KR101652254B1 - 초저온 유체 저장탱크 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철판을 가공하여 제작되는 가저장탱크 제조단계, 상기 가저장탱크에서 제조된 가저장탱크 내부에 일정 압력 이상의 유체를 공급하여 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계 및 상기 단계에 의해 신장시킨 가저장탱크 내부에 공급된 유체를 제거하는 단계를 포함하는, 초저온 유체 저장탱크 제조방법으로서, 본 발명은 초저온 유체를 저장하기 위한 저장탱크를 제작함에 있어서, 요구되는 기준에 부합되면서도 기존에 비해 제조단가에 있어서 보다 경제적인 저장탱크를 제조할 수 있게 한다.

Description

초저온 유체 저장탱크 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF STORAGE TANK FOR FOR CRYOGENIC LIQUID}

본 발명은 저장탱크를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 액화천연가스와 같은 초저온 유체를 저장하기 위한 저장탱크를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전세계적으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에너지로서의 장점 때문에 꾸준히 증가하는 추세이며, 특히 국내에서도 경제 규모의 증대에 힘입어 그 사용량이 증가하고 있다.

천연가스는 운반 및 저장의 편의를 위해서 액화시켜서 저장 및 운반되는 것이 일반적이다.

천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃이므로, 천연가스를 냉각시켜서 이를 액화시키고, 액화된 액화천연가스는 약 1/600로 그 부피를 줄일 수가 있다.

이러한 액화천연가스는 그 온도가 약 -163℃ 이하의 초저온 유체이므로, 이를 저장하기 위한 저장탱크는 초저온을 견딜 수 있는 재질로 특수 제작된다.

액화온도가 약 -196℃인 액화질소(N₂), 액화산소(O₂), 액화아르곤(Ar) 등의 액화가스와 액화천연가스(LNG)를 압축시킨 CNG 또한 이와 같이 특수 제작되는 초저온 저장탱크를 필요로 한다.

이를 위한 초저온 저장탱크는 스테인레스 스틸(Stainless Steel)을 이용하여 둘레 및 상부와 하부를 별도 제작한 후 이를 용접함으로써 제작되고, 제작 후 탱크의 수밀 여부의 검사를 위해서 내부에 액체를 주입시켜서 내압 성능을 테스트하고 수밀 여부를 검사하게 된다.

1. 한국등록특허공보 제10-1335379호

본 발명은 초저온 유체를 저장하기 위한 저장탱크를 제작함에 있어서, 요구되는 기준에 부합되면서도 기존에 비해 제조단가에 있어서 보다 경제적인 저장탱크를 제조할 수 있는 방법을 구현하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크 제조방법은, 초저온 유체 저장탱크 제조방법은, 철판을 가공하여 제작되는 가저장탱크 제조단계, 상기 가저장탱크에서 제조된 가저장탱크 내부에 일정 압력 이상의 유체를 공급하여 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계 및 상기 단계에 의해 신장시킨 가저장탱크 내부에 공급된 유체를 제거하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계에서 공급되는 유체는 상온의 물인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계는, 상온의 물을 단계적으로 공급하여 단계적으로 신장시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 가저장탱크는 정해진 초저온 유체 저장탱크의 크기에서 상기 철판의 신장율을 고려한 크기에 따라 제작하는 것을 보다 구체적인 특징으로 한다.

이에 의해 제조되는 초저온 유체 저장탱크는 설정된 철판의 두께에 따라 제조되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

한편, 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계에서 공급되는 유체의 압력은 가저장탱크의 철판 두께에 따른 철판의 항복점 이상으로 공급되고, 상기 철판이 정해진 두께만큼 신장될 때까지 공급되는 것을 한다.

그리고, 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계에 의해 철판이 신장되는 변화량을 관측하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 유체를 제거하는 단계는 상기 관측하는 단계에 의해 철판이 신장되는 변화량이 일정 이하가 되면 진행하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 철판은 오스트나이트계 스테인레스 강인 것을 또한 특징으로 한다.

본 발명의 초저온 유체 저장탱크의 제조방법에 의하면,

기존의 저장탱크의 제작에 비해서, 철강의 두께가 감소되면서 대략 3~10% 정도로 신장시킴으로써 저장탱크의 철판 소요가 획기적으로 감소되고, 그에 따라 제조 원가를 혁신적으로 줄일 수 있어 경제적이다.

또한, 저장탱크의 중량도 감소되어 운반 및 처리에 보다 유리하다.

