KR102019272B1

KR102019272B1 - 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인 및 상기 멤브레인을 포함하는 액화가스 저장탱크

Info

Publication number: KR102019272B1
Application number: KR1020170183491A
Authority: KR
Inventors: 김동우
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-09-06
Also published as: KR20190081146A

Abstract

액화가스를 저장하기 위한 저장탱크의 밀봉벽을 형성하기 위한 멤브레인이 개시된다.
상기 멤브레인(10)은, 극저온의 액화가스로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 주름부(12)와; 상기 멤브레인의 강도 보강을 위해 상기 주름부의 일부를 오목하게 변형시켜 형성되는 오목부(14); 를 포함할 수 있다.

Description

강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인 및 상기 멤브레인을 포함하는 액화가스 저장탱크 {MEMBRANE HAVING CORRUGATED PORTION FOR REINFORCING STRENGTH AND LIQUEFIED GAS STORAGE TANK INCLUDING THE MEMBRANE}

본 발명은 멤브레인 타입 저장탱크에 설치되어 1차 밀봉벽을 형성하는 멤브레인에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 슬로싱 하중에 대항하기 위한 강도를 확보할 수 있도록 형성된 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인 및 상기 멤브레인을 포함하는 액화가스 저장탱크에 관한 것이다.

세계적으로 친환경 사업에 대한 관심이 증가하고 있는 가운데 석유, 석탄 등과 같은 기존의 에너지원을 대체할 수 있는 청정연료의 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 상황에서 천연가스는 청정성, 안정성, 편리성을 두루 갖춘 주요 에너지원으로 다양한 분야에서 사용되고 있다.

우리나라는 배관을 통해 천연가스를 직접 공급받는 미국이나 유럽과 달리 천연가스를 초저온으로 액화시킨 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)를 LNG 운반선을 통해 운반하여 소비자에게 공급하고 있다. 따라서, 국내의 천연가스의 수요증가와 함께 액화천연가스를 저장 및 운반하기 위한 LNG 운반선의 수요 역시 증가하고 있다.

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 운반선의 LNG 저장탱크에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃ 이하)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들어 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

액화천연가스 운반선에는 천연가스를 냉각하여 액화시킨 액화천연가스를 보관 및 저장할 수 있는 저장탱크(화물창이라고도 함)가 구비된다. 액화천연가스의 끓는점은 대기압에서 약 -162℃ 정도이므로, 액화천연가스의 저장탱크는 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 운반선과, LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 수요처에 도착한 후 저장된 LNG를 재기화하여 천연가스 상태로 하역하는 LNG RV(Regasification Vessel)는 물론, 최근에는 예를 들어 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 LNG 저장탱크가 설치된다.

LNG FPSO는, 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 운반선으로 옮겨 싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다. 또 LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 운반선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다.

이와 같이 LNG와 같은 액체화물을 해상에서 수송하거나 보관하는 LNG 운반선 등의 선박이나, 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 독립형(Independent Type)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다.

일반적인 멤브레인형의 LNG 저장탱크는, 선체 내벽 위에 설치되는 2차 단열층과, 2차 단열층 위에 설치되는 2차 밀봉층과, 2차 밀봉층 위에 설치되는 1차 단열층과, 1차 단열층 위에 설치되는 1차 밀봉층을 포함한다.

단열층은 외부의 열이 화물창 내부로 침입하지 못하게 하여 액화천연가스가 가열되지 않도록 하기 위한 것이고, 밀봉층은 액화천연가스가 저장탱크의 외부로 누출되지 않도록 하기 위한 것으로, 하나의 밀봉층이 파손되더라도 다른 밀봉층이 액화천연가스의 누출을 막을 수 있도록 화물창의 밀봉구조는 이중으로 구성된다.

이러한 액화천연가스 저장탱크의 단열층 및 밀봉층을 설치하기 위해서는, 우선 선체의 내벽 위에 복수의 2차 단열패널을 결합시키고, 복수의 2차 단열패널 위에 2차 밀봉벽을 설치하고, 2차 밀봉벽 위에 1차 단열패널을 설치하고, 마지막으로 1차 단열패널 위에 1차 밀봉벽을 설치하는 과정을 통해 제작된다.

도 1에는 1차 밀봉벽을 형성하는 멤브레인의 일부 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)에는 극저온의 LNG로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하기 위한 다수의 주름부(112)가 형성될 수 있다.

이때, 한 개의 단위 1차 단열패널의 크기 및 설치위치는, 1차 밀봉벽을 형성하는 한 개의 단위 멤브레인의 크기 및 설치위치와 상이하다. 그에 따라, 2개 혹은 4개의 단위 1차 단열패널 상에 한 개의 단위 멤브레인이 설치되는 경우가 발생한다.

