Structural Safety Assessment of Mark III Membrane Type Liquid Natural Gas Cargo Containment System under Ice Collision

인식 노; 영민 윤; 만재 박; 영택 오; 성찬 김

doi:10.5574/KSOE.2014.28.2.126

Abstract

In this study, a method for analyzing the collision and interaction between ice bergy bits and a Mark III type liquid natural gas (LNG) carrier was considered, and the structural safety of a ship's hull and cargo containment system (CCS) was evaluated. In the analysis, a constitutive model implementing the strain rate dependant mechanical property was used to consider the typical material characteristics of ice rationally. A relatively simple and easy ice structure interaction analysis procedure, compared with the accurate but complicated FSI analysis scheme, was suggested. When the ice bergy bits collided with ship's side hull under the four assumed scenarios, the structural behaviors of the ship structure and LNG CCS were simulated by applying the suggested ice collision analysis procedure using the commercial hydro-code LS-DYNA. In addition, the effects of the shapes and colliding speed of the ice bergy bits on the ice-structure interaction and safety of the CCS were examined in detail.

1. 서 론

극지방은 지구상에 남은 최후의 자원부존 지역으로서 북극해의 대륙붕에는 석유와 천연가스가 풍부하게 매장되어 있는 것으로 추정된다. 70년대 후반부터 이미 이 지역에서 석유 탐사와 생산이 이루어지고 있으며 북유럽의 바렌츠 해와 동아시아의 오호츠크해에서는 해저 석유와 천연가스 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 북극지방의 자원개발 사업과 더불어 최근 국내외 해운사 및 조선업체에서는 북극해 항로 개척을 통한 물류운송 비용을 획기적으로 절감하고자 하는 시도로서 내빙 등급을 갖춘 상선의 건조에 많은 관심을 보이고 있다. 더욱이 최근에는 세계적으로 환경오염물질 배출이 적은 천연가스의 수요가 급속히 확대되면서 북극해 연안의 가스전 개발이 활발해짐에 따라 극지운항이 가능한 LNG(Liquid natural gas) 운반선의 개발이 동시에 진행되고 있다.

여러 선급에서는 각종 빙해운항 선박 관련 규칙들을 제정하여 구조설계에 반영하고 있고, 근자에는 IACS(International Association of Classification Societies)에서 공통규칙 제정이 진행되고 있으나, 빙의 상태 및 운항 조건이 워낙 다양하기 때문에 아직까지 모든 경우를 감안한 설계기준을 제시하기는 쉽지않아 보인다. 따라서 극지 운항 선박의 안전성을 보장하기 위해서는 빙과 구조의 충돌 시 발생하는 상호작용을 고려한 정밀한 구조해석 기술의 확보는 필수적이다. 특히 멤브레인형 LNG선의 경우, LNG를 초저온 상태로 보관하는 CCS(Cargo containment system)가 여러 가지 재료들로 결합된 복합 시스템이기 때문에 좀 더 체계적이고 정확한 해석이 필요하다.

Han et al.(2008)은 발틱해를 운항하는 170m³급 ice class NO96 멤브레인형 LNG 운반선에 대한 다양한 유빙 충돌 시나리오를 수립하고 MSC.DYTRAN의 유탄성 해석기법을 이용하여 시뮬레이션 함으로써 선체뿐만 아니라 CCS의 파손 가능성을 평가한 바있다. Lee et al.(2009a, 2009b) 역시 Mark III 멤브레인형 LNG 운반선의 선수 부위에 여러 가지 형상의 유빙이 충돌하는 시나리오를 가정하고, 가장 널리 사용되고 있는 범용 Hydro-code인 LS-DYNA의 유탄성 해석기법을 적용하여 시뮬레이션 하는 방안을 제시하였다. Lee and Nguyen(2011)도 이 방법을 발전시켜 다양한 유빙 충돌 시나리오를 시뮬레이션하고 이 때 발생되는 구조거동을 고찰하였다. 그러나 이와 같이 선체 주위의 해수를 모두 모델링 범위에 포함하여 유탄성 해석법을 적용하는 방안은 해의 정도와 안정성이 격자 분할 밀도 등 몇 가지 해석 조건들에 따라 민감하게 변화하는 문제뿐만 아니라 너무 과도한 해석 시간이 필요하기 때문에 쉽게 접근하기 어려운 문제점이 있다. Liu(2011) 역시 일반적인 빙해역 운항 선박의 유빙 충돌 문제를 LS-DYNA를 이용하여 비선형 유한요소법으로 해석하는 방법을 다룬 바 있다. 충돌현상에 대한 이론적 고찰과 함께 유빙의 재료 모델링에 관한 심도있는 연구가 이루어 졌으나 해수와의 상호작용 즉 유탄성 거동의 영향은 고려하지 않았다.

