KR20120126997A - 저온액체화물 저장탱크의 단열구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)와 같은 저온액체화물을 저장탱크의 단열구조에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽과, 1차 단열벽 및 2차 단열벽이 선체의 내측에 번갈아 적층 설치되어 이루어지는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조로서, 상기 1차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 구조를 가지며, 상기 2차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능하지 않은 클로즈드-셀 타입의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조가 제공된다.

Description

저온액체화물 저장탱크의 단열구조{INSULATION STRUCTURE OF A STORAGE TANK FOR LOW TEMPERATURE LIQUID CARGO}

본 발명은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)와 같은 저온액체화물 저장탱크의 단열구조에 관한 것이다.

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℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 LNG를 하역하기 위한 LNG 수송선이나, 마찬가지로 LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 도착한 후 저장된 LNG를 재기화하여 천연가스 상태로 하역하는 LNG RV(Regasification Vessel)는, 액화천연가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라고 함)를 포함한다.

최근에는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며, 이러한 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.

이 저장탱크는 단열재에 화물의 하중이 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립탱크형(Independent Tank)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다. 하기 표 1에서 나타난 바와 같이, 통상 멤브레인형 저장탱크는 NO 96형과 Mark Ⅲ형으로 나눠지며, 독립탱크형 저장탱크는 MOSS형과 IHI-SPB형으로 나눠진다.

전술된 멤브레인형 저장탱크의 구조는 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.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 NO 96형의 저장탱크는, 0.5 ~ 0.7㎜ 두께의 인바(Invar) 강(36% Ni)으로 이루어지는 1차 밀봉벽(10) 및 2차 밀봉벽(15)과, 플라이우드 박스(plywood box)에 펄라이트(perlite)를 충전하여 만들어진 단열박스들을 배열하여 이루어지는 1차 단열벽(11) 및 2차 단열벽(16)이, 선체의 내부표면(1, 2) 상에 번갈아 적층 설치되어 이루어진다.

상기 NO 96형의 경우, 1차 밀봉벽(10) 및 2차 밀봉벽(15)이 거의 같은 정도의 액밀성 및 강도를 갖고 있어 1차 밀봉벽(10)의 누설시 상당한 기간 동안 2차 밀봉벽(15)만으로도 화물을 안전하게 지탱할 수 있다. 또한 NO 96형의 밀봉벽(10, 15)은 멤브레인(Membrane)이 직선형이므로 Mark Ⅲ형의 파형 멤브레인보다 용접이 간편하여 자동화율은 높으나, 전체적인 용접장은 Mark Ⅲ형보다 길다. 또한, NO 96형의 경우 단열재 상자(즉, 단열벽, 11, 16)를 지지하기 위해서 더블 커플(Double Couple)(17)을 이용하고 있다.

한편, NO 96형의 단열박스들은 방폭과 누출된 천연가스(메탄) 감지를 위해 단열공간에 불활성가스를 순환시킬 수 있는 구조를 갖는다. NO 96형의 단열박스에 충전되는 펄라이트는 오픈-셀(open-cell) 타입의 단열재로 가스 순환을 가능하게 한다. 또한, IGC 규정에 의해 1차 방벽(즉, 단열층)의 손상시 15일간 화물창의 안전을 유지할 수 있도록 2차 방벽의 구조를 1차 방벽에 비해 상대적으로 더욱 두껍게 형성한다. 이 때문에 2차 방벽의 구조는 상대적으로 슬로싱으로 인한 좌굴응력에 취약하다는 문제가 있다.

슬로싱이란, 선박이 다양한 해상 상태에서 운동할 때 저장탱크 내에 수용된 액체 상태의 물질, 즉 LNG가 유동하는 현상을 말하는 것으로, 슬로싱에 의해 저장탱크의 벽면은 심한 충격을 받게 된다. 이러한 슬로싱 현상은 부분적재시에 더 심하게 발생한다. 상술한 멤브레인형의 액화천연가스 저장탱크는 구조 특성상 저장탱크 내부의 보강재 설치가 쉽지 않기 때문에 현재 구조로서는 독립형 탱크에 비해 슬로싱(sloshing) 문제에 보다 취약할 수밖에 없다. 이러한 슬로싱 현상은 선박의 운항 중에 필연적으로 발생하므로, 슬로싱에 의한 하중을 견디기 위해 충분한 강도를 가지도록 저장탱크 구조를 설계할 필요가 있다.

또한 NO 96형 저장탱크의 단열구조에 사용되는 단열박스에는 불활성가스 순환용 구멍이 형성되어 있는데, 이 역시 슬로싱 현상으로 인한 좌굴응력에 취약한 부분이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 Mark Ⅲ형의 저장탱크는, 1.2㎜ 두께의 스테인리스강 멤브레인(Membrane)으로 이루어지는 1차 밀봉벽(20) 및 트리플렉스(triplex)로 이루어지는 2차 밀봉벽(25)과, 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 등으로 이루어지는 1차 단열벽(21) 및 2차 단열벽(26)이, 선체의 내부표면(1, 2) 상에 번갈아 적층 설치되어 이루어진다.