그런데, LNG는 액체 상태로 저장탱크 내에 저장되어 있고 선박이나 부유식 해상 구조물은 유동이 발생하는 해상에서 사용되는 것이기 때문에, 저장탱크의 벽면에는 저장된 LNG가 유동하면서 발생하는 슬로싱 하중이 필연적으로 야기된다.

도 2에는 슬로싱 하중으로 인해 인접하는 2개의 단열패널(120)들 사이에 단차가 발생하고, 그로 인해 2개의 단열패널(120) 사이의 경계부에서 멤브레인(110)의 주름부(112)에 응력이 집중하는 현상을 설명하기 위한 일부 확대 단면도가 도시되어 있다.

저장탱크의 벽면에 슬로싱으로 인한 하중이 가해지면, 단열패널마다 하중의 크기가 다르고 변형량도 다르기 때문에, 단열패널의 경계부에 있어서 1차 밀봉벽을 형성하는 멤브레인(110)의 주름부(112)에 큰 응력 및 소성 변형률이 발생하게 되고, 주름부의 디자인 특성상 끝부에 응력 및 소성 변형률이 집중되게 된다. 그에 따라 멤브레인의 강도 평가시 허용기준을 만족하지 못할 수 있다는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 단열패널들 상에 배치되는 멤브레인에 있어서 단열패널들 사이의 경계부 상에 위치되는 주름부에 대해 오목부를 추가로 형성함으로써, 단열패널에 슬로싱 하중이 가해져 단열패널들 사이에 단차가 발생되는 경우에도, 발생된 단차에 맞춰 멤브레인이 거동할 수 있고 강도 허용기준을 만족할 수 있는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하기 위한 저장탱크의 밀봉벽을 형성하기 위한 멤브레인으로서, 극저온의 액화가스로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 주름부와; 상기 멤브레인의 강도 보강을 위해 상기 주름부의 일부를 오목하게 변형시켜 형성되는 오목부; 를 포함하며, 상기 멤브레인은 2개 이상의 단열패널에 걸쳐 연장되도록 배치되며, 상기 오목부는, 상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부 중에서, 상기 단열패널들 사이의 경계부와 중첩되는 위치에 배치되는 상기 주름부에 형성되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인이 제공될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 상기 오목부는, 상기 주름부의 끝부분으로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부는 서로 교차하지 않는다.

삭제

일 실시형태에 있어서, 상기 오목부는, 상기 경계부 상에 위치되도록 형성될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 상기 오목부는, 상기 경계부의 연장방향과 평행하게 배향될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 상기 주름부의 연장방향과 상기 오목부의 연장방향은 서로 직각을 이룰 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 상기 오목부의 깊이는, 상기 주름부의 높이보다 작은 치수를 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크로서, 선체 내벽 위에 설치되는 2차 단열층과, 상기 2차 단열층 위에 설치되는 2차 밀봉층과, 상기 2차 밀봉층 위에 설치되는 1차 단열층과, 상기 1차 단열층 위에 설치되는 1차 밀봉층을 포함하며, 상기 1차 밀봉층을 형성하기 위한 멤브레인은, 극저온의 액화가스로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 주름부와, 상기 멤브레인의 강도 보강을 위해 상기 주름부의 일부를 오목하게 변형시켜 형성되는 오목부를 포함하며, 상기 멤브레인은 2개 이상의 단열패널에 걸쳐 연장되도록 배치되며, 상기 오목부는, 상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부 중에서, 상기 단열패널들 사이의 경계부와 중첩되는 위치에 배치되는 상기 주름부에 형성되는, 액화가스 저장탱크가 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 단열패널들 상에 배치되는 멤브레인에 있어서 단열패널들 사이의 경계부 상에 위치되는 주름부에 대해 오목부를 추가로 형성한, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인이 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명의 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인에 의하면, 단열패널에 슬로싱 하중이 가해져 단열패널들 사이에 단차가 발생되는 경우에도, 발생된 단차에 맞춰 멤브레인이 거동할 수 있고 강도 허용기준을 만족할 수 있게 된다.

또한, 슬로싱 하중이 가해질 때, 멤브레인 주름부의 끝부에 응력 및 소성변형률을 적게 발생시킬 수 있다.

