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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김명현
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수33
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환경오염과 기후변화에 대한 전 세계적인 관심과 심각성에 대한 인식이 증가함에 따라 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에 의해서 기후환경 변화 원인중의 하나인 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOX), 황산화물(SOX) 등의 선박 배출가스에 관한 국제 환경 규제가 점차 강화되고 있다. 2016년 1월부터 질소산화물 배출규제가 Tier III로 강화되어 적용되었고, 2020년 1월부터 EEDI(Energy Efficiency Design Index for new ships) Phase 2와 Global Sulphur Cap이 각각 발효되어 이산화탄소와 황산화물 배출을 보다 엄격하게 규제하고 있으며, 그동안 배출규제해역(ECA, Emission Control Area)에 대해서만 적용되었던 높은 수준의 규제가 점차 일반해역으로 확대 적용되고 있다.
특히, Global Sulphur Cap은 황산화물 배출규제해역(SECA)에서는 연료유 중의 유황성분 함량을 0.1% 이하로 적용하고, 일반해역에 대해서도 기존 3.5% 에서 0.5% 수준으로 유황성분 함량에 대한 규제를 강화하는 가장 강력한 기준이다. 지금까지의 배출규제는 주로 신조선에 대해 적용되어 왔으나, Global Sulphur Cap은 400gt급 이상의 운항선에 대해서도 신조선과 동일하게 적용되며 기존의 선박 연료유를 사용하는 경우에는 일반해역에 대한 기준 조차 만족할 수 없기 때문에, 파급 효과가 가장 큰 규제가 될 것으로 알려져 있다.
이러한 해상환경규제를 만족하기 위해 LNG 연료 추진선 등의 친환경 선박 기술과 관련된 시장이 지속적으로 확장될 것으로 예상된다. LNG 연료 추진선은 ?163℃의 극저온 환경에서 LNG 연료를 안전하게 저장해야하기 때문에 상온 및 극저온에서 강도와 파괴인성 등의 기계적 성질이 우수한 재료를 LNG 연료탱크(fuel tank)에 적용해야 하며, 제작에 대한 생산성 향상도 함께 고려되어야 한다. 9 wt.% 니켈강은 극저온에서의 강도와 파괴인성이 우수하여 육상 LNG 저장탱크(storage tank)에 널리 적용되어 왔으며, 선박용 LNG 연료탱크 제작에 가장 접합한 재료 중의 하나이다.
9 wt.% 니켈강 소재에는 SMAW(Shielded Metal Arc Welding) 공법이 주로 적용되고 있으며, 일부 자동화 적용이 가능한 용접부에 SAW(Submerged Arc Welding) 공법이 사용되고 있다. 반면에 상대적으로 생산성이 높은 FCAW(Flux Cored Arc Welding)공법은 관련 연구나 실제 구조물 제작에 적용된 사례가 많지 않다.
본 논문에서는 선박의 LNG 연료탱크 제작을 위해 9 wt.% 니켈강 소재에 대한 FCAW 공법 적용 확대 가능성을 검토하기 위하여 상온 및 극저온 환경에 대해 기계적 성능 및 파괴 특성을 평가하고 SMAW 및 SAW 공법과 결과를 비교하였다. 그리고 LNG 연료탱크의 초기설계 단계에서 적용 가능한 구조 부재 치수 계산과 해석을 통한 구조 안전성 평가 방법에 대해 검토하였으며, 9 wt.% 니켈강 소재에 대한 FCAW, SMAW 공법 적용에 대한 연구 결과와 병행하여 IMO type C LNG 연료탱크의 초기설계에 적용하였다.
특히, Global Sulphur Cap은 황산화물 배출규제해역(SECA)에서는 연료유 중의 유황성분 함량을 0.1% 이하로 적용하고, 일반해역에 대해서도 기존 3.5% 에서 0.5% 수준으로 유황성분 함량에 대한 규제를 강화하는 가장 강력한 기준이다. 지금까지의 배출규제는 주로 신조선에 대해 적용되어 왔으나, Global Sulphur Cap은 400gt급 이상의 운항선에 대해서도 신조선과 동일하게 적용되며 기존의 선박 연료유를 사용하는 경우에는 일반해역에 대한 기준 조차 만족할 수 없기 때문에, 파급 효과가 가장 큰 규제가 될 것으로 알려져 있다.
이러한 해상환경규제를 만족하기 위해 LNG 연료 추진선 등의 친환경 선박 기술과 관련된 시장이 지속적으로 확장될 것으로 예상된다. LNG 연료 추진선은 ?163℃의 극저온 환경에서 LNG 연료를 안전하게 저장해야하기 때문에 상온 및 극저온에서 강도와 파괴인성 등의 기계적 성질이 우수한 재료를 LNG 연료탱크(fuel tank)에 적용해야 하며, 제작에 대한 생산성 향상도 함께 고려되어야 한다. 9 wt.% 니켈강은 극저온에서의 강도와 파괴인성이 우수하여 육상 LNG 저장탱크(storage tank)에 널리 적용되어 왔으며, 선박용 LNG 연료탱크 제작에 가장 접합한 재료 중의 하나이다.
9 wt.% 니켈강 소재에는 SMAW(Shielded Metal Arc Welding) 공법이 주로 적용되고 있으며, 일부 자동화 적용이 가능한 용접부에 SAW(Submerged Arc Welding) 공법이 사용되고 있다. 반면에 상대적으로 생산성이 높은 FCAW(Flux Cored Arc Welding)공법은 관련 연구나 실제 구조물 제작에 적용된 사례가 많지 않다.
본 논문에서는 선박의 LNG 연료탱크 제작을 위해 9 wt.% 니켈강 소재에 대한 FCAW 공법 적용 확대 가능성을 검토하기 위하여 상온 및 극저온 환경에 대해 기계적 성능 및 파괴 특성을 평가하고 SMAW 및 SAW 공법과 결과를 비교하였다. 그리고 LNG 연료탱크의 초기설계 단계에서 적용 가능한 구조 부재 치수 계산과 해석을 통한 구조 안전성 평가 방법에 대해 검토하였으며, 9 wt.% 니켈강 소재에 대한 FCAW, SMAW 공법 적용에 대한 연구 결과와 병행하여 IMO type C LNG 연료탱크의 초기설계에 적용하였다.
목차
I. 서 론 11. 연구의 배경 12. 연구의 목적 및 내용 8II. 9 wt.% 니켈강의 특성101. 니켈강 102. 9 wt.% 니켈강의 특성 123. 9 wt.% 니켈강의 연구동향 15III. 9 wt.% 니켈강 용접부 성능 평가 181. 용접 조건 및 시험 방법 18가. 9 wt.% 니켈강의 용접 조건 21나. 충격 시험 28다. 인장 시험 29라. CTOD 시험 322. 충격 시험 결과 353. 인장 시험 결과 374. CTOD 시험 결과 465. 고 찰 58IV. 9 wt.% 니켈강 소재를 활용한 선박용 LNG 연료탱크 초기설계 651. LNG 연료탱크의 분류 652. IMO type C LNG 연료탱크 초기설계 69가. LNG 연료탱크 설계 하중 69나. 적용 선박 74다. 설계 하중 계산 76라. 연료탱크 부재 치수 계산 813. FE analysis 88가. FE model and boundary conditions 88나. Load cases of FE analysis 90다. Analysis results 92V. 결 론 117참고문헌 119Abstract 124
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