대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 53, No. 2, pp. 144-153, April 2016 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2016.53.2.144 수심 2000m 용두꺼운내압용기의설계, 구조해석과내압시험 최혁진 1, 이재환 2 김진민 1 이승국 1 아코마링 2 한국해양과학기술원부설선박해양플랜트연구소 1 충남대학교선박해양공학과 2 The Design, Structural Analysis and High Pressure Chamber Test of a Thick Pressure Cylinder for 2000 m Water Depth Hyeuk-Jin Choi 1, Jae-Hwan Lee 2 Jin-Min Kim 1 Seung-Guk Lee 1 Kothilngam Maring 2 KRISO (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) 1 Chungnam National Univ., Naval Architecture and Ocean Engineering 2 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. This paper aims to demonstrate the design, structure analysis, and hydrostatic pressure test of the cylinder used in 2000m water depth. The cylinder was designed in accordance with ASME pressure vessel design rule. The 1.5 times safety factor required by the general rule was applied to the design of the cylinder, because ASME rule is so excessive that it is not proper to apply to the hydrostatic pressure test. The finite element analysis was conducted for the cylinder. The cylinder was produced according to the design. The hydrostatic pressure test was conducted at the hyperbaric chamber in KRISO. The results of finite element analysis(fem) and those of the hydrostatic pressure test were almost the same, which showed that the design was exact and reliable. Keywords : External pressure vessel ( 외압용기 ), Structural design ( 구조설계 ), FEM ( 유한요소해석 ), ASME BPVC VIII ( 보일러압력용기규정 ), Pressure chamber ( 압력챔버 ), Hydrostatic pressure test ( 수압시험 ) 1. 서론 최근해양플랜트산업의활성화필요성이인지되고있으나산업의구성품인기기의국산화는쉽지않은현실이다. 산업특성상고가, 소량, 기술집약적인제품이많고대부분석유가스산업이발달한지역을기반으로하기에국산화가어렵다. 해양플랜트에서바다속에서사용되는제품군은내압에관한설계나제작이필연적인데국산제품이적다보니내압설계에관한기본적인연구내용과체계가없는것또한현실이다. 각종센서로부터 Sub-sea, Pipe 까지설계에관한국외의규정들이 ( 예 ASME, API) 정립되어있고또한각선급 (ABS 등 ) 에서도자체규정들을제시하고있으나, 국내에서는구체적인내압용기에관한연구사례가적다. 특히, 조선해양분야의내압용기에관한연구발표는매우적은편이다. 1991 년국내에서심해용압력용기붕괴해석 이발표되었다 (Shin & Yoo, 1999). 당시대우조선에서소형잠수정 ( 옥포 6000) 을개발하기위한연구였다. (Jeong, et al. 2004) 에의해 6000 m 급내압용기에대해 ANSYS 를사용한 ( 좌굴해석포함 ) 비선형탄소성구조해석결과가있지만, 안전계수가충분히적용되지않아제품설계에바로사용하기에는부족한면이있다. (Jeong, et al. 2005) 에의해 2005년티타늄 Ti-6Al-4V 재료의심해저용용기신뢰성최적설계논문에서는항복응력, 설계압력, 외경과두께의확률변수에대해 ANSYS 로최적화가수행되었다. (Jeong, et al. 2006) 에의한 2006년심해잠수정해석에단순혹은보강재가있는원통형실린더에대한선형, 비선형, 좌굴해석결과가있다. (Jeong, et al. 2007) 에의해 Ti-6Al-4V 를재료로한심해저용내압용기가설계, 해석, 제작되었고일본의심해용고압챔버에서시험되었다. 하지만, 내압용기의치수가너무작아실용적인면에서부족한점이있다 ( 직경 37.5 mm). 이러한논문들은실용적인 ASME 규정보다는대부분 Received : 6 October 2015 Revised : 24 March 2016 Accepted : 7 April 2016 Corresponding author : Hyeuk-Jin Choi, hjchoi@kriso.re.kr
