KR20200048261A - 액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 액화가스 저장용기는, 격자형 압력용기로서, 제1 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되는 수용부; 상기 수용부의 둘레에 마련되는 벌집 구조의 내벽부; 상기 내벽부를 감싸며 상기 내벽부와의 사이에 단열재가 충진되는 평판 구조의 외벽부; 및 상기 수용부의 적어도 양 측면에 마련되고, 상기 제1 간격 대비 상이한 제2 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되며, 상기 격벽 사이에 단열재가 충진되는 플로어부를 포함한다.

Description

액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박{LIQUEFIED GAS STORAGE TANK AND SHIP WITH IT}
본 발명은 액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
액화가스(LNG)는 천연가스를 극저온(대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 적합하다.
액화가스 운반선에는 액화가스(액화천연가스)의 보관 및 저장을 위한 액화가스 저장용기가 구비된다. 액화가스 저장용기는 다양한 타입으로 제작되어 선박에 설치되는데, 독립형 저장용기로는 IMO Type A, IMO Type B, IMO Type C 및 Novel Design 등이 있다.
이러한 액화가스 저장용기는 액화가스 하중을 지지할 수 있는 기계적 강도 확보와 더불어 우수한 단열성이 요구된다. 구체적으로, 액화가스 저장용기는 저장된 저온의 액화가스의 열이 선체에 전달되지 않아야 하며, 용기 내벽에 작용하는 높은 압력과 저장 높이에 따른 정수압(Hydrostatic pressure), 선체운동에 기인한 슬로싱(Sloshing) 또는 동적압력(Dynamic pressure) 등에 견디도록 설계하여야 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 내압에 의한 팽창 및 극저온 액화가스에 의한 열수축에 보다 잘 견딜 수 있고, 단열 성능이 향상된 액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 액화가스 저장용기는, 격자형 압력용기로서, 제1 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되는 수용부; 상기 수용부의 둘레에 마련되는 벌집 구조의 내벽부; 상기 내벽부를 감싸며 상기 내벽부와의 사이에 단열재가 충진되는 평판 구조의 외벽부; 및 상기 수용부의 적어도 양 측면에 마련되고, 상기 제1 간격 대비 상이한 제2 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되며, 상기 격벽 사이에 단열재가 충진되는 플로어부를 포함한다.
구체적으로, 상기 내벽부의 벌집 구조는 상기 수용부의 격자 구조보다 조밀하게 구획될 수 있다.
구체적으로, 상기 벌집 구조는 T형강재, Y형강재 및 판형부재를 서로 용접 결합하여 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 부재들 간의 용접 부위는 서로 중첩되지 않도록 설정될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 간격은 상기 제1 간격보다 작을 수 있다.
구체적으로, 상기 플로어부는 상기 수용부의 상면과 하면을 덮도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 수용부의 격벽에는 개구부가 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 외벽부는, 상기 내벽부를 감싸는 방벽과, 상기 방벽의 외면에 설치된 단열부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 선박은, 상기에 기재된 액화가스 저장용기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박은, 저장용기 외곽부를 벌집 구조로 구성하여 내압이 균등하게 분배되어 응력집중이 발생하지 않도록 할 수 있다.
또한, 벌집 구조 외곽에 강성이 큰 단열재를 충진하여 단열성이 향상되고 굽힘 변형에 강해진다.
또한, 수직 및 수평으로 교차하는 격벽 설치로 슬로싱(Sloshing)에 강한 구조이다.
또한, 동일 형상이 반복되는 격자 형태 및 벌집 구조로 저장용기의 크기 조절이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기를 구비한 선박의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 3a는 도 2의 액화가스 저장용기의 부분 단면 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3b는 도 2의 I-I'라인에 따른 단면도이고, 도 3c는 도 2의 II-II'라인에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌집 구조의 용접 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기에 작용하는 응력 분포를 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기를 구비한 선박의 개략적인 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)은 액화가스를 수용하는 액화가스 저장용기(CT), 엔진 시스템(ES)이 위치하는 엔진룸(ER), 엔진룸(ER) 상에 위치하는 엔진 케이싱(EC), 연돌(F) 및 데크 하우스(DH)를 포함할 수 있다.
액화가스 저장용기(CT)는 복수개로 마련될 수 있고, 선체 내부에 나란히 배열될 수 있다. 본 실시예의 액화가스 저장용기(CT)는 선체의 길이 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 단, 액화가스 저장용기(CT)의 개수, 크기 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
일례로 선박(1)이 액화가스 운반선이 아닌 컨테이너운반선 등의 경우, 액화가스 저장용기(CT)는 선박의 연료탱크로 압력 용기(IMO Type C) 형태로 이루어져 갑판 상에 하나 이상 마련될 수도 있다.
