LNG 연료추진선의 벙커링을 위한 Saddle의 구조 안전성 평가에 관한 연구

A Study on the Evaluation of Structural Safety of Saddle for Bunkering of LNG Fueled Ship

Abstract

The International Maritime Organization(IMO) has established Emission Control Areas(ECA) in the Baltic Sea, North Sea, and sea areas in the United States since 2012, and encourages the use of clean fuels such as Natural Gas(NG). To keep pace with the increase in international demand for LNG bunkering vessels, research for the localization of key equipment for LNG bunkering must also be performed in Korea. For research and development of core bunkering equipment and systems, in this study, heat transfer analysis and structural analysis were performed by modeling the saddle, which must first be secured structurally by directly receiving the load of the hose. As a result, the suitability of the model was reviewed by analyzing the temperature distribution and stress level through the analysis results of this study.

1. 서론

국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 발틱해, 북해, 미국의 일부 해역에 2012년부터 배출가스 통제구역(ECA, Emission Control Areas)을 설정하여 근해에서는 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)보다 황함유량이 적은 경유(Marine Diesel Oil), 천연가스(NG, Natural Gas) 등의 청전연료를 사용하도록 권고하고 있으며, 이를 위하 여 후처리 장치 또한 사용하도록 하고 있다[1-2].

NG는 발전 과정에서 석탄 대비 온실가스 발생이 약 45∼55% 적으며, 대기오염물질 배출 수준은 약 10%이다. 이러한 환경적 이점으로 인해, 전 세계 각 국가에서 설정한 탄소 배출 목표 달성을 위해 탄소 배출량이 많은 에너지 자원을 액화천연 가스(LNG, Liquefied Natural Gas)로 점차 대체할 것으로 생각된다. 이에 따라 세계적으로 LNG 의 수요는 2040년까지 지속적으로 증가해 7억 톤에 달할 것으로 전망되고 있다[3].

LNG의 수요가 증가함에 따라 LNG 연료추진선 역시 증가 추세로 2023년까지 두 배 이상 증가할 것으로 예상된다. LNG 연료추진선의 수요 증가에 따라 LNG 벙커링에 대한 관심도 증가하고 있으며, LNG 벙커링은 일반적으로 연료추진선에 LNG 를 안정적으로 공급하는 기술 및 관련 설비를 통칭한다. LNG 연료추진선에 벙커링을 하는 방법은 탱크로리에서 선박으로 벙커링 하는 방법, 터미널 에서 선박으로 벙커링 하는 방법, 선박에서 선박으로 벙커링하는 방법으로 크게 나눠진다. 이 중에서도 선박에서 선박으로 벙커링하는 해상 벙커링 기술에 대해 최근에 활발한 연구개발이 진행되고 있으며, 전 세계 LNG 연료추진선의 해상 벙커링을 위한 벙커링 선박의 수는 2023년까지 약 50 대에 달할 것으로 예상된다[4].

벙커링 선박에는 LNG 연료의 처리를 위해 다양한 기자재가 탑재된다. 벙커링 선박에 탑재되는 대표적인 기자재로는 LNG Transfer를 위한 Hose의 낙하 방지 시스템(Fall Arrest System), 비상 해제 배선 시스템(Emergency Release Wiring System), QC/DC 시스템(Quick Connect/Disconnect Bellows System), 각 시스템의 구조적 지지를 위한 새들 (Saddle) 등이 있으며, 관련된 연구가 많이 진행되고 있는 추세이다[5]. 이와 같은 LNG 벙커링 핵심 기자재는 대부분 해외 업체의 시장 점유율이 높으며, 몇몇 국산화 시도가 있었지만 설계 데이터를 구하기가 어렵기 때문에 시장 상업화가 되진 못하였다.

이에 따라, 벙커링 선박의 수요 증가에 발맞춰 국내에서도 LNG 벙커링 핵심 기자재의 국산화를 위한 연구 또한 필수적으로 수행되어야 한다. 벙커링 핵심 기자재 및 시스템 연구개발을 위해, 본 연구에서는 Hose의 하중을 직접적으로 받아 우선적으로 구조적 안전성이 확보되어야 하는 LNG Transfer용 Saddle에 대해 모델링을 수행한 후 열 전달 해석 및 구조 해석을 수행하였다.

