KR20240047398A - 액화 수소 탱크 및 그 설계 방법 - Google Patents

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쿠니히코 모치다
다이치 카노
마사요시 이노하라
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

선박에 탑재되는 액화 수소 탱크는, 액화 수소가 수용되는 내조와, 내조를 포위하는 외조를 구비하고, 내조 및 외조 중 적어도 일방은 누설 방지 탱크이고, 누설 방지 탱크는 탱크 수명 중에 초기 결함이 벽 두께의 절반을 넘어 전파되지 않는 벽 두께를 가진다.

Description

액화 수소 탱크 및 그 설계 방법
본 개시는 액체 수소를 수송하는 선박(이하, 액화 수소 운반선이라고 칭함)에 탑재되는 액화 수소 탱크의 구조 및 액화 수소 탱크의 설계 방법에 관한 것이다.
액화 수소 운반선의 화물 탱크로서, 액화 수소를 수용하는 내조(內槽)와, 내조를 포위하는 외조(外槽)와, 내조와 외조의 조간(槽間)의 단열층을 구비한 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에서는, 액화 수소 운반선의 화물 탱크의 일례가 개시되어 있다.
액화 가스를 수송하는 선박의 설계 제조는, 국제 규칙인 IGC 코드(비특허문헌 1)에 준거하는 것이 요구되고 있다. 현재의 IGC 코드는 LPG나 LNG 등의 액화 가스를 수송하는 선박을 대상으로 한 것으로서, 액화 수소 운반선은 IGC 코드의 적용 대상으로 되어 있지 않고, 액체 수소는 운송에 관한 요건이 규정되어 있지 않다.
선박에 탑재된 화물 탱크의 균열 진전의 주요 원인은 선체의 동요에 의해 화물 탱크에 반복적으로 작용하는 하중에 의해 생기는 동적 응력인 것으로 알려져 있다. IGC 코드에 준거한 타입 C 탱크의 설계 방식에 의하면, 설계 증기압(Po)이 안전율을 예상해 충분히 높게 설정되기 때문에 최소 설계 압력도 높아지고, 이러한 최소 설계 압력에 대응하는 강도를 구비하기 위해서 탱크의 벽 두께가 충분히 크게 설계된다. 그 결과, 탱크의 동적 변동 응력이 충분히 작고, 예상되는 초기 결함의 진전도 벽 두께에 대해서 충분히 작은 설계로 되어 있기 때문에, 액체 화물의 누설은 상정되지 않고, 이차 방벽의 설치는 의무화되어 있지 않다.
용적이 20000 m3를 넘는 대형의 액화 가스 수송용의 독립형의 화물 탱크에 대해서는, IGC 코드에 규정된 타입 C 탱크 이외의 탱크(즉, 타입 A 탱크 또는 타입 B 탱크)의 설계 방식이 적용되어 왔다. IGC 코드에 준거한 타입 C 탱크의 설계 방식은, 주로 용적이 20000 m3 이하의 소형의 탱크에만 적용되어 왔다. 그 이유는, IGC 코드에 준거한 타입 C 탱크의 설계 방식을 대형의 탱크에 적용하면, 최소 설계 압력에 대응하는 탱크의 벽 두께가 실현적인 수치 범위를 넘기 때문이다.
본 개시는 이상의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 극저온의 액화 수소의 대량 수송을 실현함에 있어서, 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크에서, 당해 액화 수소 탱크의 규모에 관계없이 액체 또는 기체의 수소의 누설 방지를 실현 가능한 구조 및 설계 방법을 제안하는 것이다.