액화가스는 LPG, 에탄, LNG 등 일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있다. 또한 액화가스는, 액체 상태 또는 자연기화되거나 강제기화된 기체 상태 등을 모두 포괄하는 용어로 사용될 수 있다.
선박(1)의 선미 측에는 엔진 시스템(ES)이 놓이는 엔진룸(ER)이 마련되는데, 엔진룸(ER) 내에 놓이는 엔진 시스템(ES)은, 선박(1)의 추진 동력을 제공하는 엔진(미도시)을 포함할 수 있다. 구체적으로 도시되지는 않았으나, 엔진은 샤프트를 통해 프로펠러에 연결되어, 연료를 소모해 회전력을 발생시켜 프로펠러를 회전시켜서, 프로펠러의 회전에 따라 발생된 후류가 선박(1)을 전진시키도록 할 수 있다.
엔진 케이싱(EC)은 엔진룸(ER) 상방에 마련된다. 엔진 케이싱(EC)은 엔진 시스템(ES)에서 발생한 배기를 연돌(F)로 전달하는 배기관(도시하지 않음)을 가질 수 있다.
연돌(F)은 엔진 케이싱(EC)의 상방에 마련되며, 외부로 배기를 배출한다.
데크 하우스(DH)는 선체의 상부에 위치하며, 선원의 선내거주를 위한 각종 생활시설 및 선박(1)의 항해를 위한 각종 항해설비가 배치된다. 데크 하우스(DH)는 다수의 층으로 이루어질 수 있고, 선원들이 거주할 수 있는 선실, 조정실, 기타 편의시설 등을 포함할 수 있다.
한편, 액화가스 저장용기(CT)는 단열재를 통한 단열이 요구되는 LNG, LPG, 에탄, 액화질소, 암모니아 등의 액화가스를 저장하는 모든 타입/형태의 탱크를 포괄할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박(1)은 액화가스 저장용기(CT)를 선내에 카고탱크로서 탑재한 가스 운반선(LPGC, LNGC 등)이거나, 액화가스를 연료로 사용하기 위해 액화가스 저장용기를 선내/선외에 탑재하는 선박을 포괄할 수 있으며, 더 나아가 화물 등을 운송하는 일반상선 외에 액화가스 저장용기를 갖는 해양구조물을 모두 포괄할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 3a는 도 2의 액화가스 저장용기의 부분 단면 구조를 나타낸 사시도이며, 도 3b는 도 2의 I-I'라인에 따른 단면도이고, 도 3c는 도 2의 II-II'라인에 따른 단면도이다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기(CT)는 격자형 압력용기로서, 수용부(10), 내벽부(20), 외벽부(30) 및 플로어부(40)를 포함한다.
수용부(10)는 격자 형태로 구획된 액화가스 수용 공간이다. 구체적으로, 수용부(10)는 다수의 격벽(PT)들이 X축(가로), Y축(세로) 및 Z축(높이) 방향으로 교차하여 내부에 중공을 갖는 격자 형태를 이루며, 이러한 격자 형태가 반복되는 구조를 갖는다. 격자 구조는 정육면체 또는 직육면체 및 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 실시예에서, 격벽(PT)들은 X축 방향으로 제1 간격(D1)을 가질 수 있다.
격벽(PT)들 각각에는 개구부(OP)가 형성되어, 격벽(PT)에 의해 구획되는 공간이 서로 연통되도록 할 수 있다. 개구부(OP)를 통해 수용부(10)에 충전된 액화가스가 유동하며 내부압력을 고르게 전달할 수 있다. 수용부(10)를 형성하는 격벽(PT)들은 액화가스의 압력을 직접 받는 구조가 아니며, 내벽부(20), 외벽부(30) 및 플로어부(40)로부터 전달된 수직하중을 전달하는 역할을 수행한다.
또한, 개구부(OP) 형성으로 인해 저장용기 자체 중량이 경감되며, 수리와 검사시 이동 통로를 제공할 수 있다. 격벽(PT)은 고망간강, 3.5% 니켈강, 5% 니켈강, 9% 니켈강, SUS 304L 또는 316L, 알루미늄 등과 같이 극저온용 금속으로 이루어질 수 있다.
