KR101458612B1 - 액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치 - Google Patents

액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치 Download PDF

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김기현
최일범
유영호
최재헌
남수현
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김민국
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 액화천연가스(LNG) 운반선 화물창의 1차 방벽을 구성하는 금속 멤브레인의 외압 지지 성능을 검사하기 위한 액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치를 개시한다. 본 발명은 베이스 플레이트, 압력백, 하우징, 충전제와 유체주입장치로 구성되어 있다. 가로 방향 주름, 세로 방향 주름과 노트부를 갖는 주름이 형성되어 있는 금속 멤브레인은 베이스 플레이트에 놓여진다. 압력백은 금속 멤브레인의 상면에 밀착되도록 배치되어 있고 가로 방향 주름, 세로 방향 주름과 노트부 각각을 수용하는 가로 방향 홈, 세로 방향 홈과 노트부 홈이 하면에 형성되어 있으며 신축성을 갖는 하부판과, 하부판의 상면에 가장자리 하면이 접합되어 있으며 하부판과의 사이에 유체를 주입할 수 있는 주입공간의 형성을 위하여 볼록부가 중앙에 형성되어 있고 볼록부의 중앙에 주입공간과 연통되도록 주입구멍이 형성되어 있으며 신축성을 갖는 상부판과, 하부판의 상면과 볼록부의 내면 각각에 주입공간의 형성을 위하여 접합되어 있는 이형 필름을 구비하며, 유체의 주입에 따라 팽창되어 주름을 가압한다. 하우징은 베이스 플레이트에 분리할 수 있도록 결합되어 있다. 볼록부를 수용하는 공간이 하우징의 하면 중앙에 형성되어 있다. 가로 방향 주름과 세로 방향 주름 각각을 수용하는 가로 방향 홈과 세로 방향 홈이 하우징의 하면에 형성되어 있다. 충전제는 볼록부의 외면과 공간의 내면 사이에 충전되어 있다. 유체주입장치는 주입공간에 유체를 주입한다. 본 발명에 의하면, 압력백에 액체를 주입하여 1차 방벽을 구성하는 금속 멤브레인의 노트부를 가압함으로써 금속 멤브레인에 대한 외압 지지 성능을 정확하고 간편하게 검사할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Description

액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치{TESTING APPARATUS FOR METAL MEMBRANE OF CARGO CONTAINMENT SYSTEM IN LIQUEFIED NATURAL GAS CARRIER}
본 발명은 액화천연가스를 저장 및 운반하기 위한 액화천연가스 운반선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차 방벽(Primary barrier)을 구성하는 금속 멤브레인(Metal membrane)의 외압 지지 성능을 검사하기 위한 액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG) 운반선의 화물창은 -165℃의 초저온 LNG를 저장 및 운반하기 위하여 구형 탱크(Spherical type tank)보다 용량이 크고 제작이 간편한 멤브레인형 탱크(Membrane type tank)가 선호되고 있다. 멤브레인형 LNG 운반선의 보냉 시스템은 프랑스의 가즈트랜스포트 이트 테크니가즈(Gaz transport et technigaz, GTT, France)사에 의하여 개발된 가즈트랜스포트 시스템(Gaz transport system)과 테크니가즈 시스템(Technigaz system)이 사용되고 있다. 가즈트랜스포트 시스템은 GTT No96으로 부르고도 있으며, 테크니가즈 시스템은 GTT 마크-Ⅲ(GTT Mark-Ⅲ) 시스템으로 부르고도 있다. 미국 특허 제7,540,395호 "밀봉 벽 구조물 및 이 구조물을 구비한 탱크(Sealed wall structure and tank furnished with such a structure)"에는 테크니가즈 시스템 LNG 운반선 화물창의 구조 및 시공방법이 개시되어 있다.
