Large cryogenic containments for a liquefied natural gas (LNG) should be joined to the inner hull of a ship with the consideration of the minimum heat inflow because the large temperature difference between the LNG cargo containment and the inner hull can induce considerable heat flux through the joined area.
In this work, a glass composite anchor composed of two stainless steel caps and glass fiber composite body was developed considering the strength, thermal stress and heat loss of the anchor. The stainless steel caps were adhesively bonded to the top and bottom of the glass composite body. Then the top stainless cap was welded to the stainless steel membrane and the flange of bottom stainless steel cap was joined to the inner hull of a ship with bolts.
The static, dynamic adhesive strength and impact characteristics between the stainless steel caps and glass composite body of the glass composite anchor at the cryogenic temperature were investigated with respect to the adhesive thickness. Since the welding heat through the top stainless cap might degrade the adhesive joint between the top stainless cap and the glass composite body, the welding effect on the adhesively bonded joint strength was also investigated. Finally, the optimal design for the glass composite anchor was suggested.
액화천연가스는 극저온 ($-163\degC$) 액체 상태로 저장 또는 운반된다. 이때 액화천연가스의 누설 및 열손실을 막기 위해 단열 패널과 특수한 형태의 밀봉벽으로 구성되는 액화천연가스 저장시스템이 사용된다. 액화천연가스의 운반에는 주로 선박 (LNG선)이 이용되며 선박의 내부에 액화천연가스 저장시스템이 설치·제작된다. 우리나라는 전세계 LNG선의 70% 이상을 건조하였으며, 앞으로 세계 LNG선 시장에서 그 위상은 더욱 높아질 것으로 기대하고 있다. 그러나 앞서 언급한 LNG선의 핵심부라고 말할 수 있는 액화천연가스 저장시스템의 원천기술은 모두 프랑스 GTT사의 MARK III 또는 No.96 의 특허 기술을 사용하고 있으며, 이로 인해 LNG선 한 척당 약 5%의 기술료를 지급하고 있다. LNG선의 최대 수출국으로써 핵심 기술에 대한 해외 의존은 국가적 손실은 물론 지속적인 조선 강국으로써의 지위를 유지해 나가는데 있어 큰 걸림돌이 아닐 수 없다. 이에 우리나라에서는 한국형 액화천연가스 저장시스템의 개발을 위해 한국가스공사와 국내 조선사들이 협력하여 독자 화물창 기술 개발을 위한 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 이와 같은 배경으로 개발된 한국형액화천연가스 저장시스템의 성능을 보다 향상시키기 위해, 한국형 액화천연가스 저장시스템에서 사용되는 금속 재질의 지지구조 (앵커)를 유리섬유 복합재료 및 금속을 이용한 하이브리드 형태로 개발함으로써 기존보다 열손실을 줄이고 경량화를 통해 생산성 및 경제성을 더욱 향상시키고자 하였다.
제 2 장에서는 기존의 스테인리스 스틸을 이용하여 제작되면 화물창 앵커에 대하여 유리섬유 복합재료 및 스테인리스 스틸을 이용한 하이브리드 (Hybrid) 형태의 유리섬유 복합재료 앵커를 설계하였으며, 이를 이용하여 액화천연가스가 선적되었을 때 발생할 수 있는 압력 및 온도 구배 하에서 개발된 유리섬유 복합재료 앵커의 기계적 안정성을 해석적으로 평가하였다.
유리섬유 복합재료 앵커는 상부의 밀봉벽 설치와 하부의 선체 결합을 위해 유리섬유 복합재료의 상부와 하부에 각각 스테인리스 스틸로 제작되는 결합부를 유리섬유 복합재료와 접착하여 구성하였으며 이때 접착력 향상을 위해 유리섬유 복합재료의 안쪽과 바깥쪽이 동시에 접착될 수 있는 이중 접착 구조 (Double-lap adhesive joint)를 이용하여 설계 및 제작하였다.
