KR20240086394A - Method for manufacturing low-temperature high-pressure tank using steel having high yield ratio - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고항복비 강재를 이용하여 저온 고압 탱크를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a low-temperature, high-pressure tank using high yield ratio steel.
Description
본 발명은 고항복비 강재를 이용하여 저온 고압 탱크를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a low-temperature, high-pressure tank using high yield ratio steel.
액화 석유 가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG)와 같은 액화 가스의 저장용기 등으로 사용되는 사용되는 탱크는 저온(LPG의 경우 -52℃)의 고압을 견뎌야 한다. 따라서, 이러한 저온 고압 탱크는 강재를 용접하여 제조하게 되면, 강재뿐만 아니라, 용접부에서도 우수한 저온 인성을 확보하는 것이 요구된다. Tanks used as storage containers for liquefied gas such as Liquefied Petroleum Gas (LPG) must withstand high pressure at low temperature (-52°C for LPG). Therefore, when such a low-temperature, high-pressure tank is manufactured by welding steel materials, it is required to secure excellent low-temperature toughness not only in the steel material but also in the welded area.
상기 탱크용 강재를 용접하여 탱크를 제작할 때, 용접부의 잔류 응력(residual stress)을 제거하는 것이 중요하다. 이와 같이, 용접부의 응력을 제거하는 방법으로는 열처리에 의한 PWHT(Post Welding Heat Treatment) 방법이 있으며, 용접부에 일정한 압력을 부가하는 방식으로 물리력을 가하는 기계적 응력 제거(Mechanical Stress Relief, MSR) 방법이 있다. When manufacturing a tank by welding the tank steel materials, it is important to remove residual stress in the weld zone. As such, methods for removing stress from welded areas include the PWHT (Post Welding Heat Treatment) method using heat treatment, and the Mechanical Stress Relief (MSR) method which applies physical force by applying a certain pressure to the welded area. there is.
기존에 액화 가스 저장 탱크를 제작할 때, 용접부의 잔류 응력을 제거하기 위해서는 PWHT가 주로 사용되었다. 그러나, 최근 가스 탱크의 경우 기본적으로 대형화가 이루어지고 있으므로, PWHT의 적용이 어려워지고, 이에 따라 기계적 응력 제거(MSR) 방법이 선호되어 있다.When manufacturing liquefied gas storage tanks, PWHT was mainly used to remove residual stress in the weld zone. However, in recent years, gas tanks have been basically enlarged, making it difficult to apply PWHT, and thus the mechanical stress relief (MSR) method is preferred.
비특허문헌 1에서는 실제 저온 고압 탱크를 제조하는 과정에서, MSR 방법이 적용되기 위해서는 항복강도(Yield Strength, YS)와 인장강도(Tensile Strength, TS)의 비인 항복비(YS/TS)가 0.8 이하인 강재로 그 적용범위를 제한하고 있다(IGC code). In Non-Patent Document 1, in order to apply the MSR method in the process of manufacturing an actual low-temperature and high-pressure tank, the yield ratio (YS/TS), which is the ratio of yield strength (YS) and tensile strength (TS), is 0.8 or less. The scope of application is limited to steel (IGC code).
재료의 항복비가 높다는 의미는 재료가 항복 이후에 하중을 조금만 더 가하게 되면 파단 하중에 도달할 수 있다는 것을 의미한다. 일반적으로 MSR 방법은 재료의 소성 변형을 통해 잔류 응력을 완화하는 방법이므로, 상기 항복비가 높은 재료에 소성 변형을 위한 하중을 가하게 되면 국부적인 부분(인장 잔류응력이 존재하는 용접부)에서 항복 발생 즉, 인장강도에 도달하여 파괴가 발생할 가능성이 높기 때문에 상기 비특허문헌 1(IGC code)에서는 고항복비 강재의 사용을 제한한다. A high yield ratio of a material means that the breaking load can be reached if only a little more load is applied after the material has yielded. In general, the MSR method is a method of relieving residual stress through plastic deformation of the material, so when a load for plastic deformation is applied to a material with a high yield ratio, yield occurs in a local area (weld zone where tensile residual stress exists), that is, Because there is a high possibility that fracture will occur when the tensile strength is reached, the non-patent document 1 (IGC code) restricts the use of high yield ratio steel materials.
