The secondary barrier of CCS (Cryogenic Containment System) for LNG (Liquefied Natural Gas) carrier ships has two construction methods. One is the welding method and the other is adhesively joining method. The market and ship building companies prefer the latter to the former due to the short construction time and low cost.
During the curing process of adhesive joints, a uniformly distributed pressure with precisely controlled temperature should be applied to the adhesive on insulation panels generally with some level difference between insulation panels for the reliable adhesive joint with nearly constant adhesive thickness and uniform degree of cure. In order to fulfill the required functions of a large heating pad, a flexible stainless steel foil heater supported by butyl rubber air pressure bag has been employed for the lower part of the hot pad system. The film type epoxy adhesive requires usually high curing temperature and long curing time, consequently the hot pad system should have a low thermal conductivity to reduce the heat dissipation through the heating pad. Also, high specific stiffness materials should be employed for the hot pad system because the area of the heating pad should be increased to reduce the number of heating pads required because the bonding area of secondary barrier of one CCS is about 10,000 m2. In order to decrease the weight of hot pad system and heat loss through the hot pad, the upper part of the hot pad system has been built with the composite sandwich panel composed of glass fiber epoxy composite face, polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC) foam core with low thermal conductivity.
Therefore, the new light weight hot pad system was composed of the composite sandwich panel, butyl rubber air bag and stainless steel foil heater for light weight, uniform pressure and high thermal insulation efficiency. The size and configuration of the composite sandwich panel was designed with FE analysis and experimentally verified. The core of sandwich panel was composed of polystyrene foam and polyvinyl chloride foam and the face was composed of glass fiber epoxy composite to make light weight composite panel. Also, the curing performance was verified using the developed hot pad. The adhesion bonding operations for the secondary barrier were performed with various level differences of the insulation panels and stacking sequences of the metal secondary barriers with respect to curing pressure, and the performance of adhesively joint was evaluated using a newly devised test method. From the construction test result, it has been found that the newly developed hot pad system yields the curing quality of an autoclave system with uniform adhesive thickness and little entrapped voids. Also, the appropriate curing pressure for the secondary barrier was suggested.
LNG선의 기존 2차 방벽 경화 장치는 알루미늄 허니콤 코어로 구성된 샌드위치 패널과 폴리우레탄 폼 매트로 구성되어 있었다. 이로 인해 경화 장치의 상부로 많은 열이 손실되고 폴리우레탄 폼 매트를 통해 간접적으로 열과 압력을 전달 하는 구조로 되어 있어 경화 도중 2차 방벽 접착 부위에 일정한 압력과 열을 전달 할 수 없었다.
이에 본 연구에서는 유리섬유 복합재료와 낮은 열 전달 계수를 갖는 폴리스타이렌 폼을 이용하여 충분한 구조 강성 및 강도를 갖는 구조를 설계 하였으며, 부틸 고무 에어백과 얇은 스테인리스 스틸 필름 히터를 이용하여 직접적인 열, 압력 전달 방식을 갖는 새로운 핫패드 시스템을 개발 하였다.
경화 장치의 하부는 0.14 mm 두께의 스테인리스 필름 히터와 유연한 재질의 부틸 고무 에어백으로 제작 되었으며, 이로 인해 2차 방벽 접착부위에 균일한 열과 압력을 직접적으로 전달 할 수 있는 구조로 제작 되었다. 또한, 경화 장치의 상부는 유리섬유 복합재료와 폴리스타이렌 폼을 이용하여 제작 되었으며 최적 설계를 통해 높은 열 효율과 가벼운 무게를 갖는 새로운 경화 장치를 개발 하였다. 샌드위치 구조의 최적 설계를 위하여 본 연구에서는 경화 시공시의 경계조건에 부합하는 시험법을 개발 하여 그 성능을 평가 하였으며, 해석적 방법을 통해 그 설계를 수행 하였다.
설계된 핫패드 시스템을 실제 시공이 가능한 형태로 제작 하였으며, 제작된 핫패드를 이용하여 시공 시험을 경화 압력에 따라 수행한 결과, 새로운 경화 장치는 2차 방벽 접착 조인트를 성공적으로 시공 할 수 있음을 확인 하였다.
또한 가장 극심한 시공조건과 하중조건을 갖는 단순 단차 부위에 대해 새로 개발된 핫패드 시스템으로 경화 시공된 접착 조인트의 성능을 평가 하기 위해 새로운 시편 시험법을 제안 하고 제안된 시험법을 이용하여 접착 조인트의 성능을 -150oC의 극저온에서 경화 압력에 따라 실험을 수행 하였다. 시험 수행 결과 0.05 MPa의 경화압력으로 제작된 접착 조인트가 가장 높은 접착 성능을 보였으나, 이는 일반적은 다른 접착 조인트와는 상이한 결과였다. 이에 본 연구에서는 FE 해석을 통해 그 원인을 분석 하였으며, 그 결과 경화 압력에 의해 얇은 스테인리스 스틸 피 접착제가 변형되었기 때문으로 분석 되었다.
위의 분석 내용을 바탕으로 세 가지의 접착 조인트 성능 향상 방안을 제안 할 수 있었다. 먼저 스테인리스 스틸 피 접착제의 변형을 막기 위해 압력 지지 구조를 이용한 시공법을 제안 하였으며, 다음의 방법에 의한 효과를 살펴 본 결과 0.10 MPa의 경화 압력을 갖는 기존 시편의 경우에 비해 그 성능이 60% 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 단열보드 사이의 거리를 증가 시킴으로써 실질적인 필 앵글이 감소 될 수 있는 시공법을 제안 하였으며, 다음의 방법의 의해 0.10 MPa의 경화 압력을 갖는 기존 시편의 경우에 비해 그 성능이 100% 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 균열 진전을 억제하고 열 잔류 응력 감소를 위해 유리섬유를 이용한 접착제 보강 방법을 제안 하였으며, 다음의 방법의 의해 0.10 MPa의 경화 압력을 갖는 기존 시편의 경우에 비해 그 성능이 120% 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 새로운 경화 장치를 설계 함으로써 LNG선의 2차 방벽 접착 조인트의 신뢰성 높은 시공을 가능 하도록 하였으며, 새로운 시편 평가 방법을 통해 2차 방벽 접착 조인트의 성능을 평가 함으로써, 기존에 밝혀지지 않았던 문제점을 확인 할 수 있었다. 또한, 접착 조인트의 성능을 향상 시킬 수 있는 새로운 시공법을 제안함 으로써 신뢰성 높은 2차 방벽 접착 조인트를 구성할 수 있도록 하였다.
