KR101652283B1 - 이중 압력용기의 제작방법 - Google Patents

이중 압력용기의 제작방법 Download PDF

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Abstract

이중 압력용기의 제작방법이 개시된다. 본 발명의 이중 압력용기 제작방법은, 외조의 바디를 수평방향으로 배치하는 단계, 상기 외조의 바디 내측에, 내주면의 적어도 일부가 돌출된 단열층을 설치하는 단계, 상기 단열층의 내측에 제1 내조 바디를 배치하되, 상기 제1 내조 바디의 단부를 상기 단열층의 돌출된 부분 일측에 접촉되도록 결합시키는 단계, 상기 단열층의 내측에 상기 제1 내조 바디와 원주방향으로 이격되게 제2 내조 바디를 배치하되, 상기 제2 내조 바디의 단부를 상기 단열층의 돌출된 부분 타측에 접촉되도록 결합시키는 단계 및 상기 제1 내조 바디와 제2 내조 바디의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재를 용접하는 단계를 포함한다.

Description

이중 압력용기의 제작방법{MANUFACTURING METHOD OF DOUBLE WALL PRESSURE VESSEL}
본 발명은 이중 압력용기의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 내조보다 외조를 두껍게 형성하여 외조가 내부 압력에 의한 내조의 변형을 방지하도록 이루어지는 이중 압력용기의 제작방법에 관한 것이다.
초저온용기는 -50℃ 이하인 액화가스를 충전하기 위한 용기로서, 액화질소, 액화산소, 액화아르곤, 액화천연가스 등을 충전하는데 사용되고 있다.
액화천연가스를 저장하거나 수송하는데 사용되는 초저온용기는 원통형의 이중진공단열 방식이 사용되며, 현재 상용화되어 있는 이중 압력용기는 내조가 액화천연가스에 접하여 액중량에 견디고 외조는 내조와의 사이에 열차폐층을 만들어 비활성기체(不活性氣體)나 단열재를 유지하거나 2차적 방호벽의 구실을 하고 있다.
내조는 －162℃의 저온에 견딜 수 있는 재료, 예를 들면, 알루미늄이나 9% 니켈강 등을 사용하며 외조는 보통 탄소강을 사용한다. 저온에 견딜 수 있는 재료는 상대적으로 강도가 약하기 때문에 내부 압력에 견디기 위해서는 매우 두꺼워져야 하며, 재료가 고가이므로 무게나 가격 면에서 어려움이 있다.
최근에는 이를 보완하기 위해 내조는 저온에 견딜 수 있는 역할만 하도록 얇게 하고 외조를 액중량에 견디는 역할을 하도록 두껍게 형성하는 이중 압력용기가 제안되고 있다.
이 개념의 압력용기는 외조가 내조의 변형을 구속함으로써 내부 압력에 의한 내조의 파괴가 방지되며, 이에 따라 압력용기 전체의 무게도 줄이고 가격도 낮출 수 있는 이점이 있다.
그러나, 이러한 개념의 압력용기를 제작할 때, 기존의 압력용기와 다른 제작상의 어려움이 발생할 수 있다.
기존 압력용기는 내조가 두껍게 형성되어 그 자체로 강성이 있기 때문에 내조를 완성한 후 단열재를 포함한 단열층을 내조의 외측에 설치하였으며, 외조는 단열층의 외주면에 설치하였다. 이때 외조는 액중량에 견디는 역할이 없기 때문에 상술한 제작과정에 큰 문제가 없었다.
그러나, 내조는 저온에 견딜 수 있는 역할만 하도록 얇게 하고 외조를 액중량에 견디는 역할을 하도록 두껍게 형성하는 이중 압력용기는, 내조가 강도에 취약하기 때문에 기존의 압력용기와 같은 순서대로는 제작할 수가 없다.
따라서, 외조를 먼저 제작한 후 외조의 내측에 단열층을 부착하고, 마지막으로 내조를 단열층의 내측에 설치해야 한다. 단열층의 내주면과 내조의 외주면 간의 간격이 클수록 결합작업은 수월하게 이루어지지만, 단열층의 내주면과 내조의 외주면 간의 간격이 커지면 내조가 변형할 수 있는 공간이 그만큼 커지므로 내조가 쉽게 변형되거나 파손될 위험성 또한 커지게 되는 문제점이 있다.