최혁진 김진민 이승국 이재환 아코마링 이론식을적용하여설계하였고시제품검증도미비한편이었다. 본연구에서는 ASME 내압용기첫째기준에해당하는심해 2000 m 급내압용기를대상으로, 일반적인학술적압력용기설계식과 ASME Section VIII Division 1 규정을기초로하여초기설계후구조해석을하고, 내압용기시료를제작하여내압시험을통해좌굴되기까지의과정을소개한다. ASME 규정에서는사용수심이 2000 m 이내의내압용기를내압용기설계 1단계로규정하고있고, 재료의특성에맞추어좌굴을고려한내압용기실린더두께를제시하고있다. 초기설계에의하여제작된 AA 6061-T6 재질의내압용기두께는 ASME DIv. 1의규정에서제시하는안전계수 2.9 의절반인 1.5 로결정되었다. 안전계수를낮춘이유는우리나라의한국선급 (KR) 을비롯해 ABS, GL, RINA, 등세계여러나라의선급규칙과미국국방성규격등에서내압용기자재의내압시험시시험압력을사용압력의 1.2 배 ~1.5 배이하로설정하고있기때문이다. 2. 2000 m 급내압용기 ( 실린더 ) 설계 내압용기설계는외압과내압의경우에큰차이가있는데, 외압의경우좌굴에대한고려를해야만한다. ASME BPVC (Boiler and Pressure Vessel Code) VIII에는 3개의 Division이있고 Table 1에 Division 1에대한주요한요소들이있다. Division 1; Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2; Alternative Rules Division 3; Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels Table 1 ASME Section VIII for pressure vessel Section VIII Division 1 Type Unfired Pressure Vessel Published <1940 Pressure Limits 3000 psi = 206.8 bar, 20.6 MPa Code Organization Design Rules Design Factor Material and Impact Testing NDE Welding and fabrication UG, UW, UF, UB, UCS, UNF, NF, UHA, UCI, UCL, UCD, UHT, ULW, ULT, UHX General Elastic analysis Little stress analysis /3.5 or /1.5 (lower allowable stress) Few restrictions on materials; Impact required unless exempted; extensive exemptions under UG-20, UCS 66/67 NDE requirements may be exempted through increased design factor Different types with butt welds and others 본연구에서내압용기는총길이 650 mm ( 덮개포함 ), 외경 300 mm 이내인원통형실린더에양끝에평평한덮개가볼트로고정되어있는것이다. 덮개와실린더가접하는부분에 2개의방수용링이있다. 재질은알루미늄 AA 6061-T6 이므로 ASME 규정의항복과최종응력을고려해야한다. Table 2의 ASME Div. 1의규정에의한최소인장강도 ( 응력 ) 은 82.7 MPa 이고안전계수는 2.9 이다. Design factor 에의해인장응력에대한 (1) /3.5 과항복응력에대한 (2) /1.5 중작은값인 (1) 의 82.7 MPa 가설정되었고이에대해항복응력 240 MPa 를적용하면안전계수가 2.9 가된다. 규정에적용된알루미늄재질의강성은최소한의요구사항이고제품생산시사용되고있는알루미늄들의항복특성은일정하지않다. 시편과인장시험상태에따라항복과최대인장강도가각각 290 과 320 MPa 또는 370과 380 MPa 수준인경우도있다. 