그러나, MSR을 적용하기 위해서, 탱크 제작용 강재의 항복비를 0.8 이하로 한정할 경우, 탱크 제작에 사용될 수 있는 강재에 극히 제한적이 될 수밖에 없다. 따라서, 제조사에는 제공받을 수 있는 강재의 범위가 축소되므로 적용 강재의 단가가 높아질 수 있고, 이로 인해 강재의 수급률이 저하되며, 결과적으로 제작 탱크의 납품 단가도 상승하게 된다. However, in order to apply MSR, if the yield ratio of steel for tank manufacturing is limited to 0.8 or less, the steel materials that can be used for tank manufacturing will inevitably be extremely limited. Therefore, the range of steel materials that can be provided to manufacturers is reduced, so the unit price of applied steel materials may increase, which reduces the supply and demand rate of steel materials, and as a result, the unit delivery price of the manufactured tank also increases.
따라서, 항복비가 0.8을 초과하는 강재(고항복비 강재)에 대해서도 MSR을 적용하여 저온 고압 탱크 제작을 할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다. Therefore, there is a demand for the development of technology that can manufacture low-temperature, high-pressure tanks by applying MSR to steel materials with a yield ratio exceeding 0.8 (high-yield ratio steel materials).
본 발명의 일측면은 항복비(YS/TS)가 0.8을 초과하는 고항복비 강재를 이용하더라도, 기계적 응력 제거(Mechanical Stress Reief, MSR) 방법을 적용하여, 탱크를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a tank by applying a mechanical stress relief (MSR) method even when using a high yield ratio steel material with a yield ratio (YS/TS) exceeding 0.8. It is done.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned matters. The additional problems of the present invention are described throughout the specification, and those skilled in the art will have no difficulty in understanding the additional problems of the present invention from the content described in the specification of the present invention.
본 발명의 일태양은 강재를 용접하여 탱크를 제조하는 방법으로서, One aspect of the present invention is a method of manufacturing a tank by welding steel materials,
탱크 제작을 위한 강재를 준비하는 단계;Preparing steel for tank manufacturing;
상기 강재의 항복비(YS/TS)가 0.8을 초과하는 강재에 대해서는 기계적 응력 제거(MSR) 사전 평가를 행하는 단계;Performing a mechanical stress relief (MSR) preliminary evaluation on steel whose yield ratio (YS/TS) exceeds 0.8;
상기 MSR 사전 평가를 행하여 구조 안전성을 판단하는 단계; 및 determining structural safety by performing the MSR preliminary evaluation; and
상기 구조 안전성이 적합한 강재에 대해서는 용접을 행하고, 기계적 응력 제거(MSR)처리를 행하여 탱크를 제조하는 단계를 포함하는 탱크 제조방법에 관한 것이다. It relates to a method of manufacturing a tank, including the steps of manufacturing a tank by welding a steel material with suitable structural safety and performing mechanical stress relief (MSR) treatment.
본 발명의 방법에 의하면, 기존에 적용되지 못하던 항복비 0.8을 초과하는 강재에 대해 MSR을 수행하여, 액화 가스 저장 등에 사용되는 저온 가압 탱크를 제작함으로써, 다양한 강재 적용이 가능하여 탱크 제조 단가와 효율성을 높일 수 있다. According to the method of the present invention, MSR is performed on steel materials exceeding a yield ratio of 0.8, which could not be applied previously, to manufacture low-temperature pressurized tanks used for liquefied gas storage, etc., thereby enabling application of various steel materials, thereby reducing tank manufacturing cost and efficiency. can increase.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 태양을 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described content, and may be more easily understood through description of specific embodiments of the present invention.
도 1은 종래에 따른 저온 고압 탱크 제조하는 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명 일구현예에 따른 저온 고압 탱크를 제조하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명 일구현예에 따른 기계적 응력 제거(MSR) 사전 평가의 순서도이다.
