<응용논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2011.35.12.1543 ISSN 1226-4873
코너프로텍션과 내조를 고려한 대용량 LNG 저장탱크 앵커스트랩의 구조설계를 위한 유한요소해석§
김성주* · 하성규*†· 김성종*· 이영환*
* 한양대학교 기계공학과
Structural Analysis for Design of Anchor Straps for a Large-Scale LNG Storage Tank with Corner Protection and Inner Tank
Chengzhu Jin*, Sung Kyu Ha*†, Seong Jong Kim* and Young Hwan Lee*
* Dept. of Mechanical Engineering, Hanyang Univ.
(Received April 18, 2011; Revised October 11, 2011; Accepted October 18, 2011)
1. 서 론
한국가스공사에서는 현재 완전방호식의 LNG 저 장탱크 (Full containment LNG storage tank)를 운영하 고 있다. 여기서, 완전방호식이란 내조(inner tank) 와 외조(outer tank)가 각각 독립적으로 LNG 를 저
장할 수 있는 이중구조의 탱크를 말한다.(1)
Figure 1 에서는 대용량의 완전방호식 LNG 저장 탱크를 나타내었다. Fig. 2 는 탱크의 단면도로서 반경은 약 40m 이고, 높이는 약 37m 로 약 20 만 m3 의 LNG 를 저장할 수 있다. 내조는 10~30mm 두께의 9% 니켈강으로 제조되었고, 외조는 콘크 리트로 제조되었다. 내조와 외조 사이에는 내조의 열수축과 열팽창을 흡수하기 위한 블랑켓(blanket) 과 펄라이트(perlite)가 있고, 외조의 하단부 코너 내면에는 코너프로텍션(corner protection)이 설치되 어 있어 내조에서 -165°C 의 LNG 가 유출된 경우, 외조 내벽에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하는 Key Words : LNG Storage Tank(액화천연가스저장탱크), Anchor Strap(앵커스트랩), Finite Element Analysis(유한
요소해석), Tresca Stress(트레스카응력)
초록: 본 연구에서는 대용량 액화천연가스(LNG 즉 Liquefied Natural Gas) 저장탱크의 앵커스트랩(anchor strap)의 설계를 위한 구조해석이 수행되었다. 본 논문에 고려된 LNG 저장탱크는 반경이 40m 의 완전방 호식 저장탱크로 크게 외조와 내조로 구성되고, 둘 사이의 공간은 단열재인 블랑켓과 펄라이트로 채워 져있다. 앵커스트랩은 내조, 외조 및 코너프로텍션과 연결되어 있어 지진하중에 의한 내조의 파손을 방 지하는 역할을 한다. 본 연구에서는 앵커스트랩만 고려한 단일모델과 실제 형상을 고려하여 앵커스트랩, 내조, 외조 및 코너프로텍션을 동시에 고려한 확장모델에 대해서 각각 유한요소해석을 수행하여 비교, 분석하였다. 하중조건으로는 LNG 의 유출상태 및 지진하중을 고려한 다섯 가지 경우를 고려하였고, 각 하중조건에 대한 두 모델의 Tresca 응력분포를 구하여 설계기준과 비교해 보았다.
Abstract: Structural analysis is performed to design anchor straps for a large-scale-liquefied-natural-gas (LNG) storage tank with corner protection and an inner tank by considering structural integrity. Anchor straps made of 9% nickel steel are attached to the inner tank, corner protection, and concrete raft to prevent the failure of the inner tank during both normal and emergency operating conditions. Two finite element (FE) models were analyzed in this study. One is a stand-alone model of the anchor strap, while the other is an extended model of the substructure of the anchor strap, inner tank, and corner protection. Three-dimensional shell elements are used to effectively assess the bending and axial behavior of structures. The Tresca stress values in each part of the two models are calculated for operation under five different load-condition cases: normal operation, leakage of the LNG, hydro test, and two earthquake conditions.
§ 이 논문은 2011 년도 대한기계학회 CAE 및 응용역학부문 춘계학술대회(2011. 4. 14.-15., SETEC) 발표논문임
† Corresponding Author, [email protected]
© 2011 The Korean Society of Mechanical Engineers
역할을 한다(2). 또한 탱크 내조가 지진변위하중에 의해 움직이는 것을 방지하기 위하여 내조 외벽과 외조 바닥을 적절한 크기의 9% 니켈강 재질의 강 판으로 연결하는데 이것을 앵커스트랩(anchor strap)이라고 부른다.