도 1과 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 테크니가즈 시스템의 LNG 운반선 화물창은 LNG 운반선을 구성하는 내벽(Inner hull: 2)의 내측에 설치되며, 1차 방벽(Primary barrier: 10), 1차 패널(Primary panel: 20), 1차 단열층(Primary insulation layer: 30), 2차 방벽(40), 2차 단열층(Secondary insulation layer: 50)과 2차 패널(60)로 구성되어 있다.
1차 방벽(10)은 LNG와 접촉되어 액밀(Liquid tightness)을 지지하는 복수의 금속 멤브레인(12)들로 구성되어 있다. 금속 멤브레인(12)들은 열변형(Heat deflection)으로 인한 수축 및 팽창을 흡수하기 위하여 격자 형태의 주름(Corrugation: 14)이 성형되어 있는 스테인리스스틸 시트(Stainless steel sheet)로 구성되어 있다. 주름(14)은 가로 방향 주름(14a), 세로 방향 주름(14b), 가로 및 세로 방향 주름(14a, 14b)의 교차 지점에 서로 교차되어 있는 노트부(Note portion: 14c)를 구비한다. 금속 멤브레인(12)들의 경계는 용접되어 있다. 1차 및 2차 패널(20, 60) 각각은 플라이우드(Flay wood), 샌드위치패널(Sandwich panel)로 구성되어 있다. 1차 및 2차 단열층(30, 50) 각각은 단열폼(Insulation foam), 예를 들면 폴리우레탄폼(Polyurethane foam)으로 구성되어 있다. 2차 패널(60)은 매스틱(Mastic: 62) 또는 수지로프(Resin rope)와 볼팅(Bolting)에 의하여 내벽(2)에 고정되어 있다.
상기한 바와 같은 종래 금속 멤브레인(12)은 주름(14)의 높이가 높을수록 열수축(Thermal shrinkage) 시 금속 멤브레인(12)의 용접부에 발생하는 응력의 크기는 감소하나, 외압에 의한 좌굴(Bucking)이 발생하기 쉽다. 따라서 금속 멤브레인(12)의 설계 시 주름(14)의 내압 성능에 대한 평가가 수반되고 있다. 최근 주름(14)의 내압 성능을 검사하기 위하여 압력백(Pressure bag)을 이용하는 외압 지지 시험장치가 개발되어 사용되고 있다. 그러나 압력백을 이용하는 외압 지지 시험장치에 의해서는 복잡한 형상을 갖는 노트부(14c)의 외부 압력 지지 성능을 검사할 수 없는 단점이 있다. 즉, 평탄한 형태의 압력백에 의하여 주름의 형태가 복잡한 노트부(14c)에 압력을 가하면, 압력백에 응력집중이 발생하여 압력백이 파손되거나 노트부(14c)에 균일한 압력을 가할 수 없었다.
한편, 금속 멤브레인(12)의 노트부(14c)를 외부 밀폐구조와 용접하여 외압 지지 성능을 시험하는 방법이 있으나, LNG 운반선의 운항 조건 하에서 금속 멤브레인이 받는 외압과 경계 조건이 다르기 때문에 정확한 성능을 측정하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 1차 방벽을 구성하는 금속 멤브레인의 외압 지지 성능을 검사하기 위한 새로운 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 금속 멤브레인의 노트부에 대한 외압 지지 성능을 정확하게 검사할 수 있는 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치가 제공된다. 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치는, 가로 방향 주름, 세로 방향 주름과 노트부를 갖는 주름이 형성되어 있는 금속 멤브레인이 놓여지는 베이스 플레이트와; 금속 멤브레인의 상면에 밀착되도록 배치되어 있고 가로 방향 주름, 세로 방향 주름과 노트부 각각을 수용하는 가로 방향 홈, 세로 방향 홈과 노트부 홈이 하면에 형성되어 있으며 신축성을 갖는 하부판과, 하부판의 상면에 가장자리 하면이 접합되어 있으며 하부판과의 사이에 유체를 주입할 수 있는 주입공간의 형성을 위하여 볼록부가 중앙에 형성되어 있고 볼록부의 중앙에 주입공간과 연통되도록 주입구멍이 형성되어 있으며 신축성을 갖는 상부판과, 하부판의 상면과 볼록부의 내면 각각에 주입공간의 형성을 위하여 접합되어 있는 이형 필름을 구비하며, 유체의 주입에 따라 팽창되어 주름을 가압하는 압력백과; 베이스 플레이트에 분리할 수 있도록 결합되어 있고, 볼록부를 수용하는 공간이 하면 중앙에 형성되어 있으며, 가로 방향 주름과 세로 방향 주름 각각을 수용하는 가로 방향 홈과 세로 방향 홈이 하면에 형성되어 있는 하우징과; 볼록부의 외면과 공간의 내면 사이에 충전되어 있는 충전제와; 주입공간에 유체를 주입하는 유체주입장치를 포함한다.