도 4는 본 발명 실시예에서, 실험재의 물리적 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명 실시예에서, MSR 조건 수립을 위한 잔류 응력 이완 효과를 나타낸 사진과 그래프이다.
도 6은 본 발명 실시예에서, MSR 조건 수립을 위한 ECA 절차 및 불안정 파괴 평가 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명 실시예에서, ASME code에 따른 진응력-진변형률 그래프이다.
도 8은 본 발명 실시예에서, 광역 소성 붕괴 평가 결과이다.
도 9는 본 발명 실시예에서, 국부 소성 붕괴 평가 결과이다. Figure 1 is a flowchart of a conventional method of manufacturing a low-temperature, high-pressure tank.
Figure 2 is a flowchart of a method for manufacturing a low-temperature, high-pressure tank according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart of mechanical stress relief (MSR) preliminary evaluation according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the physical characteristics of the test material in an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a photograph and graph showing the effect of residual stress relaxation for establishing MSR conditions in an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph of the ECA procedure and instability failure evaluation results for establishing MSR conditions in an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a true stress-true strain graph according to the ASME code in an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the results of regional plastic collapse evaluation in an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows local plastic collapse evaluation results in an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. The terms used in this specification are for describing the present invention and are not intended to limit the present invention. Additionally, as used herein, singular forms include plural forms unless the relevant definition clearly indicates the contrary.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.The meaning of “including” used in the specification specifies a configuration and does not exclude the presence or addition of another configuration.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.Unless otherwise defined, all terms, including technical and scientific terms, used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in the dictionary are interpreted to have meanings consistent with related technical literature and current disclosure.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다. 도면 및 아래에서 설명되는 것은 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 상세하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 구현예를 한정하기 위한 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings and description below are provided for detailed explanation to those skilled in the art and are not intended to limit embodiments of the present invention.
도 1은 PWHT를 적용할 수 없는 저온 고압 탱크를 제조하기 위한 종래의 방법을 나타낸 순서도이다. Figure 1 is a flow chart showing a conventional method for manufacturing a low-temperature, high-pressure tank to which PWHT cannot be applied.
저온 고압 탱크를 제조하기 위해서는 요구되는 화물의 종류, 용량 등의 탱크 설계값을 고려하고, 이에 적합한 강재를 선정하고, 이 강재를 용접하여 제조한다. 상기 용접을 행하게 되면, 용접부의 응력을 완화해 주는 공정이 필요하다. 응력을 완화하기 위해서 통상적으로 용접 후 열처리(Post Welding Heat Treatment, PWHT)를 행하나, 최근 탱크의 크기가 대형화되고, 이에 따라 상기 PWHT 적용이 어려워지게 되었다. 이에 PWHT를 대신하여 기계적 응력 제거(Mechanical Stress Reief, MSR)가 사용되고 있다. In order to manufacture a low-temperature, high-pressure tank, the tank design values, such as the type and capacity of the required cargo, are considered, appropriate steel materials are selected, and the steel materials are welded to manufacture the tank. When performing the above welding, a process for relieving the stress of the weld zone is required. Post Welding Heat Treatment (PWHT) is usually performed to relieve stress, but recently, the size of tanks has become larger, making it difficult to apply PWHT. Therefore, Mechanical Stress Relief (MSR) is being used instead of PWHT.
그러나, 선급 룰(IGC code)에 의해 강재의 항복비(YS/TS)가 0.8 이하인 강재에 대해서만 용접 및 MSR이 적용되어 탱크로 제작된다. 따라서, 상기 강재를 선정하는 과정에서 강재의 항복비가 0.8 이하 여부를 판단하여, 0.8 초과인 경우에는 탱크 제작에서 배제되어, 강재를 다시 선정해야 되고, 적용될 수 있는 강재가 한정되는 점에서 탱크 제작에 어려움이 있다. However, according to classification rules (IGC code), welding and MSR are applied only to steel materials with a yield ratio (YS/TS) of 0.8 or less to produce tanks. Therefore, in the process of selecting the steel material, it is determined whether the yield ratio of the steel material is 0.8 or less. If it is more than 0.8, it is excluded from tank manufacturing and the steel material must be selected again, and the steel material that can be applied is limited, so it is difficult to manufacture the tank. There are difficulties.