앵커스트랩의 한쪽 끝단은 내조 외벽과 연결되 고, 다른 한쪽 끝단은 코너프로텍션을 관통하여 외조 바닥에 고정되어 있다. 앵커스트랩은 지진변 위하중에 견딜 수 있어야 할 뿐 아니라 극저온 LNG 의 열하중, 액압하중 등 여러 가지 하중들의 복합적 조건에서도 견딜 수 있도록 설계되어야 한 다.
따라서 본 논문에서는 LNG 의 유출상태 및 지 진하중을 고려한 다섯 가지 하중 조건에서 앵커스 트랩에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 유한요
소모델로는 앵커스트랩만을 고려한 단일모델
(stand-alone model)과 앵커스트랩, 내조, 코너프로텍 션을 동시에 고려한 확장모델(extended model) 두 가지가 적용되었다. 각 하중 조건에서 두 모델의 Tresca 응력분포를 관찰하였으며 설계기준과 비교 하여 안전계수를 도출하였다.
현재 국내의 LNG 저장탱크에는 앵커스트랩을 적용한 사례가 없으며 앵커스트랩의 설계를 위한
Fig. 1 Full containment LNG storage tank
Outer tank
Corner protection LNG
Roof plate
Cellular glass Support block
Heat protection Nozzle
Guide pipe Insulation Suspend deck Vapor barrier
Inner tank
Anchor strap
Fig. 2 Cross section of LNG storage tank
참고자료가 상대적으로 적은 상황이다. 따라서 본 논문에서는 LNG 저장탱크 앵커스트랩에 대한 구 조해석을 진행하여 향후 앵커스트랩을 적용한 LNG 저장탱크에 대한 참고자료를 제공하고자 한 다.
2. 유한요소모델 및 해석조건
2.1 앵커스트랩의 형상
Figure 3 은 유한요소해석을 수행한 LNG 저장탱 크의 단면 형상 및 치수이다. 전체 길이는 약 4m, 두께는 16mm, 너비가 200mm 인 앵커스트랩은 한 쪽 끝단이 내조 외벽과 연결되어있고, 코너프로텍 션을 관통하여 외조 바닥에 고정되어있다. 앵커스 트랩은 내조 외벽을 따라 균등한 간격으로 분포되 어 있기 때문에 대칭 조건을 고려하여 하나의 앵 커스트랩에 대해서만 모델링하였으며(Fig. 4), Fig. 5 는 단일모델과 확장모델의 유한요소모델을 나타낸 다.
44150 41700 41000
R=40850 R=40822 17
650 137 4295
20 40
695 305
1825 2486.5 530
1934 40000
Corner protection Anchor Strap
Inner Tank
Outer Tank
Unit: mm
Fig. 3 Dimensions of tank for finite element analysis
Inner Tank
Anchor Straps (Total 154 straps)
2.34°
Modeling Part
Fig. 4 Top view of inner tank with anchor strap
Part of inner tank
Anchor strap Corner protection
(a)
2.34°
Corner protection
Anchor Strap Inner Tank
Weldedto corner protection
Fixed to Outer tank concrete
Connected to inner tank
(b)
Fig. 5 3-D models: (a) repeated model (b) single model
2.2 유한요소모델
유한요소 해석 시 사용한 모델은 앵커스트랩만 을 고려한 단일모델과 코너프로텍션과 내조, 앵커 스트랩을 복합적으로 고려한 확장모델이다. 두 모 델 모두 굽힘(bending)과 축방향 거동을 효과적으 로 평가할 수 있는 3 차원 쉘요소가 적용되었다.
2.2.1 앵커스트랩만을 고려한 단일모델
Figure 6 은 단일모델의 유한요소형상을 나타낸 다. 단일모델은 앵커스트랩과 코너프로텍션을 연 결해주는 박스(box), 변위하중을 적용하기 위한 코 너프로텍션의 일부로 이루어져 있다.
2.2.2 앵커스트랩과 코너프로텍션, 내조를 동시 에 고려한 확장모델
단일모델은 형상이 간단하므로 해석이 용이하지만 코너프로텍션과 내조가 앵커스트랩에 미치는 영향은 고려되지 않는다. 본 논문에서는 탱크의 실제 거동 을 더 정확하게 표현하기 위하여 앵커스트랩과 코너 프로텍션, 내조가 동시에 고려된 확장모델에 대해 구조해석을 수행하고 단일모델의 해석결과와 비교하 였다. Fig. 7 은 확장모델의 유한요소형상을 나타낸다.