그리고, 기존의 수압 및 수밀 테스트를 별도로 진행할 필요가 없는데도 불구하고, 수압 및 수밀 테스트가 기존에 비해 보다 정확하다.

도 1은 본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방법을 개념적으로 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방법은, 기존과 다른 방법에 의해서 저장탱크를 제조할 수 있게 함으로써, 제조원가 및 단가를 줄이면서도 초저온 유체 저장탱크로서의 특성을 유지하며, 별도의 내압 및 수밀 테스트를 진행할 필요가 없게 한다.

그리고, 이러한 본 발명에 의해 제작되는 초저온 유체 저장탱크는 초저온 특성을 갖는 유체, 즉 액화천연가스(LNG), 액화온도가 약 -196℃인 액화질소(N₂), 액화산소(O₂), 액화아르곤(Ar) 등의 액화가스와 CNG(Compressed Natural Gas) 등을 저장하기 위한 탱크로서 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방식을 도시한 것으로서, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방법은, 가저장탱크를 제조하여 이를 신장시킨 후, 공급된 유체를 제거하는 단계에 의해 제조된다.

가저장탱크(10)는 신장시킬 크기를 감안하여 신장 전 임시의 크기로 제조되는 탱크로서, 철판 재질을 탱크 모양과 크기에 따라 가공하여 미리 제작된다.

본 발명의 일 실시예에서의 탱크의 재질은 오스트나이트계 스테인레스 강(Austenitic Stainless steel)이 적용된다.

오스트나이트계 스테인레스 강(AISI)은 우수한 극저온 기계적/피로 특성을 지니고 있어, 이를 이용하여 초저온 유체 저장탱크를 제조한다.

대신 오스트나이트계 스테인레스 강은 알루미늄 등과 같은 재료에 대비해서 그 중량이 크므로, 타 재료를 사용하는 경우에 비해 제조원가는 높다.

본 발명은 이러한 우수성을 갖는 오스트나이트계 스테인레스 강을 사용하는 대신, 그 중량 문제를 보완하여 원자재량을 줄일 수 있도록 하는 제조방법인 것이다.

한편, 이러한 저장탱크의 철강 재료의 특성은 ASME 또는 TUV 와 같은 규격을 따르게 된다.

ASME는 미국기계학회로서, 미국기계학회에서는 각종 압력용기에 대해서 설계, 제작, 성능시험 등에 관련된 사항들을 규격화해 놓고 있다.

저장탱크에 사용되는 철판에 대해서도 각 재료의 철판의 두께에 따른 허용응력을 규정해 놓고 있다.

허용응력이란 기계나 구조물 등을 안전하게 사용하는 데 허용될 수 있는 최대한도의 응력을 뜻하는 것이며, 응력이 탄성 한도를 넘는 어떤 값을 항복점이라고 한다.

즉, 오스트나이트계 스테인레스 강으로 어느 두께의 저장탱크를 제조하는 경우에 따른 허용응력과 해당하는 항복점은 ASME에 의해서 규정되어 있고, 두께가 작을수록 허용응력은 커지게 된다.

18Cr-8Ni을 주성분으로 하는 오스트나이트계 스테인레스 강의 허용응력은 138N/mm²이고, 신장될 수 있는 허용응력의 최대치는 270N/mm²이다.

이러한 허용응력의 기준에 따라서 허용응력을 늘려감에 따라 탱크는 신장되어 그 두께는 얇아지게 된다.

다음의 식에 의해서, 내부 설계 압력을 조절함으로써 두께를 설정할 수 있고, 본 발명에 따른 가저장탱크로부터 신장시켜 제작되는 초저온 유체 저장탱크는 이를 기초로 제작된다.

E : 수직 연결부에 대한 결합계수

P : 내부 설계 압력

R : 내경 길이

S : 수평 방향의 최대 허용 응력

t : 두께

E : 수평 연결부에 대한 결합계수

P : 내부 설계 압력

R : 내경 길이

S : 수직 방향의 최대 허용 응력

t : 두께

이에 의해서, 내부 설계압에 따라 허용 응력과 두께가 달리지게 되고, 내부 설계압의 조정에 의해서 허용 응력 및 두께를 설정할 수 있게 되어, 이를 고려하여 가저장탱크를 제작한다.

이와 같이 가저장탱크를 제조한 다음, 가저장탱크에 노즐을 연결하여, 노즐을 통해서 가저장탱크(10) 내부로 유체를 공급한다.

여기서의 유체는 상온의 물을 이용하여, 제조된 가저장탱크(10)의 수밀 및 수압 검사가 병행될 수 있게 한다.