이에 본 발명자들은 강재의 항복비가 0.8을 초과하는 강재에 대해서도, 용접과 MSR 공정을 적용하여 저온 고압 탱크를 제조할 수 있는 방법을 깊이 연구하여, 본 발명에 이르게 되었다. Accordingly, the present inventors have studied in depth a method of manufacturing a low-temperature, high-pressure tank by applying welding and MSR processes to steel materials with a yield ratio exceeding 0.8, and have arrived at the present invention.
도 2는 본 발명의 저온 고압 탱크를 제조하는 방법의 일구현예를 도시한 순서도이다. 도 2를 참고하여, 본 발명의 저온 고압 탱크를 제조하는 방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. Figure 2 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a low-temperature, high-pressure tank of the present invention. Referring to FIG. 2, an embodiment of a method for manufacturing a low-temperature, high-pressure tank of the present invention will be described in detail.
강재를 용접하여 탱크를 제조하는 방법으로서, 요구되는 탱크의 설계값을 확보(S1)하고 이를 위한 강재를 선정(S2)한다. 상기 선정된 강재의 항복비(YS/TS)를 확인(S3)하여, 항복비가 0.8 이하인 경우에는 통상의 절차로 용접 및 기계적 응력 제거(MSR)을 행하여 탱크를 제작(S5)한다. As a method of manufacturing a tank by welding steel materials, the required design value of the tank is secured (S1) and steel materials for this are selected (S2). The yield ratio (YS/TS) of the selected steel material is checked (S3), and if the yield ratio is 0.8 or less, a tank is manufactured (S5) by performing welding and mechanical stress relief (MSR) as usual procedures.
본 발명의 저온 고압 탱크를 제조하기 위한 강재의 일예로, LT-FH-36 강재가 사용될 수 있다. 상기 LT-FH-36 강재는 설계 목적에 따라, 항복강도(YS) 355 MPa, 인장강도(TS) 490 MPa로 항복비 0.72로 MSR이 가능한 소재로 인식한다. 그러나, 실제 물성 시험을 통해 확인하게 되면, 항복강도는 420~470MPa 수준, 인장강도는 510~550MPa 수준으로 항복비 0.83~0.88 정도를 갖는 경우가 있다. 종래의 방식에서는 이러한 경우에 MSR이 불가능한 소재로 평가되었다. As an example of a steel material for manufacturing the low-temperature, high-pressure tank of the present invention, LT-FH-36 steel material can be used. According to the design purpose, the LT-FH-36 steel is recognized as a material capable of MSR with a yield strength (YS) of 355 MPa, a tensile strength (TS) of 490 MPa, and a yield ratio of 0.72. However, when confirmed through actual physical property tests, the yield strength is at the level of 420 to 470 MPa, the tensile strength is at the level of 510 to 550 MPa, and the yield ratio is sometimes around 0.83 to 0.88. In the conventional method, in this case, MSR was evaluated as an impossible material.
탱크 제작은 단관과 복관 작업으로 이루어지며, 국내에서는 단관 및 복관 작업시 SAW(Submerged Arc Welding), FCAW(Flux Cored Arc Welding) 등의 용접 기법을 사용하여 제작되며, 이렇게 용접된 용접부를 포함하는 탱크를 MSR 방식으로 잔류 응력을 완화시킨다. 상기 MSR 방식은 탱크 제작 완료 후 수압 테스트 방식으로 탱크 내부에 설계 압력 이상의 하중을 가하여 소성 변형을 통해 잔류 응력을 완화하는 방법이다. Tank manufacturing consists of single pipe and double pipe work. In Korea, welding techniques such as SAW (Submerged Arc Welding) and FCAW (Flux Cored Arc Welding) are used for single pipe and double pipe work, and tanks containing welded parts welded in this way are manufactured. Relieve residual stress using the MSR method. The MSR method is a method of relieving residual stress through plastic deformation by applying a load exceeding the design pressure inside the tank through a hydraulic test method after completion of tank manufacturing.