안전계수 2.9 에기준하여두께를계산하면약 40 mm 가되어내압시험을할때파단에도달하기가어려울것으로간주되어, 본연구에서는각국선급규칙등관련시험규격을참조하여 Table 2 의 (2) 인 /1.5 에의해안전계수를 1.5 로선택하여최대허용응력은 160 MPa 가된다. Table 2 AA 6060-T6 Material properties Min. Tensile Strength (MPa) Min. Yield Strength (MPa) 290.0 240.0 Max. Allowable Stress (MPa) 1) 82.7 ( /3.5) (2) 160 ( /1.5) ASME 규정에의한설계과정은아래와같다. Safety Factor (SF) (1) 2.9 (240/82.7) (2) 1.5 P1. 본내압용기의경우길이와외경값은 = 590.0 mm, = 295.7 mm 이다. 내압용기초기두께를임의로정하여, 와 의값을구한다. 이때, 인경우, 두꺼운압력용기이고, 일경우, 얇은압력용기라고한다. P2. Fig. 1의 ASME Section II Part D 의 SUBPART 3, FIG.G 에서 FACTOR A를정한다. 이때, 이면, 의값을 50 으로한다. 예로 Fig. 1의그래프에서 FACTOR A의값은 0.012 이고구한 FACTOR A의값인 0.012 와 Aluminum 의탄성계수인 69 MPa 을이용하여 Fig. 2 에서 FACTOR B의값인 70 을구할수있다. P3. ASME 규정의 Eq. (1) 에의해허용하중 ( 압력 ) 를구하고, 사용압력인 200 bar (20 MPa) 와비교한다. 또한두꺼운용기의경우에는 Lame 식인 Eqs. (2) ~ (4) 에 값과해당되는사용하중값을대입하여값이큰 Hoop 응력 이 Table 2의허용응력 160 MPa에도달하였는지를확인한다. (1) JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 145
수심 2000m 용두꺼운내압용기의설계, 구조해석과내압시험 (2) (3) (4) 여기서, 는내압, 는외압, 는실린더의내경, 는실린더의외경이다. Eq. (1) 에서구한허용압력이사용압력보다작을경우에는값이같거나클때까지과정 P1~P3 을반복하며, 초기두께를증가시킨다. 한편 를만족하는두께 의값이나오면 Eq. (2) 에의해원주 (Circumferential; circ. or hoop) 응력 을구한다. 이때, 의값이 Table 2에서의허용응력보다클경우에같거나작을때까지초기두께 의값을증가시키고과정 P1~P3 을반복하여최종두께를결정한다. 본내압용기의경우 = 1.99 이므로 Fig. 1의그래프에서 FACTOR A의값은 0.012 이고 FACTOR B의값은 70 이다. ASME 규정에의해정한두께 = 20 mm 에서 이므로두꺼운압력용기에해당한다 (Table 3). Lame 식에서 두께 와해수압 =200 bar (20 MPa), 압력용기내부압 =1 bar (0.1 MPa) 로계산한 이허용응력값인 160 MPa 이 된다. 얇은내압용기의경우에는좌굴하중을계산하여사용압력과비교하여설계한다 (Cherian, 2014, de Paor, et. al., 2012). Table 3 Dimension of cylinder t L Internal External mm MPa 20.0 255.7 295.7 590.0 0.1 20.0 Fig. 2 ASME Section II Part D, SUBPART 3, FACTOR B Value Division 1 에의거하여설계의기본이되는코드 Part UG; General Requirements for all Methods of Construction and All Materials 에서제품과관련된부분을다음과같이 Table 4에정리하였다. Fig. 3의내압용기는연구용시료이기때문에용기가사용되는환경 ( 온도 ), 제품의용접, 제작과정, 마킹, 검사등의내용은생략되었다. Table 4에의한내압용기설계과정은다음과같다. Table 4 ASME UG procedure UG-10 Material Identified Define the certification of material UG-12 Bolts and Studs Max. allowable stress values for acceptable bolt materials are given in UG-23 UG-21 Design Pressure The most severe condition UG-22 Loadings From (a) to (i) loading cases. (a) internal or external design pressure UG-23 Maximum allowable stress values For material, given in Subpart 1 of Sec. II, Part D Table UNF-23 Nonferrous Metals (stress values in Sec. II, Part D, Table 3 for bolting, and Table 1B for other nonferrous