이와 반대로 단열층과 내조 간의 간격이 작으면 결합작업이 무척 어려워지며, 특히 압력용기의 길이가 길수록 결합작업의 어려움은 더욱 가중된다. 이상적으로는 단열층과 내조 사이에 간격이 전혀 없이 정확하게 일치하는 것이 압력용기의 성능 및 안전성 측면에서 가장 유리하지만, 실제 작업에서는 제한을 받을 수밖에 없는 상황이다.
본 발명의 목적은, 외조의 내측에 단열층을 부착한 후 내조를 결합하더라도 단열층의 내주면에 내조의 외주면을 용이하게 밀착하여 설치할 수 있도록 이루어지는 이중 압력용기의 제작방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 내조, 외조 및 상기 내조와 외조 사이의 단열층을 포함하고, 액화가스를 저장하는 이중 압력용기로서, 상기 외조는 상기 내조보다 두껍게 형성되고, 원통형의 바디 및 상기 바디의 양단부에 형성되는 헤드를 포함하며, 상기 내조는 원주방향을 따라 서로 이격되는 제1 내조 바디와 제2 내조 바디 및 상기 제1 내조 바디와 상기 제2 내조 바디를 연결하는 복수의 연결부재를 포함하는 이중 압력용기에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 외조의 바디는 지면에 수평으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 연결부재는 상기 내조의 원주방향으로 신축되는 주름부를 포함할 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 외조의 바디를 수평방향으로 배치하는 단계; 상기 외조의 바디 내측에 단열층을 설치하는 단계; 상기 단열층의 내측에 제1 내조 바디를 배치하는 단계; 상기 단열층의 내측에 상기 제1 내조 바디와 원주방향으로 이격되게 제2 내조 바디를 배치하는 단계; 및 상기 제1 내조 바디와 제2 내조 바디의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재를 용접하는 단계를 포함하는 이중 압력용기의 제작방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 본 발명에 따른 이중 압력용기의 제작방법은, 상기 제1 내조 바디와 제2 내조 바디가 이격된 사이에 구비된 상기 단열층의 내열성을 높이는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이중 압력용기의 제작방법은, 상기 제1 내조 바디와 제2 내조 바디가 이격된 사이에 단열재를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 내조의 바디가, 원주방향을 따라 서로 이격되는 제1 내조 바디와 제2 내조 바디 및 제1 내조 바디와 제2 내조 바디의 단부를 연결하는 복수의 연결부재를 포함하여 이루어짐에 따라, 외조의 내측에 단열층을 부착한 후 내조를 결합하더라도 단열층의 내주면에 내조의 외주면을 용이하게 밀착하여 설치할 수 있도록 이루어지는 이중 압력용기의 제작방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 이중 압력용기의 사시도.
도 2는 도 1의 이중 압력용기의 횡단면도.
도 3은 도 2의 이중 압력용기의 횡단면도의 요부확대도.
도 4 내지 도 8은 도 1의 이중 압력용기의 제작방법을 나타내는 횡단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 이중 압력용기의 사시도, 도 2는 도 1의 이중 압력용기의 횡단면도, 도 3은 도 2의 이중 압력용기의 횡단면도의 요부확대도, 도 4 내지 도 8은 도 1의 이중 압력용기의 제작방법을 나타내는 횡단면도.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이중 압력용기(1)는, 외조(20)의 내측에 단열층(30)을 부착한 후 내조(10)를 결합하더라도 단열층(30)의 내주면에 내조(10)의 외주면을 용이하게 밀착하여 설치할 수 있도록 이루어지며, 내조(10), 외조(20) 및 단열층(30)을 포함하여 구성된다. 외조(20)는 새들(S, saddle)에 의해 지면으로부터 지지된다.
도 2를 참조하면, 내조(10)는 저온 취성(cold brittleness)이 우수한 재료로 형성되어 저온의 액화가스와 접하며 기밀을 유지하고, 외조(20)는 액화가스의 높은 압력 및 하중을 견디도록 두껍게 형성되어 내조(10)의 바깥에서 내조(10)의 변형 및 파손을 방지한다.