본 발명에서는 선정된 강재의 항복비(YS/TS)를 확인(S3)하여 전술한 바와 같이 강재의 항복비(YS/TS)가 0.8을 초과하게 되면, 기계적 응력 제거(MSR) 사전 평가를 행하여, 상기 강재의 구조 안전성 평가 기준을 만족하는 강재에 대해서는 용접 및 기계적 응력 제거(MSR)처리하는 과정을 통해 탱크를 제조할 수 있다. 다만, 구조 안전성 평가를 충족하지 않는 강재에 대해서는 강재을 위한 재검토가 바람직하다.In the present invention, the yield ratio (YS/TS) of the selected steel is checked (S3), and if the yield ratio (YS/TS) of the steel exceeds 0.8 as described above, a mechanical stress relief (MSR) preliminary evaluation is performed. , Tanks can be manufactured through welding and mechanical stress relief (MSR) processing for steel materials that meet the structural safety evaluation standards for steel materials. However, for steel materials that do not meet the structural safety evaluation, reexamination is desirable.
도 3과 같이, 상기 기계적 응력 제거(MSR) 사전 평가를 통한 안전성 평가 기준 도출은 다음과 같이 진행하는 것이 바람직하다.As shown in Figure 3, it is desirable to derive safety evaluation criteria through the mechanical stress relief (MSR) preliminary evaluation as follows.
상기 강재(항복비 0.8 초과인 강재)에 대해 잔류 응력 이완 효과 평가와 잔류 응력을 고려한 파괴역학 기반 ECA(Engineering Critical Assessment, 공학적 한계 분석) 평가를 행하여, 적정한 MSR 조건을 수립한다. An appropriate MSR condition is established by evaluating the residual stress relaxation effect and ECA (Engineering Critical Assessment) based on fracture mechanics considering the residual stress for the steel material (steel material with a yield ratio exceeding 0.8).
PWHT의 목적이 용접부 잔류응력 완화이며, 실제 PWHT를 수행할 경우 대부분의 잔류응력이 완화되는 것으로 알려져 있다. 동일하게 MSR의 목적도 잔류응력 완화이다. 그러나 MSR은 내부 압력을 가하여 소성변형 유발을 통한 잔류응력 완화 방식이므로, 내부 압력의 정도에 따라 잔류응력 완화의 정도가 달라진다. 상기 ECA는 파괴역학 기반 균열 진전 및 불안정 파괴 평가이다. 따라서 잔류응력 수준을 고려한 운용 환경하에서의 ECA 평가를 통해 완화해야 하는 잔류응력 수준을 정의하고, 이로부터 MSR 수행 시 가압 조건을 수립한다. The purpose of PWHT is to relieve residual stress in the weld zone, and it is known that most residual stresses are alleviated when PWHT is actually performed. Likewise, the purpose of MSR is to relieve residual stress. However, MSR is a method of relieving residual stress by applying internal pressure to induce plastic deformation, so the degree of relieving residual stress varies depending on the degree of internal pressure. The ECA is a fracture mechanics-based crack propagation and unstable fracture evaluation. Therefore, the level of residual stress that must be alleviated is defined through ECA evaluation under the operating environment considering the level of residual stress, and from this, pressurization conditions are established when performing MSR.
상기 수립된 MSR 조건에 따른 MSR 수행 시, 구조 안정성 평가를 행한다. When performing MSR according to the MSR conditions established above, structural stability is evaluated.
상기 조건으로 MSR 수행 시 탄소성 기반의 유한요소 해석을 통해 구조적으로 안정한 것인지 평가하는 것이다. 이는 광역 소성 붕괴(Global collapse) 및 국부 소성 붕괴(Local failure)에 대한 안전성 평가를 포함한다. 상기 구조 안정성 평가는 실제 MSR 수행 시 설정한 내부 압력을 가할 때 구조적 건전성을 평가하는 것으로, 재료 물성에 따라 건전성의 정도가 평가된다. When performing MSR under the above conditions, it is evaluated whether it is structurally stable through elastoplastic-based finite element analysis. This includes safety assessments against global collapse and local failure. The structural stability evaluation evaluates structural soundness when applying the internal pressure set during actual MSR performance, and the degree of soundness is evaluated according to material properties.
