최효선 책임  

선박해양기술팀  

액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)는 화석연료를 대체하는 친환경 연료로 이산화탄소 발생을 줄이고 탄소중립을 달성하기 위한 에너지원으로 주목받으면서 LNG 운반선 및 LNG 추진 선박의 수요가 크게 증가하고 있다. 특히 LNG는 천연가스를 -163℃에서 액화시킨 극저온 상태로 저장, 운반 및 하역 시 사용되는 극저온 배관 장치의 손상 및 누설 방지가 필요하다. IGC&IGF Code에서는 설계온도가 -110℃ 이하이거나 고압 연료 배관 시스템이 적용되는 LNG 운반선 및 LNG 추진 선박의 배관 장치는 국제적으로 인정되는 코드(Code)에 따라 배관 응력 해석(Piping Stress Analysis)을 요구한다.

Fig. 1 Illustration for Cryogenic Piping Stress Analysis

배관 응력 해석이란 배관계(Piping System)를 설계 시 관련 법규 및 코드의 최소 요구사항에 부합되는지 여부와 구조적 안전성을 검토하고 검증하는 것으로 배관계의 자중, 내압, 바람, 열 및 Sagging/ Hogging에 의한 선체 변형 등 배관계에 가해지는 하중 및 변형을 고려하여 Piping Layout과 Support 위치의 안전성을 확인하는 것을 말한다.

극저온 배관 응력 해석은 ASME, API 등 국제 Code를 광범위하게 지원하고 있는 CAESAR II를 사용하고 있다.  

Fig. 2 CAESAR II automatically supports ASME B31.3 allowable stress

코드(Code)란 최종 사용자 생명과 재산을 보호하기 위한 규정으로 강제 요건 (Mandatory)을 의미하며 자재 및 제품의 최소 요건, 검사, 시험 요건 및 동작 절차 등을 규정한 것이다. 극저온 배관에 대하여 실제 운전 조건을 적용한 배관 응력 해석은 ASME B31.3 Process Piping Code를 기반으로 수행한다. 

ASME Code는 여러 가지 범주로 나누어 응력 평가를 규정하고 있다. 이는 과도한 소성변형, 과도한 탄성변형, 취성파괴, 응력파열 등 배관 재료의 다양한 파괴모드가 배관 내에서 작용하는 응력의 종류 및 형태에 따라 배관의 파손에 미치는 영향이 다르게 작용하는 것을 의미한다. 1차 응력(Primary Stress)과 2차 응력(Secondary Stress)의 특성은 다음과 같다.

1차 응력은 배관의 자중, 압력, 바람 등 하중이 배관계에 작용하면 힘과 모멘트의 평형을 이루기 위하여 발생하는 응력으로 Self-Limiting이 없다. 예를 들어 배관에 내압이 작용하면 배관에 응력이 발생하고 변형으로 인해 그 배관의 직경이 증가하더라도 내압이 존재하는 한 동일한 응력이 존재한다. 즉, 배관에 하중이 작용하면 응력이 발생하고 변형이 생기더라도 응력은 유지된다. 대표적인 1차 응력은 막 응력(membrane Stress, 균일 수직응력)과 굽힘 응력(Bending Stress)이 있다. 1차 응력에 대한 안전성 여부는 Sustained case와 Occasional case로 평가하고 배관 재료의 허용응력(Allowable Stress)과 비교하여야 한다.

2차 응력은 외력에 대해 힘과 모멘트의 평형을 이루기 위하여 발생하는 응력이 아니라 배관 계의 구속(Constraint)에 의하여 발생하는 응력으로 Self-Limiting을 가진다. Self-Limiting이란 국부적인 항복 또는 작은 변형이 생기면 응력이 유리하게 재분배되는 현상으로 재료의 항복응력보다 큰 응력이 작용하더라도 급격한 배관계의 손상이 발생하지 않는다. 대표적인 2차 응력은 열 응력(General Thermal Stress)과 불연속 부위에서의 굽힘 응력(Bending Stress in Gross Structural Discontinuity)이 있으며 2차 응력에 대한 안전성 여부는 Expansion case로 평가하고 허용 응력 범위(Allowable Stress Range) 와 비교하여야 한다.

특히 ASME B31.3에서 명시한 Load case 중에서 1차 응력과 2차 응력을 구별하여 평가함을 알 수 있는 케이스가 Operating Case이다. 하중 조합을 보면 ‘자중(W)+내압(P)+열(T)’로 구성되어 1차 응력을 발생시키는 하중 성분인 자중과 내압이 2차 응력을 발생시키는 하중 성분인 열과 함께 조합되어 있음을 알 수 있다. 따라서 해당 케이스에서는 응력은 평가하지 않고 Displacement와 Force만 계산하여 안전성을 판단한다. 

Table. 1 Load case defined by ASME B31.3

ASME B31.3에서 정의한 4가지의 Load case를 통해서 응력(Stress), 변위(Displacement), 지지대에 작용하는 하중(Restraint)을 Table.2와 같이 나타낼 수 있고, 이를 기반으로 한 주요 검토 항목은 다음과 같다.

Table.2 Output Data

응력은 최대응력이 ASME B31.3에 명시된 허용응력 내에 있는지 여부를 판단해야 하는데, 최대응력 발생위치, 최대응력이 걸리는 Load case 및 허용응력 대비 최대응력 비율 등을 고려하여 안전성을 판단하여야 한다.

배관계에 응력이 발생하면 크기, 방향, 지지대의 종류 등에 따라 변위가 발생하는데 Table.2 Displacement와 같이 방향 별 변위를 참조하여 배관의 거동을 예측할 수 있다. 특히 배관 자중에 의한 변위가 수직 방향이나 수평 방향으로 과도하게 발생하는지 여부 및 Thermal Expansion 또는 Occasional case에서의 변위 값이 과도하게 발생하여 주변 구조물과 간섭이 발생하는지 여부를 판단하여야 한다.

Table.2 Restraint를 참조하여 배관을 지지하고 있는 지지대에 작용하는 하중의 방향 및 크기를 고려하여 과도한 하중 발생 여부를 판단할 수 있고, 이를 기반으로 지지대의 보강방법을 결정할 수 있다.