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은진 방
5 years ago
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1 74 연구논문 LNG 선화물격납용기 Invar strake edge 이음부형상개선에관한연구 한종만 *, * 대우조선해양산업기술연구소 A Study on Application of Corrugated Invar Strake Edge in the Membrane Cargo Containment of LNG Carriers Jong-Man Han*, *Industrial R&D Institute, Daeoo Shipbuilding & Marine Engineering Co. Ltd., Geoje , Korea Corresponding author : jmhan@dsme.co.kr (Received June 6, 009 ; Revised August 1, 009 ; Accepted September 14, 009) Abstract The membrane of the LNG carriers consists of thin strips of INVAR(Fe-6%Ni) steel plates, and the junction beteen INVAR strips is fabricated by elding. Thousands of the raised edge joints, regularly spaced, are located around all the side of the tank corner near the transverse bulkhead, and TIG elding is manually made on the top of the raised edges. Since the thickness of all the laminated edge plies is extremely thin and the eld position is under a bad accessibility, highly skilled orkers are required to perform elding relatively for a long elding time. An alternative scheme for the corner membrane fabrication is proposed in the study to improve the installation orkability and thus productivity. The scheme replaces the elded edges ith the preformed corrugation ones. A panel strip ith regularly-spaced corrugations is installed at the corner instead of the individual flat strip of hich edge is vertically raised to be elded ith the adjacent strip. In the study, a series of the evaluation on the corrugated edge members as performed to assess the applicability to the real LNG carrier fabrication. Opening displacement at the raised edge as experimentally examined. Elastic stiffness regressed from the displacement as nearly same in both edge types. Edge displacement and local stresses ere calculated under hydrostatic pressure and temperature change due to liquefied cargo. Fatigue test as performed on both corrugated and elded edge specimens consisting of to or five plies of invar strips. Fatigue strength of the corrugated specimens as not less than that of the elded specimens. Key Words : Fatigue strength, Corrugated edge, Welded edge, LNGC, Membrane, Edge opening, Cargo containment system 1. 서론 LNG 선의대표적인화물격납용기 (Cargo containment system, 이하 CCS로표기 ) 의하나인 NO96형멤브레인 (membrane) 은 1.5mm 이하의두께를갖는 Fe- 6%Ni 의 INVAR 강을용접하여제작하기때문에용접시공으 로결함이발생하지않도록건전한이음부를만드는것이 CCS의안전성확보측면에서매우중요하다. NO96 형멤브레인형 CCS의형상적특징으로인해선수선미방향부재가횡부재와직각으로만나게되는모서리에는 end strake라불리는멤브레인부재가배치된다. 이러한 end strake를용접하기위해서는우선모든 end strake의종방향변을냉간가공으로직각으로말아올 544 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 5, October, 009

