KR101788748B1 - Ｌｎｇ 운반선의 단열구조 - Google Patents

Abstract

LNG 운반선의 단열구조가 개시된다. 본 발명의 LNG 운반선의 단열구조는 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에 있어서, 내부에 밀폐된 공간이 형성되며 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련되는 단열박스; 및 단열박스의 내부의 이음새에 마련되며 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함한다.

Description

ＬＮＧ 운반선의 단열구조{Insulation Structure For LNG Carrier}

본 발명은 LNG 운반선의 단열구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함함으로써 단열 성능이 향상된 LNG 운반선의 단열구조에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃이하)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

액화천연가스 운반선에는 천연가스를 냉각하여 액화시킨 액화천연가스를 보관 및 저장할 수 있는 화물창(cargo, 저장탱크라고도 함)이 구비된다. 액화천연가스의 끓는점은 대기압에서 약 -162℃ 정도이므로, 액화천연가스의 화물창은 액화천연가스를 안전하게 보관하고 저장하기 위해 알루미늄강, 스테인리스강, 35% 니켈강 등과 같은 초저온에 견딜 수 있는 재료로 제작될 수 있으며, 열응력 및 열수축에 강인하고, 열침입을 막을 수 있는 구조로 설계된다.

LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 수요처에 LNG를 하역하기 위한 LNG 수송선, LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 수요처에 도착한 후 저장된 LNG를 재기화하여 천연가스 상태로 하역하는 LNG RV(Regasification Vessel), 최근에는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물에도 LNG 수송선이나 LNG RV에 설치되는 저장탱크가 포함된다.

LNG FPSO는, 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다. 또 LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다.

이와 같이 LNG와 같은 액체화물을 해상에서 수송하거나 보관하는 LNG 수송선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 구조물 내에는 LNG를 극저온 상태로 저장하기 위한 저장탱크가 설치되어 있다.

이러한 저장탱크는 단열재에 화물의 하중이 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립탱크형(Independent Tank)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다. 통상 멤브레인형 저장탱크는 GTT NO 96형과 TGZ Mark Ⅲ형으로 나눠지며, 독립탱크형 저장탱크는 MOSS형과 IHI-SPB형으로 나눠진다.

전술한 GTT형 및 TGZ형 탱크구조는 미국 특허 제 6,035,795 호, 제 6,378,722 호, 제 5,586,513 호 및 미국 특허공개 제 2003-0000949 호 등과, 대한민국 특허공개 제 10-2000-0011347 호 및 제 10-2000-0011346 호 등에 기재되어 있다. 또한, 독립탱크형 저장탱크의 구조는 대한민국 특허 제 10-15063 호 및 제 10-305513 호 등에 기재되어 있다.

상기 GTT NO 96형의 저장탱크는, 0.5 ~ 1.5㎜ 두께의 인바(Invar) 강(36% Ni)으로 이루어지는 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽과, 플라이우드 박스(plywood box) 및 펄라이트(perlite) 등으로 이루어지는 1차 단열벽 및 2차 단열벽이, 선체의 내부 표면 상에 번갈아 적층 설치되어 이루어진다.

상기 GTT NO 96형의 경우, 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽이 거의 같은 정도의 액밀성 및 강도를 지님으로써 1차 밀봉벽의 누설시 상당한 기간 동안 2차 밀봉벽만으로도 화물을 안전하게 지탱할 수 있다. 또한 GTT NO 96형의 밀봉벽은 멤브레인(Membrane)이 직선형이므로 TGZ Mark Ⅲ형의 파형 멤브레인보다 용접이 간편하여 자동화율은 높으나, 전체적인 용접장은 TGZ Mark Ⅲ형보다 길다. 또한, GTT NO 96형의 경우 단열박스(즉, 단열벽)를 지지하기 위해서 더블 커플(Double Couple)을 이용하고 있다. 프랑스 특허 제 2146612 호, 제 2629897 호, 제 2683786 호 등에는 종래의 GTT NO 96형 단열박스의 구성과 고정방법 등이 개시되어 있다.

도 1에는 선체(S) 내부에 설치된 종래기술에 따른 GTT NO 96형 저장탱크에 사용되는 단열박스의 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 있어서 종래의 단열박스는, 그 내부구조를 나타내기 위해 단열재가 제거된 상태로 도시되어 있다. 도 1에서의 1차 단열벽 및 2차 단열벽(20)을 구성하는 종래의 GTT NO 96형 단열박스는 대략 직육면체 형상을 가진다.

종래의 단열박스(10)의 내부에는 보강을 위하여 가로방향으로 연장되는 복수의 가로부재(11)가 설치되며, 단열박스의 외부에는 단열박스를 선체의 내부표면에 고정시키기 위한 고정부재가 돌출 형성된다.

