KR20090094505A - 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인에 관한 것으로서, 금속 멤브레인의 주름부 내부로 일정 형태를 가지는 불연성 폼의 충진재를 채워 넣어 강성을 보강한 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면 주름부의 면강성을 증가시키지 않고도 동일 하중에 대하여 주름부의 붕괴를 방지하고 충격 감소의 효과도 있으며, 단열층이 부가적으로 형성되어 단열 효율이 증가되는 효과를 가진다.
화물창, 금속 멤브레인, 주름부, 단열, 불연성 폼

Description

액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인{MATERIAL CORRUGATION TO LNG CARGO}
본 발명은 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 멤브레인의 주름부 하부에 불연성 폼 보강재를 삽입하여 주름부 형상의 붕괴를 방지하고, 단열 효과도 높일 수 있는 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인에 관한 것이다.
일반적으로, 액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 섭씨 영하 163℃로 냉각해 그 부피를 6백분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체를 말한다.
이러한 액화천연가스가 에너지자원으로 등장함에 따라 이 가스를 에너지로 이용하기 위해서 생산기지로부터 수요지의 인수지까지 대량으로 수송할 수 있는 효율적인 운송방안이 검토되어 왔으며, 이러한 노력의 일환으로 대량의 액화천연가스를 해상으로 수송할 수 있는 액화천연가스 운반선이 나타나게 되었다.
그런데 이러한 액화천연가스 운반선에는 초저온상태로 액화시킨 액화천연가스를 보관 및 저장할 수 있는 화물창(Cargo)이 구비되어 있어야 하는데, 이러한 화 물창에 요구되는 조건이 매우 까다로워 많은 어려움이 있었다. 즉, 액화천연가스는 대기압 보다 높은 증기압을 가지며, 대략 섭씨 영하 163℃ 정도의 비등온도를 갖기 때문에, 이러한 액화천연가스를 안전하게 보관하고 저장하기 위해서는 이를 저장하는 화물창은 초저온에 견딜 수 있는 재료, 예를 들면 알루미늄강, 스테인리스강, 35% 니켈강 등으로 제작되어야 하며, 기타 열응력 및 열수축에 강하고, 열침입을 막을 수 있는 독특한 인슐레이션 구조로 설계되어야 했다.
특히, 화물창의 1차 방벽인 금속 멤브레인은 영하 163℃의 극저온 상태의 LNG와 직접적으로 접촉하게 되므로 응력변화에 대응할 수 있는 알루미늄 합금, 인바(Invar), 9% 니켈강 등 저온 취성에 강한 재질의 금속재질이 사용되며, 반복적인 온도변화 및 저장액체의 하중변화에 팽창 및 수축이 용이하도록 중앙부가 융기된 직선 주름부(코러게이션)를 구비하고 있으며, 다수의 멤브레인 금속패널 모서리가 겹치기 용접에 의해 서로 용접 연결되어 탱크의 기밀성을 유지하도록 용접부를 구비한다.
종래에 사용되고 있는 금속 멤브레인은 대략 직사각형으로 제작되고, 열과 하중의 변화에 팽창 및 수축이 용이하도록 다수개의 주름부가 금속패널 전체에 걸쳐 형성되어 있으며, 다수개의 주름부를 구비하는 단일 멤브레인 금속패널의 모서리 및 4 변이 이웃하는 또 다른 단일 멤브레인 금속패널의 모서리 및 4변에 의해 겹쳐진 후 겹치기 용접에 의해 서로 연결되어 탱크의 기밀성을 유지하도록 되어 있다.
그러나 이와 같은 종래의 금속 멤브레인에서 주름부가 융기된 관계로 LNG선 의 대형화 추세에 따른 화물창내 증가된 높은 정수압(hydrostatic pressure) 혹은 동압(dynamic pressure) 하에서 쉽게 붕괴되는 문제점이 예상되고 있다. 예컨대 액화가스에 의해 가해지는 유체 정역학적 압력이 주름부에 상당한 소성 변형을 일으킬 수 있으며 특히 교차하는 주름부로부터 소정의 거리에 있는 주름부의 측면이 압착될 수 있다.