Mark Ⅲ형의 경우에 밀봉벽은 파형 주름부를 가지며, 극저온 상태인 LNG에 의한 수축은 파형 주름부에서 흡수하여 멤브레인 내에는 큰 응력이 생기지 않는다. Mark Ⅲ형 방열 시스템은 내부 구조상 보강이 쉽지 않으며 2차 밀봉벽의 특성상 NO 96형의 2차 밀봉벽에 비해 LNG 누수를 방지하는 기능이 약하다.

Mark Ⅲ형 저장탱크의 경우, LNG 누출에 더욱 민감한 1차 방벽 구역뿐만 아니라 2차 방벽 구역에도 클로즈드-셀(closed-cell) 타입의 단열재인 폴리우레탄 폼을 적용하고 있다. 이에 따라 단열성능은 상대적으로 양호하지만, 불활성가스 순환을 통한 안전성 확보 및 메탄가스 감지와 같은 기능을 가질 수는 없다는 문제가 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 1차 단열벽에는 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 단열재를 사용하고 2차 단열벽에는 단열성능이 상대적으로 양호한 클로즈드-셀 타입의 단열재를 사용함으로써 경제적이고 강도가 높은, 저온액체화물을 운반하기 위한 운반선에 설치되는 멤브레인형 저장탱크의 단열구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽과, 1차 단열벽 및 2차 단열벽이 선체의 내측에 번갈아 적층 설치되어 이루어지는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조로서, 상기 1차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 구조를 가지며, 상기 2차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능하지 않은 클로즈드-셀 타입의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조가 제공된다.

상기 1차 단열벽은, 불활성가스의 순환을 위한 구멍이 형성된 복수개의 단열박스를 배열하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 단열박스는 플라이우드 박스에 오픈-셀 타입의 단열재인 펄라이트를 충전하여 만들어지는 것이 바람직하다.

상기 2차 단열벽은, 클로즈드-셀 타입의 단열재인 폴리우레탄 폼에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

상기 2차 단열벽은 플라이우드 박스의 내부에 클로즈드-셀 방식의 단열재를 충전한 것 또는 육각형 상자형태를 가지도록 만들어진 클로즈드-셀 방식의 단열재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 저온액체화물을 운반하기 위한 운반선에 설치되는 멤브레인형 저장탱크의 단열구조로서, 1차 단열벽에는 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 단열재를 사용하고 2차 단열벽에는 단열성능이 상대적으로 양호한 클로즈드-셀 타입의 단열재를 사용한 단열구조가 제공될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 저온액체화물 저장탱크의 단열구조에 의하면, 종래 사용되고 있던 NO 96형 저장탱크나 Mark Ⅲ형 저장탱크에 비해 저렴한 비용으로 향상된 강도를 갖는 저온액체화물 저장탱크를 제작할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 저온액체화물 저장탱크의 구조인 NO 96형 저장탱크 구조의 단면도 및 사시도,
도 3 및 도 4는 종래기술에 따른 또 다른 저온액체화물 저장탱크의 구조인 Mark Ⅲ형 저장탱크 구조의 단면도 및 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 저온액체화물 저장탱크용 단열구조를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온액체화물 저장탱크용 단열구조를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 저온액체화물 저장탱크는 LNG와 같은 극저온 상태의 액체를 수용하기 위한 것으로서, 다양한 종류의 해상 구조물 내에 설치되어 사용될 수 있다. 본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG와 같이 극저온 상태로 적재되는 액체 화물을 저장하는 저장탱크를 가지면서 해상에서 사용되는 플랜트와 선박을 모두 포함하는 개념으로, 예를 들어 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 플랜트뿐만 아니라 LNG 수송선이나 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박을 모두 포함하는 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 저온액체화물 저장탱크의 단열구조는, 종래와 유사하게, 1차 밀봉벽(32) 및 2차 밀봉벽(35)과, 1차 단열벽(33) 및 2차 단열벽(36)이 선체(hull)(31)의 내측에 번갈아 적층 설치되어 이루어진다. 본 명세서에서 내측 또는 내부는 화물이 수용되는 저장탱크의 안쪽을 의미하고, 외측 또는 외부는 저장탱크의 바깥쪽을 의미한다.

