KR20140023689A - 단열방벽 접합구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저온 또는 고온의 액체용 탱크, 예를 들어, 액화천연가스 운반선의 화물창의 단열방벽 접합구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 접합부의 응력을 최소화할 수 있는 단열방벽 접합구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조는 일정한 간격으로 배열되어 있는 복수의 단열패널들의 표면에 접합된 면재와, 복수의 상기 단열패널들 사이의 틈새를 덮도록, 인접하는 두 개의 상기 단열패널들의 표면에 접합된 면재와 접합되어 있는 스트립을 포함한다. 여기서 상기 면재와 상기 스트립은 서로 다른 구조 강성을 가진다. 본 발명에 다른 단열방벽 접합구조는 단열패널에 결합된 면재와 단열패널 사이의 틈새를 덮는 스트립에 각각 적합한 구조 강성을 갖는 시트를 사용하여, 면재와 스트립의 접합부위, 스트립의 겹침부의 열변형과 열응력을 최소화할 수 있다.

Description

단열방벽 접합구조{CONNECTING STRUCTURE OF INSULATING BARRIER}
본 발명은 저온 또는 고온의 액체용 탱크, 예를 들어, 액화천연가스 운반선의 화물창의 단열방벽 접합구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 접합부의 응력을 최소화할 수 있는 단열방벽 접합구조에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG), 액체아르곤(Liquid argon), 액체질소(Liquid nitrogen), 액체산소(Liquid oxygen) 등의 초저온 액체는 증발에 의한 손실을 최소화하기 위하여 단열 구조의 저장 탱크에 보관되거나 운반된다.
초저온 액체 저장 탱크의 일례로 LNG 운반선(LNG carrier)의 화물창(Cargo containment system)이 있다. LNG 운반선의 화물창은 -165℃의 초저온 LNG를 저장 및 운반하기 위한 것으로서 구형 타입과 멤프레인 타입이 있으며, 구형 탱크(Spherical Type Tank)보다 용량이 크고 제작이 간편한 멤브레인형 탱크(Membrane type tank)가 선호되고 있다.
멤브레인형 LNG 운반선의 보냉 시스템은 프랑스의 가즈트랜스포트 이트 테크니가즈(Gaz Transport Et Technigaz, GTT, France)사에 의하여 개발된 가즈트랜스포트 시스템(Gaz Transport System)과 테크니가즈 시스템(Technigaz System)이 사용되고 있다. 가즈트랜스포트 시스템은 GTT No96으로 불리고 있으며, 테크니가즈 시스템은 GTT 마크-Ⅲ(GTT Mark-Ⅲ) 시스템으로 불리고 있다.
가즈트랜스포트 시스템의 제1 방벽과 제2 방벽의 소재는 열팽창 계수가 매우 낮은 인바강(Invar, 36% 니켈강)이 사용되고 있다. 제1 및 제2 방벽 사이에는 펄라이트(Pearlite)가 채워진 단열 박스가 사용되고 있다.
테크니가즈 시스템의 제1 방벽은 열변형으로 인한 수축 및 팽창을 흡수하기 위하여 주름(Corrugation)이 성형되어 있는 스테인리스 스틸 시트(Stainless steel sheet)가 사용되고 있으며, 제2 방벽은 알루미늄 포일(Aluminium foil)의 양면에 유리섬유 복합재료(Glass fiber composite)가 접합된 형태의 트리플렉스(Triplex)가 사용되고 있다. 그리고 단열재 역할을 하는 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam)이 제1 및 제2 방벽 사이에 장착되어 있다. 폴리우레탄 폼의 일면에는 합판(Plywood)이나 복합 재료(Composite) 등으로 이루어진 보호판이 결합된다.
가즈트랜스포트 시스템과 테크니가즈 시스템의 가스 기화율(Boil-off rate, BOR)은 비슷한 것으로 알려져 있으나, 인바 멤브레인에 비해 스테인리스스틸시트 및 트리플렉스의 가격이 싸고 시공이 간편하며 폴리우레탄폼의 단열효과가 뛰어나기 때문에 테크니가즈 시스템이 선호되고 있다.
가즈트랜스포트 시스템이나 테크니가즈 시스템의 제2 방벽은 단열재의 표면에 결합하는 면재와 면재와 접합되어 단열재 사이의 틈새를 덮는 스트립으로 이루어진다. 종래의 가즈트랜스포트 시스템이나 테크니가즈 시스템에서는 면재와 스트립의 재질을 구분하여 사용하지 않았으며, 이로 인해 제2 방벽에 높은 열변형 및 열응력을 발생시킨다는 문제가 있었다.