본 개시에 따른 액화 수소 탱크는, 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크로서, 액화 수소가 수용되는 내조와, 상기 내조를 포위하는 외조를 구비하고, 상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 일방은 누설 방지 탱크이고, 상기 누설 방지 탱크는 탱크 수명 중에 초기 결함이 벽 두께의 절반을 넘어 전파되지 않는 벽 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 개시에 따른 액화 수소 탱크의 설계 방법은, 액화 수소가 수용되는 내조와, 상기 내조를 포위하는 외조를 구비하고, 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크의 설계 방법으로서, 상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 일방을 누설 방지 탱크로 하고, 제1 프로세서에서, 상기 누출 방지 탱크의 탱크 수명, 상기 누설 방지 탱크의 초기 결함의 크기, 상기 누설 방지 탱크의 온도, 상기 누설 방지 탱크의 응력 확대 계수 및 상기 누설 방지 탱크에 생기는 응력을 취득하고, 상기 탱크 수명과 대응하는 반복 수의 상기 응력에 의한 상기 초기 결함의 균열 진전량을 피로 균열 진전 해석에 의해 구하고, 제2 프로세서에서, 구해진 상기 균열 진전량 및 상기 누설 방지 탱크의 설계 벽 두께를 취득하고, 상기 균열 진전량이 상기 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하지 않는 경우에 상기 설계 벽 두께를 적절하게 판정하고, 상기 균열 진전량이 상기 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하는 경우에 상기 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하고, 적절하다고 판단된 상기 설계 벽 두께 이상이 되도록 상기 누설 방지 탱크의 벽 두께를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 의하면, 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크에서, 당해 액화 수소 탱크의 규모에 관계없이 액체 또는 기체의 수소의 누설 방지를 실현 가능한 구조 및 설계 방법을 제안할 수 있다.
[도 1] 도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 액화 수소 탱크를 탑재한 선박의 개략적인 구성도이다.
[도 2] 도 2는 액화 수소 운반선의 횡단면도이다.
[도 3] 도 3은 누설 방지 탱크의 설계 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
[도 4] 도 4는 누설 방지 탱크의 설계 장치의 기능 블록도이다.
다음으로, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)를 탑재한 선박(1)의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 선박(1)은 선체(2)와, 선체(2)에 탑재된 4개의 액화 수소 탱크(3)를 구비한다. 본 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)는, 액화 수소 수송용의 화물 탱크이고, 선박(1)은 액화 수소 운반선이다. 액화 수소 탱크(3)는, 본 실시예에서는 선장 방향으로 늘어서 있지만, 선폭이 넓은 경우에는 선폭 방향으로 늘어서 있어도 좋다. 또한, 선체(2)에 탑재되는 액화 수소 탱크(3)의 수는 1개라도 좋고, 2개 이상의 복수라도 좋다.
본 실시예에서, 4개의 액화 수소 탱크(3)는 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 본 실시예에서는, 액화 수소 탱크(3)는 다층 탱크로서 구성되어 있다. 그러나, 선박(1)에 복수의 액화 수소 탱크(3)가 탑재되어 있는 경우, 복수의 액화 수소 탱크(3)는 각각 다른 구조를 가지고 있어도 좋다.
도 2는 선박(1)의 횡단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 액화 수소 탱크(3)는, 액화 수소를 수용하는 내조(4)와, 내조(4)를 포위하는 외조(5)를 구비한다. 내조(4)의 용적은 20000 m3를 넘고 50000 m3 이하이며, 액화 수소 탱크(3)는 비교적 대형의 탱크로 분류된다.
내조(4)는, 대략 구형의 내조 본체(41)를 구비한다. 내조(4)에는, 내조 본체(41)로부터 상향으로 돌출하는 내조 돔이 설치되어 있어도 좋다. 외조(5)는 대략 구형의 외조 본체(51)를 구비한다. 외조(5)에는, 외조 본체(51)로부터 상향으로 돌출하는 외조 돔이 설치되어 있어도 좋다. 그러나, 내조 본체(41) 및 외조 본체(51)는 반드시 구형일 필요는 없고, 수평 방향으로 긴 원통 형상이나 연직 방향으로 긴 원통 형상이라도 좋다. 또는, 내조 본체(41) 및 외조 본체(51)는 입방체 형상이나 직육면체 형상이라도 좋다.
내조(4)와 외조(5)는 조의 두께 방향으로 이격되어 있다. 내조(4)와 외조(5)의 조간을 「제1 영역(31)」이라고 칭한다. 제1 영역(31)에는, 제1 단열층이 형성되어 있다. 제1 단열층은 제1 영역(31)에 충전된 제1 가스와 단열재에 의해 구성되어 있다.