1차 밀봉벽(32)은 LNG 등과 같은 저온액체화물과 직접적으로 접촉한다. 저온액체화물의 누출을 1차적으로 방지하기 위한 1차 밀봉벽(32)의 외부에는 저장탱크 외부로부터 저장탱크 내부를 향한 열 공급을 차단하기 위한 1차 단열벽(33)이 설치된다. 1차 단열벽(33)의 외부에는 저온액체화물의 누출을 2차적으로 방지하기 위한 2차 밀봉벽(35)이 설치된다. 2차 밀봉벽(35)의 외부에는 전술한 1차 단열벽(33)과 함께 저장탱크 외부로부터 저장탱크 내부를 향한 열 공급을 차단하기 위한 2차 단열벽(36)이 설치된다.

본 발명에 따르면, 1차 단열벽(33)은 복수개의 단열박스(34)를 연달아 배열하여 형성되고, 2차 단열벽(36)은 육각형 상자형태로 절단된 복수개의 단열재(37)를 연달아 배열하여 형성될 수 있다. 복수개의 단열박스 혹은 단열재들이 연달아 배열되어 단열벽(혹은 방벽구조)를 형성하는 방법은 종래와 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 5에는, 1차 밀봉벽(32)과 1차 단열벽(33) 사이, 1차 단열벽(33)과 2차 밀봉벽(35) 사이, 그리고 2차 밀봉벽(35)과 2차 단열벽(36) 사이에 틈이 존재하는 것처럼 도시되어 있지만, 이는 도시의 편의를 위한 것이며 실제로는 틈이 존재하지 않는다. 2차 단열벽(36)과 선체(31) 사이에는 에폭시 수지(38)가 개재되어, 선체(31)가 수평면을 이루지 못할 경우에도 2차 단열벽(36)이 수평을 유지할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 1차 단열벽(33)을 형성하는 각각의 단열박스(34)는 불활성가스의 순환이 가능한 구조를 갖는다. 예컨대, 1차 단열벽(33)을 위한 상기 단열박스(34)는 불활성가스의 순환을 위한 구멍(34a)들이 형성된 플라이우드 박스에 오픈-셀 타입의 단열재인 펄라이트를 충전하여 만들어질 수 있다.

이와 같이 1차 단열벽(33)으로서 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 구조를 채택함으로써 안전성을 확보하고 메탄의 누출을 감지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 2차 단열벽(36)은 불활성가스의 순환이 가능한 구조를 사용하지 않고, 클로즈드-셀 타입의 단열재인 폴리우레탄 폼에 의해 형성될 수 있다.

이와 같이 2차 단열벽(36)으로서 클로즈드-셀 타입의 구조를 채택함으로써 2차 단열벽(36)의 두께를 종래에 비해 감소시킬 수 있으며, 두께 감소에 따라 슬로싱 현상으로 인한 좌굴응력에 대항하여 더욱 향상된 강도를 가질 수 있게 된다.

2차 단열벽(36)은 플라이우드 박스의 내부에 폴리우레탄 폼과 같은 클로즈드-셀 방식의 단열재를 충전한 것이 사용될 수도 있고, 육각형 상자형태를 가지도록 만들어진 클로즈드-셀 방식의 단열재가 사용될 수도 있다.

한편, 1차 밀봉벽(32) 및 2차 밀봉벽(35)은, 종래의 NO 96형 저장탱크와 같이 0.5 ~ 0.7㎜ 두께의 인바(Invar) 강(36% Ni)으로 이루어질 수도 있고, 종래의 Mark Ⅲ형 저장탱크와 같이 스테인리스강 멤브레인 및 트리플렉스(triplex)로 이루어질 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 저온액체화물 저장탱크용 단열구조를, 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.

31 : 선체 32 : 1차 밀봉벽
33 : 1차 단열벽 34 : 단열박스
34a : 구멍 35 : 2차 밀봉벽
36 : 2차 단열벽 37 : 단열재
38 : 에폭시 수지

Claims (5)

1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽과, 1차 단열벽 및 2차 단열벽이 선체의 내측에 번갈아 적층 설치되어 이루어지는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조로서,
상기 1차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능한 오픈-셀 타입의 구조를 가지며, 상기 2차 단열벽은 불활성가스의 순환이 가능하지 않은 클로즈드-셀 타입의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조.

청구항 1에 있어서,
상기 1차 단열벽은, 불활성가스의 순환을 위한 구멍이 형성된 복수개의 단열박스를 배열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조.

청구항 2에 있어서,
상기 단열박스는 플라이우드 박스에 오픈-셀 타입의 단열재인 펄라이트를 충전하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조.

청구항 1에 있어서,
상기 2차 단열벽은, 클로즈드-셀 타입의 단열재인 폴리우레탄 폼에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조.

청구항 1에 있어서,
상기 2차 단열벽은 플라이우드 박스의 내부에 클로즈드-셀 방식의 단열재를 충전한 것 또는 육각형 상자형태를 가지도록 만들어진 클로즈드-셀 방식의 단열재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온액체화물 저장탱크의 단열구조.

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