2.3 유한요소해석에 사용된 재료 물성치
완전방호식 LNG 저장탱크의 내조, 코너프로텍
Table 1 Material properties of 9% Ni steel Properties Temperature Value Young’s modulus (GPa) 15°C 195
-165°C 204 Poisson ratio Any 0.3 Yield strength (MPa) 15°C 670 Ultimate strength (MPa) 15°C 800 Density (kg/m3) 15°C 480 Coefficient of thermal
expansion (°C-1) -165°C 12×10-6
Box Anchor strap
Part of corner protection
Fig. 6 Stand-alone model for finite element analysis
Anchor strap Corner protection Inner tank
Fig. 7 Extended model for finite element analysis
션, 그리고 앵커스트랩의 재질은 9% 니켈강이다.
9% 니켈강은 상온뿐만 아니라 -165°C 의 극저온 에서도 우수한 강도와 인성을 보유하고 있어 LNG 의 저온하중과 액압을 잘 견딜 수 있다.
Table 1 에서는 9 % 니켈강의 주요 물성치들을 보 여준다.(3)
2.4 하중 및 경계조건
2.4.1 유한요소해석에 고려된 하중조건
본 논문에서는 LNG 저온하중, 액압하중, 지진하 중을 포함한 총 다섯 가지 하중조건에 대하여
Table 2 Load cases for finite element analysis No. Name Product in inner tank
1 Normal operation 1 Full of LNG 2 Normal operation 2 Empty 3 Hydro test Full of water 4 SSE earthquake Full of LNG 5 OBE earthquake Full of LNG
Table 3 Allowable stress for anchor strap Load case 1 2 3 4 5
σTresca (MPa) 1005 1005 1709 2010 1347
구조해석을 수행하였다. 첫번째 조건은 내조에 LNG 가 저장되어 있는 정상운전상태로 고려되는 하중은 주로 저온하중과 액압하중이다. 두번째 조 건은 내조에 LNG 를 저장하고 있지 않은 상태로 내조와 외조 사이에 있는 단열재의 작용으로 인해 저온하중이 고려된다. 세번째 조건은 수압으로 내 조에 물이 차 있는 경우이다. 네번째와 다섯번째 조건에서는 각각 Safe Shutdown Earthquake (SSE) 지 진하중과 Operating Basis Earthquake (OBE) 지진하 중을 고려하였다. Table 2 는 다섯 가지 하중조건과 그에 따른 내조의 내부 상태를 정리한 표이다.
2.4.2 단일모델에 적용된 하중조건
단일모델은 앵커스트랩만 고려하므로 내조에 가해 지는 액압하중, 그리고 내조와 코너프로텍션에 가 해지는 저온 열하중을 모델에 적용시킬 수 없다.
따라서 단일모델에 대한 구조해석에는 모든 하중 조건을 앵커스트랩에 작용하는 변위하중으로 계산 하여 앵커스트랩과 내조, 코너프로텍션의 연결부 에 적용시켰다.(4) 지진하중은 등가변위로 계산하여 유한요소해석에 적용하였다.
2.4.3 확장모델에 적용된 하중조건
확장모델은 앵커스트랩과 내조, 코너프로텍션의 연결상태가 동시에 고려되었으므로 액압하중과 저 온 열하중을 그대로 모델에 적용하였다. 지진하중 에 대해서는 단일모델과 동일하게 등가변위를 사 용하였다.
2.4.4 유한요소모델의 경계조건
앵커스트랩 위치의 반복성과 대칭성을 고려하여 축대칭 경계조건을 적용하였다. 단일모델에서는 앵커스트랩의 바닥면을 고정시켰고, 확장모델에서 는 앵커스트랩의 바닥면과 코너프로텍션이 외조와
Table 4 Maximum Tresca stress for each load case Load case 1 2 3 4 5 Stand-alone model(MPa) 811 810 134 1102 993
Extended model(MPa) 920 836 392 1523 1268
Table 5 Stress component through length direction of anchor strap for each load case
Load case 1 2 3 4 5 Stand-alone model(MPa) 756 748 119 1008 850
Extended model(MPa) 910 808 299 1520 1236
연결되는 부위를 고정시켰다.
2.5 설계기준
본 연구에서 사용한 설계기준은 각 하중조건에 서 최대 Tresca 응력이 구조물의 허용응력보다 낮 은 값을 가지게 하는 것이다. Table 3 에서는 각 하 중조건에서의 앵커스트랩의 허용응력을 나타내었 다.(5) 본 논문에서는 다섯 가지 하중조건에서 두가 지 모델의 앵커스트랩의 최대 Tresca 응력을 구하 고 허용응력과 비교하였다.