2. 유한요소해석 개요

2.1 유한요소해석 모델

열전달 해석 및 구조해석을 수행하기에 앞서, 상용 구조해석 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 Saddle의 유한요소해석용 모델을 구성하였다[6]. 현재 Saddle의 설계 기준에 대한 국제규격코드가 없으며, 선진 업체의 설계 기준에 따라 벙커링 선박에 적용중이기 때문에, 해석용 Saddle 모델은 선진 업체의 설계기준 자료를 조사한 내용을 바탕으로 임의로 모델링하였다. 모델링 후 Fig. 1과 같이 mesh study를 수행하였고, 이를 이용하여 Saddle의 다양한 조건에서의 구조 안전성을 평가하고 검 토하였다.

Fig. 1 FE model of saddle for ABAQUS

해석 Case는 Fig. 2와 같이 Saddle의 높낮이 조절을 위해 측면에 존재하는 Hole에 고정용 핀이 삽입되는 위치가 가장 높은 부분인 Case 1과 가장 낮은 부분인 Case 2로 나누어 해석을 수행하였으며, 각각의 Case에 적용된 요소 타입 및 개수, 노드 개수는 Table 1에 함께 나타내었다.

Table 1. Information of FE model according to analysis case

Fig. 2 Analysis case according to the position of the saddle’s pin

Saddle에 사용된 재질은 대표적인 저온용 오스테나이트계 스테인리스강인 SUS316이며, 해당 강재의 열적, 기계적 물성을 적용하여 해석을 수행하였다. Table 2는 해석에 적용한 SUS316의 물성치를 나타내며, 구조해석 결과 검증 시에도 SUS316의 항복 응력인 205 MPa을 기준으로 안전계수를 도출하고 평가하였다.

Table 2. Mechanical and thermal properties of SUS316 using analysis

2.2 열 전달 해석 조건

본 연구에서 수행한 열전달 해석에서는 Saddle 의 상부에 직접적으로 LNG 벙커링용 Hose가 접촉하는 부분의 온도 조건과 외부 공기의 온도 조건을 각각 적용하여 해석을 수행하였다.

해석에 적용한 각각의 온도 조건은 다음 Fig. 3과 같이, LNG 벙커링용 Hose가 직접적으로 접촉하는 부분에 LNG의 온도인 –163℃의 온도를 적용하고, 외부에는 ABAQUS 내 열전달 해석 시 대류 조건인 Surface film condition을 이용하여, 공기의 자연대류 계수인 0.000025 W/mm2 /K를 적용하였고, 외부 공기의 온도 20℃를 적용하여 해석을 수행하였다.

Fig. 3 Heat transfer analysis conditions considering convection and conduction

2.3 구조 해석 조건

본 연구에서 수행한 구조 해석에서는 벙커링시 에 Saddle이 지지하는 하중을 산정하기 위해 여러 가지를 하중 조건을 고려하고 해석에 적용하였다.

먼저, 대표적으로 Hose 무게에 의한 주요 하중 조건으로 일반적인 벙커링용 Hose 중 하나인 10 m 길이, 0.2 m 직경 기준의 Hose가 적용되어 벙커링을 수행할 때, 10 m의 1/2인 5 m가 한쪽의 Saddle에 하중을 인가한다고 가정하고, 5 m에 해당하는 Hose 무게 및 Hose에 포함된 내부 LNG의 무게를 고려하였다. Hose의 무게는 EN-1474-2를 기반으로 설계된 선진 해외 업체의 사양을 조사한 결과를 참조하여 산정하였다[7].

두 번째로, EN-1474-3 및 ISO-21593 규격을 참조하여, 벙커링시 Hose의 외부에 결빙이 발생하였을 때 결빙된 얼음의 두께를 25 mm로 가정 한 얼음의 무게를 포함시킨 하중을 해석 모델에 인가하였다[8-9]. 하중 산정시 사용한 Hose의 주요 제원 및 LNG의 물성, 얼음의 물성 등은 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Main specifications of hose and physical properties of LNG and ice for calculation of loads

마지막으로, 본 연구에서는 선박에서 선박으로 벙커링하는 해상 벙커링 방법을 고려하여 해석을 수행하기에, 일반적으로 해상 벙커링 시 파랑 조건이 크지 않은 상태에서 벙커링을 수행하는 상황을 가정하여 벙커링 선박 및 Saddle에 작용하는 가속도를 고려하지 않고 해석을 수행하였다. 최종적으로 Fig. 4와 같이 본 연구의 구조해석에 적용된 경계 조건으로 Saddle의 하부에 대해 z 방향 구속 조건을 적용하였으며, 하중 조건으로는 앞서 계산한 LNG 무게와 얼음 무게를 Saddle의 Hose 접촉부에 z 방향 하중으로 적용하였다.