상온의 물은 일정 압력 이상으로 가저장탱크(10) 내로 공급한다.

즉, 가저장탱크(10)의 철판이 신장(stretching)될 수 있도록 철판의 항복점 이상의 압력을 가한다.

항복점 이상의 압력을 가하여 제조 설계 목표에 따른 허용응력과 철판 두께에 해당되도록 압력을 가하여 신장시킨다.

이는 일시에 목표 압력을 가하는 것보다 단계적으로 공급 압력을 증가시켜 진행하는 것이 바람직하다.

이렇게 항복점 이상의 압력을 가하면 가저장탱크(10)의 철판은 신장되어 탱크의 부피는 커지게 되며, 새롭게 증가된 허용응력을 가지면서 그 두께는 얇아지게 된다.

또 다시 순차적으로 달라진 허용응력 이상을 가하여 단계적으로 철판을 신장시켜 허용응력은 순차적으로 다시 커지면서 그 두께는 계속적으로 얇아지게 한다.

이러한 과정에 의해 목표하는 두께에 해당되도록 철판이 신장되고, 그에 따라 증가된 허용압력을 갖게 된다.

나아가, 단계적 신장 과정에서 철판이 신장되는 시간당 변화량을 계속적으로 관측한다.

철판의 시간당 신장 변화를 모니터링하여, 계측된 결과 신장되는 변화량이 일정한 값 이하로 미소하게 변화되는 것이 감지되면 신장시키는 단계를 완료시키고, 물의 공급을 중단시킨다.

물의 공급을 중단시킨 후 탱크에 형성된 배수구를 통해서 내부의 물을 배수시킴으로써 신장 및 탱크 제작을 완료한다.

이상과 같이 가저장탱크(10)에 설계압력의 약 1.5 배 이상의 압력을 가함으로써, 스트레칭되는 방향으로 대략 5 내지 10% 가량 소성변형되면서 신장되고, 신장된 초저온 유체 저장탱크(20)는 신장되면서 가저장탱크(10)의 두께(T)보다 작은 두께(t)로 얇아지게 된다.

이와 같은 소성변화에 의해서 강도는 가저장탱크(10)에 비해 증가되며, 초저온 유체 저장탱크(20)의 중량이 동일한 크기의 탱크에 비해 최대 30 내지 40%가 감소되어 원자재를 대폭 줄일 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크의 제조방법은 기존과 달리, 설계상 크기의 저장탱크에 대한 신장율을 역으로 추정하여 가저장탱크를 제작한 후, 철강의 기준 항복점 이상의 수압을 가함으로써 철강의 허용응력을 높임으로써, 철강의 두께는 감소하면서 철강이 신장되게 하여 목표한 크기의 저장탱크를 제작할 수 있게 함으로써, 자재의 소모를 감소시켜 초저온 유체 저장탱크를 제작할 수 있게 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 초저온 유체 저장탱크는, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시 예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10: 가저장탱크
20: 초저온 유체 저장탱크
T: 가저장탱크의 두께
t: 초저온 유체 저장탱크의 두께

Claims (8)

1. 철판을 가공하여 제작되는 가저장탱크 제조단계;
   상기 가저장탱크 내부에 일정 압력 이상의 유체를 공급하여 상기 가저장탱크를 신장시키는 단계;
   상기 신장시킨 가저장탱크 내부로 공급된 상기 유체를 제거하는 단계;
   상기 가저장탱크를 신장시키는 단계에서 상기 유체를 단계적으로 공급하여 단계적으로 신장시키면서, 상기 철판이 신장되는 변화량을 관측하는 단계를 포함하고, 상기 유체의 공급되는 압력은 상기 가저장탱크의 철판 두께에 따른 상기 철판의 항복점 이상으로 공급되고, 상기 철판이 정해진 두께만큼 신장될 때까지 공급되며,
   상기 유체를 제거하는 단계는 상기 관측하는 단계에 의해 철판이 신장되는 변화량이 일정 이하가 되면 진행하는 것을 특징으로 하는 초저온 유체 저장탱크 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가저장탱크를 신장시키는 단계에서 공급되는 상기 유체는 상온의 물인 것을 특징으로 하는 초저온 유체 저장탱크 제조방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가저장탱크는 정해진 초저온 유체 저장탱크의 크기에서 상기 철판의 신장율을 고려한 크기에 따라 제작하는 것을 특징으로 하는 초저온 유체 저장탱크 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 철판은 오스트나이트계 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는 초저온 유체 저장탱크 제조방법.

Images