이에 주름부의 강성 보강을 위한 해결책으로 멤브레인의 두께를 증가시키는 등의 많은 방법이 시행되었으나 가요성이 저하되는 등의 문제점이 있다. 더욱이 미국특허 US2005/0082297호에 따르면 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 하나 이상의 멤브레인(10)을 포함하는 밀봉 벽 구조물이 개시되어 있으며, 멤브레인은 직교하는 방향의 하나 이상의 제 1 주름부(5) 및 제 2 주름부(6)가 형성되고, 이 주름부(5)(6)는 탱크의 내부면을 향하여 돌출되며, 밀봉 벽 구조물은 다른 주름 열과의 두 개의 연속 교차부(8) 사이의 부분에 하나 이상의 주름부에 형성된 하나 이상의 강화 릿지(Ridge:11)를 포함하며, 각각의 릿지(11)는 대체로 볼록하며 릿지를 지지하는 주름부의 하나 이상의 측면에 국부적으로 형성되는 구성이다.
그러나, 위와 같은 종래 기술에 따르면, 릿지 구조로 하여 주름부가 수압에 의해 붕괴되는 것을 막아주는 역할을 하지만, 화살표 방향으로 힘이 가해졌을 때에 릿지로 인하여 면강성이 증가된 주름부는 주름부 본연의 팽창 및 수축력이 저하되어 열수축시 용접부에 응력을 증가시키는 단점이 발견되었다. 더욱이 보강이 필요없는 부위에는 릿지가 구비되지 않은 멤브레인을 사용하고, 보강이 필요한 부위에는 릿지를 구비한 멤브레인을 별도로 준비해야 하는 불편함이 있었다.
따라서 본 발명에서는 금속 멤브레인의 주름부 내부에 충진재를 채워 넣음으로써, 주름부의 면강성을 증가시키지 않고도 붕괴를 방지할 수 있으며, 보강이 필요한 부위에 별도의 멤브레인을 구비하지 않고도 충진재가 포함된 단일 멤브레인을 이용할 수 있는 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 액화천연가스 화물창을 구성하는 2차 방벽의 평면상에 설치되며 주름부를 형성하는 금속 멤브레인에 있어서, 주름부의 내부로 충진재를 채워 넣어 강성을 보강한 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인을 제공한다.
그리고 바람직하게 충진재는 불연성 폼으로 이루어지며, 충진재의 단면이 원형 또는 주름부의 단면 형상과 같은 것을 특징으로 한다.
또한, 충진재가 합성수지재의 파이프에 내장되어 주름부의 내부에 설치될 수 있으며, 이 파이프의 단면이 원형 또는 주름부의 단면 형상과 같은 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인에 따르면, 금속 멤브레인의 주름부 내부에 충진재를 채워 넣음으로써, 주름부의 면강성을 증가시키지 않고도 붕괴를 방지하고 충격 감소의 효과도 있으며, 단열층이 부가적으로 형성되어 단열 효율이 증가되는 효과를 가진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인의 단면도이고, 도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인의 단면도이다.
액화천연가스 화물창에서 1차 방벽을 구성하는 금속 멤브레인(10)은 종래의 도 1을 참고하여 설명하면, 직사각형태로 하여 영하 163℃의 극저온 상태의 액화천연가스와 직접적으로 접촉하게 되므로 응력변화에 대응할 수 있는 알루미늄 합금, 인바(Invar), 9% 니켈강 등 저온 취성에 강한 재질의 금속재질이 사용되며, 직교하는 방향의 하나 이상의 제 1 주름부(5) 및 제 2 주름부(6)와 이들의 교차부(8)로 형성되고 화물창의 내부면을 향하여 돌출된다.
여기서 본 발명의 특징에 따라 주름부의 강성 보강을 위하여 주름부의 내부에 일정 형태를 가지는 충진재(20)를 채워 넣었다.
바람직하게 제 1 주름부(5) 및 제 2 주름부(6)의 길이 방향을 따라 충진재(20)를 채워 넣을 수 있으나, 더욱 바람직하게는 제 2 주름부(6)에만 충진재(20)를 채워 넣어도 요구되는 강성을 만족시킬 수 있다.
