KR101661932B1 - 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치는 액체질소가 주입되는 적어도 하나 이상의 유입포트와 주입된 액체질소가 분사되는 복수 개의 분사홀을 포함하는 제 1 하우징; 상기 제 1 하우징과 일정 거리 이격 배치되고, 상기 제 1 하우징과 마주보는 위치에 시험편이 안착되는 안착부가 형성되는 제 2 하우징; 상기 제 2 하우징의 내측에 설치되어, 상기 시험편의 바닥면 측에 연결되어 상기 시험편의 온도 변화를 측정하는 복수 개의 온도 감지유닛; 및 상기 제 2 하우징의 내측에 상측으로 돌출되어, 상기 시험편의 바닥면을 지지하는 복수 개의 지지부재;를 포함하며, 상기 지지부재와 온도 감지유닛들은 서로 간섭되지 않도록 배치될 수 있다.
Description
본 발명은 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가를 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치에 관한 것이다.
일반적으로 천연가스는 메탄이 주성분으로 약 90~95% 정도를 차지하고 있고 이 외에 에탄, 프로판, 부탄 등이 소량 함유되어 있으며, 이런 천연가스를 액화시키면 부피가 600분의 1로 감소하게 되는데 이 상태의 천연가스를 액화천연가스라고 한다.
액화천연가스는 대기압 상태에서 액화 온도가 약 -163℃이기 때문에 액화천연가스(LNG)선 화물탱크의 내부온도도 약 -163℃의 초저온 상태로 유지되어야 한다. 따라서 액화천연가스(LNG)선의 설계 및 건조 시에는 일반 선박과는 달리 특별한 설계기술 및 열해석이 필요하다.
특히 해양 연안에서 석유를 생산, 정제, 보관 및 이송하는 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)와 같은 해양 철 구조물 위주임. 철 구조물의 특성상, 400℃이상의 고온에 노출되면 구조적 강도가 절반 이하로 줄어 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다. 또한, LNG-FPSO 는 LNG production 중, 액화 천연가스(-163℃)의 누출 가능성도 있는데, 만일, LNG 누출이 발생하고 그로 인한 화재 및 폭발 발생시 LNG-FPSO의 철 구조물은 큰 피해를 받을 수 있다. 따라서 LNG 누출 위험이 있는 구역에는 극저온에 대한 대비책과 화재 및 폭발에 대한 대비가 필수적이다. 특히, LNG 특성상, 유출시 극저온(-163℃)에 구조물이 노출되는데, 저탄소강(Low carbon steel)은 30℃ 이하의 온도에서 연성-취성 전이온도(DBTT, Ductile-Brittle Transition Temperature)에 해당하여 내충격 에너지 흡수가 급감하는 등 저온 취성으로 구조적으로 매우 약해지는 문제가 있다.
이러한 해상 플랜트 설비에서 극저온 누출에 대한 기자재는 표면도장을 통해 취약점을 보완하고 있으며, 이러한 특수기능 도료에 대한 성능평가 또한 반드시 필요하다.
관련 기술로서, 선행기술 1인 한국등록특허 제10-1403066호(한국항공우주연구원)은, 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치에 관한 것으로, 우주에서 사용되는 구조물의 시험에 필요한 -100℃ 미만의 극저온 환경을 제공하고, 압력조절밸브, 유량조절밸브 및 제어부를 통해 액체질소의 유량을 효율적으로 제어할 수 있는 액체질소 직분사방식의 극저온열환경시험장치를 개시한 바 있다.
또한, 선행기술 2인 한국공개특허 제10-2011-0064439호(주식회사 비스)에서는 기화질소 배출기능을 갖는 3중 배관구조의 액체질소 분사장치에 관한 것으로서, 액체질소의 단열을 위해 액체질소가 주입, 저장, 이송되는 배관을 3중 배관구조로 형성하여 1차적으로는 진공층에 의한 단열이 수행되고 2차적으로 액체질소층에 의한 단열이 수행되어 결과적으로 분사노즐로 이송되는 액체질소의 온도를 기화온도 이하로 유지시키는 구성을 개시한 바 있다.
