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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 12 pp , ISSN / eissn LNG 저장탱크운반선 9% Ni Steel 의용접성에대한실험분석과메타분석연구 박상흡, 안덕현 * 공주대학교기계공학과, 한국가스기술공사기계팀 Laboratory and Meta Analysis for 9% NI Steel of Liquified Natural Gas Carrier Sang Heup Park, Duck Hyun Ahn * Department of Engineering, Kongju University, Department of Technology, Kogas-Tech 요약본연구는 LNG 저장탱크운반선 9% NI Steel 에대한실험분석과메타분석연구이다. 본연구는 LNG 저장탱크운반선 9% NI Steel에대한선행연구에기초해서메타분석을수행한후에, 9% Ni Steel 의패스 (pass) 와다층용접 (multi pass) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석하기위하여충격반응검정 (impulse-response test) 을통한실험분석을수행하였다. 본연구의실험분석결과다음과같은연구결과를얻었다, 첫째, 9% Ni Steel의다층용접 (multi pass welding) 에대한인장강도 (tensile strength) 를시험한결과패스 1부터패스 3까지인장강도가증가하였으나, 패스 3 이후부터다층용접의인장강도는감소하는것으로보인다. 둘째, 다층용접 (Multi pass welding) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석한결과, 패스 (pass), 다층용접 (multi pass) 이인장강도 (tensile strength) 에유의한정 (+) 의영향을미치는것으로보인다. 용접시간 (welding time) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석한결과, 용접시간 (welding time), 인장강도시간 (tensile time) 이인장강도 (tensile strength) 에유의한정 (+) 의영향을미치는것으로보인다. Abstract Laboratory and meta-analyses were done for 9% NI Steel for use in a liquefied natural gas carrier. The meta-analysis is based on a previous study. The laboratory analysis examines the effects of a single pass and multiple passes on the tensile strength through an impulse-response test. The tensile strength increased from pass one to pass three and decreased from pass four to pass ten. The pass and multi-pass welding had a positive effect on the tensile strength. Lastly, the welding and tensile time had a positive effect on the tensile strength. Keywords : Impulse-response test, Laboratory analysis, LNG carrier, Meta analysis, Multi pass welding, Tensile strength, 9% Ni Steel. 1. 서론 1.1 LNG 저장탱크운반선 9% NI Steel 에대한연구배경 LNG 관련제품을개발하고공급하는전세계적인기업들은 LNG저장탱크운반선에대해서 9% Ni steel 소재를활용하기위한실무적혹은학술적연구를활발하 게하고있다. 일본의경우는 LNG 선박에탑재되는 SPB형의탱크소재로사용되는 A5083-O 소재관련논문이가장많고, 다음으로육상 LNG 기지건설에사용되는 9% Ni steel 관련논문, Mark-Ⅲ형탱크소재인 STS 304 스테인레스강순으로연구되고있다. 또한 9% Ni steel을이용한 LNG 탱크구축시사용되는용접법으로 SAW, 자동 GTAW 등이사용되고있다. 일본에서 * Corresponding Author : Duck Hyun Ahn (Kogas-Tech) Tel: Received November 7, 2016 Revised December 7, 2016 Accepted December 8, 2016 Published December 31,

2 LNG 저장탱크운반선 9% Ni Steel 의용접성에대한실험분석과메타분석연구 는 2003년부터육상의 Prestressed Concrete LNG 탱크구축에 1토치 2전극방식의고능률의 GTAW가개발되어현장에적용되고있는데, 이용접방법은용접속도의고속화와고용착화가가능하여입향상진용접에서도안정적인용입을얻을수있으며, 판상전극의채용으로내로우갭용접에도적용이가능하다. 중국의경우는스테인레스강관련용접연구가가장많으며, 이외에육상의 LNG 기지건성용의 9% Ni steel 소재관련용접연구가있다. 우리나라의경우, LNG 기지건설용고정식탱크소재인 9% Ni steel의용접에관한연구를보면용접부의강도와건전성검증에치우쳐있고, 용접공정의효율화와생산성향상을위한연구개발이미진한상태이기때문에이분야의공정개선노력이요구되는상황이다. 본연구에서는 LNG저장탱크운반선에대해서 9% Ni steel에대한선행연구에기초해서기존의선행연구들의문제점과연구방향을제시하고자한다. 