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본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치는, 압력백에 액체를 주입하여 1차 방벽을 구성하는 금속 멤브레인의 노트부를 가압함으로써 금속 멤브레인에 대한 외압 지지 성능을 정확하고 간편하게 검사할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 종래 LNG 운반선 화물창의 구성을 일례로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에서 금속 멤브레인의 구성을 부분적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속 멤브레인용 시험장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 멤브레인용 시험장치에서 금속 멤브레인 시편과 압력백의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 금속 멤브레인용 시험장치에서 압력백과 하우징의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 멤브레인용 시험장치의 압력백에서 하부판의 성형을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치(100)는 금속 멤브레인 시편(110)에 대한 외압 지지 성능을 검사한다. 금속 멤브레인 시편(110)의 주름(112)은 도 2에 도시되어 있는 금속 멤브레인(12)과 마찬가지로 가로 방향 주름(112a), 세로 방향 주름(112b), 가로 및 세로 방향 주름(112a, 112b)의 교차 지점에 형성되어 있는 노트부(112c)를 구비한다. 즉, 금속 멤브레인 시편(110)은 노트부(14c)를 중심으로 금속 멤브레인(12)을 사각형으로 절단해낸 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치(100)는 금속 멤브레인 시편(110)이 놓여지는 베이스 플레이트(Base plate: 120)와 금속 멤브레인 시편(110)의 표면에 접촉되어 압력을 부여하는 압력백(130)을 구비한다. 금속 멤브레인(12)은 베이스 플레이트(120)의 상면에 놓여 지지된다.
압력백(130)은 신축성을 갖는 하부판(132)과 상부판(134)으로 구성되어 있다. 주름(112)이 밀착되도록 수용되는 홈(136)이 하부판(132)의 하면에 형성되어 있다. 홈(136)은 가로 방향 주름(112a), 세로 방향 주름(112b)과 노트부(112c) 각각을 수용하는 가로 방향 홈(136a), 세로 방향 홈(136b)과 노트부 홈(136c)으로 구성되어 있다.
상부판(134)의 가장자리 하면은 하부판(132)의 상면에 부착되어 있다. 볼록부(138)가 하부판(132)과의 사이에 주입공간(140)을 형성하도록 상부판(134)의 중앙에 형성되어 있다. 주입구멍(142)이 볼록부(138)의 중앙에 주입공간(140)과 연통되도록 형성되어 있다.
하부판(132)과 상부판(134) 각각은 부틸고무(Butyl rubber), 실리콘, 고분자 필름 등을 소재로 제조되어 있다. 바람직하기로, 하부판(132)과 상부판(134)은 부틸 고무를 소재로 제조된다. 하부판(132)과 상부판(134)은 접착제에 의하여 접합될 수 있다. 하부판(132)과 상부판(134)이 부틸고무로 제조되어 있는 경우, 하부판(132)과 상부판(134)은 동시경화(Co-cure)에 의하여 접합될 수 있다. 즉, 부틸고무를 소재로 압력백(130)의 성형 시 부틸고무의 용융 또는 반용융 상태에서 상부판(132)의 가장자리와 상부판(134)의 가장자리를 경화시켜 접합한다.