그러나 밸브류 또는 부자재 등에 대한 극저온 단독평가 방법은 ISO 21011 등이 제안되고는 있으나, 구조체에 대한 평가방법은 따로 없는 실정이며, 특히 도장면에 도포된 특수 기능 도료에 대한 성능평가는 매우 어려운 실정이다.
본 발명의 실시예는 극저온 환경에서 도장면의 상태를 파악할 수 있는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치는 액체질소가 주입되는 적어도 하나 이상의 유입포트와 주입된 액체질소가 분사되는 복수 개의 분사홀을 포함하는 제 1 하우징; 상기 제 1 하우징과 일정 거리 이격 배치되고, 상기 제 1 하우징과 마주보는 위치에 시험편이 안착되는 안착부가 형성되는 제 2 하우징; 상기 제 2 하우징의 내측에 설치되어, 상기 시험편의 바닥면 측에 연결되어 상기 시험편의 온도 변화를 측정하는 복수 개의 온도 감지유닛; 및 상기 제 2 하우징의 내측에 상측으로 돌출되어, 상기 시험편의 바닥면을 지지하는 복수 개의 지지부재;를 포함하며, 상기 지지부재와 온도 감지유닛들은 서로 간섭되지 않도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 하우징은 적어도 4개의 유입포트가 일정한 거리로 이격 배치될 수 있다.
상기 제 1 하우징은 상기 복수 개의 유입포트가 연결되는 제 1 챔버; 및 상기 복수 개의 분사홀이 형성되며, 상기 제 1 챔버 보다 작은 부피를 가지는 제 2 챔버;를 포함할 수 있다.
상기 제 2 챔버는 상기 시험편과 대응되는 면적을 가지는 바닥면을 포함할 수 있다.
상기 분사홀들은 동일한 형상으로 마련되며, 상호 이격 거리가 동일할 수 있다.
상기 제 2 하우징은 상기 안착부의 바닥면이 오픈되어, 상기 시험편의 바닥면이 복수 개의 지지부재에 의해 지지될 수 있다.
상기 제 2 하우징은 상기 안착부의 둘레면에 돌출 형성되는 복수 개의 가이드 돌기;를 더 포함할 수 있다.
상기 가이드 돌기는 상기 시험편의 둘레면을 지지할 수 있다.
상기 시험편은 상기 제 1 하우징의 분사홀을 마주보는 면에 도장면을 포함할 수 있다.
상기 제 2 하우징은 폼 부재(foam material)로 형성될 수 있다.
상기 온도 감지유닛은 열전대(thermocouple); 및 상기 열전대의 둘레면을 감싸는 커버부재;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소형 구조물 및 구성부품의 극저온환경 시험이 가능하며, 시험편의 표면에 도포된 특수 도료의 극저온환경에서의 성능평가가 가능하다.
또한, 열전대가 측정하는 도장 이면부 온도를 측정하여 시간별 온도를 측정할 수 있어, 시간별 온도 결과를 통해 설계에 사용 되는 강재의 고유 연성-취성 전이온도 관련 정보와 비교하여 사용 여부 판단의 데이터를 확보할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치의 분해 사시도,
도 2는 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 평면도,
도 3은 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 배면도,
도 4는 도 3의 분사홀을 확대하여 도시한 도면,
도 5는 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치의 사용 상태도,
도 6은 본 실시예에 따른 제 2 하우징에 시험편이 설치된 상태를 도시한 평면도,
도 7은 도 6에서 시험편이 제거된 상태를 도시한 도면, 그리고,
도 8은 본 실시예에 따른 온도 감지유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 평면도,
도 3은 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 배면도,
도 4는 도 3의 분사홀을 확대하여 도시한 도면,
도 5는 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치의 사용 상태도,
도 6은 본 실시예에 따른 제 2 하우징에 시험편이 설치된 상태를 도시한 평면도,
도 7은 도 6에서 시험편이 제거된 상태를 도시한 도면, 그리고,
도 8은 본 실시예에 따른 온도 감지유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치의 분해 사시도, 도 2는 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 평면도, 도 3은 본 실시예에 따른 제 1 하우징의 배면도, 도 4는 도 3의 분사홀을 확대하여 도시한 도면, 도 5는 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치의 사용 상태도, 도 6은 본 실시예에 따른 제 2 하우징에 시험편이 설치된 상태를 도시한 평면도, 도 7은 도 6에서 시험편이 제거된 상태를 도시한 도면, 그리고, 도 8은 본 실시예에 따른 온도 감지유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치는 제 1 하우징(100), 제 2 하우징(200), 온도 감지유닛(300)을 포함할 수 있다.