종래의 단열박스에는, 고가의 재료인 플라이우드로 이루어지는 보강용 가로부재가 단열박스에 요구되는 강도를 충족시키기 위해 단열박스의 내부에 촘촘하게 배열되기 때문에, 상대적으로 주 단열재인 펄라이트의 비율을 감소시켜 오히려 단열성능이 떨어지는 결과를 초래할 수 있다. 따라서 구조적 강성을 충족하면서도 다수의 플라이우드 가로부재 설치에 따른 단열성능 저하를 보완할 수 있는 해결책이 요구된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에, 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함하도록 함으로써, 플라이우드에 의해 구조적 강성을 유지하면서도 그에 따른 단열 성능 저하를 보완하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에 있어서,

내부에 밀폐된 공간이 형성되며 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련되는 단열박스; 및

상기 단열박스의 내부의 이음새에 마련되며 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함하는 LNG 운반선의 단열구조가 제공된다.

상기 다층 단열재는 알루미늄 박판 사이에 복수의 유리섬유 판들이 적층되어 이루어지는 샌드위치 구조인 것을 특징으로 한다.

상기 단열박스는 상기 액화천연가스를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스와, 상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 배치되어 상기 액화천연가스를 2차적으로 단열시키는 2차 단열박스를 포함할 수 있다.

상기 단열박스는 플라이우드(plywood)로 제작되는 상하 판과, 상기 단열박스의 구조적 강성을 위하여 상기 상하 판 사이에 가로방향으로 연장되어 배열되는 복수의 수직부재와, 상기 단열박스를 선체의 내부표면에 고정시키는 고정부재를 포함할 수 있다.

상기 다층 단열재는 상기 상하 판 중 적어도 하나의 판 전체에 스테이플링(stapling) 고정되어 상기 복수의 수직부재와 접할 수 있다.

상기 다층 단열재는 상기 복수의 수직부재를 따라 가로방향으로 연장되도록 복수로 제작되며 상기 복수의 수직부재와 상기 상하 판 중 적어도 하나의 판의 접촉 부분에 개재될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 LNG 운반선의 단열 구조를 포함하는 LNG 저장탱크가 구비된 선박 또는 해양구조물이 제공된다.

본 발명의 LNG 운반선의 단열구조는 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에, 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함하도록 함으로써, 플라이우드에 의해 구조적 강성을 유지하면서도 그에 따른 단열 성능 저하를 보완할 수 있다.

도 1은 종래의 GTT NO 96형 단열박스가 장착된 선박의 화물창과 단열재가 제거된 상태의 단열박스의 내부구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 단열구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2의 C를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 운반선의 단열구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4의 C를 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 실험을 위해 제작된 실물모형의 사진과 개략적인 단면이다.
도 7은 실험에서 비교예 1의 온도 변화를 추적한 그래프이다.
도 8은 실험에서 실시예 2의 온도 변화를 추적한 그래프이다.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2와 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 단열구조를 개략적으로 도시한다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 단열구조는, 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에 있어서, 내부에 밀폐된 공간이 형성되며 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련되는 단열박스(100)와, 단열박스(100)의 내부의 이음새에 마련되며 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재(200)를 포함한다.

다층 단열재(200)는 알루미늄 박판(Aluminium foil) 사이에 복수의 유리섬유(Glass Cloth) 판들이 적층되어 이루어지는 샌드위치 구조이다.

LNG의 온도가 -163℃ 이하의 극저온이라는 점을 감안하여, 다층 단열재(200)는 이같은 저온에서 물리적 안정성을 지닌 소재로 구성되어야 한다. 또한 단열구조에 단열을 위해 이용되는 만큼, 열전도도가 낮아야 하며 단열박스(100)에 고정할 수 있어야 한다. 이러한 소재로써, 본 실시예는 알루미늄 박판과 유리섬유를 채택하고, 이들로 이루어진 다층 단열재(200)를 제안한다.

하기 실시예들과 단열성 실험을 통해 최적의 다층 단열재(200) 구성을 검토하였다.

최적의 다층 단열재 구성을 위한 실시예와 단열성 테스트

1) 실시예

실시예에 사용된 알루미늄 박판의 두께는 0.15 ㎜, 유리섬유의 두께는 0.18 ㎜이다.

No.	단열재의 구성	배치 범위
비교예 1	없음
비교예 2	Standard Thermal Protection	일부
실시예 1	알루미늄 박판 + 유리섬유 10장	전면
실시예 2	알루미늄 박판 + 유리섬유 10장 + 알루미늄 박판	전면
실시예 3	알루미늄 박판 + 유리섬유(두께 0.64㎜) 5장 + 알루미늄 박판	전면
비교예 3	알루미늄 박판 + 세라믹 섬유 2장 + 알루미늄 박판	전면

2) 실험결과

단열성 테스트는 단열박스(100)에 다층 단열재(200)가 마련된 실물모형(Mock-up)을 각각 제작하고 이를 상온의 실내에 배치하여 열평형을 이룬 후, 상단에 초저온 상태를 설정하고 다층 단열재가 마련된 실물모형 하단의 온도 변화를 관측하여 진행하였다. 제작된 실물모형의 사진과 개략적인 단면을 도 6에 도시하였다.