materials) UG-28 Thickness of shells and Tubes under External Pressure Minimum thickness in Subpart of Sec. II, Part D Fig. 1 ASME Section II Part D, SUBPART 3, FACTOR A Value UG-34 UG-98 UG-99 Unstayed Flat Heads and Covers Max. allowable working pressure Standard hydrostatic test The min. thickness of unstayed flat heads and cover plates From (a) to (c), refer to UG-21 Test conditions from (a) to (k) 146 대한조선학회논문집제 53 권제 2 호 2016 년 4 월
최혁진 김진민 이승국 이재환 아코마링 (1) UG-10; 해양용으로사용되는알루미늄 AA 6061-T6 bar를가공하여제작하였다. (2) UG-12; 덮개용볼트는 8개이고 M6 를사용한다. (3) UG-21; 설계하중은수압 200 bar 이다. (4) UG-22; 현재는압력용기내압 (1 bar) 와수압 (200 bar) 만하중으로작용한다. (5) UG-23; ASME 규정에의한알루미늄 6061-T6 허용응력인 82.7 MPa ( 안전계수 2.9) 보다큰 160 MPa ( 안전계수 1.5) 가적용되었다. (6) UG-28; Lame 식에의한두꺼운압력실린더식에의하여두께가계산되었고 ASME 허용하중을만족한다. (7) Ug-34; 평평한덮개가적용되었다. ASME 에서추천하는덮개양식에는해당되지않는다. (8) UG-98; 제품이작용중인허용압력은수압 200 bar로한다. (9) UG-99; 이시험은내부에압력이있는용기에대한것이고본시험에는미국방성시험표준 (MIL-STD-810G) 이수행되었다. 현재의 ASME 규격에의한알루미늄재질과설계치수의압력실린더에서항복응력 240 MPa 에도달하는하중 ( 압력 ) 은 Lame 식에의해 30.18 MPa ( 수심 3018 m) 이고최대인장응력 290 MPa 에도달하는하중 ( 압력 ) 은 36.48 MPa ( 수심 3648 m) 로이론적으로산출된다. 3. 유한요소구조해석 ANSYS Solid 요소 3040 개를사용하였고덮개와실린더가만나는부분의접속조건은 Bonded 가사용되었다. 해석시산출된스트레인 ( 변형률 ) 값이큰 3점 (Location A, B, C) 의위치에스트레인게이지를부착하여내압실험을진행하였다. Location A, B, C 는내압용기끝단에서 115 mm에위치한 A 지점, 내압용기끝단에서 295 mm인중간지점의축방향중심 B점과내압용기덮개의중심점 C로선정하였다 (Table 5). Fig. 3 Location of five strain gauges B C A Table 5 Location of five strain gauges Ch Position Direction 115 mm at the end of 1 Axial cylinder 115 mm at the end of 2 Circumferential cylinder 295 mm at the end of 3 Axial cylinder 295 mm at the end of 4 Circumferential cylinder 5 Cap Cap center 사용압력인 200 bar (20 MPa) 에서해석한스트레인과응력이 Fig. 4 에있다. 내압용기좌표에서두께방향, 원주 (Circumferential; Circ) 방향, 그리고축 (Axial) 방향의스트레인과응력값들이다. 계산된스트레인값들은내압시험으로계측된스트레인값과 5절에서비교되었다. 내압시험시외부표면에서스트레인게이지로측정을해야하므로연구결과는표면의스트레인과응력값들이다. Table 6에는해수압이증가하며항복에도달하기까지의외부응력값이있다. 이응력값은각방향별의주응력으로특히 Circ. (hoop) 방향응력이제일크다 (Table 6 의 Direc. Circ. 의응력값들 ). 위치 A점에서응력값이중앙부나덮개부보다큰것을알수있는데이는 Fig. 4에스트레인값들도 A점에서큰것이보인다. 이는덮개와실린더가접촉하는경계조건의영향과덮개를통하여수압이실린더에전달되어, 덮개에가까운 A점의응력이더크게발생한다. 내압용기외부표면에서계산된 Table 6의응력값에서, 해수압 200 bar에대한 Hoop stress 는위치 A 와위치 B 에서각각 145 와 137 MPa 이다. 사용압력이 250 bar를넘어서면발생응력이 170 MPa 를넘기시작해허용응력한계를넘어선다. 350 bar의수압이되면 Table 2의 ASME 규정의 ( 최소 ) 항복응력인 240 MPa 를넘어서서이론상으로는항복 (Yielding) 이발생한다. 410 bar에서의발생응력은이제최소인장응력 290 MPa 을초과하여파손이발생한다고볼수있다. Table 7에는내부응력값을나타내었다. Fig. 5는해석된응력값의그래프인데선형해석이므로해수압이증가함에따라응력도선형적으로증가함을볼수있다. Two dimensional 해석인 Axisymmetric 응력해석의경우, 수압 200 bar에서, 내압용기끝근처, 중앙, 덮개의응력은 Table 8과같다. 값이커중요한 Hoop 응력값은위의 3차원모델해석 (3 Dim. analysis) 결과인 Table 6과유사하다. JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 147