내벽부(20)는 수용부(10)의 둘레에 마련되며 벌집 구조를 갖는다. 구체적으로, 내벽부(20)는 수용부(10)의 전면, 후면, 좌면 및 우면을 둘러싸는 구조이다. 내벽부(20)는 수용부(10)와 실질적으로 동일한 재질의 격벽(PT)으로 구성되며, 내벽부(20)를 형성하는 격벽(PT)들은 수용부(10)를 이루는 격벽(PT)들이 연장 형성될 수 있다.
내벽부(20)의 벌집 구조는 수용부(10)의 격자 구조보다 조밀하게 구획된다. 본 발명에서 벌집 구조는 오각형에 한정되지 않으며, 오각형뿐만 아니라, 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형이 서로 맞물리는 구조를 포함할 수 있다.
내벽부(20)는 외벽부(30)의 방벽(31)과 연결 되며, 내압을 직접 받아 1차적 밀폐 역할을 수행한다.
일반적으로, 고압에 견디는 압력용기를 구현하기 위하여 구형 용기 또는 원통형 용기로 구현되는데, 이들 구조물들은 선박에 적재시, 구형용기와 구형용기 사이 또는 원통형 용기와 원통형 용기 사이에 빈공간(Dead Space)이 많이 생겨 액화가스를 많이 적재할 수 없다.
본 발명의 액화가스 저장용기(CT)는 내부의 격자구조와 외곽부의 벌집 구조로 구성하여, 저장용기(CT) 전체에 내압이 균등하게 분배되어 응력집중이 발생하지 않도록 구성한다.
외벽부(30)는 내벽부(20)를 감싸는 평판 구조이다. 외벽부(30)는 액화가스 저장용기(CT)의 최외곽을 둘러싸며 내부 구성을 지지하고 2차적으로 밀폐하는 구조이다. 따라서 액체가스는 내벽부(20)에 의한 1차 밀폐와 외벽부(30)에 의한 2차 밀폐가 이루어지는 이중 밀폐구조로 되어 있다. 따라서 건조 중 용접불량 등으로 발생한 균열이 성장하여 가스가 누출될 수 있는 것을 이중으로 차단할 수 있다.
그리고, 내벽부(20) 및 외벽부(30) 사이에는 단열재(FM)가 충진된다. 여기서, 단열재(FM)는 Light cement 또는 폴리 우레탄 폼(Polyurethane Foam, PUF) 재질일 수 있다. 이와 같이, 내벽부(20)의 벌집 구조 외곽에 단열재(FM)를 충진하여 단열성이 향상되고 굽힘 변형에 강해진다.
예를 들면, 내벽부(20) 및 외벽부(30) 사이에 저온에 잘 견디는 액상의 Form 또는 Light cement를 주입하여 SUS 또는 알루미늄으로 된 격벽(PT)의 금속재료가 굽힘 변형이 생기는 것을 방지할 수 있다. 주입한 Form 또는 Light cement는 시간이 경과하면서 액상이 고체로 굳어지며 탄성계수(Young’s modulus)가 1,000~30,000 MPa가 된다.
외벽부(30)는 내벽부(20)를 감싸는 방벽(31)과, 방벽(31)의 외면에 설치된 단열부재(33), 및 단열부재(33)를 방벽(31)에 고정하기 위한 결합부재(35)를 포함할 수 있다.
방벽(31)은 수용부(10)과 내벽부(20)과 동일한 극저온용 금속을 사용한다.
단열부재(33)는 단열 성능 및 안정성 강화를 위해 복수의 단열 보드가 적층되는 다중 구조일 수 있고, 경우에 따라서는 단열과 강도보강을 위하여 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 사용할 수 있다.
이와 같이, 단열재(FM) 및 단열부재(33)는 극저온의 용기 내부에서 외부로 열이 전달 되는 것을 차단한다.
플로어부(40)는 수용부(10)의 적어도 양 측면에 마련되고, 수용부(10)와 상이한 크기의 격자 형태를 갖는다. 구체적으로, 플로어부(40)는 수용부(10)의 상면과 하면을 덮도록 마련된다. 플로어부(40)는 격벽(PT)들이 서로 교차되도록 설치되어 평단면이 격자 형태로 이루어지고 전체적으로 사각형 형태로 형성된다. 여기서, 플로어부(40)는 수용부(10)의 제1 간격(D1)보다 작은 제2 간격(D2)을 두고 격자 형태로 격벽(PT)이 마련되며, 격벽(PT)들 사이에 단열재(FM)가 충진된다.