도 1은 1차 밀봉벽을 형성하는 일반적인 멤브레인의 일부 사시도이다.
도 2는 슬로싱 하중이 가해졌을 때 2개의 단열패널 사이의 경계부에서 멤브레인의 주름부에 응력이 집중하는 현상을 설명하기 위한 일부 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인이 복수개의 단열패널 상에 배치된 상태를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인이 복수개의 단열패널 상에 배치된 상태를 도시하는 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인의 주름부에 오목부를 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인의 응력 집중 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

액화가스 저장탱크는, 특히 LNG, LPG 등과 같이 극저온에서 액화되는 탄화수소성분을 포함하는 액체화물을 저장하기 위해 사용될 수 있다. 또, 액화가스 저장탱크는, LNG와 같은 극저온 액체화물을 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열방벽을 갖는 멤브레인형 탱크일 수 있다. 밀봉 및 단열방벽은, 저장탱크의 내부에 수용되어 있는 액화가스의 누출을 방지하고 외부로부터의 열전달을 차단하기 위해, 저장탱크의 모든 방향의 벽면, 즉 전방벽, 후방벽, 좌측벽, 우측벽, 상부벽 및 하부벽에 모두 적층 설치된다.

LNG를 저장하기 위한 멤브레인형 LNG 저장탱크의 밀봉 및 단열방벽은, 선체 내벽 위에 설치되는 2차 단열층과, 2차 단열층 위에 설치되는 2차 밀봉층과, 2차 밀봉층 위에 설치되는 1차 단열층과, 1차 단열층 위에 설치되는 1차 밀봉층을 포함한다.

이러한 액화천연가스 저장탱크의 밀봉 및 단열방벽은, 우선 선체의 내벽 위에 복수의 2차 단열패널을 결합시키고, 복수의 2차 단열패널 위에 2차 밀봉벽을 설치하고, 2차 밀봉벽 위에 1차 단열패널을 설치하고, 마지막으로 1차 단열패널 위에 1차 밀봉벽을 설치하는 과정을 통해 제작된다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인에 의해 1차 밀봉벽을 형성한 액화가스 저장탱크는 해양 구조물의 선체 내에 설치될 수 있다. 본 명세서에서 해양 구조물이란, LNG 운반선(LNG carrier)과 같은 각종 액화가스 운반선, LNG RV (LNG Regasification Vessel) 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO (LNG Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU (LNG Floating Storage and Regasification Unit), LNG FRU (LNG Floating and Regasification Unit), BMPP (Barge Mounted Power Plant), FSPP (Floating and Storage Power Plant) 등의 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인이 복수개의 단열패널 상에 배치된 상태를 도시하는 평면도 및 측단면도가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인(10)은, 극저온의 LNG로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 다수의 주름부(12)를 갖는다. 본 실시형태에 따르면, 다수의 주름부(12) 중 일부는 오목부(14)를 갖는다.

한 개의 단위 1차 단열패널(20)의 크기 및 설치위치는, 1차 밀봉벽을 형성하는 한 개의 단위 멤브레인(10)의 크기 및 설치위치와 상이하다. 그에 따라, 복수개의 단열패널(20)에 걸쳐서 한 개의 멤브레인(10)이 설치되는 경우가 발생한다.

본 실시형태에 있어서, 오목부(14)는 복수개의 단열패널(20)들 사이의 경계부(B)를 따라서 형성된다. 즉, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 멤브레인(10)에 형성되어 있는 다수의 주름부(12) 중에서, 단열패널(20) 사이의 경계부(B)와 중첩되는 위치에 배치되는 주름부(12)는 오목부(14)를 갖는다. 더욱 상세하게는, 주름부(12)에 형성된 오목부(14)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 경계부(B) 상에 위치되도록 형성되며, 그에 따라 오목부(14)는 경계부(B)의 연장방향과 평행하게 배향된다.

도 3에는 4개의 단열패널(20)에 걸쳐 배치되는 멤브레인(10)을 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명은 2개 이상의 단열패널(20)에 걸쳐 배치되는 모든 멤브레인에 대해 적용될 수 있다.

오목부(14)는 주름부(12)의 끝부분으로부터 일정 거리 이격된 위치에서 주름부의 일부를 오목하게 변형시킴으로써 형성되며, 주름부(12)의 연장방향과 오목부(14)의 연장방향은 대략 서로 직각을 이룰 수 있다. 오목부(14)가 형성됨에 따라, 오목부(14)가 형성된 부분의 주름부(12)의 폭은 오목부(14)가 형성되어 있지 않은 부분의 주름부(12)의 폭에 비해 넓어질 수 있다.

