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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.1 pp.153-160
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.1.153

A Study on Pressure Vessel using Cold Stretch Method

Kyu-Taek Han*#
*Department of Mechanical Engineering, PKNU
Corresponding Author : kthan@pknu.ac.kr+82-51-629-6135, +82-51-629-6126
20171020 20171130 20171224

Abstract

A pressure vessel consists of an inner tank and the outer tank; the material of the inner tank is austenite stainless steel, and the outer tank is general carbon steel. As the storage amount increase, the size of the inner tank for LNG also increases, which eventually increases the weight of the LNG storage tank. The Cold Stretch method can transport and store the LNG in a larger amount than the conventional pressure container, and the weight of the pressure vessel can also be reduced at 50 70% due to the reduction of the thickness, which is excellent from an economic and energy consumption perspective. Although the Cold Stretch method has these advantages, the domestic situation has not developed any related legislation. In this study, the actual production of pressure vessels using the Cold Stretch method will be processed and the volume expansion after the Cold Stretch will be checked and compared with the mechanical properties.


냉연신 공법을 이용한 압력용기의 제조에 관한 연구

한 규택*#
*부경대학교 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    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.

    1.서 론

    냉연신(Cold Stretch) 공법은 기존 LNG 저장용 탱크의 내조탱크(inner tank)를 제작하여 ASME에 서 제시하고 있는 요구응력에 대응하는 특정 수압 을 가함으로써 내조탱크는 특정 수압에 따라 7% ∼9% 범위로 신장하게 된다. 이때의 오스테나이 트 스테인리스강(AISI 304) 소재는 소성변형을 겪 기 때문에 가공경화(work hardening)에 의해 강도 가 증가한다.[1~6] 이러한 공정특성으로 인하여 기 존 LNG 저장탱크와 비교하여 더 많은 양의 LNG 를 운반 및 저장할 수 있으며, 또한 중량 역시 내 조탱크 소재의 두께 감소로 인하여 최대 50∼70% 정도를 감소시킬 수 있어 경제적 및 에너지 소비 관점에서 매우 우수하다.[1~2] 그러나 이러한 장점 을 가지고 있는 냉연신 공법은 국내에서는 관련법 규가 없어 개발이 부진한 실정이다. 반면에 미국 및 중국에서는 냉연신 공법과 관련한 연구가 활발 히 진행되고 있다. 하지만 이러한 선행연구들은 실제 운용조건이 아닌 상온에서 시험을 수행하였 으며, 또한 실제 LNG 저장탱크가 아닌 변형률 제 어를 통한 인위적인 신장된 시편을 이용하였기 때 문에, 실제 냉연신 공법을 사용한 LNG 저장탱크 에 대한 기계적 시험자료 등 연구 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 ASME 규정[10]에 의 거하여 냉연신 공법을 사용한 LNG 저장용 내조 탱크를 제조하는 것이 목표이며, 연구내용 및 방 법은 냉연신으로 인한 부피팽창 정도를 확인하고, 부위별(shell & head)로 시편을 채취하여 기존 오 스테나이트 스테인리스강과 냉연신 후의 기계적 특성을 분석하여 냉연신 공법의 특성을 평가하며, 연구결과는 실제 제조공정 개발에 적용하게 된다.

    2.본 론

    2.1.LNG 저장용 탱크구조

    LNG 저장용 탱크의 일반적인 구조를 Fig.1에 나타내었다. 가장 보편적인 형상은 수직방향이지 만 설치되는 환경에 따라 수평방향으로 제작하기 도 한다. 저장탱크는 내조탱크와 외조탱크로 되어 있는 이중구조로 되어있고 내조탱크는 초저온 (-196℃)에 있어서도 취성을 일으키지 않는 충분 한 강도와 인성이 있는 오스테나이트 스테인리스 강판을 사용하며, 외조탱크 소재로는 일반구조용 압연강판을 사용한다.

    일반적으로 LNG 저장탱크는 설계압력 이하의 조건에서 사용하도록 규정되고 있다. 냉연신 공법 을 사용한 내조탱크는 제작과정에서 내조탱크에 설계압력 이상의 강화압력(수압)을 가함에 따라, Fig. 1의 내조탱크는 소성변형에 의해 소재의 두 께가 줄어들고, 부피가 증가한다.

    이로 인하여 내조탱크 소재가 받는 응력은 커 지나 내조탱크에 사용된 오스테나이트 스테인리스 강의 가공경화로 안정성을 확보하는 원리이다.