본 발명은 면재와 스트립으로 서로 구조 강성이 다른 시트를 사용함으로써, 열변형 및 열응력을 최소화하여 안정적으로 밀폐성능을 유지할 수 있는 할 수 있는 새로운 단열방벽 접합구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조는 일정한 간격으로 배열되어 있는 복수의 단열패널들의 표면에 접합된 면재와, 복수의 상기 단열패널들 사이의 틈새를 덮도록, 인접하는 두 개의 상기 단열패널들의 표면에 접합된 면재와 접합되는 스트립을 포함한다. 여기서 상기 면재와 상기 스트립은 서로 다른 구조 강성을 가진다.
상기 면재와 스트립 중에서 구조 강성이 큰 것의 구조 강성이 구조 강성이 작은 것의 구조 강성의 100배 이상인 것이 바람직하다.
또한, 스트립의 구조 강성이 더 큰 것이 바람직하다. 스트립을 일체로 제작하는 것이 어렵기 때문에 여러 스트립 조작을 연결하여 사용하며, 겹침부에 큰 열변형이 발생할 경우 상대적으로 낮은 파괴변위를 가지는 겹침부가 파손될 수 있기 때문이다.
예를 들어, 상기 면재는 알루미늄 시트로 이루어지며, 상기 스트립은 스테인리스스틸 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 동일한 조성의 금속 시트를 사용하되, 상기 면재는 풀림 처리된 금속 시트이며, 상기 스트립은 경화 처리된 금속 시트일 수 있다. 상기 스트립은 열처리, 가공 경화, 석출 경화, 고용 경화, 분산 경화 또는 이들의 조합에 의해서 경화될 수 있다.
또한, 상기 면재에는 주름부(Corrugation)가 형성되어 있는 시트를 사용하고, 상기 스트립에는 굴곡부가 형성되어 있지 않은 시트를 사용할 수 있다.
또한, 구조 강성의 차이를 위해서, 상기 면재는 상기 스트립에 비해서 두께가 얇은 시트를 사용할 수 있다.
본 발명에 다른 단열방벽 접합구조는 단열패널에 결합된 면재와 단열패널 사이의 틈새를 덮는 스트립에 각각 적합한 구조 강성을 갖는 시트를 사용하여, 면재와 스트립의 접합부위, 스트립의 겹침부의 열변형과 열응력을 최소화할 수 있다.
또한, 이를 통해서 단열방벽 접합구조의 밀폐 성능과 구조 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조를 구비한 초저온 액체 저장 탱크를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단열방벽 접합구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조를 구비한 초저온 액체 저장 탱크를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참고하면, 초저온 액체 저장 탱크는 내부에 극저온 액체를 저장하기 위한 저장공간이 마련되는 탱크 내벽(110)과 탱크 내벽(110)과 저장공간 사이의 열이동을 막기 위해 탱크 내벽(110)에 결합되는 단열 구조체(120)를 포함한다. 단열 구조체(120)는 복층으로 배치되는 단열패널(121)(122)(123), 1차 방벽(124) 및 2차 방벽(125)으로 구성된다.
단열패널(121)(122)(123)은 탱크 내벽(110) 위에 결합되는 외측 단열패널(121)과 외측 단열패널(121)을 덮는 내측 단열패널(122) 및 브릿지 단열패널(123)로 구분될 수 있다. 브릿지 단열패널(123)은 두 외측 단열패널(121) 사이의 틈새를 덮기 위해 내측 단열패널들(122) 사이에 배치된다.
이들 단열패널(121)(122)(123)은 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam) 등의 단열재(126)(127)(128) 일면에 보강재(129)(130)(131)가 결합된 샌드위치 구조로 이루어진다. 외측 단열패널(121)은 탱크 내벽(110)에 접착제(115) 또는 스터드 볼트(미도시)에 의해 고정되고, 내측 단열패널(122)과 브릿지 단열패널(123)은 접착제에 의한 접착 등의 결합 방법으로 외측 단열패널(121)에 고정된다.
1차 방벽(124)은 저장공간에 저장되는 극저온 액체가 누출되지 않도록 저장공간을 밀폐하기 위한 것으로 내측 단열패널(122) 또는 브릿지 단열패널(123) 위에 설치되는 앵커 스트립(Anchor strip, 미도시)에 용접 고정되는 금속 재질의 복수의 방벽 시트(132)를 포함한다. 1차 방벽(124)을 구성하는 방벽 시트(132)는 스테인리스 스틸이나 알루미늄 등 극저온에서 취성에 의한 물성 저하가 발생하지 않는 다양한 금속 소재로 이루어질 수 있다.