이 LNG저장탱크운반선에대해서 9% Ni steel에대한메타분석은 LNG저장탱크운반선에대해서 9% Ni steel에대한연구동향을분석해보고, 특히 9% Ni steel 소재의효과성을제시한선행연구들을실험연구 (laboratory research) 와메타연구 (meta research) 를적용하여분석하고기존연구의문제점을진단함과동시에향후연구방향을제시하고자한다 [1-3]. 쏠림등의문제점이나타날수있다. 1) 9% Ni steel과 Ni계합금은용접과정에서직전 Pass의잔존열에대한영향을받기때문에다층용접 (Multi pass welding) 이 9% Ni steel 모재의용접금속성능에큰영향을미친다 [4-6]. 2) 용접금속의고온균열은 Ni계합금은오스테나이트조직이기때문에기본적으로고온균열이발생하기매우쉬우며, 용접전류, 운봉비가높을수록내부균열이발생하는문제가있다 [5-6]. 3) 용접열영향부의균열은고니켈합금으로 9% Ni steel을용접하는경우에는용접열영향부에균열이발생할가능성은거의없지만흡수한용접재료를사용한경우에는열영향부에저온균열이발생할가능성이있다 [6-8]. 4) 성분의희석은 9% Ni steel과 Ni계합금은화학성분이크게상이하기때문에 9% Ni steel 모재의희석이용접금속성능에큰영향을미친다 [7-8]. 5) 용입부족은 Ni계합금은 9% Ni steel에비하여융점이 150 정도낮기때문에탄소강의용접에비해용입량이작아용입불량을일으키기쉽다 [7-8]. 6) 아크쏠림은 Ni steel은연강에비해자장의영향으로자성을띄기쉬어 9% Ni steel 용접에있어서는자기아크쏠림이문제로발생한다 [8-9]. 1.2 LNG 저장탱크운반선 9% NI Steel 에대한연구동향 LNG 저장탱크는 PC-외부탱크일체식으로방액벽을프리스트레스트콘크리트 (PC: Pre-stressed concrete) 제로하여외부탱크에밀착시킨형태로사용하며, 내부탱크소재로 9% Ni steel이해상의부유식저장탱크에주로사용되고있으며, 최근에 7% Ni steel과 High Mn steel이개발되어실용화단계에있다. 9% Ni steel 소재의가격을낮추기위해서일본에서는 7% Ni-TMCO steel을개발해서육상의고정식저장탱크건설에적용하고있다. LNG저장탱크운반선에 9% Ni steel이주로많이사용되고있지만, LNG 탱크와같은대형구조물을용접하는데있어서용접금속의강도및열팽창계수가모재와유사해야하고, 극저온에서의높은충격인성, 우수한용접작업성등이수반되어야한다 [4-9]. 9% Ni steel을용접하는데있어서용접금속의고온균열, 용접열영향부의균열, 성분의희석, 용입부족, 아크 2. 본론 2.1 통계분석절차 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한기존의연구들을보면실무적으로유효성 ( 얇은시트및스트립, 플레이트, 튜브, 바 / 로드, 와이어 ), 용접방법 (GMAW, SMAW, GTAW, SAW), 용접소모품등을비교분석하여활발하게현장에서적용되고있으나, LNG저장탱크운반선 9% NI Steel에대한학술연구가체계적으로연구되고있지않아서기존연구에대한인용이미흡한상태이다. 본연구의자료처리는실험연구 (laboratory research) 와메타연구 (meta research) 를적용하여다음두단계로수행되었다. 첫번째단계는 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel의다층용접 (multi pass welding) 에대한실험연구가미흡 671

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 하게수행되었기때문에 9% Ni Steel에대해서다음과같이실험연구 (raboratory research) 를수행하였다 1) 9% Ni Steel의다층용접 (multi pass welding) 에대한효과를분석하기위해서 t4 50mm 150mm 시편 10개에 STS 308 용접봉을사용하여다층용접 (Multi pass welding) 을수행하였다. 2) 인장강도 (tensile strength) 를측정하기위하여 1차적으로 t4 50mm 150mm 시편을 t4 3mm 150mm 시편으로재가공하여 20톤인장압축시험기 (20ton) 를이용하여 extensometer (-10%~100% strain) 를적용하여인장강도 (tensile strength) 를시험하였다. 3) 다층용접 (Multi pass welding) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석하기위하여패스 (pass), 다층용접 (multi pass), 용접시간 (welding time), 인장시간 (tensile time), 인장강도 (tensile strength) 등의변수를측정하여실험연구에사용하였다. 두번째단계는 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에기존의연구를체계적으로재검토하기위해서다음과같이메타분석 (meta analysis) 을수행하고자한다. 1) LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한연구에대한효과를분류하고코딩하기위한단계이다. 본연구는이분야에해외연구 9편을최신성과인용지수에기초하여추출한후코딩하였다. 2) LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한연구의일치도를측정하기위한단계이다. 분석단계별일치도는총빈도와서로동의한빈도를구한후연구단계별동의한빈도를총빈도로나누고그값에관찰자수를곱하여구하였다. 분석단계별일치도는 0.90 이상으로도출되도록분석하였으며, 여러번의반복적인시뮬레이션을수행하여일치도를높였다. 3) LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한연구의일반적인경향과효과크기를측정하고분석하기위한단계이다. 실험집단과통제집단간평균및표준편차또는 t값, F값, p값을사용하여각논문의종속변수별로효과크기 Hedges' d값을산출하였다. 