또한 빙 하중은 결국 빙이 구조물과 충돌할 때 발생하는 상호작용의 결과이므로 빙의 파괴 특성에 대한 역학적 고찰은 필수적이다. 빙은 일반적인 구조용 재료와는 기계적 성질이 너무나 상이하기 때문에 그 기계적 거동의 수학적 모형화 역시 까다로우며 반드시 실험 결과가 뒷받침되어야 한다. 빙의 재료특성 문제는 이미 국내외에서 여러 가지 다양한 연구 결과들이 발표되고 있지만(Choung et al, 2010; Derradji-Aouat, 2005; Derradji-Aouat and Lau, 2005; Wang, 1982), 빙의 특성과 관련된 인자가 지역적 분포와 발생 시 기후 조건에 따라 너무 다양하고 복잡하기 때문에 모든 경우를 포괄할 수 있는 일반적인 모형화 기법을 제시하는 것은 현실적으로 어렵다.

본 연구에서는 빙해를 운항하는 Mark III 멤브레인형 LNG 운반선의 선측 구조에 유빙이 충돌하는 경우, CCS와 선체의 구조적 안전성을 검토하기 위하여 유빙과 선체구조와의 상호작용을 효율적으로 해석하는 방안을 다루었다. 해석 시간의 대폭적인 단축을 위하여 유빙 충돌 부위의 국부적인 구조거동을 파악할 수 있는 한도 내에서 해석 범위를 최소화하는 한편, 복잡한 유탄성 해석 과정 대신 유빙 충돌 시 해수의 영향을 통상적인 부가수 질량으로 대체하는 방안을 제시하였다. 이때 가장 핵심이 되는 빙의 재료특성을 합리적으로 고려하기 위하여 빙의 파괴 강도에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려져 있고 빙의 가장 전형적인 특성이라 할 수 있는 변형률 속도 의존적 특성(Strain rate effect)을 고려한 재료 모델(구성방정식)을 사용하였다.

유빙이 선측 구조에 충돌할 때 유빙의 형상과 충돌 속도가 CCS의 구조 거동에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 여러 가지 유빙 충돌 시나리오를 설정하고 상용 Hydro-code인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 빙의 항복, 소성 거동 및 유빙의 변형속도와 충돌속도 효과를 고려한 정밀한 빙-구조 상호작용 해석을 통하여 유빙 충돌 상황을 시뮬레이션하고 충격에 따른 선체 구조와 CCS의 구조 응답과 안전성을 검토하였다.

2. 충돌 해석 대상 구조 및 모델링

2.1 빙 충돌 시나리오 및 유빙의 모델링

일반적으로 유빙이 큰 경우에는 육안이나 레이더로 쉽게 관측할 수 있기 때문에 회피하는데 큰 어려움은 없다. 그러나 유빙의 수면 위 노출 높이가 2m 이하가 되면 항해자가 육안이나 레이더로 사전에 감지하기가 쉽지 않기 때문에 오히려 선박에 더 큰 위협이 될 수 있다(DnV, 2006). 따라서 본 연구에서는 빙충돌에 의한 선체의 변형이 선측 구조와 CCS의 구조 안전성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Fig. 1과 같이 유빙이 Mark III 멤브레인형 LNG 운반선의 선측 구조에 1~3 m/s의 속도로 수직 방향으로 충돌하는 시나리오를 가정하였다.

Fig. 1

Position of insulation panel & range of hull modeling

우선 DnV(2006)에서 제안한 바 있는 표준 빙 충돌 시나리오를 참고하여 대표적인 4가지 형상의 유빙을 Fig. 2와 같이 모델링하였다. 이때, 유빙이 수중에서 운동하는 상황을 고려한다면 유체 영역도 모델링 범위에 포함시켜 유탄성 해석을 수행하는 것이 좀 더 정확한 해석 방법이 될 수 있다. 그러나 ALE법에 기반하는 유탄성 해석법 역시 엄청난 계산시간 측면의 문제점 뿐만 아니라, 아직은 항상 정량적으로 신뢰성 있는 해석 결과를 제공하기는 어려운 수준으로 판단되므로, 본 연구에서는 각 유빙 형상에 대한 3차원 부가수 질량을 간이식(Bishop and Price, 1979)을 적용하여 개략적으로 계산한 다음, 이를 빙의 밀도에 추가하는 간편한 현실적인 방법을 사용하였다.