제1 가스가 충전된 제1 영역(31)은, 실질적으로 대기압 또는 저진공 상태로 되어 있다. 제1 가스는 수소 가스 또는 헬륨 가스이다. 대기압이란 약 105 Pa를 나타내지만, 제1 영역(31)은 온도나 선체(2)의 동요 등에 의해 압력이 변동할 수 있기 때문에, 본 명세서 및 특허 청구범위에서 「실질적으로 대기압」에는 약 105 Pa 및 약 105 Pa 보다 압력 변동의 범위에서 높은 기압을 포함할 수 있다. 또한, 저진공 상태란, 대기압보다 저압이고, 105 Pa에서 102 Pa까지 사이의 기압을 나타낸다. 제1 가스가 수소 가스인 경우에는, 내조(4)에서 발생한 기화 가스가 제1 영역(31)으로 유입되도록, 내조(4)의 기상부와 제1 영역(31)이 연통되어 있어도 좋다. 여기서, 상기한 바와 같은 본 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)는 진공 단열 방식은 아니지만, 제1 영역(31)에 단열층이 배치된 후 당해 제1 영역(31)이 진공으로 됨으로써 내조(4)와 외조(5) 사이에 진공 단열층이 설치되어 있어도 좋다.
선체(2)는 상향으로 개구하는 복수의 홀드(21)를 구비한다. 복수의 홀드(21)는 선장 방향으로 늘어서 있고, 홀드(21)끼리는 벽(22)에 의해 구획되어 있다. 여기서, 각각의 홀드(21)의 내부에, 내조(4) 및 외조(5)의 하부가 수용되어 있다. 외조(5)의 상부는 탱크 커버(6)로 덮여 있다. 외조(5)는 홀드(21)를 형성하는 선체(2)의 구성 요소인 벽(22)과 탱크 커버(6)에 의해 포위되어 있다. 외조(5)와 탱크 커버(6) 및 홀드(21)의 벽(22) 사이를 「제2 영역(32)」이라고 칭한다. 제2 영역(32)에는, 제2 단열층이 형성되어 있다. 제2 단열층은 외조(5)의 외벽 주위에 배치된 단열재와 제2 영역(32)에 충전된 제2 가스에 의해 구성되어 있다.
제2 가스가 충전된 제2 영역(32)은, 실질적으로 대기압으로 되어 있다. 특별히 한정되지 않지만, 제2 영역(32)은 제1 영역(31)보다 고압이라도 좋다. 제2 가스는 질소 등의 불활성 가스 및 건조 공기 중 적어도 일방을 포함한다. 예를 들어, 제2 영역(32)에 건조 공기가 충전되고, 제2 단열층에 불활성 가스가 유지되어 있어도 좋다.
각각의 홀드(21)의 내부에는, 선장 방향으로 서로 이격된 한 쌍의 스커트(25)가 설치되어 있다. 스커트(25)는 외조(5)를 지지한다. 또한, 내조(4)와 외조(5) 사이에는, 내조 본체(41)를 지지하는 한 쌍의 지지 부재(35)가 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 지지 부재(35)의 연장선 상에 스커트(25)가 배치되어 있지만, 지지 부재(35) 및 스커트(25)의 배치는 본 실시예에 한정되지 않는다.
[액화 수소 탱크(3)의 탱크 형식]
여기서, 액화 수소 탱크(3)의 탱크 형식에 대하여 상세하게 설명한다.
외조(5)는 선체(2)로부터 독립된 독립형 탱크로서 구성되어 있고, 액화 수소 탱크(3)는 전체적으로 독립형 탱크로 되어 있다. 독립형 탱크란, 자기 지지형의 탱크로, 선체 구조의 일부를 구성하지 않고, 또한, 선체 강도상 불가결하지 않은 것을 말한다.
내조(4) 및 외조(5) 중 적어도 일방은 누설 방지 탱크이다. 누설 방지 탱크는 탱크 수명 중에 초기 결함이 벽의 두께의 절반을 넘어 전파되지 않는 벽 두께를 가진다. 이와 같은 누설 방지 탱크는, 상정된 초기 결함의 진전이 벽 두께(두께)에 대하여 충분히 작기 때문에, 누설 방지 탱크에 수용되어 있는 액체 또는 기체의 누설은 상정되지 않는다. 이와 같이 상정된 누설 방지 탱크는, 수용되어 있는 액체 또는 기체의 누설은 상정되지 않는다는 관점에서, IGC Code에 규정되는 타입 C 탱크에 상당한다.