단열층(30)은 내조(10)와 외조(20) 사이에 형성되어 내조(10)와 외조(20) 간 열의 이동을 차단한다. 내조(10)와 외조(20) 사이에 형성되는 단열층(30)은 단열재(미도시) 및 프레임(미도시)을 포함하여 구성된다.
도시되지는 않았으나, 프레임은 내조(10)와 외조(20) 간 간격을 형성하는 구성으로서, 내조(10)의 외주면에 접하는 제1 프레임(미도시), 외조(20)의 내주면에 접하는 제2 프레임(미도시) 및 제1 프레임과 제2 프레임을 연결하는 지지프레임(미도시)을 포함하여 이루어질 수 있다. 내조(10)의 내주면에 가해지는 액화가스의 중량 및 압력은 프레임 및 단열재를 통해 외조(20)로 전달된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내조(10) 및 외조(20) 각각은 바디(11, 21) 및 헤드(22)를 포함하여 이루어진다.(내조(10)의 헤드는 미도시됨.) 바디(11, 21)는 원통형으로 형성되고 헤드(22)는 반구형 또는 준타원형으로 이루어져 바디(11,21)의 양단부에 각각 결합된다.
본 발명의 이중 압력용기(1)는, 내조(10)의 바디가 2 이상의 내조 바디(11) 및 이를 연결하는 2 이상의 연결부재(C)를 포함하여 구성된다. 아래에서는 4개의 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4) 및 4개의 연결부재(C)로 구성되는 것으로 설명하고자 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 압력용기(1)는, 제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3), 제4 내조 바디(11-4) 및 연결부재(C)를 포함하여 구성된다.
제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3) 및 제4 내조 바디(11-4)는 원주방향을 따라 서로 이격된 상태에서 각각 단열층(30)의 내주면에 밀착되는 구성으로서, 원통이 축을 중심으로 90도의 등각으로 4등분 된 후 서로 마주보는 각각의 단부를 일정간격 제거한 형태로 이루어진다. 즉, 제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3) 및 제4 내조 바디(11-4)는 서로 동일한 형태 및 크기로 형성된다.
제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3) 및 제4 내조 바디(11-4)의 서로 마주보는 단부는 연결부재(C)의 양단부와 결합된다.
연결부재(C)는 제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3) 및 제4 내조 바디(11-4)의 서로 마주보는 단부를 각각 연결하는 구성으로서, 내조 바디(11)의 길이방향으로 길게 형성된다. 바람직하게는, 연결부재(C)는 그 외주면의 곡률반경이 내조 바디(11)의 내주면의 곡률반경과 일치하는 원통의 일부분으로 이루어지며, 이에 따라 연결부재(C)의 양단부 외주면은 서로 이격된 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)의 단부 내주면에 각각 밀착된다.
연결부재(C)의 양단부는 제1 내조 바디(11-1), 제2 내조 바디(11-2), 제3 내조 바디(11-3) 및 제4 내조 바디(11-4)의 서로 마주보는 단부의 내주면에 용접되어 결합된다. 바람직하게는, 연결부재(C)의 양단과 내조 바디(11)의 내주면은 필릿(fillet welding) 용접된다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이에 구비된 단열층(30)은 그 주변보다 내열성을 높게 형성할 수 있다.
내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이는 연결부재(C)에 의해 연결되지만, 압력용기(1)를 오랜 기간 사용하게 되면 용접부위를 통한 열전달이 미세하게 증가할 수 있으며, 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이에 구비된 단열층(30)의 내열성을 높게 형성하면 열전달을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)가 이격된 사이에 구비된 단열층(30)에는 단열재의 충전율을 주변부보다 높이거나 단열성능이 높은 단열재로 충전함으로써 내열성을 높게 형성한다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이에 단열재(40)를 충전할 수 있다.
내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 부분이 비게 되면, 연결부재(C)에는 액화가스의 압력 및 하중에 의한 압력에 의해 소성변형이 발생할 수 있으며, 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이에 단열재(40)를 충전하면 상술한 연결부재(C)의 소성변형을 방지함과 동시에 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이의 단열성능이 향상되는 이점이 있다.