Fig. 2

Modeling details of ice bergy bits

2.2 선체 및 LNG CCS의 구조해석 모델

2.2.1 모델링 범위

유빙이 충돌하는 지점이 가장 심각한 손상이 발생할 것으로 판단하여 이 부분의 국부적인 거동 파악에 초점을 두었다. 선측의 구조 거동을 합리적으로 나타내기 위해 선저, 갑판구조 및 Topside tank와 빌지 구조를 제외한 선측구조 전체를 대상으로 하였다. 방열 패널들의 자체 강성은 선체에 비해 매우 작으며, 부착된 방열 패널들 사이에는 약간의 간격이 있고 이 간격은 부드러운 PUF로 채워지므로 패널들 간의 상호작용 역시 무시할 수 있는 것으로 판단하였다. 따라서 유빙 충돌 지점 부근의 선측 종통 스트링거 위에 위치하고 있는 대표적인 하나의 방열 패널만 상세하게 모델링함으로써 유빙 충돌 시 선측 구조와 방열 패널 자체의 국부적인 구조 거동을 정밀하게 검토하고자 하였다.

2.2.2 선측 구조 모델링

선측 구조의 모델링 형상은 Fig. 3에 보인 바와 같다. 방열 패널이 부착된 위치는 상세히 요소 분할하였고 주위로 갈수록 요소 크기를 확대하여 해석 시간을 줄일 수 있도록 모델링하였다. 요소 및 절점 수는 다음과 같다.

- 판 요소 수 : 53,708 개
- 보 요소 수 : 3,236 개
- 절점 수 : 96,687 개

Fig. 3

Structural modeling range of side hull structure

유빙들이 선측 구조에 충돌하는 위치는 Fig. 4에 보인 것처럼 가장 취약할 것으로 짐작되는 선측 구조의 중앙부로 가정하였다. 이때 선측 구조의 경계조건은 4변의 모든 절점이 단순 지지된 것으로 간주하였다.

Fig. 4

Real insulation lamination of membrane-type LNG cargo and idealized insulation lamination

2.2.3 방열 패널의 모델링

Mark III 형 멤브레인형 LNG CCS는 Fig. 4에서 보인 바와 같이 1차 방벽인 주름진 Stainless steel 재질의 멤브레인 바로 아래 주성분인 Reinforced-PUF(이하 R-PUF)와 받침대 역할을 하는 합판(Plywood), 선체와 접합을 위한 매스틱(Mastic) 그리고 2차 방벽인 박막 triplex등 5개의 재료로 구성되어 있다. 이때, 멤브레인은 양 방향의 주름으로 인하여 인장, 압축에 대한 면내 강성이 매우 작고, 매우 얇은 막으로 이루어져 있는 Triplex 역시 다른 부위에 비해 자체 강성이 상대적으로 작기때문에 CCS 전체 구조 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단하여 방열 패널의 구조 모델링에서 제외하였다. Fig. 5에 방열 패널의 유한요소 모델 형상을 보였다

Fig. 5

Modeling of insulation pane

2.3 재료 특성치

2.3.1 방열 패널의 재료 특성

Fig. 4에 보인 Mark III 멤브레인형 CCS의 방열 구조에서 매스틱은 등방성 재료이지만, 합판은 이방성을 고려하였다. R-PUF는 점탄성 특성을 갖고 있으나 해석 결과에는 큰 차이가 없는 것으로 판단하여 ABS(2006)에서 제시하고 있는 Table 1과 같은 평균적인 등방성 재료상수를 적용하였다.

Table 1

Material property of insulation panel (ABS, 2006)

2.3.2 유빙의 재료 특성과 구성방정식 모델

빙의 기계적 성질은 온도, 브라인(Brine) 함유율, 결정의 크기, 변형 속도 등 다양한 요인들에 의해 복잡하게 변화한다. 이와같은 빙 거동의 복잡성은 연속체적인 변형 뿐 만 아니라 내재되어 있는 미세 균열의 성장과 전파 등 미세 조직 수준의 변화가 빙의 기계적 성질에 상당한 영향을 주고 있기 때문이다. 빙-구조 상호작용, 빙하중 등을 이론적인 방법을 적용하여 추정하기 위해서는 빙의 응력-변형률 관계를 실제 현상과 유사하게 수학적으로 모델링할 필요가 있으나 빙에 대한 강도 특성을 명쾌하게 도출하는 것은 쉽지 않다. 따라서 이 과정은 빙의 역학적 거동에 대한 고찰로부터 기본 거동을 유추하고 이를 바탕으로 실험이나 현장 계측 결과를 이용하여 관련 계수들을 결정해 나가는 방법이 일반적이다.