2 LNG 선화물격납용기 Invar strake edge 이음부형상개선에관한연구 75 려 raised edge를만들고인접한 raised edge끼리결합한특이한이음부형상을만들어주어야한다. CCS 용접이음부의대부분에자동용접법이적용되는데반해 end strake 부재의 raised edge 이음부는수동 TIG 용접법이사용되고있다 1). 수동 TIG 용접이적용되는용접부의길이는매 edge마다약 600mm이지만용접자세는 edge의위치에따라아래보기부터위보기까지다양하게변한다. 또한용접되는판의겹침수도용접진행방향을따라 겹, 5겹, 겹으로변하고용접되는개별판의두께도위치에따라각기다르기때문에용접시공품질확보를위해서는고기량의용접사가필요하게된다. 또한 CCS의전체모서리에걸쳐수동용접이행해지므로용접생산성이낮을뿐만아니라수동용접작업에맞도록작업용발판설치및안전관련시설등이필요하므로이에따른비용과시간의손실이크다고할수있다. 이러한 end strake 조립방법의불편해소에착안하여수동 TIG 용접으로 raised edge 용접이음부를제작하는기존방법대신주름성형된 end strake를대체사용함으로써수동 TIG 용접되는대부분의 raised edge 를없애는개선방안이특허로제안되었다 ). 이러한개선방안을실제선박의제조에적용하기위해서는이음부의성능과관련하여주름성형부의탄성유연도 ( 개구량 ), 주름성형부최대전달하중 (load carrying capacity), 주름성형부의피로강도등기존용접이음재의성능과비교할수있는충분한신뢰성평가가선행되어야한다. 본연구에서는 raised edge 용접이음으로제작되는기존의 end strake 대신주름성형된 end strake 를액화가스운반선의 CCS에적용하기위하여주름성형된 end strake 시험제품에대한실험과함께성능평가에필요한해석을행하고그결과를기존용접시공방법의결과와비교함으로써주름성형된 end strake 부재의실선적용타당성을평가하였다.. 기존의시공방법과개선된시공방법의도해적비교 Fig. 1은직각의 raised edge를갖는 end strake 에대한기존용접시공방법 (a) 과주름성형부를갖는 end strake 에대한개선된시공방법 (b) 을도해적으로비교하고있다. 이러한개선방안을적용하는경우에는기존조립방법과비교하여용접량을대폭줄일수있을뿐만아니라용접부의결함발생가능성및이에따른수정용접등의추가작업감소와더불어작업자의작업 Fig Welded edge End strake (a) Conventional elded edge Corrugated edge End strake (b) Corrugated edge Comparison of joint configuration beteen end strakes 부담경감에도기여할수있을것이기대된다.. Edge 변위시험및유연도계산 용접으로제작되는기존의 raised edge와주름가공된 corrugated edge의 겹 (-ply) 겹침이음부의대표적단면형상과치수를 Fig. 에나타내었다..1 상온에서의 raised edge 유연도계산 (a) Welded edge (b) Corrugated edge Fig. Typical dimension and configuration of the cross section 大韓熔接接合學會誌第 7 卷第 5 號, 009 年 10 月 545

76 한종만 0.5 Corrugated edge (k 0.5kN/mm) Applied load (P), kn 0. 5 Welded edge (k 0.46kN/mm) (a) Welded edge model 0.05 k (stiffness) = P Δ 0 0 0. 0. 0.4 0.5 Edge opening displacement(d), mm Fig.

Raised edge의하중전달중심과시편회전중심의불일치로인장중발생하는시편회전은구속하지않고자유로운상태에서인장하였다. Fig. 은 elded edge 및 corrugated edge 시편을인장시험하여얻은탄성개방변위와축하중과의관계를나타내고있다. 하중-변위선도의기울기로계산되는이음부강성은 corrugated edge가약 0.