상기 구조 안전성 평가 결과, 안전성 평가의 합부 기준을 만족하는 강재를 용접 및 MSR 수행하여 탱크로 제조한다. 상기 안전성 평가 기준은 MSR 수행시의 안정성이 확보된 것으로 간주하고 해당 강재를 적용하여 용접을 행할 수 있는 것으로 평가되는 것이다. As a result of the structural safety evaluation, steel materials that meet the safety evaluation standards are welded and MSR is performed to manufacture a tank. The above safety evaluation criteria considers that stability during MSR performance is secured and it is evaluated that welding can be performed by applying the relevant steel material.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Of course, various modifications to the following examples can be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. The following examples are for understanding of the present invention, and the scope of the present invention should not be limited to the following examples, but should be determined by the claims described below as well as their equivalents.
(실시예)(Example)
도 4에 나타난 바와 같이, LT-FH-36 강재는 설계 값으로는 MSR이 가능한 소재이나, 실제 밀 데이터(Mill data)를 보면 항복비가 0.85로 MSR 적용이 불가능한 경우가 있다. 본 실시예는 상기 항복비 0.85인 강재(이하, 실험재)에 대해 MSR 사전 평가를 행하여, MSR 적용 가능성을 확인하였다.As shown in Figure 4, LT-FH-36 steel is a material capable of MSR at the design value, but when looking at the actual mill data, the yield ratio is 0.85, which makes MSR application impossible in some cases. In this example, MSR preliminary evaluation was performed on the steel material with the yield ratio of 0.85 (hereinafter referred to as experimental material) to confirm the applicability of MSR.
1. MSR 조건 수립1. Establishing MSR conditions
상기 실험재의 MSR 조건을 수립하기 위해 잔류 응력 이완 효과 평가와 잔류 응력을 고려한 ECA 평가를 행하였다. 도 5는 MSR 압력 수준에 따른 잔류 응력 이완 효과를 나타낸 것으로 IGC code에서 제시하는 최소 압력 수준인 1.5 Po (Po=설계 압력)에서부터 2.0 Po 까지의 압력을 가했을 때 용접부의 잔류응력 이완 효과를 나타낸 것이다. 이때, 잔류응력 이완 효과는 용접 공정과 MSR 공정을 모사하여 유한요소해석을 통해 얻어지며, 구체적으로는 Transient heat transfer analysis를 통한 용접시 강재의 온도 분포를 얻은 후 강재의 온도별 물성을 고려한 열탄소성해석 (Thermo-elasto-plastic analysis)을 통해 용접 잔류응력 및 MSR 이후 잔류응력을 도출하게 된다. 압력이 올라갈수록 잔류응력 효과가 증가하지만 1.5 Po 수준의 압력으로 MSR을 수행하여도 충분한 잔류응력 이완 효과가 있는 것으로 판단되어 잠정적으로 1.5 Po 조건을 MSR 조건으로 선정하였다.To establish the MSR conditions of the test material, evaluation of the residual stress relaxation effect and ECA evaluation considering residual stress were performed. Figure 5 shows the effect of residual stress relaxation according to the MSR pressure level, and shows the effect of relaxation of residual stress in the weld zone when pressure is applied from 1.5 Po (Po = design pressure), which is the minimum pressure level suggested by the IGC code, to 2.0 Po. . At this time, the residual stress relaxation effect is obtained through finite element analysis by simulating the welding process and the MSR process. Specifically, the temperature distribution of the steel during welding is obtained through transient heat transfer analysis, and then the thermal carbon dioxide is calculated by considering the physical properties of the steel by temperature. Welding residual stress and post-MSR residual stress are derived through thermo-elasto-plastic analysis. Although the residual stress effect increases as the pressure increases, it was determined that there was a sufficient residual stress relaxation effect even when performing MSR at a pressure of 1.5 Po, so the 1.5 Po condition was tentatively selected as the MSR condition.