본 연구에서는 기본적으로 빙이 탄소성 거동을 하는 것으로 간주하였다. 일반적으로 빙은 인장과 압축 시 항복응력이 각기 다른 취성재료의 특성을 보이고 있으나, 해석의 편의를 위하여 연성재료에 적합한 von-Mises 항복조건을 적용하였으며, 빙의 파괴 조건은 파괴 변형률 ϵ_f로 정의하였다.

본 연구에서 다루고 있는 유빙은 육지의 빙하에서 떨어져 나온 담수빙(Fresh water ice)인 경우가 많기 때문에 대체로 브라인이 많이 함유된 해빙 보다는 강도와 강성이 상당히 크고 충돌시 구조물에 큰 손상을 줄 가능성이 있다. 따라서 일반적인 해빙에 비해서는 상당히 높은 항복응력과 탄성계수를 갖는 담수빙으로 간주하여 보수적인 관점에서 해석을 수행하였다. 담수빙의 재료특성은 Fig. 6에서 보인 Derradji-Aouat and Lau(2005)의 연구 결과를 참고하였다. 기본적인 재료 특성은 Table 2에서 보인바와 같고, 특히 항복응력, 경화 곡선 등을 포함하는 응력-변형률 곡선은 변형률 속도 의존성(Strain rate dependency)이 뚜렷하므로 이에 대한 영향을 중점적으로 고려하였다.

Fig. 6

Stress-strain curves of fresh water ice depending on strain rate (Derradji-Aouat and Lau, 2005)

Table 2

Material property of fresh ice

3. 유빙-선체 충돌해석

범용 비선형 유한요소 구조해석 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 Fig. 2에 보인 4가지 전형적인 형상의 유빙이 LNG선의 선측에 수직방향으로 각각 1m/s, 2m/s, 3m/s 의 속도로 충돌하였을 때, 선측 구조와 CCS(방열 패널)의 구조 거동을 시뮬레이션 하였다. 직육면체 유빙은 하중이 국부적으로 집중될 수 있도록 모서리 방향으로 선체에 충돌하는 것으로 간주하였다.

실제 수치해석에서는 빙의 재료특성을 좀 더 유사하게 구현하기 위해 Fig. 6과 같은 경화곡선의 변형률 속도 의존성을 고려할 수 있는 LS-DYNA의 Piecewise linear plasticity 구성방정식 모델을 적용하였다. 해석 과정에서 빙의 소성변형률이 파괴변형률 ϵ_f를 초과하는 부위가 발생하면 그 부위의 유한요소를 소거(Eroding)하고 계속 해석을 진행하는 일반적인 해석법을 적용하여 빙의 파괴현상을 구현하였다.

몇 가지 대표적인 경우에 대하여 유빙의 충돌력(Collision force), 선측 구조의 유빙 충돌지점에 작용하는 유효응력의 크기 그리고 방열 패널의 구성요소인 매스틱, 합판, R-PUF에서의 응력의 공간적 분포 형상과 최대응력 발생 지점에서의 유효응력시계열을 도시하였다. 먼저 Fig. 7에서 여러 가지 형상의 유빙과 선체와 충돌로부터 발생된 최대 충돌력을 각 충돌 속도별로 정리하였다. 충돌력은 빙의 강도에 따라 달라질 수 있으나, 대체로 자체 질량이 큰 Cubic 1 type 유빙에서 가장 큰 충돌력이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 충돌 속도에 따른 충돌력의 증가 경향도 이 때 가장 확연히 나타난다. 대표적인 예로서 Cubic 1 type 유빙에서 발생되는 충돌력의 시계열을 Fig. 8에 보였다. 유빙 충돌로 인하여 작용 주기가 매우 짧은 심한 과도응답이 나타나고 있음을 볼 수 있다. 이런 경우 구조 응답의 관점에서 보면 작용시간을 포함하는 하중의 역적(Impulse)이 문제가 되므로 충돌력의 최대치 자체만으로는 큰 의미가 없을 수 있으나, 전반적인 구조응답 크기에 대한 상대적인 비교 지표로서 검토하였다.