제 1 하우징(100)은 내부에 공간부를 구비하는 제 1 챔버(110)와 제 2 챔버(120)를 포함할 수 있다. 제 1 챔버(110)와 제 2 챔버(120)는 연통되어 있을 수 있다. 이때, 본 실시예에 따르면, 제 1 챔버(110)에는 액체질소(LN2)가 유입되는 유입포트(111)가 형성될 수 있으며, 제 2 챔버(110)에는 공급 받은 액체질소(LN2)가 분사되는 분사홀(121)이 형성될 수 있다.
제 1 챔버(110)는 대략 육면체 형상으로 마련될 수 있으며, 상부면에 유입포트(111)가 복수 개 마련될 수 있다. 유입포트(111)는 도시된 바와 같이 사각형상의 파이프 형상으로 마련될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 원통형과 같은 일반적인 파이프 형상도 가능하고, 연결되는 튜브 또는 어댑터의 형상에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 유입포트(111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개가 일정한 크기 및 간격으로 배치될 수 있으며, 각각의 유입포트(111)들은 일정한 양의 액체질소(LN2)를 공급 받아 제 1 챔버(110)의 내부로 공급할 수 있다. 한편, 도시하지는 않았으나 제 1 하우징(100)에 공급되는 액체질소(LN2)는 유량제어 및 레벨링 게이지를 사용한 형태로 자동 주입될 수 있다. 또한, 액체질소(LN2)에 대상을 국한하는 것은 아니며, 극저온환경을 구성할 수 있는 액체 또는 기체라면 어떠한 것이든 대체하여 사용할 수 있다.
제 2 챔버(120)는 제 1 챔버(110)와 연통되되, 상기 제 1 챔버(110) 보다는 작은 체적을 가지도록 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 제 2 챔버(120)의 높이는 제 1 챔버(110)에 비해 작게 구성되며, 제 1 챔버(110)의 바닥면에 제 2하우징(200)을 마주보는 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 또한, 제 2 챔버(120)의 바닥면에는 도 3에 도시된 바와 같이 복수 개의 분사홀(121)들이 일정한 간격으로 관통 형성될 수 있다. 분사홀(121)들은 일정한 지름을 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 분사홀(121)들은 도 4에 도시된 바와 같이 제 2 챔버(120)의 가로 세로 방향으로는 제 1 거리(D1)만큼 이격되고, 제 2 챔버(120)의 대각선 방향으로는 제 2 거리(D2)만큼 이격될 수 있다. 이때, 제 1 거리(D1)는 제 2 거리(D2)보다 크게 형성될 수 있다. 예컨대, 제 1 거리(D1)는 분사홀(121)의 지름과 대응되도록 마련될 수있으며, 제 2 거리(D2)는 분사홀(121)의 반지름과 대응되도록 마련될 수도 있다.
한편, 제 2 챔버(120)의 바닥면의 면적은 후술할 시험편(1000)의 마주보는 면의 면적과 대응되도록 마련될 수 있다. 이는 시험편(1000)의 표면에 도포된 도장면(1100)과 마주보는 제 2 챔버(120)의 바닥면으로부터 액체질소(LN2)가 복수 개의 분사홀(121)을 통해 골고루 시험편(1000)의 도장면(1100)에 분사되어 극저온열환경을 형성할 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 상기 분사홀(121)은 원형으로 형성될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라 삼각형, 사각형, 다각형으로 형성될 수도 있다. 분사홀(121)의 형상 및 배치는 사용하는 시험편(1000)의 종류에 따라 변경 가능하다.