플로어부(40)는 수용부(10)와 실질적으로 동일한 재질의 격벽(PT)으로 구성되며, 수용부(10)를 이루는 격벽(PT)들이 연장 형성될 수 있다. 플로어부(40)에 충진되는 단열재(FM)는 내벽부(20)와 외벽부(30) 사이에 충진되는 단열재(FM)와 동일하며, Light cement 또는 폴리 우레탄 폼(Polyurethane Foam, PUF) 재질일 수 있다.
충진이 완료되면 플로어부(40)의 상부판을 용접 시공하여 밀봉한다. 따라서 플로어부(40)는 격벽(PT)과 단열재(FM)를 양측에서 상부판과 방벽(31)을 설치하여 액체가스를 이중 밀폐한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌집 구조의 용접 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내벽부(20)의 벌집 구조는 T형강재(TS), Y형강재(YS) 및 판형부재(PS)를 서로 용접 결합하여 형성될 수 있다. 이때, 각 부재들 간의 용접 부위(WZ)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 중첩되지 않도록 설정된다. 예컨대, 용접 부위(WZ)는 응력이 집중되는 것을 피하기 위하여 서로의 부재가 만나는 지점으로부터 100~200mm떨어진 곳에 배치될 수 있다.
이에 의하여, 용접 부위(WZ)가 한 부분에 집중되어 저장용기의 구조적인 강도 저하를 방지한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기에 작용하는 응력 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 구조강도 해석 수행을 위하여 유한요소해석 모델의 측면 내벽에 압력 100bar를 가한 모습이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기(CT)는 격자 구조의 수용부(10) 내에서는 고른 응력 분포를 나타내고, 벌집 구조의 내벽부(20)에서 응력이 조밀하게 집중됨을 알 수 있다. 그러나, 내벽부(20) 내에서도 응력이 어느 한 지점에 편중됨이 없이 내벽부(20) 전 영역에 걸쳐 고른 응력 분포를 나타내고 있다. 내벽부(20)는 격자 구조보다 응력에 강한 벌집 구조이며, 내벽부(20) 외곽에 단열재(FM)가 충진되고, 외벽부(30)가 지지해주므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장용기(CT)는 구조적으로 내부압력에 잘 견디는 안정된 구조이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 액화가스 저장용기 및 이를 구비한 선박은, 저장용기 외곽부를 벌집 구조로 구성하여 내압이 균등하게 분배되어 응력집중이 발생하지 않도록 할 수 있다.
또한, 벌집 구조 외곽에 단열재를 충진하여 단열성이 향상되고 굽힘 변형에 강해진다.
또한, 수직 및 수평으로 교차하는 격벽 설치로 슬로싱(Sloshing)에 강한 구조이다.
또한, 동일 형상이 반복되는 격자 형태 및 벌집 구조로 저장용기의 크기 조절이 용이하다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출 가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 선박 CT: 액화가스 저장용기
ES: 엔진시스템 ER: 엔진룸
EC: 엔진케이싱 F: 연돌
DH: 데크 하우스
10: 수용부 20: 내벽부
30: 외벽부 31: 방벽
33: 단열부재 35: 결합부재
40: 플로어부 PT: 격벽
OP: 개구부 FM: 단열재
D1: 제1 간격 D2: 제2 간격
TS: T형 강재 PS: 판형 부재
WZ: 용접 부위 YS: Y형 강재

Claims (9)

  1. 격자형 압력용기로서,
    제1 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되는 수용부;
    상기 수용부의 둘레에 마련되는 벌집 구조의 내벽부;
    상기 내벽부를 감싸며 상기 내벽부와의 사이에 단열재가 충진되는 평판 구조의 외벽부; 및
    상기 수용부의 적어도 양 측면에 마련되고, 상기 제1 간격 대비 상이한 제2 간격을 두고 격자 형태로 격벽이 마련되며, 상기 격벽 사이에 단열재가 충진되는 플로어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내벽부의 벌집 구조는 상기 수용부의 격자 구조보다 조밀하게 구획된 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집 구조는 T형강재, Y형강재 및 판형부재를 서로 용접 결합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 용접 결합되는 부재들 간의 용접 부위는 서로 중첩되지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 간격은 상기 제1 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플로어부는 상기 수용부의 상면과 하면을 덮도록 마련되는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용부의 격벽에는 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 외벽부는,
    상기 내벽부를 감싸는 방벽과, 상기 방벽의 외면에 설치된 단열부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장용기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 액화가스 저장용기를 갖는 것을 특징으로 하는 선박.
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