효과크기의유의성은 95% 신뢰구간을기준으로평가하였고통계적동질성유무를확인하기위해이질성을확인한후고정효과와임의효과를분 석하였으며, CMA2(Comprehensive Meta-Analysis Version 2) 통계페키지를사용하여메타분석을수행하였다. 2.2 실험분석결과 인장강도시험편인장강도 (tensile strength) 를측정하기위하여 1차적으로 t4 50mm 150mm 시편을 t4 3mm 150mm 시편으로재가공하여 20톤인장압축시험기 (20ton) 를이용하여 extensometer (-10%~100% strain) 를적용하여인장강도 (tensile strength) 를시험하였다. Fig. 1. Testing material for 9% Ni steel 9% Ni Steel의용접인장강도 (tensile strength) 를시험하기위하여패스 (pass), 다층용접 (multi pass), 용접시간 (welding time), 인장시간 (tensile time), 인장강도 (tensile strength) 등의변수를시험하였다. Table 1. Testing materials for tensile strength Testing materials Size (mm) Thickness (mm) Pass Multi pass Welding time (seconds) Tensile time (seconds) Tensile strenrth (kgf) TM1 50* TM2 50* TM2 50* TM4 50* TM5 50* , TM6 50* TM7 50* TM8 50* TM9 50* TM10 50* 다층용접이인장강도에미치는영향 9% Ni Steel의패스 (pass) 와다층용접 (multi pass) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석하기위하여충격반응검정 (impulse-response test) 을수행하였다. 패스 (pass), 다층용접 (multi pass) 과인장강도 (tensile 672

4 LNG 저장탱크운반선 9% Ni Steel 의용접성에대한실험분석과메타분석연구 strength) 간의관계에대한충격반응함수는다음과같다. 충격반응함수는최대시차수의결정은 Akaike Information Criterion 기준과 Schwarz Criterion 기준을통하여적정시차를 2로하였으며충격반응기간은 10으로하였다. 첫째, 인장강도 (tensile strength) 에대한충격반응함수는다음과같다. 둘째, 패스 (pass) 에대한충격반응함수는다음과같다. 셋째, 다층용접 (multi pass) 에대한충격반응함수는다음과같다. 9% Ni Steel의패스 (pass) 와다층용접 (multi pass) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을충격반응함수로분석한결과패스 (pass) 와다층용접 (multi pass) 이실시될수록인장강도 (tensile strength) 에지속적으로충격을미치는것으로나타났다. Response of TS to One S.D. Innovations TS PASS MULTIPASS Response of PASS to One S.D. Innovations TS PASS MULTIPASS Response of MULTIPASS to One S.D. Innovations 용접시간이인장강도에미치는영향 9% Ni Steel의용접시간 (welding time) 과인장강도시간 (tensile strength time) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석하기위하여충격반응검정 (impulseresponse test) 을수행하였다. 용접시간 (welding time), 인장강도시간 (tensile strength time) 와인장강도 (tensile strength) 간의관계에대한충격반응함수는다음과같다. 충격반응함수는최대시차수의결정은 Akaike Information Criterion 기준과 Schwarz Criterion 기준을통하여적정시차를 2로하였으며충격반응기간은 10으로하였다. 첫째, 인장강도 (tensile strength) 에대한충격반응함수 -0.2 TS PASS MULTIPASS Fig. 2. Impulse-response test for multi pass and tensile strength in 9% Ni steel 는다음과같다. 둘째, 용접시간에대한충격반응함수는다음과같다. 673

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 셋째, 인장강도시간 (tensile strength time) 에대한충격반응함수는다음과같다. 9% Ni Steel의용접시간 (welding time) 과인장강도시간 (tensile strength time) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을충격반응함수로분석한결과패스 (pass) 와다층용접 (multi pass) 이실시될수록인장강도 (tensile strength) 에지속적으로충격을미치는것으로나타났다. 2.3 메타분석결과 LNG 저장탱크의 AI5083-O 용접기술연구에대한기술통계량 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한기술통계량을보면전체 9편의논문들에대해서 Point와 Study Variance를비교분석한결과, Oh et al.(2015) 의연구 (Point=1.705, Study Variance=1.466) 가다른논문들에비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한효과를잘추정하는연구인반면에, Grieve(2012) 의연구는효과가가장낮은연구로보인다. LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한 Oh et al.(2015), Smith and Craig(2001), Nishigami et al.