3 76 한종만 0.5 Corrugated edge (k 0.5kN/mm) Applied load (P), kn 0. 5 Welded edge (k 0.46kN/mm) (a) Welded edge model 0.05 k (stiffness) = P Δ Edge opening displacement(d), mm Fig. Load-opening displacement diagram Raised edge의개방변위 (opening displacement) 를사용한탄성유연도를평가하기위해인장실험을수행하였다. 개방변위는 edge의대칭지점을중심으로표점거리가 1.5mm인외팔보형신장계 (extensome- ter) 를부착하여얻었다. Raised edge의하중전달중심과시편회전중심의불일치로인장중발생하는시편회전은구속하지않고자유로운상태에서인장하였다. Fig. 은 elded edge 및 corrugated edge 시편을인장시험하여얻은탄성개방변위와축하중과의관계를나타내고있다. 하중-변위선도의기울기로계산되는이음부강성은 corrugated edge가약 0.50 kn/mm 이었고 elded edge는약 0.46 kn/mm 로서로비슷하였다. 따라서기존의 elded edge를 corrugated edge로대체하더라도열수축흡수를위한 edge의유연도에는큰차이가없을것이라는것을추론할수있다. Fig. 4는각 edge 형상의 차원단면유한요소해석모델로서좌우대칭을가정한요소망을생성하였다. 액화천연가스 (LNG) 를적재한상태에서의이음부유연도를계산하기위해화물적재에따른정수압 (7N/mm ) 과 LNG 의대기압하액화온도 (-16 ) 를해석에고려하였다. Fig. 5는화물적재상태의 edge 종류별변형형상을나타내고있다. 저온및정수압을적용한 edge 개방변위는 elded edge가 mm, corrugated edge가 4mm로서상온실험결과와마찬가지로저온의화물적재상태에서도유사한 edge 개방변위를보임으로써저온상태에서도기존의 elded edge 와 corrugated edge는거의같은 edge 유연도를나타낼것이라는것을추론할수있다.. Edge 높이와열응력관계저온화물적재로인해 CCS에서온도강하가발생하 (b) Corrugated edge model Fig. 4 To-dimensional finite element mesh models Initial shape Deformed shape Initial shape Deformed shape Fig. 5 (a) Welded edge (b) Corrugated edge Comparison of edge opening displacement under service load and temperature 면온도차에따른멤브레인의수축이발생하고이러한수축변위에대응하여 raised edge는열수축을흡수하는일종의스프링역할을하게된다. Fig. 6에보인것과같이 raised edge 단면을외팔보로단순화하고보이론을적용하여온도차 (Δt) 로인해발생하는멤브레인의수축으로대칭면에작용하는막응력 (membrane stress) 을계산하면 = 1 t L t h t L + α 4 σ m ( T E) 로된다. 식 (1) 에서 h는하중전달중심과용접 nugget root 까지의유효높이로정의하며 t는 membrane 두께, t 는대칭면에서의용접 nugget 두께, 는열팽창계수, E는탄성계수이다. 한편이음부에서의축하중에대해하중전달중심과이음부중립축의불일치로인한굽힘 (1) 546 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 5, October, 009

4 LNG 선화물격납용기 Invar strake edge 이음부형상개선에관한연구 77 Fig. 6 Simplified model of the raised edge joint 모멘트로 nugget에서발생하는 차굽힘응력은 M σth 6t L h = = = α T E Z Z t σ b ( 4h + t L) () 결과에따르면목두께의변화에따라응력변화가그다지크지않은조건임을알수있다. 용접을적용하는기존공법에비해주름가공된 raised edge의목두께는기본소재의두께인 1.5mm에서크게벗어나지않기때문에주름가공된 raised edge의높이만허용치수내로가공하게되면열수축을흡수하기위한 edge부에서의변형하에서도충분히낮은응력을유지할수있다고판단된다. 4. Raised edge 피로시험 4.1 시편 로되고식 (1) 과식 () 로부터 nugget에작용하는국부응력, m + b 를구하면 t + 6h σm + σb = α T E t h t L () tl 4 + 로된다. Fig. 7은저온화물적재상태에서 raised edge 높이에따른목단면에서의국부응력 (local stress), m + b, 변화를식 () 으로계산한것이다. 목두께에따른국부응력변화도보이기위해 가지의대표값에대해 edge 높이에따른각각의응력변화를계산하였다. Edge 높이가 5mm~10mm에서는목두께가응력에큰영향이있지만 edge 높이가커짐에따라목두께에따른응력차가점차적으로줄어들고있다. 또한전반적으로 edge 높이가약 5mm 이상에서는높이증가에따라응력은지수적으로감소하게된다. 현재멤브레인설계에적용되는 raised edge의표준높이는 0mm 로서상기계산 피로시험에사용된시편형상및치수를 Fig. 8에나타내었다. Fig. 8(a) 는 겹 edge의피로강도평가를위해사용한것으로서 1쌍의돌출 edge가기존공법에따라용접되거나또는주름성형된것이다. 피로시험된모든시편에대해 edge 저부에서의틈과두께를측정하였다. Fig. 8 (b) 와 (c) 는각각 5겹 edge의피로강도평가를위해사용한시편형상및치수를나타낸것으로써 C5 시편은한쪽단으로부터약 10mm 길이에걸쳐 Local stress at eld junction (σ m +σ b ), MPa 1000 Loca l stress Weld throat=1.1mm Weld throat=1.mm 800 Weld throat=1.5mm (a) -ply edge specimen (W, C) (b) Welded 5-ply edge specimen (W5) Eccentricity(h), mm Fig. 7 Local stresses versus edge heights(eccentricity) (c) Corrugated 5-ply edge specimen (C5) Fig. 8 Fatigue specimens (W, C, W5, C5) 大韓熔接接合學會誌第 7 卷第 5 號, 009 年 10 月 547