1차 방벽(124)은 열수축에 의한 열응력 발생을 억제하기 위한 복수의 주름부(133)를 갖는다. 주름부(133)은 저장공간 방향으로 볼록하게 형성되어 있다. 주름부(133)은 1차 방벽(124)이 극저온의 액화천연가스와 접할 때 발생하는 열수측에 의한 응력에 의해서 용접 부위가 파손되는 방지하기 위한 것이다.
2차 방벽(125)은 1차 방벽(124)이 파손될 경우 극저온 액체를 2차로 밀폐하기 위한 것으로, 외측 단열패널(121) 위를 덮는다. 2차 방벽(125)은 외측 단열패널(121)의 상면을 덮는 복수의 면재(135) 및 외측 단열패널들(121) 사이의 틈새를 덮는 복수의 스트립(134)으로 구성된다. 스트립(134)은 금속 또는 금속과 복합재료의 혼합 재료로 이루어지며, 고분자 접착제 혹은 필름형 접착제 등의 접착층(138)에 의해 외측 단열패널(121)의 면재(135)에 접합된다.
도 2는 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단열방벽 접합구조는 일정한 간격으로 배열되어 있는 복수의 외측 단열패널(121)들의 표면에 접합된 면재(135)와, 외측 단열패널(121)들 사이의 틈새를 덮는 스트립(134)을 포함한다. 면재(135)와 스트립(134)은 접착, 용접 또는 기계적인 체결방식에 의해서 결합한다. 스트립(134)은 시공상 일체형으로 제작하기 어렵기 때문에 여러 조각의 스트립을 겹쳐서 사용하는 것이 일반적이다. 면재(135)와 스트립(134)의 접합층(138) 및 스트립 겹침부는 초저온 액체에 의한 외측 단열패널(121)의 열수축에 의해서 발생하는 열응력에 상대적으로 취약하다.
스트립(134), 면재(135)와 외측 단열패널(121)들은 그 형상과 재료에 의해서 일정한 구조 강성과 열수축량을 갖게 되며, 각각의 요소는 그 구조 강성과 열수축량 만큼 주변의 요소에 영향을 주게 되며, 힘의 평형이 이루어질 때까지 변형을 한다. 이러한 힘의 평형에 의해서 발생하는 열응력이 각각의 요소에 작용하다. 그리고 면재(135)와 스트립(134)의 접합층(138) 및 스트립 겹침부에 발생한 영응력이 2차 방벽 신뢰성을 결정하는 중요한 요소가 된다.
초저온의 액체, 예를 들어 액화 천연 가스가 초저온 액체 저장 탱크의 내부에 저장되는 경우, 외측 단열패널(121)의 열수축으로 인해서 스트립(134)에 인장응력이 가해진다. 이때, 면재(135)와 스트립(134)이 모두 낮은 구조 강성을 가지면 스트립(134)에 큰 열변형이 발생하게 되어 스트립(134)이 파손될 수 있다. 또한, 스트립 겹침부의 파손이 일어날 수 있다.
반대로 면재(135)와 스트립(134)이 모두 높은 구조 강성을 가지면, 스트립(134)의 열변형은 줄어들지만 면재(135)와 스트립(134)을 연결하는 접합층(138)에 큰 열응력이 발생하여 상대적으로 약한 항복강도를 가지는 면재(135)와 스트립(134)의 접합층(138)의 파손이 일어날 수 있다.
단열방벽 접합구조의 설계를 위해 요구되는 면재(135)와 스트립(134)의 구조 강성을 계산하기 위해서 유한 요소 해석(Finite element method, FEM)과 스프링 모델(Spring model)을 이용하여 스트립(134)과 면재(135)의 구조 강성에 따른 열응력과 변형량과 계산하였다.
유한 요소 해석은 면재(135)가 부착된 외측 단열패널(121)의 구조 강성과 열수축량을 계산하기 위해서 사용되었으며, 면재(135)의 강성과 항복 응력이 증가함에 따라서 면재(135)가 부착된 외측 단열패널(121)의 구조 강성과 열수축량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 외측 단열패널(121)에 부착된 면재(135)가 외측 단열패널(121)에 비해서 상대적으로 강성이 크기 때문에, 외측 단열패널(121)은 면재(135)가 부착된 외측 단열패널(121)의 구조 강성과 열수축량에 큰 영향을 주지 않으며, 면재(135)가 부착된 외측 단열패널(121)의 구조 강성과 열수축량은 면재(135)의 물성에 크게 의존한다.