(2012), Khourshid and Ghanem(2012), Toussaint et al.(2000), Kruzic(2004), Kim et al.(2004), Yang(2006), Grieve(2000) 순으로효과차이를보였다 LNG 저장탱크의 AI5083-O 용접기술연구에대한고정효과와임의효과 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한전체 9편의논문들에대해서고정효과 (fixed effect) 와임의효과 (random effect) 를분석한결과두가지효과가모두같은값이도출되어서본연구에서는고정효과모형이적합한것으로판단된다. 고정효과모형의검증결과 (Point=3.266, Z=2.618, p=0.009) 를기준하였을때, 전 Response of TS to One S.D. Innovations TS WTIME TTIME Response of WTIME to One S.D. Innovations TS WTIME TTIME Response of TTIME to One S.D. Innovations TS WTIME TTIME Fig. 3. Impulse-response test for welding time and tensile strength in 9% Ni steel 체 9편의논문들중에서 Oh et al.(2015), Smith & Craig(2001), Nishigami et al.(2012), Khourshid and 674

6 LNG 저장탱크운반선 9% Ni Steel 의용접성에대한실험분석과메타분석연구 Ghanem(2012), Toussaint et al.(2000), Kruzic(2004), Kim et al.(2004), Yang(2006), Grieve(2000) 순으로고정효과가높은것으로나타났다. Oh et al.(2015) 의연구 (Odds ratio=5.500, Z=1.408) 는다른 8편의논문들에비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한효과를잘추정하는연구결과로보인다. Table 2. Fixed and random effect for 9% Ni steel of LNG storage tank studies Study name Odds ratio Lower Upper Z- p- Oh et al., Khourshid & Ghanam, 2012 Nishigami et al., Kruzic, Kim et al., 2004 Smith & Craig, Yang, Grieve, Toussaint et al., 2000 Fixed effect Random effect LNG 저장탱크의 AI5083-O 용접기술연구에대한누적효과 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한누적효과분석은전체 9편의논문들을누적해서논문의누적효과를보여주고있다. 고정효과모형의검증결과 (Point=3.266, Z=2.618, p=0.009) 를기준하였을때, 전체 9편의논문들중에서 Oh et al.(2015), Khourshid and Ghanem(2012) 등 2편의논문까지누적효과가유의하지않은것으로나타났다. Oh et al.(2015) 의연구 (Point=5.500, Z=1.408), Khourshid and Ghanem(2012) 의연구 (Point=4.568, Z=1.748) 등은유의수준 p<.05에서통계적으로유의하지않은것으로검증되었다. 이는 Oh et al.(2015), Khourshid and Ghanem(2012) 등 2편의연구는다른 7편의연구에서비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한누적효과가상대적으로낮은연구결과로보인다. Table 3. Cumulative effect for 9% Ni steel of LNG storage tank studies Study name Table 4. One study removed effect for 9% Ni steel of LNG storage tank studies Study name Point Lower Upper Z- p- Oh et al., Khourshid & Ghanam, 2012 Nishigami et al., Kruzic, Kim et al., 2004 Smith & Craig, Yang, Grieve, Toussaint et al., 2000 Fixed effect Point Lower Upper Z- p- Oh et al., Khourshid & Ghanam, 2012 Nishigami et al., Kruzic, Kim et al., 2004 Smith & Craig, Yang, Grieve, Toussaint et al., 2000 Fixed effect LNG 저장탱크의 AI5083-O 용접기술연구에대한상대적효과 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한상대적효과분석은전체 9편의논문들중에서한편의논문을제거하였을때논문의상대적효과를보여주고있다. 고정효과모형의검증결과 (Point=3.266, Z=2.618, p=0.009) 를기준하였을때, 전체 9편의논문들중에서 Yang(2006), Grieve(2012), Ki, et al.(2004) 등 3편의논문이상대적효과가높은것으로나타났다. Yang(2006) 의연구는전체 9 편의논문들중에서상대적효과