또한, 분사홀(121)의 지름은 5 내지 10mm로 구성될 수 있으며, 상기한 제 1 및 제 2 거리(D1)(D2)는 3 내지 5cm를 넘지 않도록 구성될 수 있다.
제 2 하우징(200)는 제 1 하우징(100)과 일정 거리 이격 배치되며, 도 1에 도시된 바와 같이 개구된 상부면에 시험편(1000)이 배치되는 안착부(210)가 마련될 수 있다. 안착부(210)는 오픈된 공간으로 바닥면으로는 복수 개의 지지부재(211)가 제 2 하우징(200)의 바닥면으로부터 상측으로 돌출 형성될 수 있다. 제 2 하우징(200)은 폼(foam) 부재로 형성되어, 상기 시험편(1000)의 바닥면 및 둘레면을 감쌀 수 있도록 마련될 수 있다. 제 2 하우징(200)은 액체질소(LN2)에 의한 시험편(1000)의 파손 등을 방지할 수 있는 보호벽의 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통해 설비에 사용되는 강재의 극저온환경에서의 성능을 평가할 수 있도록 한다.
지지부재(211)는 복수 개가 일정한 간격으로 배치될 수 있는데, 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이 제 2 하우징(200)의 중심을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다. 또한 지지부재(211)들의 높이는 모두 동일하게 구성되어, 안착위치에서 시험편(1000)이 수평을 이루도록 할 수 있다. 이러한 구성을 통해 시험편(1000)의 상부면에 형성된 도장면(1100)은 제 1 하우징(100)의 바닥면인 제 2 챔버(120)의 바닥면과 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다.
또한, 지지부재(211)는 후술할 온도 감지유닛(300)들과 간섭되지 않는 위치에 배치될 수 있는데, 일 예로 도 7에 도시된 바와 같이 4개의 지지부재(211)가 제 2 하우징(200)의 중심을 기준으로 대칭 배치될 때, 복수 개의 온도 감지유닛(300)들은 지지부재(211)와 간섭되지 않는 위치에 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다.
한편, 제 2 하우징(200)은 상기 안착부(210)의 둘레면에 돌출 형성되는 복수 개의 가이드 돌기(220)를 더 포함할 수 있다. 가이드 돌기(220)는 상부면으로는 제 1 하우징(100)의 바닥면, 예컨대 제 1 챔버(110)의 바닥면과 접촉할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 하우징(100)(200)이 완전히 밀착되지 않고, 제 1 하우징(100)의 제 2 챔버(120)의 바닥면과 시험편(1000)의 도장면(1100)이 일정 간격 이격될 수 있도록, 가이드 돌기(220)의 높이를 조절할 수 있다. 이 경우, 가이드 돌기(220)의 높이는 안착부(210)에 안착된 시험편(1000)의 두께보다 크게 형성할 수 있다.
그러나 이를 한정하는 것은 아니며, 시험편(1000)의 도장면(1100)과 가이드 돌기(220)의 상부면의 높이를 일정하게 유지하면서, 별도의 지그(JIG) 또는 지지부재 등을 이용하여 제 1 및 제 2 하우징(100)(200)을 이격 배치할 수도 있다.
한편, 가이드 돌기(220)는 도 7에 도시된 바와 같이 제 2 하우징(200)의 네 모서리 부분과 그 사이에 각각 1개씩, 총 8개가 돌출 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 가이드 돌기(220)들 사이 공간부(221)는 오픈 영역으로 구성하여, 분사홀(121)을 통해 분사된 액체질소(LN)가 공간부(221)를 통해 외부로 흘러내려 기화될 수 있도록 하여 액체질소(LN2)가 시험편에 주는 영향을 최소화할 수 있다.
이와 같이 구성된 가이드 돌기(220)는 시험편(1000)의 둘레면을 지지하여, 시험편(1000)이 평면 방향으로 움직이지 않도록 고정할 수 있다. 이때, 가이드 돌기(220)는 폼 부재로 형성되는 제 2 하우징(200)과 동일한 재질로 구성될 수 있다.