본 실시예에서는, 내조(4) 및 외조(5)의 쌍방이 누설 방지 탱크이다. 본 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)에서는, 내조(4)에 액화 수소가 수용되고, 또한, 내조(4)와 외조(5)의 제1 영역(31)에 수소 가스가 충전되기 때문에, 제1 영역(31)의 수소 가스가 내조(4)로부터의 누설에 의한 것인지 미리 제1 영역(31)에 충전되어 있던 것인지의 구별이 어렵다. 이와 같이, 내조(4)로부터 액화 수소의 누설을 검지하는 것이 어렵기 때문에, 내조(4)에는 액체 수소의 누설이 발생하지 않도록 하는 구성이 특히 요구된다. 따라서, 적어도 내조(4)는 누설 방지 탱크인 것이 바람직하다. 내조(4)가 누설 방지 탱크이고, 외조(5)가 누설 방지 탱크가 아닌 경우, 외조(5)에 대한 파괴 강도의 요구 레벨이 내려가서 외조(5)의 판 두께를 얇게 할 수 있기 때문에 물량 코스트 삭감으로 이어진다. 또한, 본 실시예에서, 제1 영역(31)의 가연성의 수소 가스를 외조(5)로부터 누설시키지 않기 위해서, 외조(5)는 누설 방지 탱크인 것이 바람직하다. 또한, 외조(5)가 누설 방지 탱크이고, 또한, 제1 영역(31)에 수소 가스 이외의 제1 가스가 충전되어 있거나 또는 제1 영역(31)이 진공인 경우에는, 내조(4)는 누설 방지 탱크가 아니라도 좋다.
[액화 수소 탱크(3)의 누설 방지 탱크의 설계 방법]
여기서, 액화 수소 탱크(3)를 구성하는 내조(4) 및 외조(5) 중 누설 방지 탱크의 설계 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 누설 방지 탱크의 설계 장치(8)의 개략적인 구성도이다. 누설 방지 탱크의 설계 방법은 설계 장치(8)를 이용하여 실시된다. 설계 장치(8)는 적어도 1대의 컴퓨터(80)로 구성된다. 각 컴퓨터(80)는 프로세서(81)와, 프로세서(81)에서 실행되는 프로그램이나 정보 등이 기억된 메모리(82)를 구비한다. 메모리(82)는 프로세서(81)에 정보의 판독 및 기입이 가능하게 접속되어 있다. 또한, 프로세서(81)에는, 입력 장치, 출력 장치, 보조 기억 장치, 및 통신 인터페이스 등이 접속되어 있어도 좋다. 본 명세서에 개시된 설계 장치(8)의 기능은, 개시된 기능을 실행하도록 구성되거나 또는 프로그램된 범용 프로세서, 전용 프로세서, 집적 회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuits), 종래 회로 및/또는 이들의 조합을 포함하는 회로, 또는 처리 회로를 사용하여 실행할 수 있다. 프로세서는 트랜지스터 및 다른 회로를 포함하기 때문에 처리 회로 또는 회로로 간주된다. 본 개시에서, 회로, 유닛 또는 수단은 열거된 기능을 실행하는 하드웨어이다. 하드웨어는 본 명세서에 개시되어 있는 하드웨어라도 좋고, 또는, 열거된 기능을 실행하도록 프로그램 또는 구성되어 있는 다른 공지된 하드웨어라도 좋다. 하드웨어가 회로의 일종으로 고려되는 프로세서인 경우, 회로, 수단 또는 유닛은 하드웨어와 소프트웨어의 조합이고, 소프트웨어는 하드웨어 및/또는 프로세서의 구성에 사용된다.
도 4는 설계 장치(8)의 기능 블록도이다. 설계 장치(8)는, 응력 해석부(84)와, 균열 진전량을 구하는 피로 균열 진전 해석부(85)와, 응력 확대 계수를 구하는 응력 확대 계수 해석부(86)와, 판정부(87)와, 벽 두께 결정부(88)의 각 기능부를 구비한다. 복수의 기능부가 단일의 컴퓨터(80)에 구성되어 있어도 좋고, 복수의 기능부가 복수의 컴퓨터(80)에 분산되어 구성되어 있어도 좋다.