하부판(132)과 상부판(134)의 동시경화 시 주입공간(140)의 형성을 위하여 상부판(134)의 상면과 볼록부(138)의 내면 각각에 이형 필름(144, 146)이 부착된다. 이형 필름(144, 146)은 볼록부(138)의 내면이 상부판(134)의 상면에 접합되지 않게 하여 주입공간(140)의 형태가 유지되도록 한다. 다른 실시예에 있어서, 하부판(132)과 상부판(134)은 용융 상태의 부틸고무를 접합제로 사용하여 접합시킬 수 있다.
도 6을 참조하여 하부판(132)의 제조 공정을 살펴보면, 하부판(132)은 멤브레인 시편(110)의 상면에 반경화 상태의 판재(148), 예를 들면 부틸고무판을 밀착시킨 후 가압한다. 이때, 판재(148)는 가압에 의하여 멤브레인 시편(110)의 외형과 부합하도록 성형된다. 판재(148)의 경화 후, 멤브레인 시편(110)으로부터 판재(148)를 분리하여 하부판(132)을 제조한다. 하부판(132)은 앞에서 설명한 바와 같이 상부판(134)의 하면에 접합하여 압력백(130)을 제조한다.
도 3과 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치(100)는 압력백(130)을 수용하는 하우징(150)을 구비한다. 하우징(150)은 금속을 소재로 제조되어 있다. 하우징(150)은 그 하면에 압력백(130)의 볼록부(138)를 수용하도록 형성되어 있는 공간(152)을 갖는다. 주입구멍(154)이 압력백(130)의 주입구멍(140)과 연통되도록 하우징(150)의 상면 중앙에 형성되어 있다. 하우징(150)의 하면에 가로 방향 주름(112a)과 세로 방향 주름(112b) 각각을 수용하는 가로 방향 홈(156)과 세로 방향 홈(158)이 형성되어 있다.
충전제(Filler: 160)로 에폭시수지 성형체(162)가 볼록부(138)의 외면과 공간(152)의 내면 사이에 충전되어 있다. 에폭시수지 성형체(162)는 볼록부(138)의 외면과 공간(152)의 내면 사이에 에폭시수지를 충전한 후 경화시켜 성형한다. 에폭시수지 성형체(162)는 볼록부(138)가 팽창되면서 하우징(150)의 내면에 접촉되어 파손되는 것을 방지한다.
베이스 플레이트(120)와 하우징(150)은 고정수단으로 복수의 볼트(170)들과 복수의 너트(172)들에 의하여 체결에 의하여 고정되어 있다. 볼트(170)들은 베이스 플레이트(120), 금속 멤브레인 시편(110)과 하우징(150)에 통과되어 있다. 너트(172)들은 하우징(150)을 통과하는 볼트(170)들 각각에 체결된다. 몇몇 실시예에 있어서, 고정수단은 베이스 플레이트(120)와 하우징(150)을 클램핑(Clamping)하는 클램프(Clamp)로 구성될 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치(100)는 압력백(130)의 주입공간(140)에 유체를 주입하는 유체주입장치(180)를 구비한다. 유체주입장치(180)는 유체, 예를 들면 압유(Hydraulic oil: 182)를 주입공간(140)에 주입한다. 유체주입장치(180)는 압유(182)를 저장하는 리저버(Reservoir: 184), 리저버(184)로부터 압유(182)를 펌핑(Pumping)하는 펌프(186), 펌프(186)와 하우징(150)의 주입구멍(154)을 연결하는 파이프라인(Pipeline: 188)으로 구성되어 있다. 압유의 흐름을 제어하는 밸브장치(190)와 압유(182)의 압력을 조절하는 압력조절기(192)가 파이프라인(188)에 장착되어 있다.
지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 LNG 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치에 대한 작용을 설명한다.