    2.2.냉연신 공법

    냉연신 공법을 적용한 내조탱크의 거동은 아래와 같다. 일반적으로 두께 t 및 반경 r을 지닌 내조탱 크에 압력 P를 가하였을 때 허용인장응력 σ를 가 질 경우, 내조탱크 소재의 두께는 아래의 식을 만 족해야 한다.(1)

    t = ( P × r / 100 × σ × Z 1.2 × P ) + α
    (1)

    위의 식에서 t는 두께(mm), σ는 인장응력(MPa) 을 나타내며, Z는 용접부의 효율을 나타내는데, 일 반적으로 1.0을 적용한다. 또한 α는 부식여유(mm) 를 나타낸다. 이러한 경우 냉연신 시에 적용되는 압력수준 PK는 아래의 식과 같다.(2)

    P K = P × S f Z
    (2)

    위의 식에서 Sf는 안전계수를 나타낸다.

    이때 내조탱크에 발생하는 항복응력은 σK는 아 래와 같다.(3)

    σ K = P K × r t
    (3)

    위의 식에 의하면 용접부의 효율이 1.0보다 작을 경우, 정해진 안전율 확보를 위해서는 재료의 두께 를 키우는 방법이 있으나, PK값을 늘리는 방법도 있다.

    3.실 험

    3.1.내조탱크 설계 및 제작

    3.1.1.설계

    LNG 저장용 내조탱크는 ASME SEC Ⅷ DIV.1[10] 의 Appendix44의 규정에 따라 설계하였다. Fig. 2는 설계한 내조탱크의 크기를 나타낸다. 또한 내조탱 크의 부피 15.232m3, 내부 설계 압력 1.765 MPa, 운 전 압력 1.300 MPa, 설계 온도 –196℃, 운전 온도 – 163℃, 운전 하중 15,138 kg으로 하였다.

    내조탱크 제작에 사용한 소재는 LNG 저장용 내 조탱크에 일반적으로 사용되는 오스테나이트 스테 인리스강인 SA 240 Type 304를 사용하였으며, 냉 연신 공법을 사용한 내조탱크의 허용 응력(σk)은 ASME SEC Ⅷ DIV.1[10]에 명시된 소재에 따른 허 용응력에 따라 270 N/mm2로 하여 판재의 두께를 계산하였다.

    내조탱크의 각 부위별 두께는 ASME 규정에 따 라 계산한 결과 동체(shell)는 7.9 mm, 경판(head)은 8.0 mm이다.

    3.1.2.제작

    내조탱크는 설계 도면에 따라 Fig. 3의 순으로 제 작하였다. 내조탱크 제작에 사용한 소재는 SA 240 Type 304 철판(plate)으로 화학성분 및 기계적 특성 을 Table 1에 나타내었으며, 설계 도면에 따라 Fig. 3(a)와 같이 가로 세로 허용오차 ±2 mm, 대각선 허 용오차 ±2 mm로 절단하였다.

    절단된 철판은 Fig. 3(b)와 같이 개선 및 벤딩 (bending) 후 Fig. 3(c)와 같이 용접하였다. 용접 시 작 전 시편(가로 500 mm × 세로 150 mm)을 부착 하여 모재와 동일한 조건으로 용접하여 동체를 제 작하였으며, 제작된 동체는 설계도면을 기준으로 하여 동체와 동체를 Fig. 3(d)와 같이 동체의 길이 이음용접의 위치를 고려하여 제작하였다.

    경판은 1.221 × D(1,990 mm)로 절단하여 경판을 성형(forming)하였다. 성형 과정에서 철판의 손상 을 방지하기 위해 프레스 성형기위에 헝겊을 올려 상부 및 하부 경판을 성형하였으며, 제작된 상부 경판에는 노즐(nozzle)구멍을 뚫은 후 노즐을 설치 하였다.

    제작된 동체 및 경판은 각 용접이음매의 거리를 50mm 이상으로 하여 용접하였다. 상부경판은 Fig. 3(e)에 나타낸 것과 같이 맨홀을 통하여 용접 후 바깥쪽을 가공하는 백가우징(back gauging) 후 용 접하였으며, 내조탱크에 설치할 배관과 부속품을 내조 제작도면에 따라 설치하였다.