전술한 바와 같이, LNG는 액체 상태로 저장탱크 내에 저장되어 있고 선박이나 부유식 해상 구조물은 유동이 발생하는 해상에서 사용되는 것이기 때문에, 저장탱크의 벽면에는 저장된 LNG가 유동하면서 발생하는 슬로싱 하중이 필연적으로 야기된다.

본 발명에 따르면, 복수의 단열패널(20)에 걸쳐서 배치되는 멤브레인(10)에 있어서 단열패널(20)들 사이의 경계부(B) 상에 위치되는 주름부(12)에 대해 오목부(14)를 추가로 형성하였기 때문에, 단열패널에 슬로싱 하중이 가해져 단열패널들 사이에 단차가 발생되는 경우에도, 발생된 단차에 맞춰 멤브레인이 거동할 수 있고 강도 허용기준을 만족할 수 있게 된다. 그로 인해 슬로싱 하중이 가해질 때, 멤브레인 주름부의 끝부에 응력 및 소성변형률이 집중되는 현상을 완화시킬 수 있다.

도 5에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인(10)의 주름부(12)에 오목부(14)를 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다. 오목부(14)를 형성하는 작업은 다음과 같이 실시한다. 즉, 멤브레인(10)에 주름부(12)를 우선 형성한 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 주름부(12)의 일부를 프레싱 수단(30)에 의해 가압하여 오목부(14)를 형성한다.

프레싱 수단(30)에 의한 오목부의 형성시, 오목부(14)의 깊이는 도 4에 도시된 바와 같이 주름부(12)의 높이보다 작은 치수를 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 도 6에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인의 응력 집중 상태를 나타낸 도면이 도시되어 있다. 도 6에서 원형 점선으로 표시한 부분은 오목부(14)의 주변에서 발생하는 국부적인 응력 및 소성변형을 나타내기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 멤브레인에 의하면, 슬로싱 하중으로 인해 인접하는 2개의 단열패널(20)들 사이에 단차가 발생하는 경우에도, 도 6에 도시된 바와 같이, 주름부(12)의 끝부분과 오목부(14)의 주변에서 응력 및 소성변형이 분산하여 나타나게 된다. 그로 인해 주름부(12)의 끝부분에 응력 및 소성변형이 집중되지 않고, 멤브레인의 강도 허용기준을 만족할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10: 멤브레인
12: 주름부
14: 오목부
20: 단열패널
30: 프레싱 수단
B: 단열패널들 사이의 경계부

Claims

액화가스를 저장하기 위한 저장탱크의 밀봉벽을 형성하기 위한 멤브레인으로서,
극저온의 액화가스로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 주름부와;
상기 멤브레인의 강도 보강을 위해 상기 주름부의 일부를 오목하게 변형시켜 형성되는 오목부;
를 포함하며,
상기 멤브레인은 2개 이상의 단열패널에 걸쳐 연장되도록 배치되며,
상기 오목부는, 상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부 중에서, 상기 단열패널들 사이의 경계부와 중첩되는 위치에 배치되는 상기 주름부에 형성되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
청구항 1에 있어서,
상기 오목부는, 상기 주름부의 끝부분으로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부는 서로 교차하지 않는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 오목부는, 상기 경계부 상에 위치되도록 형성되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
청구항 1에 있어서,
상기 오목부는, 상기 경계부의 연장방향과 평행하게 배향되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
청구항 1에 있어서,
상기 주름부의 연장방향과 상기 오목부의 연장방향은 서로 직각을 이루는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
청구항 1에 있어서,
상기 오목부의 깊이는, 상기 주름부의 높이보다 작은 치수를 갖도록 형성되는, 강도 보강용 주름부를 갖춘 멤브레인.
액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크로서,
선체 내벽 위에 설치되는 2차 단열층과,
상기 2차 단열층 위에 설치되는 2차 밀봉층과,
상기 2차 밀봉층 위에 설치되는 1차 단열층과,
상기 1차 단열층 위에 설치되는 1차 밀봉층
을 포함하며,
상기 1차 밀봉층을 형성하기 위한 멤브레인은, 극저온의 액화가스로 인한 수축 및 팽창시 발생할 수 있는 열응력을 흡수하도록 형성되는 주름부와, 상기 멤브레인의 강도 보강을 위해 상기 주름부의 일부를 오목하게 변형시켜 형성되는 오목부를 포함하며,
상기 멤브레인은 2개 이상의 단열패널에 걸쳐 연장되도록 배치되며,
상기 오목부는, 상기 멤브레인에 형성되어 있는 다수의 상기 주름부 중에서, 상기 단열패널들 사이의 경계부와 중첩되는 위치에 배치되는 상기 주름부에 형성되는, 액화가스 저장탱크.