유한 요소 해석결과 계산된 면재(135)가 부착된 외측 단열패널(121)의 구조 강성과 열수축량은 스프링 모델을 통한 힘 평형 방정식 계산에 활용되었다.
아래의 표 1은 스트립(134)과 면재(135)의 종류에 따른 열응력과 변형량의 계산결과이다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 스트립(134)의 재료로 구조 강성이 높은 스테인리스 스틸(SUS304-O) 0.2t의 시트를 사용하고, 면재(135)의 재료로 구조 강성이 낮은 알루미늄(Al1050-O) 0.3t의 시트를 사용할 경우에 열응력과 변형량이 최소화된다.
Figure pat00001
높은 구조 강성을 가지는 스트립(134)은 열변형이 최소화되고, 이와 접합된 낮은 구조 강성의 면재(135)는 적당한 열변형을 일으켜, 스트립(134)과 면재(135)의 접합층(138)의 열응력이 최소화된다. 또한, 스트립(134)의 겹침부의 열응력도 최소화된다. 이때, 스트립(134)의 구조 강성은 면재(135)의 구조 강성의 100배 이상인 것이 바람직하다.
구조 강성은 형상과 재료를 변경하여 조절할 수 있다.
예를 들어, 스트립(134)으로는 높은 강성과 항복강도를 가지는 철강재료를 사용할 수 있으며, 면재(135)로는 상대적으로 낮은 강성과 항복강도를 가지는 알루미늄을 사용할 수 있다.
또한, 동일한 금속재료를 사용하되, 열처리 조건을 달리하여 항복강도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 스트립(134)은 가공경화를 통해서 항복강도를 높이고, 면재(135)는 풀림을 통해서 항복강도를 낮출 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 면재(135)에 외측 단열패널(121) 방향으로 볼록한 주름부(136)를 형성거나, 면재(135)의 두께를 얇게 하여 면재(135)가 낮은 구조 강성을 갖게 할 수 있다. 이때 스트립(134)에도 주름부(137)를 형성하되 구조 강성이 면재(135)에 비해서 크도록 할 수도 있다.
상술한 바와 반대로 구조 강성이 낮은 시트를 스트립(134)으로 사용하고, 구조 강성이 높은 시트를 면재(135)로 사용하는 것도 가능하다. 그러나 일체형 스트립이 아닌 경우에는 스트립 겹침부의 열변형을 최소화하기 위해서 스트립(134)의 구조 강성이 면재(135)의 구조 강성에 비해서 더 크게 하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100: 액체저장탱크 110: 탱크 내벽
120: 단열 구조체 121: 외측 단열패널
122: 내측 단열패널 123: 브릿지 단열패널
124: 1차 방벽 125: 2차 방벽
132: 방벽 시트 133: 주름부
134: 스트립 135: 면재
138: 접합층

Claims (8)

  1. 일정한 간격으로 배열되어 있는 복수의 단열패널들의 표면에 접합된 면재와,
    복수의 상기 단열패널들 사이의 틈새를 덮도록, 인접하는 두 개의 상기 단열패널들의 표면에 접합된 면재와 접합되는 스트립을 포함하며,
    상기 면재와 상기 스트립은 서로 다른 구조 강성을 가지는 단열방벽 접합구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 면재와 스트립 중에서 구조 강성이 큰 것의 구조 강성이 구조 강성이 작은 것의 구조 강성의 100배 이상인 단열방벽 접합구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 면재는 알루미늄 시트로 이루어지며, 상기 스트립은 스테인리스 스틸 시트로 이루어지는 단열방벽 접합구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 면재는 풀림 처리된 금속 시트이며, 상기 스트립은 경화 처리된 금속 시트인 단열방벽 접합구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스트립은 열처리, 가공 경화, 석출 경화, 고용 경화, 분산 경화 또는 이들의 조합에 의해서 경화된 단열방벽 접합구조.
  6. 제1항에 있어서
    상기 면재는 주름부(Corrugation)가 형성되어 있는 시트인 단열방벽 접합구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 면재는 상기 스트립에 비해서 두께가 얇은 시트인 단열방벽 접합구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단열방벽 접합구조는 초저온 액체 저장 탱크의 2차 방벽인 단열방벽 접합구조.


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