온도 감지유닛(300)은 제 2 하우징(200)의 내측에 설치되는 것으로, 상기 시험편(1000)의 바닥면 측에 연결되어, 액체질소(LN2)가 도장면(1100)에 분사된 시험편(1000)의 온도 변화를 측정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 온도 감지유닛(300)은 열전대(thermocouple)(310)와, 열전대(310)의 둘레면을 감싸는 커버부재(320)로 구성될 수 있다. 열전대(310)는 시험편(1000)의 바닥면에 일정한 간격으로 배치되어 액체질소(LN2)에 의해 형성된 극저온환경에 따른 시험편의 온도변화를 감지하는 역할을 수행할 수 있다. 온도 감지유닛(300)들은 적어도 150mm의 간격으로 일정하게 배치될 수 있는데, 이는 선주 또는 시험 의뢰자의 요구에 따라 가변할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 구성된 시험장치에 사용되는 시험편(1000)은 600mmㅧ600mmㅧ10mm 기준으로 마련될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 가로세로 길이를 최소 150mm 이상, 최대 1650mm 이내로 구성하는 것도 가능하다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 시험편(1000)으로 사용하는 강재의 연성-취성 변경온도(DBTT)의 변화도표와 열전대(310)로 측정되는 도장 이면부의 온도를 측정하여, 시간별 온도를 결과로 측정하여 저장할 수 있다. 이와 같은 시간별 온도 결과는 설계되는 강재의 고유 연성-취성 변경 온도 테이블과 비교되어 선박 설계 등에 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100; 제 1 하우징 110; 제 1 챔버
111; 유입포트 120; 제 2 챔버
121; 분사홀 200; 제 2 하우징
210; 안착부 211; 지지부재
220; 가이드 돌기 300; 온도 감지유닛
310; 열전대 320; 커버부재
1000; 시험편 1100; 도장
111; 유입포트 120; 제 2 챔버
121; 분사홀 200; 제 2 하우징
210; 안착부 211; 지지부재
220; 가이드 돌기 300; 온도 감지유닛
310; 열전대 320; 커버부재
1000; 시험편 1100; 도장
Claims (8)
- 액체질소가 주입되는 적어도 하나 이상의 유입포트와 주입된 액체질소가 분사되는 복수 개의 분사홀을 포함하는 제 1 하우징;
상기 제 1 하우징과 일정 거리 이격 배치되고, 상기 제 1 하우징과 마주보는 위치에 시험편이 안착되는 안착부가 형성되는 제 2 하우징;
상기 제 2 하우징의 내측에 설치되어, 상기 시험편의 바닥면 측에 연결되어 상기 시험편의 온도 변화를 측정하는 복수 개의 온도 감지유닛; 및
상기 제 2 하우징의 내측에서 상측으로 돌출되어, 상기 시험편의 바닥면을 지지하는 복수 개의 지지부재;를 포함하며,
상기 제 2 하우징은,
상기 안착부의 둘레면에 돌출 형성되는 복수 개의 가이드 돌기와, 상기 가이드 돌기 사이의 공간부를 더 포함하는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 하우징은,
상기 복수 개의 유입포트가 연결되는 제 1 챔버; 및
상기 복수 개의 분사홀이 형성되며, 상기 제 1 챔버 보다 작은 부피를 가지는 제 2 챔버를 포함하는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 챔버는,
상기 시험편과 대응되는 면적을 가지는 바닥면을 포함하는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분사홀들은 동일한 형상으로 마련되며, 상호 이격 거리가 동일한 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 하우징은,
폼부재로 형성되며, 상기 안착부의 바닥면이 오픈되어, 상기 시험편의 바닥면이 복수 개의 지지부재에 의해 지지되는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 시험편은,
상기 제 1 하우징의 분사홀을 마주보는 면에 도장면을 포함하는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 온도 감지유닛은,
열전대(thermocouple); 및
상기 열전대의 둘레면을 감싸는 커버부재를 포함하는 극저온열환경 조건에서의 도료 성능평가 장치.
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