7 한국산학기술학회논문지제 17 권제 12 호, 2016 (Point=3.561, Z=2.712, p=0.007) 가가장높은반면에, Oh et al.(2015) 의연구는상대적효과 (Point=3.002, Z=2.256, p=0.024) 가가장낮은것으로검증되었다. 이는 Yang(2006), Grieve(2012), Ki, et al.(2004) 등 3편의연구는다른 6편의연구에서비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한효과를잘추정하는연구결과로보인다. 3. 결론 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel의선행연구에대해서실험연구와메타연구를수행하였다. 9% Ni Steel 의다층용접 (multi pass welding) 에대해서실험연구 (raboratory research) 를수행한결과다음과같은연구결과를얻었다. 1) 9% Ni Steel의다층용접 (multi pass welding) 에대한인장강도 (tensile strength) 를시험한결과패스 1부터패스 3까지인장강도가증가하였으나, 패스 3 이후부터다층용접의인장강도는감소하는것으로보인다. 2) 다층용접 (Multi pass welding) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석한결과, 패스 (pass), 다층용접 (multi pass) 이인장강도 (tensile strength) 에유의한정 (+) 의영향을미치는것으로보인다. 3) 용접시간 (welding time) 이인장강도 (tensile strength) 에미치는영향을분석한결과, 용접시간 (welding time), 인장강도시간 (tensile time) 이인장강도 (tensile strength) 에유의한정 (+) 의영향을미치는것으로보인다. LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한대표적인해외연구들중에서최근에활발하게인용되고있는 9 편의논문에대해서메타분석 (meta analysis) 을적용하여실증분석을수행한결과다음과같은연구결과를얻었다. 1) Oh et al.(2015) 의연구는 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한효과가가장높은연구이다. 전체 9편의논문들에대해서 Point와 Study Variance를비교분석한결과, Oh et al.(2015) 의연구 (Point=1.705, Study Variance=1.466) 가다른 논문들에비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel에대한효과를잘추정하는연구인반면에, Grieve(2012) 의연구는효과가가장낮은연구로보인다. 2) Oh et al.(2015) 의연구는 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한고정효과와임의효과가가장높은연구이다. Oh et al.(2015) 의연구 (Odds ratio=5.500, Z=1.408) 는다른 8편의논문들에비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한효과를잘추정하는연구결과로보인다. 3) Oh et al.(2015), Khourshid and Ghanem(2012) 등 2 편의연구는 LNG 저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한누적효과가가장낮은연구이다. Oh et al.(2015), Khourshid and Ghanem(2012) 등 2 편의연구는다른 7편의연구에서비해서 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대한누적효과가상대적으로낮은연구결과로보인다. 4) Yang(2006) 의연구는 LNG저장탱크운반선 9% Ni Steel 연구에대해서상대적효과가가장높은연구이다. Yang(2006) 의연구는전체 9편의논문들중에서상대적효과 (Point=3.561, Z=2.712, p=0.007) 가가장높은반면에, Oh et al.(2015) 의연구는상대적효과 (Point=3.002, Z=2.256, p=0.024) 가가장낮은것으로검증되었다. References [1] D. J. Oh, J. M. Lee, B. J. Noh, W. S. Kim, Ryuichi - Ando, Toshiyuk I- Matsumoto, Myung - Hyun Kim, "Investigation of fatigue performance of low temperature alloys for liquefied natural gas storage tanks," Journal of Mechnical Engineering Science, pp. 1-15, DOI: [2] Abd Khourshid, El Fattah Mustafa, Mohamed Ahemed Ghanem, "Using the welding parameters to improve the mechanical properties of Liquefied Natural Gas storage tank welded joint," IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE), vol. 4, no. 3, pp , [3] Hiroshi Nishigami, Masaki Kusagawa, Maki Yamahita, Tomoya Kawabata, Tahahiro Kamo, Kazushi Onishi, Syuichi Hirai, Nakazu Sakato, Masahiko Mitsumoto, Yukito Hagihara, "Development and realization of large scale LNG storage tank applying 7% Nikel steel plate," 2015 World Gas Conference, pp. 1-18, [4] R. Kruzic, "LNG storage tanks: advancements in weld inspections," Hydrocarbon Processing July 2004, pp. 676

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