누설 방지 탱크의 설계 방법을 실시함에 있어서, 설계 벽 두께가 설계 장치(8)에 설정된다. 설계 벽 두께는 임의의 값이지만, 누설 방지 탱크의 벽판으로서 실시 가능한 값의 범위 내에서 설정된다. 예를 들어, 누설 방지 탱크의 벽판이 강판이면 설계 벽 두께는 60 mm 이하의 범위로 설정되고, 누설 방지 탱크의 벽판이 비철 강판이면 설계 벽 두께는 80 mm 이하의 범위로 설정되어도 좋다.
누설 방지 탱크의 설계 방법은, (1) 응력 해석 스텝, (2) 응력 확대 계수 해석 스텝, (3) 균열 진전 해석 스텝, (4) 판정 스텝, 및 (5) 벽 두께 결정 스텝을 포함한다. 그러나, 벽 두께 결정 스텝은 벽 두께 결정부(88) 대신 설계자에 의해 수행되어도 좋다.
(1) 응력 해석 스텝
선박(1)은, 해양의 파랑 중을 항행하기 때문에, 선체(2)의 표면에는 파랑에 의한 변동 압력이 작용한다. 이러한 변동 압력에 의해 선체(2)가 동요하고, 동요의 가속도에 의해 화물인 액체 수소의 관성력에 기인하는 변동 하중이 누설 방지 탱크에 작용한다. 이러한 변동 하중에 의해, 누설 방지 탱크에 변동하는 응력, 즉 동적 응력이 발생한다. 응력 해석부(84)는 이와 같은 선체(2)의 동요에 의해 누설 방지 탱크, 특히 누설 방지 탱크의 용접부에 발생하는 응력을 구한다.
응력 해석부(84)에 의한 응력 해석의 수법은 특별히 한정되지 않지만, 유한 요소법 등의 수치 해석 수법 외에, 시뮬레이션 등이 예시된다. 예를 들어, 응력 해석부(84)는, 취항 중의 파도에 의한 선체(2)의 동요나 선체(2)가 받는 파랑 등에 기인하는 변동 하중을 취득하고, 이러한 변동 하중을 선각 구조, 누설 방지 탱크 구조, 및 탱크 지지 구조를 포함하는 선박(1) 전체의 수치 해석 모델에 부하하여, 수치 해석을 수행함으로써 추정되는 발생 응력(누설 방지 탱크의 발생 응력 분포)을 구할 수 있다. 누설 방지 탱크 구조에는, 설정 벽 두께가 파라미터로서 넣어져 있다. 변동 하중이나 수치 해석 모델은 미리 응력 해석부(84)에 주어져 있어도 좋다. 변동 하중은 선박(1)의 항로의 상황에 기초하여 시뮬레이션에 의해 구하거나, 실험적으로 구하거나 할 수 있다.
(2) 응력 확대 계수 해석 스텝
응력 확대 계수 해석부(86)는 균열의 응력 확대 계수(누설 방지 탱크의 응력 확대 계수 분포)를 구한다. 다양한 응력 확대 계수의 해석 방법이 알려져 있다. 응력 확대 계수 해석부(86)에 의한 응력 확대 계수 해석 수법은 특별히 한정되지 않지만, 유한 요소법 등의 수치 해석 방법이 예시된다. 응력 확대 계수 해석부(86)는, 예를 들어, 응력 해석부(84)에서 구한 발생 응력과, 용접부 형상을 포함한 누설 방지 탱크 구조와, 누설 방지 탱크의 초기 결함의 크기와, 균열 형상을 포함하는 수치 해석 모델을 이용하여, 유한 요소법에 의한 탄성 응력 해석으로 균열의 응력 확대 계수를 구한다. 응력 확대 계수 해석부(86)는 누설 방지 탱크의 해석 부위에 따라 해석 방법을 변경하여도 좋다.