상기 잠정적으로 선정된 MSR 조건으로 잔류 응력을 이완했을 때, 구조 안전성을 검증하기 위해 해당 잔류 응력을 고려하여 파괴 역학 기반 ECA 평가를 수행하였다. When the residual stress was relaxed under the tentatively selected MSR conditions, fracture mechanics-based ECA evaluation was performed considering the residual stress to verify structural safety.
이는 운용 환경을 고려한 유한요소해석을 통한 작용 응력 분석 및 비파괴(NDT) 방법에 따른 초기 결함 크기 정의, 균열 진전 평가 및 불안정 파괴 평가를 포함하고 있으며, 도 6은 상기 ECA 평가의 절차와 평가 위치 중 하나인 Y-조인트(Y-joint)에 대한 불안정 파괴 평가 결과로써, 설계 수명 동안 불안정 파괴가 발생하지 않는 것으로 평가되어 최종적으로 MSR 조건으로 1.5 Po 조건으로 수립하였다. This includes analysis of applied stress through finite element analysis considering the operating environment, definition of initial defect size according to non-destructive (NDT) method, evaluation of crack propagation, and evaluation of unstable fracture. Figure 6 shows the procedure and evaluation location of the ECA evaluation. As a result of the unstable failure evaluation of one Y-joint, it was evaluated that unstable failure did not occur during the design life, and the final MSR condition of 1.5 Po was established.
2. 구조 안정성 평가2. Structural stability evaluation
상기 수립된 MSR 조건으로 MSR 사전 평가하는 항목으로 구조 안정성 평가를 수행하며, 구체적으로 탄소성 기반의 구조 안정성 평가를 수행하였다. 이는 광역 소성 붕괴(Global collapse)와 국부 소성 붕괴(Local failure) 평가를 포함한다. 도 7은 ASME code에 따라 상기 실험재의 실제 항복강도 및 인장강도 값에 따라 결정되는 진응력-진변형률 선도이며, 해당 물리적 특성을 기반으로 MSR 수행에 따른 구조 안정성을 평가하였다. Structural stability evaluation was performed using MSR pre-evaluation items using the established MSR conditions, and specifically, elastoplastic-based structural stability evaluation was performed. This includes assessment of global collapse and local failure. Figure 7 is a true stress-true strain diagram determined according to the actual yield strength and tensile strength values of the test material according to the ASME code, and structural stability was evaluated by performing MSR based on the corresponding physical properties.
광역 소성 붕괴 기준은 해당 하중 조건에서 해석의 수렴성을 평가하는 항목으로 해석이 수렴하면 광역 소성 붕괴가 일어나지 않는 것으로 평가한다. 본 실시예에서는 의도적으로 과도한 하중을 가하여 해석이 수렴하지 않는(발산하는) 시점을 도출하였으며, 발산 시점의 하중 값을 MSR 조건에서의 하중 값으로 나누어 안전성을 평가하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었으며, 안전성 2 이상으로 광역 소성 붕괴에 대한 안전성이 충분함을 입증하였다.The regional plastic collapse criterion is an item that evaluates the convergence of the analysis under the relevant loading conditions. If the analysis converges, it is evaluated that regional plastic collapse does not occur. In this example, an excessive load was intentionally applied to derive the point at which the analysis did not converge (diverge), and safety was evaluated by dividing the load value at the point of divergence by the load value under MSR conditions. The results are shown in Figure 8, and it was proven that safety against wide-area plastic collapse was sufficient with a safety rating of 2 or higher.
한편, 국부 소성 붕괴 기준은 해석에서의 등가 소성 변형률(Equivalent plastic strain)과 성형 잔류 변형률(Forming strain)의 합이 해석에서의 삼축 응력 상태와 재료 물성에 의하여 계산되는 한계 변형률을 초과하면 국부 소성 붕괴가 발생하는 것으로 간주하였다.Meanwhile, the local plastic collapse criterion is that if the sum of the equivalent plastic strain and forming strain in the analysis exceeds the limit strain calculated by the triaxial stress state and material properties in the analysis, local plastic collapse occurs. was considered to have occurred.
