천연가스 연료선박의 고압 이중 배관 설계를 위한 열-구조 해석에 관한 연구
A Study of Thermo-Mechanical Analysis for the Design of High Pressure Piping System for Natural Gas Fuel Vessel
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선박의 LNG(liquefied natural gas) 연료 공급 시스템에서 천연가스는 50℃의 온도와 35MPa의 압력을 가진 가스 상태로 기화기에서 엔진으로 이송되므로, 이러한 열 하중을 고려한 구조 안전성 평가가 반드시 필요하다. 본 연구에서는먼저 재료에 미치는 열의 영향을 분석하기 위하여 이중 배관의 재료인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 어닐링 시간을 고려한 일축 인장 실험을 수행하였다. 또한 구조 안전성 평가를 위해, 현재 널리 사용되는 고정식 지지대를 가지는 고온- 고압 이중 배관에 대한 열-구조 해석을 수행하였다. 지지대와 내관 사이의 응력 집중을 최소화하기 위하여, 내관을 따라미끄러질 수 있는 슬라이딩 지지대의 새 형상들을 제안하였고, 열-구조 해석 결과를 통해 최적의 지지대를 제안하였다. 마지막으로 제안된 지지대를 사용한 전체 이중배관에 대한 해석을 통해 안전성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 차후LNG 연료 공급 시스템의 고온-고압 이중 배관 설계 시 참고자료로서 활용될 수 있으며, 이중 배관의 슬라이딩 지지대를설계함에 있어서 그 활용가치가 있다고 판단된다.
Abstract
LNG (liquefied natural gas) is considered the best alternative eco-fuel, and many studies on the LNG fuel system have been performed to use LNG as the fuel for ships. For the LNG fuel supply system, natural gas transfers from the vaporizer to the engine in the gaseous state with a temperature of 50℃ and a pressure of 35MPa. Therefore, a structural safety evaluation of the double-walled pipelines considering thermal load is essential. In this article, an uniaxial tensile test for super duplex stainless steel, material for double-walled pipe, according to the annealing time was carried out to analyze the thermal effect. In addition, thermo-structural analysis of the high temperature-high pressure double-walled pipe with fixed supports that are now used widely was carried out to evaluate the structural safety. To minimize stress concentration of the connection point between the support and inner pipe, the shapes of the new type support that can slip through inner pipe were proposed, and the supports which has best structural performance was selected using the results from the thermo-structural analyses of new supports and an analysis of the whole double-walled pipeline was performed to ensure structural safety. These results can be used as a database for the design of double-walled pipelines and sliding support.
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