(3) 균열 진전 해석 스텝
피로 균열 진전 해석부(85)는 피로 균열 진전 해석에 의해 누설 방지 탱크의 초기 결함의 균열 진전량을 구한다. 피로 균열 진전 해석부(85)에 의한 피로 균열 진전 해석의 수법은 특별히 한정되지 않지만, 유한 요소법 등의 수치 해석 수법 외에, 시뮬레이션 등이 예시된다. 예를 들어, 피로 균열 진전 해석부(85)는 누설 방지 탱크의 탱크 수명, 누설 방지 탱크의 재료의 파괴 인성, 해석 부위의 응력 확대 계수 및 해석 부위의 발생 응력을 취득하고, 이들을 피로 균열 진전 해석 모델에 부하하여 수치 해석을 수행함으로써, 탱크 수명에서 초기 결함의 균열 진전량을 구할 수 있다. 탱크 수명, 초기 결함의 크기, 누설 방지 탱크의 온도, 누설 방지 탱크의 재료의 파괴 인성 등의 탱크 구조에 관한 정보는 미리 피로 균열 진전 해석부(85)에 주어진다. 초기 결함의 크기는 실제로 존재할 수 있는 초기 결함의 크기에 상당하는 임의의 값이라도 좋다. 탱크 수명은 선박(1)의 수명에 상당하는 임의의 값이라도 좋다. 탱크 수명에 기초하여, 탱크 수명 중의 발생 응력의 반복 수를 추정할 수 있다. 누설 방지 탱크의 온도는, 내조(4)에 액화 수소가 수용되어 있을 때의 누설 방지 탱크의 온도이다. 파괴 인성은, 내조(4)에 액화 수소가 수용되어 있을 때의 누설 방지 탱크의 온도의 재료의 파괴 인성이 이용되어도 좋다. 해석 부위의 응력 확대 계수는, 응력 확대 계수 해석부(86)에서 산출된 것이 이용되어도 좋다. 해석 부위의 발생 응력은, 응력 해석부(84)에서 산출된 것을 이용하여도 좋다.
(4) 판정 스텝
판정부(87)는, 설계 벽 두께가 「탱크 수명 중에 초기 결함이 벽 두께의 절반을 넘어 전파하지 않는 벽 두께」라는 요건을 만족하는 경우에 「적절」이라고 판정하고, 그 이외에서는 「부적절」 라고 판정한다. 구체적으로는, 판정부(87)는 피로 균열 진전 해석부(85)에서 구한 탱크 수명에서 초기 결함의 균열 진전량을 취득하고, 균열 진전량이 설계 벽 두께의 절반을 넘지 않는 경우(즉 균열 진전량이 설계 벽 두께의 절반 이하인 경우)에 당해 설계 벽 두께를 적절하다고 판정하고, 균열 진전량이 설계 벽 두께의 절반을 넘는 경우에 당해 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정한다.
(5) 벽 두께 결정 스텝
벽 두께 결정부(88)는 판정부(87)에서 적절하다고 판단된 설계 벽 두께 이상이 되도록 누설 방지 탱크의 벽 두께를 결정한다. 이와 같이 결정된 벽 두께를 가지는 누설 방지 탱크가 설계된다.
이상에 설명한 누설 방지 탱크의 설계 방법에서는, 균열 진전량에 기초한 설계 벽 두께의 적합 여부의 판정을 수행하고 있지만, 이에 더하여, 불안정 파괴의 발생의 유무에 의해 설계 벽 두께의 적합 여부를 판정하여도 좋다. 이 경우, 응력 확대 계수 해석부(86)는, 초기 결함이 피로 균열 진전 해석부(85)에서 구한 균열 진전량만큼 진전한 균열(즉, 탱크 수명에서 균열)의 응력 확대 계수를 불안정 파괴의 판정 지표로서 구한다. 이러한 판정 지표가 파괴 인성 값 이상인 경우에, 탱크 수명의 기간에 불안정 파괴의 발생이 예상된다. 따라서, 판정부(87)는 판정 지표와 누설 방지 탱크의 재료의 파괴 인성 값을 취득하고, 판정 지표가 파괴 인성 값 이상인 경우 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하고, 판정 지표가 파괴 인성 값 미만이면 설계 벽 두께가 적절하다고 판정한다.