    3.1.3.냉연신 및 신장 길이 측정

    내압시험이 완료한 내조탱크는 Fig. 4에 나타낸 압력 시간 그래프와 같이 냉연신 공법을 실시하였 다. 냉연신의 유지 압력은 설계압력(design pressure) 1.765 MPa의 1.5배 이상(2.67 ∼ 2.70 MPa, 26.7 ∼ 27.0 bar)으로 하여 내조탱크가 충분히 신장될 수 있도록 하였다.

    또한 냉연신 동안의 동체의 각 부위별 신장되는 길이(동체 원주)를 측정하기 위하여 Fig. 9 및 Photo 1과 같이 냉연신전 줄자(Komelon, 0∼20m) 를 Fig. 5에 따라 동체에 고정시켰다. Fig. 6은 냉연 신 동안 15분 간격으로 압력에 따른 구간별 늘어 난 길이를 나타낸다. 냉연신은 내조탱크의 부피가 커짐에 따라 탱크 소재 두께가 감소하게 된다. 이 를 확인하기 위하여 초음파식 두께 측정기(TQC, LD7016)를 사용하여 Fig. 7에 나타낸 위치에서 경 판 및 동체의 두께를 측정하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다.

    4.결과 및 고찰

    4.1.냉연신 전후의 부피 비교

    냉연신 후의 내조탱크의 경판의 두께 변화는 Fig. 7에서 나타낸 두께측정위치에서의 결과인 Table 2의 결과에서 확인할 수 있듯이 7.9 mm, 8.0 mm로 변함이 없었다. 하지만 동체의 경우 냉연신 이 진행되는 동안 동체의 원주길이가 증가하는 것 을 Fig. 6의 냉연신 전후의 원주길이측정 결과에서 확인할 수 있다. 즉 냉연신 후 부피의 팽창은 내조 탱크의 동체의 크기로 결정되는 것을 확인할 수 있 다. 이에 본 연구에서 제작된 내조탱크의 냉연신 전후의 신장된 길이 및 두께 감소를 바탕으로 하여 동체의 내경 및 외경의 치수를 Fig. 89에 나타 내었다.

    냉연신 전후의 부피비교를 위하여 동체의 길이 방향은 Fig. 6의 치수 측정결과인 4,160mm로 하 였으며, 냉연신 전후의 지름은 동체의 직경 평균 값인 2,005.6mm, 2062.5mm에서 평균두께를 15.8mm(2×7.9mm), 15.6mm(2×7.8mm)을 제외한 1,989.8 mm, 2,046.9 mm로 하여 부피를 계산하였 다. 계산결과 본 연구에서 제작된 내조탱크는 냉 연신(26.7 bar ∼ 27.0 bar, 3hr)을 통하여 동체의 부피는 12.9 m3에서 13.7 m3으로 약 9.5% 부피가 증가하였다.

    4.2.냉연신 전후의 인장 및 경도특성 비교

    냉연신 후 내조탱크의 각 부위별 인장시험결과 를 Fig. 10에 나타내었다. 동체의 인장강도는 평 균 691.1MPa, 항복강도 평균 470.5MPa, 연신율 평균 44.78%이다. 경판은 인장강도 평균 654.5MPa, 항복강도 평균 447.8MPa, 연신율 27.6%로 동체와 비교 하여 낮은 인장, 항복강도 및 연신율이 나타났다.

    각 부위별 인장 특성을 모재와 비교하였을 때 동체의 경우 인장강도 12.7%, 항복강도 39.2%가 증가하였으며, 연신율은 20.5%감소하였다. 경판은 인장강도 6.8%, 항복강도 32.5%증가하였으며, 신 율은 51%감소하였다.

    경도 값은 Fig. 11에 나타낸 것과 같이 경판의 경도값이 모재의 경도값과 비교하여 33.9%증가하 였으며, 동체의 경우 16.9% 증가하였다.

    위의 결과는 오스테나이트 스테인리스강의 상 변태로 인한 강화이론과 부합된다.[1,2,7,8] 즉 소성 변형이 많이 가할수록 오스테나이트 스테인리스 강의 오스테나이트 조직이 경한 마르텐사이트 조 직으로 변태되어 강도 및 경도 값은 증가하나, 연 신은 감소한 것으로 사료된다. 이러한 특징은 앞 서 냉연신 전후의 오스테나이트 스테인리스강 소 재의 미세조직 및 EBSD(electro back scattered diffraction)이용하여 상 변태 측정한 참고문헌에서 도 확인 할 수 있다[1,3,9] 이에 제작된 내조탱크의 모재와 냉연신 후의 조직을 비교하였다. Photo 2(a)는 냉연신 전의 오스테나이트 스테인리스강의 SEM 조직을 나타내며, Photo 2(b)는 냉연신 후의 SEM 조직을 나타낸다. 관찰결과 냉연신 후에는 오스테나이트 조직의 결정입내에 흰색의 띠 형상 으로 마르텐사이트 조직이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 즉 냉연신으로 인한 소성변형으로 오 스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 변태 되어 조직의 조밀현상으로 인장, 항복, 경도가 증 가한 것을 확인할 수 있다.[1,3,9]