제 3 장에서는 유리섬유 복합재료와 스테인리스 스틸의 접착으로 구성되는 유리섬유 복합재료 앵커에 대하여 접착부에 대한 극저온 정적, 동적, 충격 특성을 실험 및 해석적으로 평가하였으며, 액화천연가스 화물창의 설치시 발생하게 되는 용접열에 대한 접착부의 영향을 열중량 분석을 이용하여 예측할 수 있는 방법을 고안하였다.
유리섬유 복합재료에 발생하는 압축하중은 유리섬유 복합재료에 의해 지지되지만 인장하중은 모두 접착부에 의해 지지되기 때문에 인장하중 하에서 유리섬유 복합재료 앵커의 접착부에 대한 안정성 평가가 중요한 요소이다. 본 연구에서는 정적 안정성 평가를 위해 접착부 두께 및 표면처리에 따른 극저온 하에서의 정적 강도를 측정하였으며, 이를 해석적 결과와 비교하였다. 극저온에서의 접착 강도는 접착 두께가 얇을수록 우수하여 황산을 이용한 산처리 또는 샌드 블라스팅과 같은 기계적 표면 처리를 통해서 표면 접착 강도를 높일 수 있었으며, 표면 접착 강도가 증가할수록 해석 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 동적 강도 평가를 위해서 상부와 하부에 지속적인 온도 구배 ($-163\degC~25\degC$)를 유지할 수 있는 실험 장치를 개발하였으며, 이를 이용하여 극저온 하에서 접착부의 신뢰성을 평가하였다. 또한 충격 실험 장치를 이용하여 특수하게 제작된 극저온 챔버와 유리섬유 복합재료 앵커를 이용하여 접착 두께에 따른 충격력 실험을 수행하였다.
실험 결과 극저온 하에서 접착부는 30kN의 하중에서 100만 번 이상의 동적 하중 하에서도 접착 강도의 저하가 발생하지 않았으며, 충격력도 90kN 이상으로 매우 우수하게 평가되었다. 또한, 충격력의 경우 접착 두께에 따라 충격 특성의 차이가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
한국형 액화천연가스 저장시스템은 스테인리스 스틸 박판을 이용하여 내부 밀봉벽을 형성하는데 이때 앵커의 상부에 용접하여 고정된다. 따라서 유리섬유 복합재료와 스테인리스 스틸의 접착으로 구성되는 유리섬유 복합재료 앵커는 용접에 의한 높은 열로 인해 접착부의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 본 연구에서는 열중량 분석을 이용하여 용접시 발생하는 온도 상승 속도 및 최대 도달 온도에 따른 접착제의 중량 감소량을 이용하여 접착 강도를 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 접착강도는 온도에 따른 접착제의 감소량에 비례하는데, 이때 접착제의 감소량은 온도 상승률 및 최대 도달 온도에 따라 결정될 수 있음을 확인할 수 있었다.
제 4 장에서는 극저온에서 스테인리스 스틸의 접착 강도를 높일 수 있는 표면처리 기법 및 접착 방법의 개발에 관한 연구를 수행하였다. 스테인리스 스틸은 극저온 처리를 통해 황산을 이용한 산처리 효과를 더욱 향상 시킬 수 있는 것을 확인하였으며, 접착시 온도 상승률이 클수록 접착 강도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 온도 상승률을 극대화하기 위하여 본 연구에서는 접착 전 스테인리스 스틸을 충분히 가열하여 접착하는 방법과 접착 전 미리 접착제를 고온에서 스테인리스 스틸에 도포하여 경화한 후 접착하는 방법을 통해 접착 강도를 더욱 향상 시킬 수 있었다.
본 연구를 통해 개발된 유리섬유 복합재료 앵커는 기존의 스테인리스 스틸 앵커에 비해 무게와 열손실이 모두 50% 이상 감소하였으며, 이를 통해 한국형 액화천연가스 보냉 시스템의 효율성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