[총괄]
본 개시의 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)는, 선박(1)에 탑재되는 액화 수소 탱크(3)로서, 액화 수소가 수용되는 내조(4)와, 내조(4)를 포위하는 외조(5)를 구비하고, 내조(4) 및 외조(5) 중 적어도 일방은 누설 방지 탱크이고, 누설 방지 탱크는 탱크 수명 중에 초기 결함이 벽의 두께의 절반을 넘어 전파하지 않는 벽 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 액화 수소 탱크(3)에서, 내조(4) 및 외조(5)의 쌍방이 누설 방지 탱크라도 좋다.
상기 액화 수소 탱크(3)에서, 내조(4)와 외조(5)의 조간에 수소 가스가 충전되어 있고, 내조(4)가 누설 방지 탱크라도 좋다.
상기 액화 수소 탱크(3)에서, 내조(4)와 외조(5)의 조간에 수소 가스가 충전되어 있고, 외조(5)가 누설 방지 탱크라도 좋다.
상기 구성의 액화 수소 탱크(3)에 의하면, 당해 액화 수소 탱크(3)가 구비하는 누설 방지 탱크에 초기 결함이 존재하여도 탱크 수명 중의 당해 초기 결함의 진전이 벽 두께에 대해서 충분히 작기 때문에, 누설 방지 탱크에 수용되어 있는 액체 또는 기체의 누설은 상정되지 않는다. 이러한 누설 방지 탱크는, 수용되어 있는 액체 또는 기체의 누설은 상정되지 않는다고 하는 관점에서, IGC Code에 규정되는 타입 C 탱크에 상당한다. 따라서, 누설 방지 탱크 및 그것을 구비하는 액화 수소 탱크(3)는 이차 방벽을 생략할 수 있다.
상기 액화 수소 탱크(3)에서, 내조(4)의 용적은 20000 m3를 넘고 50000 m3 이하라도 좋다.
이와 같이 액화 수소 탱크(3)가 상기와 같은 비교적 대형의 탱크라도, 소정의 누설 저지 기능을 구비하면서, 실제로 건조 가능한 벽 두께가 될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 액화 수소 탱크(3)의 설계 방법은, 제1 프로세서(피로 균열 진전 해석부(85))에서, 누설 방지 탱크의 탱크 수명, 누설 방지 탱크의 초기 결함의 크기, 누설 방지 탱크의 온도, 누설 방지 탱크의 응력 확대 계수 및 누설 방지 탱크에 발생하는 응력을 취득하고, 탱크 수명과 대응하는 반복 수의 응력에 의한 초기 결함의 균열 진전량을 피로 균열 진전 해석에 의해 구하고, 제2 프로세서(판정부(87))에서, 구해진 균열 진전량 및 누설 방지 탱크의 설계 벽 두께를 취득하고, 균열 진전량이 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하지 않는 경우에 설계 벽 두께를 적절하다고 판정하고, 균열 진전량이 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하는 경우에 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하고, 적절하다고 판단된 설계 벽 두께 이상이 되도록 누설 방지 탱크의 벽 두께를 결정하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 제1 프로세서와 제2 프로세서는 물리적으로 동일한 프로세서라도 좋고, 서로 독립적인 프로세서라도 좋다.
상기 액화 수소 탱크(3)의 설계 방법에 의하면, 현실적인 벽 두께의 범위 내에서, 수용되어 있는 기체 또는 액체의 누설이 생기지 않는 탱크를 설계할 수 있다.
상기 액화 수소 탱크(3)의 설계 방법은, 제3 프로세서(응력 확대 계수 해석부(86))에서 탱크 수명 중에 초기 결함으로부터 진전된 균열의 응력 확대 계수를 판정 지표로서 구하고, 제4 프로세서(벽 두께 결정부(88))에서, 누설 방지 탱크의 재료의 파괴 인성 값을 취득하고, 판정 지표가 파괴 인성 값 이상인 경우에, 탱크 수명의 기간에 불안정 파괴의 발생이 예상되기 때문에 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하는 것을, 더 포함하여도 좋다. 여기서, 응력 확대 계수의 계산은 탱크 수명 기간 경과 후의 최종의 균열 형상에 대하여 수행하여도 좋고, 탱크 수명 기간 중에 진전하는 균열 형상에 대하여 순차적으로 수행하여도 좋다. 제1 내지 제4 프로세서는 물리적으로 동일한 프로세서라도 좋고, 서로 독립적인 프로세서라도 좋다.