평균적인 온도 변화 데이터를 얻기 위해 모형 하단에 온도 센서 3개를 부착하여, 평균값을 계산하였다. 초저온 상태 설정 후 46시간 동안 온도 변화를 추적하였다. 그 중 비교예 1과 실시예 2의 온도 변화를 추적한 그래프를 도 7 및 도 8에 도시하였다.

46시간 후의 각각의 온도 데이터를 다음의 표에 나타내었다.

No.	단열재의 무게	각각의 센서에서 측정된 온도 값(℃)	온도 평균값(℃)
비교예 1	-	-103.4, -115.4, -112.5	-110.5
비교예 2	1.6t	-82.1, -76.2, -100	-86.1
실시예 1	1.95t	-56.5, -48.8, -58.2	-54.5
실시예 2	2.1t	-41, -56.2, -63.4	-53.5
실시예 3	1.9t	-56.2, -61, -70	-62.4
비교예 3	2.3t	-75.8, -73.7, -64.6	-71.4

표 2의 데이터를 통해, 실시예 1, 2, 3을 비교해보면, 단열재의 무게보다는 적층된 유리섬유의 수가 많을수록 단열효과가 우수함을 알 수 있다. 즉, 비슷한 무게라도 두꺼운 유리섬유보다는, 얇은 형태로 제작하여 여러 겹으로 적층하는 것이 단열에 효과적이다. 비교예 3과 실시예들을 비교하면, 비교예 3의 무게가 오히려 무겁지만, 실시예들에 비해 단열 효과는 떨어진다는 점을 확인할 수 있다. 또한, 알루미늄 박판으로 적층된 유리섬유들의 노출된 양면에 부착함으로써, 복사열 전달과 대류열 전달을 최소화할 수 있다. 단열 부재들의 적층을 통해 제작한 다층 단열재는 진공이 아닌 환경에서도 충분한 단열효과를 나타냄을 확인할 수 있다.

이러한 결과를 종합하면, 비슷한 단열효과를 얻기 위해 두꺼운 유리섬유 대신 얇은 유리섬유를 여러 겹 적층하여 보다 가벼운 단열재를 제작할 수 있다. 가벼운 단열재는 다루기가 쉽고, 선박의 화물창에 적용할 경우에 선박의 하중부담도 줄일 수 있다.

결론적으로, 본 실시예에서 알루미늄 박판의 두께는 0.05 ㎜ 내지 0.50 ㎜, 유리섬유의 두께는 0.05 ㎜ 내지 0.8 ㎜일 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 박판 두께는 0.15 ㎜, 유리섬유 두께는 0.18 ㎜로, 유리섬유 10장을 적층하고 양 노출면에 샌드위치처럼 알루미늄 박판으로 감싼 다층 단열재가 단열효과 면에서 가장 우수함이 확인되었다.

단열박스(100)는 액화천연가스를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스와, 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 배치되어 액화천연가스를 2차적으로 단열시키는 2차 단열박스를 포함할 수 있다.

단열박스(100)는 내부 공간에 충진된 단열재를 포함할 수 있는데, 단열재의 대표적인 예로 펄라이트(perlite)를 들 수 있다.

단열박스(100)는 플라이우드(plywood)로 제작되는 상하 판(110)과, 단열박스(100)의 구조적 강성을 위하여 상하 판(110) 사이에 가로방향으로 연장되어 배열되는 복수의 수직부재(120)와, 단열박스(100)를 선체의 내부표면에 고정시키는 고정부재(130)를 포함할 수 있다.

LNG 누출을 대비해 불활성 가스(예컨대 질소)를 순환시킬 수 있도록 단열박스(100)의 전방 및 후방 벽 부재를 비롯하여 수직부재(120)에는 원형의 순환구멍이 형성되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 다층 단열재(200)는 상하 판(110) 중 적어도 하나의 판 전체에 스테이플링(stapling) 고정되어 복수의 수직부재(120)와 접할 수 있다.

즉, 다층 단열재(200)는 상하 판(110) 모두 또는 어느 하나의 판에 스테이플링으로 고정되며, 복수의 수직부재(120)는 다층 단열재(200) 사이에, 또는 다층 단열재가 마련되지 않은 하나의 상하 판(110)과 다층 단열재(200) 사이에 스테이플링, 본딩, 끼어맞춤 등의 적합한 방식으로 고정된다.