도시되지는 않았으나, 단열층(30)을 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이로 돌출되게 형성할 수도 있다. 단열층(30)을 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이로 돌출되게 형성하면, 내조 바디(11)의 조립시 내조 바디(11)의 결합위치가 정해지게 되며, 이에 따라 내조 바디(11)의 결합과정이 용이해지고, 내조 바디(11)를 돌출된 단열층(30) 사이에 삽입한 상태에서 연결부재(C)를 결합하면 내조 바디(11)의 유동이 방지되어 연결부재(C)의 용접이 수월해지는 이점이 있다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 연결부재(C)에는 내조 바디(11-1,11-4)가 이격된 사이로 인입되는 주름이 형성될 수도 있다.
내조(10)는 액화가스의 저장시 저온의 액화가스에 의해 수축되고 액화가스가 배출되면 내부 온도의 상승에 의해 다시 팽창된다. 연결부재(C)에 길이방향의 주름을 형성하면 내조(10)의 팽창과 수축시 연결부재(C)의 주름부가 내조(10)의 원주방향으로 신축됨으로써 내조(10)의 팽창 및 수축에 의한 변형 및 내부응력의 형성이 방지된다.
물론, 연결부재(C)에는 주름이 내조 바디(11)의 중심을 향하여 돌출되게 형성될 수도 있으며, 내조 바디(11)의 중심 및 그 반대쪽으로 돌출되는 2 이상의 주름으로 이루어질 수도 있다.
도 3(d)에 도시된 바와 같이, 내조 바디(11-1,11-4)의 단부를 연결하는 연결부재(C)를 단열층(30) 쪽에 더 형성할 수도 있다.
단열층(30) 쪽에 더 형성되는 연결부재(이하 '추가부재(A)'로 지칭)는 그 내주면의 곡률반경이 내조 바디(11)의 외주면의 곡률반경과 일치하는 원통의 일부분으로 이루어지며, 이에 따라 추가부재(A)의 양단부 내주면은 서로 이격된 내조 바디(11)의 단부 외주면에 각각 밀착된다.
내조 바디(11-1,11-4)의 단부는 각각 추가부재(A)의 내주면에 용접되어 결합된다. 내조 바디(11-1,11-4)의 끝단은 추가부재(A)의 내주면과 필릿(fillet welding) 용접된다.
단열층(30)에는 추가부재(A)가 삽입되는 홈이 단열층(30)의 길이방향을 따라 형성된다. 추가부재(A)는 단열층(30)에 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)를 결합하기 전에 단열층(30)의 홈에 미리 삽입되며, 내조 바디(11)가 배치된 후에 내조 바디(11)의 끝단과 용접된다. 추가부재(A)는 단열층(30)에 삽입된 상태로 제작될 수도 있다.
도 4 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 압력용기(1)의 제작방법은 아래와 같이 이루어진다. 상술한 바와 같이, 내조 바디(11)는 2 이상으로 이루어지며, 아래에서는 내조 바디(11)가 4개로 이루어진 경우를 일례로써 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 내조(10), 외조(20) 및 단열층(30)의 제작이 완료되면, 외조의 바디(21)를 수평방향으로 배치하는 단계가 이루어진다. 외조의 바디(21)는 새들(S) 또는 임시 거치대에 거치된다.
외조의 바디(21)가 수평방향으로 배치되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 외조의 바디(21) 내측에 단열층(30)을 설치하는 단계가 이루어진다. 구체적으로 도시되지는 않았으나, 외조의 바디(21) 내주면에는 단열층(30)을 구성하는 프레임 및 단열재가 밀착되게 결합된다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)가 이격된 사이에 구비된 단열층(30)의 내열성을 높이는 경우, 외조의 바디(21) 내측에 단열층(30)을 설치하는 단계의 전후에 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)가 이격된 사이에 구비된 단열층(30)의 내열성을 높이는 단계가 실시된다.
외조의 바디(21) 내측에 단열층(30)이 설치된 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 단열층(30)의 내측에 제1 내조 바디(11-1)를 배치하는 단계가 이루어진다. 복수의 내조 바디(11-1,11-2,11-3,11-4)는 단열층(30)의 내측 아래쪽부터 배치되고 점점 위쪽으로 배치되어 결합되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 내조 바디(11-1)가 배치되는 부분은 단열층(30)의 내주면에 미리 표시되는 것이 바람직하다.