수심 2000m 용두꺼운내압용기의설계, 구조해석과내압시험 Table 7 Stress values (MPa) for applied pressure at cylindrical internal surface (a) Strain(left) and stress(right) distributions in thickness direction Loc Direc 200 250 300 350 380 410 450 490 504.5 A Axial 44 55 67 79 85 91 101 111 113 Circ 142 177 211 249 268 290 318 351 360 B Axial 79 99 119 139 151 163 179 195 201 Circ 158 197 236 277 300 323 355 387 398 C Cap 68 85 102 120 129 140 153 167 172 (b) Strain(left) and stress(right) distributions in circumferential(hoop) direction Fig. 5 Stress values for applied water pressures (c) Strain(left) and stress(right) distributions in axial direction Fig. 4 Strain and stress values for pressure of 200 bar Table 6 Stress values (MPa) for applied pressure at cylindrical external surface Loc Direc 200 250 300 350 380 410 450 490 504.5 Table 8 Comparison of Stresses(MPa) between 3D & axisymmetric analysis for 200 bar 3 Dim. analysis Axisymmetric analysis Location Direction External Internal External Internal surface surface surface surface A Axial 112 44 92 62 Circ. 145 142 144 154 B Axial 78 79 76 79 Circ. 137 158 135 156 C Cap 127 68 127 65 4. 내압시험 Axial 112 140 167 195 211 229 250 270 276 A Circ 145 181 218 254 275 297 328 356 367 Axial 78 98 118 137 149 161 177 193 198 B Circ 137 171 206 240 261 282 309 338 347 C Cap 127 159 191 223 242 262 287 312 321 치수설계후, 내압용기시료제작에앞서 AA 6061-T6 에대하여공인시험기관에서, 금속재료의인장시험법인 KS B 0802 규격에따라, 항복강도와인장강도및연신율을구하였다. 총 5 개의시료 (Fig. 6) 시험결과인장강도는평균 385.4 MPa, 항복강도는평균 369 MPa, 연신율은평균 17.8% 로측정되었다. Park의논문 (Park, et al., 2015) 에알루미늄 AA6061 합금의기계적거동연구에서인장속도가낮을때 (30 mm/min) 항복강도가 370 MPa, 최대인장강도 430 MPa 이고높은경우 (0.5 mm/min) 항복과인장이각각 330 MPa, 340 MPa 정도이다. 이수치는 ASME 에서의최저요구치항복강도 240 MPa, 인장강도 290 MPa 보다매우높은값들이다. 148 대한조선학회논문집제 53 권제 2 호 2016 년 4 월