일 예로, 판(110)에 고정하기에 앞서 알루미늄 박판과 유리섬유 층들을 임시적으로 봉합하여 하나의 다층 단열재(200)를 구성하고, 고정될 판(110)에 이를 임시적으로 접착제로 고정하고 수직부재(120)를 배치한 후, 스테이플링 방식으로 결합을 마무리한다.

플라이우드는 단열을 위해 충진되는 펄라이트에 비해 열전도도가 높아, 플라이우드로 된 수직부재(120)가 배열된 부분은 펄라이트가 충진된 곳에 비해 단열성이 떨어진다. 따라서, 본 실시예에서는 플라이우드로 된 수직부재(120)와 상하 판(110) 사이에 개재된 다층 단열재(200)를 통해 단열성을 높이는 것이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서 다층 단열재(200)는 복수의 수직부재(120)를 따라 가로방향으로 연장되도록 복수로 제작되며 복수의 수직부재(120)와 상하 판(110) 중 적어도 하나의 판의 접촉 부분에 개재될 수 있다.

단열박스(100)에 충진된 펄라이트가 충분한 단열성을 지니므로, 상대적으로 단열효과가 떨어지는 수직부재(120) 부분에만 다층 단열재(200)를 개재시키는 것이다. 이를 통해 플라이우드 수직부재(120)의 단열성을 보완하면서도, 상하 판(110) 전부에 다층 단열재(200)를 설치하는 때에 비해 다층 단열재(200) 설치 면적을 줄여 비용을 절감할 수 있다. 상기 다층 단열재(200)에는 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 LNG 운반선의 단열 구조를 포함하는 LNG 저장탱크가 구비된 선박 또는 해양구조물이 제공된다.

예를 들면 이러한 선박 또는 해양구조물은 LNG 수송선, LNG RV(Regasification Vessel), LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 LNG 운반선의 단열구조는 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에, 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재(200)를 포함하도록 함으로써, 플라이우드에 의한 구조적 강성을 유지하면서도 그에 따른 단열 성능 저하를 보완할 수 있게 한다.

본 실시예를 통해 LNG 화물창의 단열 성능이 향상되므로, 단열 성능 저하시의 화물창 온도상승에 의한 LNG 저장탱크 내 Boil-Off Gas(BOG)의 발생을 감소시킬 수 있다. 천연가스는 -163℃의 극저온에서 액화되므로 LNG는 온도변화에 의해 쉽게 기화되는데, 저장탱크에서 발생하는 증발가스는 약 0.05 vol%/day이며, 종래 액화천연가스 운반선의 운항시 시간당 4 내지 6 톤(t), 한번 운항시 약 300톤의 상당한 양의 액화천연가스가 증발가스화되어 왔다. BOG는 부피가 크고 폭발 위험이 크기에 이를 재액화하는데, 본 실시예를 통해 화물창의 단열 성능을 높임으로써 BOG 발생을 줄이고 BOG의 재액화 부담도 줄일 수 있다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 단열박스
110: 상하 판
120: 수직부재
130: 고정부재
200: 다층 단열재

Claims (7)

1. 액화천연가스를 운반하는 LNG운반선의 GTT NO 96형 화물창 단열구조에 있어서,
   내부에 밀폐된 공간이 형성되며 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련되는 단열박스; 및 상기 단열박스의 내부의 이음새에 마련되며 알루미늄 박판과 유리섬유로 이루어진 다층 단열재를 포함하되,
   상기 다층 단열재에는 불활성 가스를 순환시킬 수 있는 순환 구멍이 마련되는 것을 특징으로 하되,
   상기 다층 단열재는 상대적으로 단열효과가 떨어지는 수직부재 부분에만 개재되어 상기 수직부재의 단열성을 보완하면서도, 상기 다층 단열재의 설치면적을 줄여서 비용을 절감하도록 하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 단열구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다층 단열재는
   알루미늄 박판 사이에 복수의 유리섬유 판들이 적층되어 이루어지는 샌드위치 구조인 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 단열구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단열박스는
   상기 액화천연가스를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스; 및
   상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 배치되어 상기 액화천연가스를 2차적으로 단열시키는 2차 단열박스를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 단열 구조.
4. 제 3항에 있어서, 상기 단열박스는
   플라이우드(plywood)로 제작되는 상하 판;
   상기 단열박스의 구조적 강성을 위하여 상기 상하 판 사이에 가로방향으로 연장되어 배열되는 복수의 수직부재; 및
   상기 단열박스를 선체의 내부표면에 고정시키는 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 단열 구조.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 다층 단열재는 상기 상하 판 중 적어도 하나의 판 전체에 스테이플링(stapling) 고정되어 상기 복수의 수직부재와 접하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 단열 구조.
6. 삭제
7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 LNG 운반선의 단열 구조를 포함하는 LNG 저장탱크가 구비된 선박 또는 해양구조물.

Images