상기 설계 방법에 의하면, 설계된 벽 두께의 적합 여부가 불안정 파괴의 발생의 유무에 기초하여 더 판단되기 때문에, 더 확실하게 누설을 방지할 수 있는 탱크를 설계할 수 있다.
상기 실시예에서, 내조(4)는 일반적으로 대형 탱크로 분류되지만, 내조(4)가 20000 m3 이하의 소형으로 분류되는 탱크이고, 이러한 내조(4)가 누설 방지 탱크라도 좋다. 즉, 본 개시에 따른 액화 수소 탱크(3)의 구조 및 설계 방법은 탱크의 규모에 한정되지 않고 소형 탱크나 50000 m3를 넘는 대형 탱크에 적용되어도 좋다.
상기 실시예에서, 액화 수소 탱크(3)는 화물 탱크이지만, 본 개시에 따른 액화 수소 탱크(3)의 구조 및 설계 방법은 선박(1)에 탑재된 연료 탱크에 적용되어도 좋다. 이 경우, 선박(1)은 액화 수소 운반선에 한정되지 않는다.
본 개시의 전술한 논의는 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이며, 본 개시를 본 명세서에 개시된 형태로 한정하려는 의도는 아니다. 예를 들어, 전술한 상세한 설명에서, 본 개시의 다양한 특징은 본 개시를 간소화하기 위해 1개의 실시예로 요약되어 있다. 그러나, 본 개시에 포함된 복수의 특징은 상기에서 논한 것 이외의 다른 실시예, 구성 또는 양태와 조합될 수 있다.

Claims (6)

  1. 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크로서,
    액화 수소가 수용되는 내조와, 상기 내조를 포위하는 외조를 구비하고, 상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 일방은 누설 방지 탱크이고, 상기 누설 방지 탱크는 탱크 수명 중에 초기 결함이 벽 두께의 절반을 넘어 전파되지 않는 벽 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내조 및 상기 외조 쌍방이 상기 누설 방지 탱크인 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내조와 상기 외조의 조간에 수소 가스가 충전되어 있고,
    상기 내조는 상기 누설 방지 탱크이고, 또한, 상기 외조는 상기 누설 방지 탱크가 아닌 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내조의 용적은 20000 m3를 넘고 50000 m3 이하인 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크.
  5. 액화 수소가 수용되는 내조와, 상기 내조를 포위하는 외조를 구비하고, 선박에 탑재되는 액화 수소 탱크의 설계 방법으로서,
    상기 내조 및 상기 외조 중 적어도 일방을 누설 방지 탱크로 하고,
    제1 프로세서에서, 상기 누출 방지 탱크의 탱크 수명, 상기 누설 방지 탱크의 초기 결함의 크기, 상기 누설 방지 탱크의 온도, 상기 누설 방지 탱크의 응력 확대 계수 및 상기 누설 방지 탱크에 생기는 응력을 취득하고, 상기 탱크 수명과 대응하는 반복 수의 상기 응력에 의한 상기 초기 결함의 균열 진전량을 피로 균열 진전 해석에 의해 구하고,
    제2 프로세서에서, 구해진 상기 균열 진전량 및 상기 누설 방지 탱크의 설계 벽 두께를 취득하고, 상기 균열 진전량이 상기 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하지 않는 경우에 상기 설계 벽 두께를 적절하게 판정하고, 상기 균열 진전량이 상기 설계 벽 두께의 절반을 넘어 진전하는 경우에 상기 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하고,
    적절하다고 판단된 설계 벽 두께 이상이 되도록 누설 방지 탱크의 벽 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크의 설계 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    제3 프로세서에서, 탱크 수명 기간 중에 상기 초기 결함으로부터 진전한 균열의 응력 확대 계수를 판정 지표로서 구하고,
    제4 프로세서에서, 상기 누설 방지 탱크의 재료의 파괴 인성 값을 취득하고, 상기 판정 지표가 상기 파괴 인성 값 이상인 경우에 상기 탱크 수명의 기간에 불안정 파괴의 발생이 예상되기 때문에 상기 설계 벽 두께를 부적절하다고 판정하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 탱크의 설계 방법.
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