3. 해석결과
3.1 각 하중조건에서의 유한요소해석 결과비교 Figure 8 과 Table 4 는 각 하중조건에서 두가지 모델의 앵커스트랩의 Tresca 응력 분포와 그 값을 나타내는데, 확장모델이 단일모델에 비해 상대적 으로 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 액압하중은 높이에 따라 선형적인 분포를 가지는데, 단일모델은 내조와 앵커스트랩 의 연결부 높이에 해당하는 액압하중에 의한 반경 방향의 변위하중만을 고려한 반면, 확장모델은 내 조와 앵커스트랩의 연결부 위, 아래에 존재하는 변위 하중의 차이로 인해 추가적으로 발생되는 높 이 방향의 변위하중을 고려해야 한다. 이 효과를 고려하게 되면 확장모델이 단일모델에 비해 상대 적으로 높은 응력값을 가지게 되는 것을 알 수 있 다. Table 5 에서 두 모델의 높이(길이) 방향에 대한 응력성분값이 다른 것을 확인할 수 있다.
3.2 설계기준, 안전계수의 검토
Figure 9 는 다섯 가지 하중조건에서 두 모델의 최 대 Tresca 응력과 허용응력을 비교한 것으로 두 모델 모두 설계조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 그 외에 설계안전성을 평가하기 위하여 안전계수를 계
산하였다(Table 6). 안전계수는 다음과 같이 정의된다.
allowable
SF σ
= σ
여기서 SF 는 재료의 안전계수, σtresca는 재료의 최대허용응력, σ 는 구조물이 실제 받는 응력이 다.
Max Max
stand-alone extended
Max Max
stand-alone extended
(a) (b)
Max
Max
stand-alone extended
Max
Max
stand-alone extended
(c) (d)
Max Max
stand-alone extended
(e)
Fig. 8 Tresca stress distribution of two models for each load case
Table 6 Safety factor of two models for each load case Load case 1 2 3 4 5 Stand-alone model 1.24 1.24 12.75 1.82 1.44
Extended model 1.09 1.20 4.36 1.32 1.06
0 500 1000 1500 2000 2500
1 2 3 4 5
Stand-alone model Extended model Allowable stress
Load case
Trescastress (Mpa)
Fig. 9 Comparison of Tresca stress of two models for each load case with allowable value
4. 결 론
앵커스트랩의 두가지 유한요소모델에 대해 다섯 가지 하중조건에서 구조해석을 수행한 결과 다음 과 같은 결론을 얻게 되였다.
(1) 각 하중조건에서 단일모델과 확장모델의 Tresca 응력분포는 유사하지만 확장모델의 최대 응력값이 단일모델보다 큰 것으로 나타났다.
(2) 두가지 모델은 다섯 가지 하중조건에서 모 두 설계조건을 만족한다.
(3) 안전계수를 도출한 결과, 두가지 모델 전부 다 다섯 가지 하중조건에서 안전한 것으로 나타난 다.
본 논문은 확장모델을 이용하여 보다 실제적인 구조해석을 수행하는 것에 목적을 둔 것으로 확장 모델이 단일모델에 비해 비보수적인 결과에 대해 서는 추후 안전설계를 고려하여 최적설계를 진행 할 계획이다.
후 기
본 연구는 국토해양부 LNG 플랜트사업단의 연 구비지원에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
(1) Yoon, I. S., Lee, Y. Y. and Hong, S. H., 1994, “Finite Element Analysis of Membrane for LNG Storage Tank,” The Korean Society of Mechanical Engineering, Vol.18, No.10, pp. 2797~2804, 1225~5963.
(2) Kim, H., Hong, S. and Seo, H., 2002, “Integrity Comparison for Various Design Specifications of Corner Protections in LNG Storage Tank,” J. of the KIGAS, Vol. 6, No. 4, pp. 33~39.
(3) Material Properties: Nickel Steel (Fe-9.0 Ni) (UNS S21800), Official website of the Cryogenics Technologies Group, NIST (cryogenics.nist.gov).
(4) “Welded Steel Tanks for Oil Storage,” Appendix P, paragragh P.2.5.1, API (American Petroleum Institute).
(5) “Specification for Unfired Fusion Welded Pressure Vessels (PD 5500:2009+A1:2009),” A 3.4.1.7~A 3.4.2.4, British Standard.