최혁진 김진민 이승국 이재환 아코마링 (a) Before the test (b) After the test Fig. 6 Specimens for the tensile tests 표면방수를위해 Putty 재질의표면보호제를사용하였다. 시험설비및스트레인계측시스템의구성은 Fig. 8 과같다. 게이지와연결된신호선은고압챔버바닥의관통구에설치되어있는커넥터를통해외부계측기에연결하여스트레인을측정할수있도록시스템을구축하였다. 모든연결을완료한후내압용기를보조용치구에고정한후고압챔버내부에배치하여시험을진행하였다. 시험은고압챔버의상단덮개를닫은후에고압챔버내부에시험용수 ( 청수 ) 를채워정해진시험조건에따라가압및유지하는형식으로진행하였다. 전체적인시험과정은 Fig. 9와같다. 4.1 시험설비 제작된내압용기로선박해양플랜트연구소에설치된고압챔버를이용하여내압시험을수행하였다. 시험에이용된고압챔버의형상과주요사양은 Fig. 7, Table 9와같다. Fig. 8 Schematic diagram of test system Fig. 7 Hyperbaric chamber test facility Table 9 Specifications of KRISO's hyperbaric chamber Vessel configuration Operation pressure Design pressure Inside diameter Inside length Medium Pressurization speed Fill & drain pump Reservoir tank Code design Specification Double-ended monoblock vessel, plate yoke assy. 600 bar 660 bar 800 mm 2,108 mm Fresh water 1 100 bar/min 95 Liter/min 1,900 Liter ASME Section Ⅷ, DIV Ⅱ 4.2 시험조건및방법 내압시험을위해 Fig. 3과같이, 스트레인게이지의부착위치는유한요소해석결과를바탕으로, A 점, B 점과 C 점으로선정하였다. 해석결과, A와 B 점에서는축방향과원주방향스트레인측정을위해 90 T Rosette 방식으로부착하였고, 덮개중심은모든방향이동일하므로 1개의게이지를부착하여총 5개의스트레인게이지를부착하였다. 시험에사용된게이지및부속재료는독일 HBM 社제품 (K-LY-43-6/350) 을사용하였고, 게이지의 (a) Preparation on the housing (c) Strain measurement using the DAQ (b) Installation of the housing (d) Pressurization and Monitoring Fig. 9 Process of the hyperbaric chamber test 1차와 2차내압시험은미국방성시험표준 (MIL-STD-810G) 을적용하여운용압력 200 bar에서 30 분간유지하는조건으로, 가압중간에는중간압력상태를 10 분간유지시켜안정적인데이터확보를하도록하였다. 1, 2차내압시험조건은 Fig. 10 (a) 와같다. 3차내압시험에서는고압챔버의최대압력인 600 bar까지가압하면서내압용기의최대인장응력을확인하고자하였다. 3차내압시험조건은 Fig. 10 (b) 와같다. JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 149
수심 2000m 용두꺼운내압용기의설계, 구조해석과내압시험 (a) The 1st and 2nd test (a) The 1st test results (Max pressure : 200 bar) (b) The 2nd test results (Max pressure : 200 bar) (b) The 3rd test Fig. 10 Chamber test conditions 4.3 시험결과와분석 1차와 2차의각시험결과는거의유사하여 Fig. 11 (a) 와 (b) 에있다. 압력별스트레인결과는 Table 10 에있는데축방향게이지인위치 A의채널 1과위치 B의채널 3의최대압력 200 bar에서의스트레인은 0.40 ~ 0.38 μm /mm 이었다. 원주방향게이지인위치 A의채널 2, 위치 B의채널 4의최대압력 200 bar에서의스트레인은 1.30 ~ 1.26 μm /mm 이었다. 원주방향의스트레인이축방향변형의약 3.4 배큰값을보였다. 또한축방향중심지점 B와내압용기끝단인 A지점을비교해보면축방향중심에서의스트레인이약 20% 작게측정되었다. 한편, 덮개중심 C에부착된채널 5의최대압력 200 bar에서의스트레인은 1.44 ~ 1.43 μm /mm 으로, 원주방향스트레인보다약 10% 큰값을보여가장큰변형이발생한것을알수있다. 3차시험의결과는 Fig. 12 (c) 와같고, 압력별스트레인결과는 Table 11 에있다. 200 bar 까지의스트레인은 1, 2차시험결과와유사하였고, 410 bar 까지동일한기울기로스트레인이증가하였다. 