    또한 냉연신 후 치수의 변화가 없는 경판에서 모제 및 동체와 비교하여 가장 낮은 연신특성 및 가장 높은 경도 값이 측정된 것은 프레스 가공으 로 동체의 벤딩과 냉연신으로 인해 발생한 소성 변형이 동체에서 보다 경판이 크기 때문에 더 많 은 마르텐사이트 조직이 변태되었기 때문이라 생 각된다.

    5.결 론

    냉연신 공법을 사용한 압력용기 제작 및 소재의 특성을 실험 및 관찰을 통하여 분석한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.

    • 1. 15.232 m3의 내조탱크에 냉연신(수압 26.7 bar ∼ 27.0 bar, 유지시간 3시간)공법을 적용한 결과 내조탱크 동체의 부피는 12.9 m3에서 13.7 m3으로 약 9.5% 부피가 증가하였으며, 경판은 부피변화가 없었다.

    • 2. 냉연신으로 부피가 늘어난 내조탱크 동체의 소재두께 감소는 7.9 mm에서 7.8 mm로 소 폭 감소하였다.

    • 3. 냉연신 후 동체 및 경판 인장 및 경도 측정 결과 모재대비 항복강도 35.8%, 인장강도 9.7%, 경도 25.4% 증가하였으나, 연신율은 35.7% 감소하였다.

    • 4. 오스테나이트 스테인리스강인 SA 240 Type 304소재는 외력이 증가함에 따라 오스테나이 트 조직의 결정입내에 띠 형상의 마르텐사이 트 조직이 변태되어 나타난다.

    • 5. 오스테나이트 스테인리스강의 오스테나이트 조직의 경정입내의 마르텐사이트 조직이 증 가함에 따라 인장, 항복, 경도값은 증가하며, 연신율은 감소한다.

    • 6. 냉연신 공법을 활용한 내조탱크는 냉연신 공 법을 사용하지 않은 내조탱크와 비교하여 강 도 및 허용응력이 증가함에 따라, 설계과정 에서 소재의 두께를 30% 이상 감소시킬 수 있으며 이를 통해 원가절감의 효과를 얻을 수 있다.

    • 7. 냉연신 공법을 활용한 내조탱크는 냉연신 공 법 사용하지 않은 내조탱크와 비교하여 공차 중량(gross weight)이 감소하여 더 많은 LNG 운반이 가능함에 따라 운송비의 절감효과를 얻을 수 있다.

    후 기

    “이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비 (2017년)에 의하여 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-17-153_F1.gif
    Schematic drawing of pressure vessels, left is vertical pressure vessel, right is horizontal pressure vessel
    KSMPE-17-153_F2.gif
    Schematic drawing of inner tank size
    KSMPE-17-153_F3.gif
    Schematic drawing of pressure vessel manufacture procedure
    KSMPE-17-153_F4.gif
    Schematic diagram of cold stretch pressure & time
    KSMPE-17-153_P1.gif
    Appearance of inner tank
    KSMPE-17-153_F5.gif
    Schematic drawing of measured location in inner tank
    KSMPE-17-153_F6.gif
    Circumferential & length measurement by section
    KSMPE-17-153_F7.gif
    Schematic drawing of thickness measured location
    KSMPE-17-153_F8.gif
    Diameter & wall thickness of shell by each location before Cold Stretch
    KSMPE-17-153_F9.gif
    Diameter & wall thickness of shell by each location after Cold Stretch
    KSMPE-17-153_F10.gif
    Tensile test result (a) shell and (b) head
    KSMPE-17-153_F11.gif
    Vickers hardness test result
    KSMPE-17-153_P2.gif
    SEM analysis of microstructure (a)before cold stretch and (b)after cold stretch(white area martensite phase)

    Table

    SA 240 Type304 (a) chemical composition and (b) mechanical properties

    (a) Chemical Composition (%)

    (b) Mechanical Properties

    Thickness verification of inner tank (unit : mm)
    *CS : Cold Stretch

    Reference

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