제1 내조 바디(11-1)의 배치 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 단열층(30)의 내측에 제2 내조 바디(11-2)를 제1 내조 바디(11-1)와 원주방향으로 이격되게 배치하는 단계가 이루어진다. 제2 내조 바디(11-2)가 배치되는 부분은 단열층(30)의 내주면에 미리 표시되는 것이 바람직하며, 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2)의 이격된 간격은 연결부재(C)의 원주방향 길이보다 짧아야 한다.
제2 내조 바디(11-2)의 배치가 완료되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2)의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계가 이루어진다. 연결부재(C)의 외주면을 제1 내조 바디(11-1) 및 제2 내조 바디(11-2)의 단부 내주면에 밀착시킨 후, 연결부재(C)의 양단과 제1 내조 바디(11-1) 및 제2 내조 바디(11-2)의 내주면 간 필릿 용접이 실시된다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2)가 이격된 사이에 단열재(40)를 충전하는 경우, 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2)가 이격된 사이에 단열재(40)를 충전하는 단계는 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계 이전에 실시된다.
한편, 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 내조 바디(11)의 단부를 연결하는 추가부재(A)를 단열층(30) 쪽에 형성하는 경우, 내조 바디(11)의 단부를 연결하는 추가부재(A)를 단열층(30) 쪽에 형성하는 단계는 외조의 바디(21) 내측에 단열층(30)을 설치하는 단계의 전후에 실시되며, 추가부재(A)와 내조 바디(11) 간의 용접은 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계 이전에 실시된다.
도 2를 참조하면, 이후에는 단열층(30)의 내측에 제3 내조 바디(11-3)를 제2 내조 바디(11-2)와 원주방향으로 이격되게 배치하는 단계, 제2 내조 바디(11-2)와 제3 내조 바디(11-3)의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계, 단열층(30)의 내측에 제4 내조 바디(11-4)를 제1 내조 바디(11-1) 및 제3 내조 바디(11-3)와 각각 원주방향으로 이격되게 배치하는 단계, 제3 내조 바디(11-3)와 제4 내조 바디(11-4)의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계, 제1 내조 바디(11-1)와 제4 내조 바디(11-4)의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재(C)의 양단부를 용접하는 단계가 차례대로 실시된다.
본 발명에 의하면, 내조의 바디(10)가, 원주방향을 따라 서로 이격되는 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2) 및 제1 내조 바디(11-1)와 제2 내조 바디(11-2)의 단부를 연결하는 복수의 연결부재(C)를 포함하여 이루어짐에 따라, 외조(20)의 내측에 단열층(30)을 부착한 후 내조(10)를 결합하더라도 단열층(30)의 내주면에 내조(10)의 외주면을 용이하게 밀착하여 설치할 수 있도록 이루어지는 이중 압력용기(1) 및 이의 제작방법을 제공할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 이중 압력용기 10 : 내조
20 : 외조 30 : 단열층
40 : 단열재 21 : 외조의 바디
11 : 내조의 바디 22 : 외조의 헤드
11-1 : 제1 내조 바디 S : 새들
11-2 : 제2 내조 바디
11-3 : 제3 내조 바디
11-4 : 제4 내조 바디
C : 연결부재
A : 추가부재

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 외조의 바디를 수평방향으로 배치하는 단계;
    상기 외조의 바디 내측에, 내주면의 적어도 일부가 돌출된 단열층을 설치하는 단계;
    상기 단열층의 내측에 제1 내조 바디를 배치하되, 상기 제1 내조 바디의 단부를 상기 단열층의 돌출된 부분 일측에 접촉되도록 결합시키는 단계;
    상기 단열층의 내측에 상기 제1 내조 바디와 원주방향으로 이격되게 제2 내조 바디를 배치하되, 상기 제2 내조 바디의 단부를 상기 단열층의 돌출된 부분 타측에 접촉되도록 결합시키는 단계; 및
    상기 제1 내조 바디와 제2 내조 바디의 서로 이격된 길이방향 단부에 연결부재를 용접하는 단계를 포함하는 이중 압력용기의 제작방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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