Fig. 4 Load and fixed condition for structural analysis

3. 유한요소해석 결과 및 고찰

3.1 열 전달 해석 및 구조 해석 결과

본 연구의 열전달 해석을 통해 Saddle의 상부 플레이트에 열전달이 얼마나 발생하는지 검토한 결과는 다음 Fig. 5, 6과 같다.

Fig. 5 Temperature distribution of upper plate of the saddle in case 1

Fig. 6 Temperature distribution of upper plate of the saddle in case 2

Fig.5, 6과 같이 Saddle 모델의 열전달 해석 결과 분석 시 불필요한 부분을 제외한 후 상부 플레이트에 대한 온도 구배를 확인하였고, 각 케이스의 결과에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한, Hose 가 접촉하는 부분으로부터의 열전달을 통해 Saddle 상부 플레이트의 측면부가 최종적으로는 9℃까지 하락함을 확인할 수 있었다. 이외에 Saddle 상부 플레이트의 꺾이는 부분에서는 –20℃정도까지만 하락하여 큰 열 변형은 없을 것이라 판단되며, 하부 구조물에는 거의 영향을 주지 않음을 확인하였다.

다음으로, 본 연구에서 정의한 Case 1과 Case 2의 구조 해석 결과는 다음 Fig. 7, 8과 같다. Saddle의 높낮이 조절 고정용 핀이 삽입되는 위치가 가장 높은 부분인 Case 1의 경우의 해석 결과, Saddle 의 상부 플레이트를 지지하는 측면 지지부의 안쪽 윗부분에서 최대 응력 15.6 MPa이 발생하였고, 이에 따라 안전계수를 산정하였으며 계산된 안전 계수는 13.14이다. 2차 최대 응력은 Saddle의 상부 플레이트를 지지하는 측면 지지부의 바깥쪽 아랫부분에서 13.7 MPa이 발생하였고, 계산된 안전 계수는 14.96이다. Case 2의 경우에는, Saddle의 상부 플레이트를 지지하는 측면 지지부의 바깥쪽 아랫부분에서 최대 응력 26.6 MPa이 발생하였고, 이에 따라 안전계수를 산정하였으며 계산된 안전 계수는 7.71이다. 2차 최대 응력은 Saddle의 상부 플레이트를 지지하는 측면 지지부의 안쪽 윗부분에서 26.5 MPa이 발생하였고, 계산된 안전계수는 7.74이다. 각각의 Case에 대한 1차, 2차 최대 응력과 계산된 안전계수는 Table 4에 나타내었다.

Table 4. Structural analysis results

Fig. 7 Stress distribution of saddle in case 1

Fig. 8 Stress distribution of saddle in case 2

본 연구의 해석 결과, Case 1보다 Case 2에서 더 큰 응력이 발생한 이유는 Saddle 고정핀의 삽입 위치상 z 방향 자중 및 하중에 대한 모멘트가 더 크게 발생한 결과라고 생각된다. 하지만, 최종적으로 각각의 Case의 각각의 파트에서 계산된 안전계수는 모두 5 이상으로 해당 모델에 대해 따로 보강이 필요하지는 않다고 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 LNG 벙커링 핵심 기자재 중 하나인 Saddle의 설계를 위한 구조 안전성 검토를 위해, 모델링을 수행한 후 열전달 해석 및 구조 해석을 수행하였고, 온도 구배 및 응력 수준을 분석함으로써, 해당 모델의 적합성을 검토하였다.

해석 결과, 열전달에 의해서는 Saddle의 상부 플레이트의 주요 파트와 하부 구조물에는 큰 열 변형을 발생시키지 않을 것이라 판단된다. 또한, 구조해석 결과를 통해 Case 1과 Case 2에서 최대 응력을 기반으로, 적용 재료 기준 각각 안전계수를 13.14와 7.71을 확보한 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 해석 모델의 실적용은 적합하다고 판단된다.

본 연구를 통해 도출된 안전계수상으로는 설계상 문제가 없다고 판단되나, 본 해석에서는 가속도를 고려하지 않고 고정핀 파트의 간소화 등 해석 모델의 전체적인 구조에 대한 안전성을 평가한 결과이다. 그러므로 정밀한 구조적 안전성을 확인하기 위해서는 더 상세한 모델의 설계 및 경계조건 산정을 통한 정밀 해석이 필요하다고 판단되며, 추후에 이에 대한 추가적인 해석적 연구 또한 수행할 예정이다.

감사의 글

본 논문은 해양수산부 국가연구개발사업 “LNG 연료추진선 Bunkering을 위한 1200m3 /hr급 Transfer FAS, ERWS 국산화기술 개발” 사업(PMS4850)에 의해 수행 되었습니다.