Fig. 7

Maximum collision forces according to collision velocity

Fig. 8

Time history of collision force (Cubic 1)

이때 선체 외판과 R-PUF, 매스틱, 합판 등 CCS의 각 부분 구조에서 발생하는 von-Mises 등가응력의 시계열을 Fig. 9~10에 나타내었다. 또한 선체 외판과 R-PUF에서 발생되는 응력의 공간적인 분포 형상을 Fig. 11에 보였다. 충돌 속도가 증가함에 따라 선체구조와 CCS 의 구조응답도 커지는 것은 자연스러워 보인다.

Fig. 9

Time history of effective stress (Cubic 1)

Fig. 10

Time history of effective stress (Cubic 2)

Fig. 11

Distribution of effective stress (Cubic 1)

3.4 해석 결과의 고찰

4가지의 전형적인 형상의 유빙이 LNG선의 선측에 충돌하는 경우를 가정하여 선측구조와 방열 패널의 구조거동을 해석하고 그 결과를 Table 3에 정리하였다. 4가지 유형의 유빙 중 가장 질량이 큰 Cubic type 1이 3m/s로 충돌할 때 가장 큰 응력이 발생하고 있다. 선측 구조에서는 충돌 지점 부근에서 약간의 소성변형을 동반하는 높은 응력이 발생되지만 이 부분을 제외한 방열 패널 각 부위의 응력이 모두 각 재료의 최종 강도보다는 매우 작은 탄성 영역 범위 내에 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서 설정한 유빙 충돌 시나리오에서는 Mark III 멤브레인형 CCS는 구조적으로 안전하다고 판단할 수 있다.

Table 3

Maximum effective stress (MPa)

4. 결 론

본 연구에서는 빙해역을 운항하는 Mark III 멤브레인형 LNG 운반선의 선측에 유빙이 충돌하는 경우, 범용 비선형 유한요소 구조해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 빙 충돌 거동을 시뮬레이션하고 선체 구조와 CCS의 구조적 안전성을 검토하는 방법을 제시하였다. 본 연구에서 적용한 방법은 다음과 같다.

1) 유빙의 충돌 시나리오는 DnV에서 제안한 방법에 따른다.

2) 빙의 소성 거동과 경화 특성은 변형률 속도 의존성 거동을 고려하였다.

3) Mark III 멤브레인형 LNG CCS에서는 독립된 인접 방열 패널 간 구조거동의 상호간섭이 무시할 수 있을 만큼 작은 것으로 간주하여 선측 구조의 유빙 충돌지점에 설치된 단 하나의 방열 패널만 모델링하여 구조 거동을 검토였다.

4) 유빙의 수중 운동 효과는 부가수 질량으로 처리하고 선체와 유빙 주위의 유체영역은 구조해석 모델링 범위에서 제외하였다. 이 방법은 유빙의 복잡한 운동을 정확히 표현하기는 어렵지만 엄청난 계산시간이 소요되는 유탄성 해석을 피할 수 있고 비교적 간단히 합리적인 해석이 가능하다는 장점이 있다.

본 연구에서 가정한 충돌 시나리오 하에서는 CCS의 안전성에 큰 문제점은 없는 것으로 확인되었으나, 유빙의 크기(Mass) 가 커짐에 따라 충격량과 더불어 선체가 받는 손상도 역시 당연히 커지는데, 방열 패널이 어떤 형상 및 어느 정도 크기의 유빙 충돌에 견딜 수 있는지에 대한 체계적인 연구가 더 필요한 것으로 보인다. 즉, 여러 가지 형상의 좀 더 다양한 유빙에 대한해석과 속도 및 충돌 방향의 변화에 따른 충격 거동의 비교, 고찰이 필요한 것으로 판단된다.

또한 빙 하중은 빙의 재료적 특성에 따라 크게 달라지지만 빙의 특성과 관련된 인자가 너무 다양하고 복잡하기 때문에 모든 경우를 포괄할 수 있는 일반적인 재료모델을 제시하는 것은 현실적으로 어렵다. 따라서 설계를 위한 기준으로서의 빙 특성치를 제시하고, 이에 따라 해석 결과를 평가할 수 있는 절차를 확립하는 과정이 필요할 것으로 판단된다. 특히 빙의 재료특성이 공간적, 시간적으로 매우 다양한 변화를 보이므로 추후 빙해역 현장의 유빙 및 해빙의 재료특성에 관한 연구가 필수적으로 보완되어야 할 것으로 사료된다.