5 78 한종만 (a) W (b) C (c) W5 Fig. 9 Vie of fatigue specimens (d) C5 주름성형부가있으나 W5는전체 edge 를용접한것이다. Fig. 9(a)~(d) 는피로시편의대표적형상을촬영한사진이다. W 및 C 시편에서는각변형및단차가거의발생하지않았다. 두께 0.7mm 의하부판과 1.5mm 의상부판의결합을위해 lap 용접이음부가설치되는 W5 및 C5 시편에서는 lap 용접이음으로인한각변형이심하게나타났으며 edge를중심으로좌우부재간의높이정렬불량도일부관찰되었다. 그러나본논문에서는시편에발생한각변형및높이차를인위적으로수정하지않고시편이제작된상태그대로피로시험에사용하였다. 4. 피로시험방법 LNG선내에서멤브레인의면외방향변형구속현상을재현하기위해피로시험기의표준 grip 이외에두께 5mm의구속판을시험편의양면에덧붙여피로시험중시편에서발생하는면외변형을구속하였다. 피로시험에사용한시험장비는동적하중 ±100kN 용량의유압식피로시험기였다. 실선의 raised edge에서발생할수있는개방변위범위를고려하여최대개방변위가 0.~0.6mm 인범위에서실험하였으며부하속도 (loading rate) 는 0Hz 였다. 피로시험을통해주로 10 5 ~10 7 사이의피로수명데이터를얻었으며하나의 edge 개방변위에대해적어도 개이상의피로수명데이터를얻었다. 피로시험결과를이용하여파단확률에근거한설계피로선도를작성하기위하여 JSME S ) 에따라피로시험하였다. 피로수명은시편파단까지의반복수로서정의하였다. 4. 피로시험결과 Fig. 10은 겹 edge 시편의피로시험결과를나타내고있다. Corrugated edge 시편의피로강도는 elded edge 시험편의피로강도에비해전반적으로약간상부에위치하고있으나장수명영역에서는서로비슷한수명을보였다. Corrugated edge 시편은절곡부의대칭면을따라파단이발생하였으며 elded edge 시편은용접부에서파단이발생하였다. 단수명영역에서는주로피로영역의막응력범위 (membrane stress range) 에따라수명이좌우되기때문에 elded edge의용접시공에서허용하는최소 nugget 두께인 1.1mm 보다상대적 Rang of opening displacement(δ), mm C W Mean Curve-C Mean Curve-W Number of cycles to failure (N f ) Fig. 10 Mean fatigue curves resulting from C and W specimens 548 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 5, October, 009