그이후에원주방향스트레인 ( 위치 A 채널 2, 위치 B 채널 4) 의기울기가급격하게변하는경향을보였으며, 490 bar 로가압직후내압용기중심 B의원주방향스트레인이덮개중심 C에서의스트레인보다급격히커지다가, 504.5 bar에서좌굴이발생하였다 (Fig.12). (c) The 3rd test results (Max pressure : 504 bar) Fig. 11 Strains at five locations for water pressures Table 10 에서중앙부위 B에서, Circ. (hoop) 방향스트레인값들이 Axial 방향에비해 4배이상큰것을알수있다. Table 10 Strain result for 1 st and 2 nd chamber test: 50 ~ 200 bar (unit: μm /mm) Test No. 1 2 Ch. Loc Direc. 50 100 150 200 1 A Axial 0.13 0.24 0.34 0.40 2 A Circ. 0.35 0.69 1.01 1.30 3 B Axial 0.09 0.19 0.28 0.38 4 B Circ. 0.02 0.06 0.09 1.26 5 C Cap 0.04 0.07 1.07 1.43 1 A Axial 0.15 0.25 0.36 0.42 2 A Circ. 0.39 0.72 1.05 1.35 3 B Axial 0.06 0.16 0.25 0.35 4 B Circ. 0.41 0.69 1.00 1.27 5 C Cap 0.37 0.73 1.08 1.44 150 대한조선학회논문집제 53 권제 2 호 2016 년 4 월
최혁진 김진민 이승국 이재환 아코마링 Table 11 Strain result for 3 rd test chamber test: 200 ~ 504.5 bar (unit: μm /mm) Ch. 200 250 300 350 380 410 450 490 504.5 1 0.44 0.60 0.77 0.93 1.03 1.13 1.3 1.54 1.71 2 1.39 1.73 2.07 2.41 2.61 2.84 3.20 3.82 4.23 3 0.30 0.40 0.49 0.59 0.65 0.70 0.76 0.82 0.85 4 1.11 1.47 1.81 2.16 2.38 2.62 3.03 4.13 4.97 5 1.44 1.78 2.09 2.40 2.60 2.82 3.17 3.59 3.81 Table 12 Strain results for FEA : 50 ~ 200 bar (unit: μm /mm) Test No. 1 Ch. Loc Direc. 50 100 150 200 1 A Axial 0.20 0.44 0.66 0.81 2 A Circ. 0.34 0.68 1.02 1.44 3 B Axial 0.09 0.18 0.28 0.37 4 B Circ. 0.37 0.74 1.11 1.47 5 C Center 0.27 0.55 0.83 1.11 Table 13 Strain results for FEA : 200 ~ 504.5 bar (unit: μm /mm) Loc Direc 200 250 300 350 380 410 450 490 504.5 Fig. 12 Buckling results of the 3rd Test 5. 실험과해석비교 A B Axial 0.81 1.00 1.23 1.38 1.53 1.65 1.83 1.93 1.94 Circ 1.44 1.80 2.16 2.53 2.73 2.94 3.20 3.51 3.66 Axial 0.37 0.46 0.56 0.65 0.71 0.77 0.84 0.91 0.94 Circ 1.47 1.84 2.21 2.60 2.80 3.02 3.31 3.63 3.73 구조해석에서산출된스트레인이 Table 12 와 Table 13 에, 시험에서구한값이 Table 10 과 Table 11 에있다. 이중수압이 200 bar 이상인경우의값들은 Fig. 13 에 (a) 와 (b) 에그래프로도시되었다. Fig. 13 (a) 의해석으로산출된스트레인값들은선형해석이므로직선이고, Fig. 13 (b) 의시험에서도출된그래프중주요한점은 410 bar 이후로중앙점 (B) 에서항복하는과정이비선형으로나타나는데이는 Table 11 의볼드체값들이다. 450 bar 이후인 490 bar에서는스트레인값이급격히증가하며항복상태임이분명해진다. 내압시험에서가장큰값인내압용기중앙점 (B) 에서의 Circ. ( 원주방향 ) 과덮개 (C) 에서의해석과시험의스트레인을비교하면 Fig. 14 (a) 와 (b) 와같다. 내압시험의스트레인값이정확하다는가정아래, Table 10 과 Table 11 을분석하면덮개와가까운 A점에서의 Circ. 방향은해석과시험값이비슷하다. 항복에가까우면시험값이더커진다. 항복이먼저발생하는중앙점 (B) 의 Circ. 방향에서해석값이대체로약 20% 정도크지만, 410 bar 이상부터항복점에도달하기까지는차이가 10% 대로감소한다. 450 bar 이후에는시험값이해석값보다커지며급격히증가한다. 이현상은그래프 Fig. 14 (a) 에잘나타나있다. Table 11 과 Table 13 에서덮개의경우시험값이해석값보다역시약 20% 정도커지고, 410 bar 이상부터항복점에도달하기까지 Fig. 13 (b) 에완만하게비선형적으로증가함이보인다. 