The cryogenic containment system (CCS) for liquefied natural gas (LNG) carrier ships has a secondary barrier to prevent leakage of LNG when primary barriers made of stainless steel or INVAR steel are failed. The secondary barrier is composed of many thin sheets of metal or composite material which are adhesively joined.
The secondary barrier has been designed by the conventional strength design, although adhesives such as epoxy and polyurethane with enough static adhesion strength at both room and cryogenic temperatures have been failed by the initiation and propagation of cracks. The cracks can be generated by flaws such as air-filled voids, de-bonds, dirt particles, additive particles, and inhomogeneity in the adhesive, under fatigue loadings, and subcritical impact loads at cryogenic temperature. From this point of view, the fracture toughness design for the secondary barrier is necessary to improve its reliability.
The ASTM D3433 method does not include the information about generating crack tips, because at room temperature, the crack tip sharpness has little effect on the fracture toughness measurement of ductile structural adhesives with large failure strain. However, the crack tip sharpness is important at cryogenic temperatures because a blunt initial crack may lead to a high value of fracture toughness.
In this work, therefore, an evaluation method to measure the fracture toughness of adhesive joint was investigated for accurate measurement of the fracture toughness at cryogenic temperature. Also, the fracture toughness of adhesive joints was improved by including E-glass and polyester fibers in the adhesive.
LNG 수송 선박에 사용되고 있는 극저온 보냉 시스템은 -163℃의 극저온 하에서 높은 안정성을 확보해야 하기 때문에, Fig. 1.1과 같이 이중 밀폐구조를 갖고 있다. 액화 천연가스와 직접 맞닿는 안쪽 1차 방벽 (Primary barrier)은 열 수축에 의한 응력을 줄이기 위해 일정한 굴곡 (Corrugation)이 있는 두께 1.2 mm 정도의 스테인레스 스틸 (Stainless steel) 혹은 1.0 mm 정도의 INVAR를 낮은 열 전달 계수를 갖는 단열 폼 (Insulation foam)과 합판 (Plywood)으로 구성된 샌드위치 구조 (Sandwich structure)의 단열 패널 (Panel)에 부착하여 선체 내벽 (Inner hull)에 설치된 또 다른 단열패널 위에 시공 한다. 1차 방벽의 누설 시, 외부로의 LNG 누설을 막기 위한 2차 방벽 (Secondary barrier)은 상부 단열 패널과 하부 단열 패널 사이에 시공 된다. 이 2차 방벽을 1차 방벽과 같은 방법으로 시공할 시, 많은 비용과 긴 제작 시간이 필요하기 때문에, 두께 0.3 mm의 알루미늄 박판을 단일 겹치기 접착 조인트 형태로 접합 하는 방법이 개발되고 있다. 일반적으로 2차 방벽의 알루미늄 접착 조인트는 열팽창계수 (Coefficient of Thermal Expansion, C.T.E.)가 상대적으로 작고 접착력이 우수한 에폭시 접착제 (Epoxy adhesive)를 사용하여 접합 한다.
기존 2차 방벽의 접합부는 접착제의 정적 접합 강도 관점에서 설계가 되었다. 하지만, 2차 방벽의 접합부가 사용온도 범위에서 충분한 정적 접합 강도를 가지고 있음에도 불구하고, 운행 도중 파손이 발생하였다. 이는 2차 방벽의 접합부가 파괴역학적인 관점에서 설계되지 않았기 때문이다. 2차 방벽 접합부에는 작업자의 부주의와 작업환경의 영향으로 인해 기포나 오염물질, 접착 공정상의 문제 등에 의해서 접합부 내에 미소한 균열이 생성될 수 있다. 또한, LNG선이 운행되면서 생기는 예상치 못한 하중이나 열 하중에 의해 접합부에 균열이 발생 할 수 있다. 따라서, 2차 방벽의 접합부는 정적인 접합강도에 의해서 설계되는 것 보다, 파괴 역학 관점의 설계가 필요하다. 알루미늄 접착 조인트의 파괴 인성을 측정하는 방법으로 ASTM D3433 기준이 널리 사용된다. 하지만, 파괴 인성을 측정함에 있어, 자연적인 날카로운 균열을 생성하는 것이 중요함에도 불구하고, ASTM D3433 기준에는 균열 생성에 관한 내용이 없다. 특히, 상온에서는 접착제의 강성과 강도가 낮고, 큰 파단 변형률을 갖기 때문에 균열의 날카로움이 큰 영향을 미치지 않지만, 극저온에서는 접착제의 강성과 강도가 높고, 파단 변형률이 작기 때문에 자연적으로 생성된 날카로운 균열을 사용하지 않는다면 파괴 인성이 높게 측정 되게 된다 [1].
따라서, 본 연구에서는, 접착 조인트의 올바른 파괴 인성을 측정하기 위하여 접착 조인트내에 날카로운 초기 균열을 생성한 후 관찰 하였으며, 이 결과를 토대로 상온 및 극저온 환경에서의 2차 방벽 접합부의 파괴 원인 및 원리를 규명하였다.
대개, 극저온에서 접착 조인트의 파괴 인성은 극저온 영향에 의한 접착제의 취성화와 접착 조인트의 경화 온도와 사용 온도 사이의 큰 온도차에 의한 열 잔류 응력 (Thermal residual stress)의 영향으로 상온에 비해 낮아지게 된다. 극저온에서 2차 방벽 접합부의 낮은 파괴 인성을 향상시킨다면, 2차 방벽의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다. 현재, 극저온에서의 낮은 파괴 인성을 개선하고자 하는 연구는 활발히 진행되고 있지 않으며, 접착 조인트의 파괴인성에 관한 정보 또한 미비한 것이 사실이다. 이에, 본 연구에서는, 2차 방벽 접합부의 신뢰성을 높이고자, 섬유 보강재를 이용하여 접착 조인트의 파괴 인성을 향상시켰다. 또한, 접착 조인트 내에서의 섬유 보강재의 효과를 파악 하기 위하여, 섬유 배열방식과 섬유 부피 분율에 대해서 유리 섬유 (E-glass fiber)와 폴리에스터 섬유 (Polyester fiber)를 이용하여 비교하였다.