도 9는 평가 위치 중 하나인 Y-joint에 대한 국부 소성 붕괴를 평가한 결과이며, 최대 등가 소성 변형률이 발생하는 지점(Node)에서의 등가 소성 변형률과 성형 잔류 변형률의 합이 해당 지점에서의 삼축 응력 상태(σ1~3)와 일축 인장 한계 변형률()에 의하여 계산되는 한계 변형률()보다 작은지 확인한 것이다. Figure 9 shows the results of evaluating local plastic collapse for the Y-joint, which is one of the evaluation positions, and the sum of the equivalent plastic strain and forming residual strain at the point (node) where the maximum equivalent plastic strain occurs is the triaxiality at that point. Stress state (σ 1~3 ) and uniaxial tensile limit strain ( ), the limiting strain calculated by ( ) was checked to see if it was smaller than .
도 9에서 확인할 수 있듯이, 항복비 0.85인 실험재를 평가한 결과 충분한 안정성이 있는 것으로 확인되며, 이를 통해 강도비 0.85인 강재를 사용하여 제작된 탱크에 대하여 MSR 사전 평가 결과 구조적으로 안전한 것으로 평가된다고 볼 수 있다.As can be seen in Figure 9, as a result of evaluating the test material with a yield ratio of 0.85, it was confirmed to have sufficient stability, and through this, the tank manufactured using steel with a strength ratio of 0.85 was evaluated to be structurally safe as a result of the MSR preliminary evaluation. can see.
상기 결과로부터, 본 실시예에서의 실험재는 항복비가 0.85로써, 항복비 0.8을 초과하지만 저온 고압 탱크를 제조하기 위한 용접 및 MSR이 적용될 수 있음을 확인할 수 있다. From the above results, it can be confirmed that the test material in this example has a yield ratio of 0.85, which exceeds the yield ratio of 0.8, but welding and MSR for manufacturing a low-temperature and high-pressure tank can be applied.
Claims (4)
탱크 제작을 위한 강재를 준비하는 단계;
상기 강재의 항복비(TS/YS)가 0.8을 초과하는 강재에 대해서는 기계적 응력 제거(MSR) 사전 평가를 행하는 단계;
상기 MSR 사전 평가를 행하여 구조 안전성을 판단하는 단계; 및
상기 구조 안전성이 적합한 강재에 대해서는 용접을 행하고, 기계적 응력 제거(MSR)처리를 행하여 탱크를 제조하는 단계
를 포함하는 탱크 제조방법.
A method of manufacturing a tank by welding steel materials,
Preparing steel for tank manufacturing;
Performing a mechanical stress relief (MSR) preliminary evaluation on the steel material whose yield ratio (TS/YS) exceeds 0.8;
determining structural safety by performing the MSR preliminary evaluation; and
Welding the steel material with suitable structural safety and performing mechanical stress relief (MSR) treatment to manufacture the tank.
Tank manufacturing method comprising.
상기 MSR 사전 평가는,
MSR 조건을 수립하는 단계; 및
수립된 MSR 조건에서의 구조 안전성 평가를 행하는 단계
를 포함하는 탱크 제조방법.
In claim 1,
The MSR preliminary evaluation is,
establishing MSR conditions; and
Performing structural safety assessment under established MSR conditions
Tank manufacturing method comprising.
상기 MSR 조건을 수립하는 단계는 잔류 응력 이완 효과 평가와 잔류 응력을 고려한 파괴역학 기반 ECA(Engineering Critical Assessment, 공학적 한계 분석) 평가의 의해 얻어지는 탱크 제조방법.
In claim 2,
The step of establishing the MSR conditions is a tank manufacturing method obtained by evaluating the effect of residual stress relaxation and evaluating ECA (Engineering Critical Assessment) based on fracture mechanics considering residual stress.
상기 구조 안정성 평가는 광역 소성 붕괴(Global collapse) 및 국부 소성 붕괴(Local failure)에 대한 평가를 포함하는 탱크 제조방법.
In claim 2,
The structural stability evaluation is a tank manufacturing method including evaluation of global collapse and local failure.
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