 평행한 레그(21, 22)를 구비하는바, 상기 레그들 사이의 간격은 보 섹션(4)의 웨브(9)의 폭과 동일하다.
도 7은 전이 피스(19)가 탱크의 측벽과 지붕(23) 사이의 코너에 삽입되는 방법을 도시한다. 이때, 지붕은 탱크의 벽의 보 섹션(4)과 동일한 보 섹션으로 형성된다. 또한, 웨브(9)는 용접 영역으로부터 멀어지는 방향으로 오목하게된다.
도 8은 탱크의 측벽들 사이의 수직 코너에 특히 적합한 단순한 코너 해결책을 제안한다. 이 해결책은 이음 조인트에 기초하고, 보 섹션(4)의 웨브(9)는 보들 사이의 다른 조인트에서의 경우와 같이 오목하게되며, 이러한 오목부에 의한 약화는 함께 결합될 플랜지(7, 8)의 단부면들 사이에 평평한 플레이트(24)를 위치시킴으로 상쇄된다.
본 발명은 도면에 도시되어 전술된 예시적 실시예로 제한되어서는 안 되며, 첨부된 청구항의 범위 내에서 수정 및 변형될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 용접 및 볼트 결합 외에, 예를 들어, 접착(gluing) 또는 리벳 고정(riveting) 등의 탱크 요소의 결합 수단이 사용될 수 있다. 또한, 결합될 단부면에서, 보 섹션들의 작은 치수 차이 또는 근소한 뒤틀림으로 인한 악영향을 줄이기 위해, 예를 들어 I-보 섹션 형태의 전이 피스가 상기 면들 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, I-보 섹션의 일 측에서 용접 영역에 제2 개구가 갖춰져야 한다.

Claims (14)

  1. 외벽(1), 내벽(2), 및 탱크에 수납된 유체에 의해 상기 벽들에 가해지는 힘을 억제하는 횡방향 내부 지주(3)를 구비한 각기둥형 탱크로서, 상기 벽(1, 2)은 웨브(9)에 의해 상호 연결된 두 개의 평행한 플랜지(7, 8)를 구비한 횡방향 보 섹션(4)으로 형성되고, 상기 보 섹션(4)들은 서로 적층되어 플랜지(7, 8)의 인접한 종방향 에지를 따라 용접부(17)에 의하여 단부면에서 함께 결합되며, 상기 단부면은 보 섹션(4)의 다른 단부면 또는 연결 피스(19, 24)와 접하는 각기둥형 탱크에 있어서,
    다른 보 섹션(4) 또는 연결 피스(19, 24)와 접하는 보 섹션(4)의 웨브(9)의 단부면은 상기 단부면과 접합 보 섹션(4) 또는 연결 피스(19, 24) 사이에 제1 개구(11)를 형성하도록 오목하게되는 것을 특징으로 하는
    각기둥형 탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개구(11)는 둥근 윤각을 갖는
    각기둥형 탱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 복수 개의 상기 지주(3)는 접합 보 섹션(4)들 사이의 조인트(5) 위치에서 상기 조인트(5)의 측으로 연장하는 하나 이상의 브래킷에 의해 각 내벽(2)에 연결되는
    각기둥형 탱크.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 조인트(5)에 인접한 브래킷(6)에 제2 개구(14)가 형성되는
    각기둥형 탱크.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보 섹션(4)들 중 적어도 일부는 웨브(9)의 외부 연장부로서 배치되는 리브(12)를 구비하며, 상기 브래킷(6)은 상기 리브(12)에 연결되고 상기 제2 개구(14)는 상기 리브(12) 내로 연장되는
    각기둥형 탱크.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 지주(3)는 상기 내벽(2)으로부터 일정 거리를 두고 상기 하나 이상의 브래킷(6)에 연결되는
    각기둥형 탱크.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보 섹션(4)들 중 적어도 일부의 웨브(9)는 보 섹션의 플랜지(7, 8)의 종방향 에지들에 대해 편심으로 위치되는
    각기둥형 탱크.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    I-보 섹션이, 결합될 보 섹션(4)의 단부면들 사이에 연결 피스를 형성하는
    각기둥형 탱크.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    탱크의 코너는 연결 피스(19, 24)를 포함하며, 상기 연결 피스(19, 24)는 힘 및 굽힘 모멘트를 전달하는 한편 연결 피스에 연결되는 보 섹션(4)의 웨브(9)가 오목부를 갖도록 하는
    각기둥형 탱크.
  10. 제9항에 있어서,
    연결 피스(19)는 직각 삼각형 형상의 중공부(20) 및 삼각형의 짧은 측면의 끝단들로부터 직각으로 연장하는 평행한 레그(21, 22)를 포함하는
    각기둥형 탱크.
  11. 제10항에 있어서,
    연결 피스(19)는 삼각형의 꼭지점 및 밑변의 중심에서 함께 용접되는 두 개의 대칭 부분(18)에 의해 형성되는
    각기둥형 탱크.
  12. 제9항에 있어서,
    보 섹션(4)은 이음 조인트로 코너에서 결합되며, 연결 피스는 보 섹션(4)의 플랜지(7, 8)가 용접되는 평평한 플레이트(24)이며, 보 섹션(4)의 웨브(9)는 상기 평평한 플레이트(24)로부터 멀어지는 방향으로 오목하게되는
    각기둥형 탱크.
  13. 제6항에 있어서, 상기 연결은 사전에 응력이 가해진 볼트(16)에 의한 연결을 포함하는
    각기둥형 탱크.
  14. 제1항에 있어서, 용접부(17)의 적어도 일부는 탱크에 수납된 유체로부터 정수압을 받는 경우 내부 플랜지(8)의 변곡점 부근에 위치되는
    각기둥형 탱크.
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