해석에서는덮개전체가실린더와접속되어있어실린더의경계부분이견고하므로중앙부의스트레인이적게산출된것으로보인다. 시험의경우볼트 8개가원주방향을모두고정할수없어 ( 단순지지의경우처럼 ) 중앙부의스트레인이작은것으로보인다. C Cap 1.11 1.38 1.66 1.95 2.11 2.27 2.49 2.71 2.79 (a) From FEA (b) From chamber test Fig. 13 Strain values for applied water pressures JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 151
수심 2000m 용두꺼운내압용기의설계, 구조해석과내압시험 (a) Strains at cylinder center B 점보다크게나왔으며, 이는덮개로지지되어있어위치 A 부근의모멘트가커서스트레인값이커지는현상때문이다. 향후해석과시험결과의차이를최소화하기위한연구가필요하다. 3. 챔버시험시, 사용된알루미늄의인장시험에서도출된항복응력값에서항복이발생함을알수있었다. 이는내압용기중앙위치에서스트레인값이 410 bar 이후로비선형화되기시작하여 450 bar 이후에서는급격히증가하며항복상태에도달함을그래프에서분명하게확인할수있었다. 향후비선형구조해석으로시험과같은결과를도출하는연구도필요하다. 4. 본연구에서는심해저용압력챔버로시험할수가있어기존에발표된연구보다좀더진일보된구체적인결과가도출되었다. 향후, 재료의특성이설계규정과다른현실적인문제를해결해야하는점과강철이나티타늄등의재질로 2000 m 이상의설계와시험을시도해야하는연구가필요하다. 이번연구로재질특성에관한관심을높이는계기가될것이다. ASME 규정의경우오래전에발표되었기에재질의자료가현재사용중인것들과다를수있다. 정확한설계를위해서는내압용기의재질에대한인장시험시항복과최대인장응력그리고내구성등을확인할필요가있다. 5. 이번시험을통하여덮개부분이다소취약한점이인지되었다. 향후, ASME 규정에의한덮개설계로시편을만들필요가있고, 유한요소해석에서도덮개와실린더의접속조건과볼트를고려한모델을통하여시험결과와비교하여시험과해석의관계를더면밀히분석하여규정에기반한설계에참조할필요가있다. 후기 (b) Strains at cap center Fig. 14 Comparison of strains of FEA and chamber test 본연구는선박해양플랜트연구소 (KRISO) 에서주요사업으로수행하고있는 해양사고초기대응및구난기술지원시스템개발 (pes2230) 과제의연구결과중일부임을밝힌다. 6. 결론 References 1. 국제규격인 ASME 규정에의하여설계를진행하였으나, 규정에적용된알루미늄재질의강성이실제실험시적용된시료의재질보다약하여시험이어려울수있었으나, 본연구에서는안전계수를낮추어설계를한후압력챔버시험을수행하였다. 설계전에사용될알루미늄의재질에대한문헌이나규정의자료보다는실제재질에대해정확하게파악하는것이무엇보다중요하였다. 2. 유한요소해석의응력값분석을통해챔버시험시의스트레인게이지부착위치와방향을결정하였다. 해석과시험의스트레인값의경향은대체로일치하였고일부구간에서최대 20 여퍼센트의차이를보였다. 이론에서제시된바와같이 Hoop 방향응력이축방향응력보다크게나오며두께방향응력은수압값과같게나왔다. 위치 A 점 (115 mm 위치 ) 에서의응력이위치 B American Bureau of Shipping (ABS), 2010. Rules for Building and Classing, Underwater Vehicles, Systems and Hyperbaric Facilities. ABS. American Petroleum Institute (API), 2014. Consideration of External Pressure in the Design and Pressure Rating of Subsea Equipment, Technical Report 17TR12. First Edition. API. ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), 2010, Section 8, Division 1. Rules for Construction of Pressure Vessels. ASME. Cherian R., 2014. Buckling Analysis of Undewater Cylindrical Shells Subjected to External Pressure. International Journal of Innovative Research in Advanced Eng. 1(10), pp.8-14. 152 대한조선학회논문집제 53 권제 2 호 2016 년 4 월
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