도 3과 도 5를 참조하면, 작업자는 베이스 플레이트(120)의 상면에 금속 멤브레인 시편(110)을 놓는다. 금속 멤브레인 시편(110)의 주름(112)이 압력백(130)의 홈(136)에 수용되도록 베이스 플레이트(120)의 상면에 하우징(150)을 놓는다. 이때, 금속 멤브레인 시편(110)의 가로 방향 주름(112a), 세로 방향 주름(112b)과 노트부(112c) 각각은 압력백(130)의 가로 방향 홈(136a), 세로 방향 홈(136b)과 노트부 홈(136c)에 수용된다.
다음으로, 작업자는 금속 멤브레인 시편(110)의 주름(112)이 압력백(130)의 홈(136)에 수용되면, 파이프라인(188)을 하우징(150)의 주입구멍(154)에 연결한다. 펌프(186)의 작동에 의하여 리저버(184)로부터 펌핑되는 압유(182)가 파이프라인(188), 하우징(150)의 주입구멍(154)과 압력백(130)의 주입구멍(142)을 통하여 주입공간(140)에 주입되면, 압유(182)의 압력에 의하여 압력백(130)이 팽창되면서 주름(112)을 가압하게 된다. 주름(112)은 압력백(130)에 의하여 부여되는 압력에 의하여 변형된다.
주름(112)의 변형은 스트레인 게이지(Strain gauge)를 금속 멤브레인 시편(110)의 하면에 부착하여 측정할 수 있다. 압력백(130)에 의하여 부여되는 압력과 스트레인 게이지에 의하여 측정되는 주름(112)의 변형에 의하여 외압 지지 성능을 검사할 수 있다. 특히, 노트부(112c)가 노트부 홈(136c)에 밀착되도록 수용되어 노트부(112c)의 외압 지지 성능을 정확하게 평가할 수 있다. 또한, 압력백(130)에 주입되는 압유의 유량을 조절하여 노트부(112c)의 동적 성능(Dynamic performance) 역시 간편하게 측정할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 1차 방벽 12: 금속 멤브레인
110: 금속 멤브레인 시편 112: 주름
120: 베이스 플레이트 130: 압력백
132: 하부판 134: 상부판
136: 홈 138: 볼록부
140: 주입공간 144, 146: 이형 필름
150: 하우징 152: 공간
160: 충전제 170: 볼트
180: 유체주입장치 182: 압유

Claims (6)

  1. 가로 방향 주름, 세로 방향 주름과 노트부를 갖는 주름이 형성되어 있는 금속 멤브레인이 놓여지는 베이스 플레이트와;
    상기 금속 멤브레인의 상면에 밀착되도록 배치되어 있고 상기 가로 방향 주름, 상기 세로 방향 주름과 상기 노트부 각각을 수용하는 가로 방향 홈, 세로 방향 홈과 노트부 홈이 하면에 형성되어 있으며 신축성을 갖는 하부판과, 상기 하부판의 상면에 가장자리 하면이 접합되어 있으며 상기 하부판과의 사이에 유체를 주입할 수 있는 주입공간의 형성을 위하여 볼록부가 중앙에 형성되어 있고 상기 볼록부의 중앙에 상기 주입공간과 연통되도록 주입구멍이 형성되어 있으며 신축성을 갖는 상부판과, 상기 하부판의 상면과 상기 볼록부의 내면 각각에 상기 주입공간의 형성을 위하여 접합되어 있는 이형 필름을 구비하며, 상기 유체의 주입에 따라 팽창되어 상기 주름을 가압하는 압력백과;
    상기 베이스 플레이트에 분리할 수 있도록 결합되어 있고, 상기 볼록부를 수용하는 공간이 하면 중앙에 형성되어 있으며, 상기 가로 방향 주름과 상기 세로 방향 주름 각각을 수용하는 가로 방향 홈과 세로 방향 홈이 하면에 형성되어 있는 하우징과;
    상기 볼록부의 외면과 상기 공간의 내면 사이에 충전되어 있는 충전제와;
    상기 주입공간에 상기 유체를 주입하는 유체주입장치를 포함하는 액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 복수의 볼트들의 체결에 의하여 상기 베이스 플레이트에 고정되어 있는 액화천연가스 운반선 화물창의 금속 멤브레인용 시험장치.
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