충진재(20)는 페놀폼 등의 불연성 폼이 사용되며, 제 1 실시예로 예시된 도 3a 내지 도 3b와 같이 충진재(20)의 형상이 원형 또는 제 1, 2 주름부(5)(6)의 단면 형상과 같은 형상을 가질 수 도 있다.
한편, 불연성 폼의 충진재(20)보다 더욱 큰 강성의 요구시, 충진재(20)는 합성수지재로 제작되어 중공의 내부를 가지는 파이프(30)에 내장되어 파이프(30)와 같이 주름부의 내부에 설치될 수 있다.
합성수지재에 유리섬유 등이 첨가되어 제작된 파이프(30) 역시, 제 1 주름부(5) 및 제 2 주름부(6) 또는 제 2 주름부(6)에만 길이 방향을 따라 설치된다.
그리고 제 2 실시예로 예시된 도 4a 내지 도 4b와 같이 파이프(30)의 단면이 원형 또는 제 1, 2 주름부(5)(6)의 단면 형상과 같을 수 있으며, 이외에도 제 2 주 름부(6)의 내부를 채울 수 있는 형상이면 가능하다.
이와 같은 구조로 이루어진 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인의 작용은 하기의 그림(a)와 (b) 그리고 그림 (c)와 (d)를 참고하여 설명하면 다음과 같이 이루어진다.
Figure 112008015455664-PAT00001
여기서 (a)와 (c)는 종래 멤브레인의 주름부를 보여주는 것이고, (b)와 (d)는 주름부의 내부에 불연성 폼의 충진재(20)가 채워진 상태를 보여주고 있다.
그리고 극저온에서 변형 및 응력 해석을 수행한 결과이며, 충진재(20)로 사용되는 불연성 폼의 강성은 극저온에서 140 MPa, 열팽창계수 53ⅹ10 -6 m/m ℃로 가정하였고, 하부는 합판제와 접촉한다고 가정하였으며, 1차 방벽의 양단은 대칭 조건을 적용하였다.
다음과 같은 조건에서 그림(a)와 (b)에 따르면, 극저온 상태에서 주름부의 변형 양상을 보여주는 것으로서, 그림(a)의 보강되지 않은 주름부에서는 온도 변화에 따라 수축 및 팽창되어 멤브레인(10)의 구조 형태를 유지시킬 수 있으나 충격에 취약할 수 있다. 이에 반해 그림(b)에서 충진재로 보강된 경우에 불연성 폼의 충진재의 열팽창계수가 주름부 보다는 크므로 주름부와 충진재 사이에 갭이 형성되고, 이 갭을 통통하여 수축, 팽창되는 주름부에는 영향을 미치지 않게 된다. 즉, 그림(b)에서는 주름부가 본연의 기능을 충분히 수행하면서도 충진재를 통하여 강성이 보강되고 단열 효율도 증가됨을 알 수 있다.
그리고 그림(c)와 (d)는 대략 7bar의 정수압이 가해졌을 때, 주름부의 변형 및 응력 양상을 나타낸 것으로서, 그림(c)에서 보강되지 않은 주름부는 옆면이 매몰되면서 붕괴되지만, 그림(d)에서 충진재로 보강된 경우에는 주름부의 내면과 충진재 사이의 접촉 면압에 의해 붕괴가 방지된다. 즉, 접촉에 의해 충진재 내부에 작용하는 최대 응력은 0.8 MPa 정도로 극저온에서 충분히 면압에 견딜 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인에 대하여 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 일반적인 금속 멤브레인의 사시도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 금속 멤브레인의 일부 확대 사시도이고,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인의 단면도이고,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
5 : 제 1 주름부 6 : 제 2 주름부
20 : 충진재 30 : 파이프

Claims (5)

  1. 액화천연가스 화물창을 구성하는 2차 방벽의 평면상에 설치되며 주름부를 형성하는 금속 멤브레인에 있어서,
    상기 주름부의 내부로 충진재를 채워 넣어 강성을 보강한 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는,
    불연성 폼인 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재의 단면이 원형 또는 상기 주름부의 단면 형상과 같은 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 합성수지재의 파이프에 내장되어 상기 주름부의 내부에 설치되는 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파이프의 단면이 원형 또는 상기 주름부의 단면 형상과 같은 액화천연가스 화물창의 금속 멤브레인.
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