6 LNG 선화물격납용기 Invar strake edge 이음부형상개선에관한연구 79 으로더큰 nugget 치수를갖는 corrugated edge 시편의수명이상대적으로더긴것으로판단된다. Fig. 11은 5겹 edge 시편의피로시험결과를나타내고있다. 개선공법에의한 corrugated edge 시험편의피로강도는기존공법의 elded edge 시험편의피로강도에비해상대적으로우수한피로강도를나타내었다. Fig. 1는 Fig. 10과 Fig. 11에서설명한 겹및 5겹시편의결과를 edge 종류에따라 elded edge와 corrugated edge로대별하여나타낸것이다. 시험데이터의분산을고려하더라도 corrugated edge 시편의결과가 elded edge 시편결과보다약간위쪽에놓이는것을볼수있으며이로부터피로강도측면에서 elded edge보다 corrugated edge가상대적으로유리하다고볼수있다. 회귀분석으로구한평균피로선도역시 corrugated edge가 elded edge보다우수한피로강도를나타냄을보이고있다. Edge 형식별피로시험데이터를통계분석하면각형식에대한피로설계선도는다음의식으로주어진다 4). Rang of opening displacement(δ), mm C5 W5 Mean Curve-C5 Mean Curve-W Number of cycles to failure (N f ) Fig. 11 Mean fatigue curves resulting from C5 and W5 specimens Rang of opening displacement(δ), mm Corrugated edge Welded edge Mean Curve-Corrugated Mean Curve-Welded Number of cycles to failure (N f ) Fig. 1 Comparison of fatigue strength beteen corrugated (C, C5) and elded edge (W, W5) ( design ) ( mean ) ( ) log N = log A m log k s (4) 식 (4) 에서 s는피로수명지수값 (log N) 의표준편차 (standard deviation) 이고 k는시편의수와신뢰도에따라주어지는단편허용한계 (one-sided tolerance limit) 이다. 각 edge 형식에대한피로시험결과를통계분석하여설계피로선도로서사용되는파단확률.5% 선도를식 (4) 를이용하여구하면식 (5a) 및식 (5b) 로주어진다. 통계분석결과 corrugated edge의표준편차가 elded edge의표준편차보다크게나타났는데이것은용접각변형및 misalignment 가 C5 시편에서상대적으로크게발생한때문으로판단된다. Corrugated edge로만들기위한주름성형방법을자동화하고성형공정을개발하여정밀형상을제조하면상대적으로큰피로수명의분산은해결될수있다고판단된다. Welded edge; Corrugated edge; N design = (5a) N design = (5b) 5. 결론 본연구에서는 Invar 강을사용하는 LNG선 CCS의 end strake 조립에 raised edge 용접시공법대신주름성형부재로대체한개선시공법을적용하기위해주름성형 edge에대한일련의강도평가를수행하여수동 TIG 용접으로제작된 edge의강도와상호비교함으로써개선시공법의적용타당성을평가하였다. 본연구를통해얻어진결론을요약하면다음과같다. 1) CCS의온도변화로발생하는멤브레인의열수축을흡수하기위한 edge 유연도를평가한결과기존의 elded edge와제안된 corrugated edge는서로거의같은변형유연도를보였다. ) 유한요소해석결과동일한 edge 개방변위조건에서발생하는 edge 저부에서의최대국부응력은 corrugated edge의경우가약간낮게나타났다. 이러한결과로부터 corrugated edge가피로강도측면에서상대적으로유리할것이라는결론을추론할수있다. ) Corrugated edge 부재의피로수명은 lo cycle 영역에서는약 배, high cycle 영역에서는약 배이상 elded edge의피로수명보다길게나타났다. 大韓熔接接合學會誌第 7 卷第 5 號, 009 年 10 月 549

7 80 한종만 참고문헌 1. Jong Man Han, Yong Sup Han: Revie on Welding Technology and Welded Joint Strength of GT Membrane Type LNG Carrier, Journal of KWS, 11-4 (199), 4-5 (in Korean). 대한민국특허청 : 엘엔지선의화물창설치용엔드스트레이크, 등록특허제 , 006 (in Korean). JSME : Standard Method of Statistical Fatigue Testing, JSME S (in Japanese) 4. Myoung Soo Han, Jong Man Han, Yong Sup Han: A Study on the Fatigue Strength and Alloable Stress of INVAR(Fe-6%Ni) Steel Lap Joint Applied to Cargo Containment of LNG Carrier, Journal of KWS, 1-1 (1994), (in Korean) 550 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 5, October, 009

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DBPIA-NURIMEDIA 90 연구논문 Backplate 의유무에따른맞대기용접시험편의피로강도평가 한주호 * 김성민 * 이우일 * 강성원 * 김명현 *, * 부산대학교공과대학조선해양공학과 Fatigue Assessment of Butt Welded Specimen According to the Existence of the Backplate Ju-Ho Han*, Seong-Min Kim*,