웨지 와이어를 이용한 선박용 필터 스크린 제작을 위한 최적 지지 위치 및 안정성 판단

Determination of Optimal Support Position and Stability for Manufacturing Filter Screen for Ships Using Wedge Wires

Abstract

In this study, the optimal support position determination and stability determination of the wedge wire screen were performed for the production of the wedge wire filter screen with improved mesh screen. In order to manufacture a filter screen using a wedge wire, the support rod wedge wire is first installed according to the filtering capacity, and then spot welding is performed while rotating the profile wire. In the existing manufacturing method, it was manufactured using a 3m rod wedge wire and then cut according to dimensions, but it required the manufacture of a 6m cylindrical screen. Due to the increase in wedge wire length, it is difficult to manufacture stress concentration at sagging and fixed positions. In order to shorten the time of analysis, a single wedge wire was applied instead of a plurality of wedge wires. The reliability and validity of the interpretation were presented and the results were derived. After selecting the support point at the 2m position, structural analysis was performed on the entire filter screen to confirm stability.The purpose of this study is to identify the maximum deflection of the wire for the production of a 6m wedge wire screen and secure design basic data so that it can work safely through optimal support.

1. 서론

스트레이너는 유체 속에 포함된 고형물을 제거하여 기기 등에 이물질이 유입하는 것을 방지하는 장치를 의미하며, 일반적으로 배관 시스템에서 불순물 제거를 목적으로 사용하고 있다[1]. 이 연구에서는 Fig. 1에서와 같이 LNG 선박 및 일반 선박에 사용하는 선박평행수용 필터 시스템에서 필터의 외관 보호를 위하여 필수적으로 사용하는 스트레이너 스크린 제작의 공정개선을 위한 기초연구를 수행하고자 한다. 일반적인 스트레이너(strainer) 는 용도에 따라 일회 사용 후 폐기하거나 세척 후 재사용하는 제품으로 크게 분류할 수 있으며, 세척후 재사용품은 필터링을 위하여 Fig. 2와 같이 미세한 사각 격자구조를 가진 금속와이어 메쉬를 이용하여 제작한다. 이러한 경우 금속 와이어 메쉬의 강도가 약하기 때문에 이를 보호하기 위하여 Fig. 2의 A, D와 같이 금속링을 와이어 메쉬 안쪽이나 바깥쪽에 설치하여 사용하는 것이 일반적 이었다. 이러한 보강재를 사용하는 금속 와이어 메쉬 스트레이너는 사용 중 이물질에 의한 막힘 발생 시 금속 와이어 메쉬가 손상되어 필터링 기능을 수행치 못함으로 인하여 후단의 펌프나 고가의 기계장비가 2차적인 손상을 입는 경우가 빈번히 발생하고 있다. 따라서 이를 개선하기 위해 최근에는 Fig. 3과 같이 필터링 기능을 하는 금속 와이어 메쉬와 보호 기능을 하는 타공판[2]을 하나의 제품에 2개의 기능을 탑재하여 동일한 크기의 필터보다 처리 용량 증대 및 수명을 증가 시킨웨지 와이어를 이용한 필터 스크린이 사용되어 지고 있다. 웨지 와이어를 이용한 필터 스크린은 수평으로 위치하는 지지 로드(support rod)와 원형으로 지지 로드에 용접되는 프로필 와이어(profile wire)로 2개의 웨지 와이어로 구성되어 있다. 웨지 와이어를 이용한 필터 스크린의 제작을 위하여 먼저 지지 로드 웨지 와이어를 필터링 용량에 맞게 설치한 후 프로필 와이어를 회전시키면서 스폿용접을 수행하여 제작한다. 기존제작 방법에서는 3m의 로드 웨지 와이어를 사용하여 제작 한 후치수에 맞게 절단하여 사용하였으나 6m 원통 스크린 제작을 필요로 하게 되었다. 웨지 와이어 길이의 증가로 인하여 처짐 및 고정 위치에서 응력 집중으로 제작에 어려움을 겪고 있다. 따라서 이 연구에서는 6m 원통 스크린 제작을 위하여 웨지 와이어의 안정성 판단을 수행하고자 한다. 즉, 6m 웨지 와이어에 대한 최대 처짐 및 최적 지지 위치를 선정[3]하고 지지 위치에 따른 필터 스크린의 안정성 판단을 수행하고자 한다. 최종적으로 6m 웨지 와이어 스크린 제작을 위하여 최대 처짐이 발생하는 부분을 파악하고 받침 지지를 통하여 안전하게 작업할 수 있도록 설계 기초 데이터 확보하는 것을 연구의 목적으로 한다.

Fig. 1 Filter system for ship

Fig. 2 Filter screen using metal wire

Fig. 3 Filter screen using wedge wire

2. 구조해석

이 장에서는 유한요소해석 상용프로그램인 Ansys WB(2019)를 이용하여 6m 웨지 와이어 스크린의 구조해석을 수행하여 안정성을 판단하고 제작을 위하여 웨지 와이어를 지지해야 할 필요성을 제시하고자 한다. Table 1과 Fig. 4는 웨지 와이어의 허용강도 및 치수를 나타내고 있다. 구조 해석에 있어 보수적인 결과를 도출하기 위하여 프로필 와이어를 제거한 후 해석을 수행하였다.

Table 1. Material property of wedge wire

Fig. 4 Wedge wire dimension

먼저 Fig. 5와 Fig. 6은 6m 웨지 와이어에 대한 구조해석 결과로 Fig. 5는 실제 필터 스크린과동일한 48개의 웨지 와이어에 대한 해석 결과이 며, Fig. 6은 단일 웨지 와이어에 대한 해석 결과를 도시한 것이다.

Fig. 5 Structural analysis results(48 wedge wires)

Fig. 6 Structural analysis results(1 wedge wire)

Table 2의 해석 결과로 알 수 있는 것처럼 스크린 제작을 위하여 사용하는 지지 로드(support road) 웨지 와이어 전체를 해석한 결과와 하나의 웨지 와이어를 해석한 결과가 변형 및 응력결과 모두 0.6% 이내의 오차로 거의 동일하다고 할 수 있다. 따라서 본 해석에서는 단일 웨지 와이어에 대한 해석을 수행하여 최적 받침(지지)점 및 안정성을 판단하여도 문제가 없다고 판단되며, Table 1의 허용 강도에 비하여 응력값이 매우 높기 때문에 지지를 통하여 안정성을 확보할 필요가 있음을 알 수 있다. 이때 주의할 점은 Fig. 7에서 볼 수 있는 것처럼 각각의 웨지 와이어 변위 편차가 매우 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 웨지 와이어의 고정 자세(위치)에 따라 웨지 와이어 단면 2 차 모멘트가 달라져 중력에 의한 처짐 및 응력에 차이가 발생하기 때문이며 단일 웨지 와이어의 해석에 있어 이를 고려하여야 한다는 것을 알 수 있다.

Table 2. Structural analysis results

Fig. 7 Deformation change according to location of wedge wires

최적 지지 위치를 결정하기 위하여 Fig. 7에서볼 수 있는 것처럼 웨지 와이어 자세에 따라 최대및 최소 변형이 발생하는 Case I, II 로 구분하여 해석을 수행하였다. 결과에 대한 고찰은 최대 변형이 발생하는 경우인 Case I에 대하여 주로 설명하고자 한다.

Table 3에서 Case I의 경우 전체 길이가 6m 인데 비하여 처짐이 8.9m라는 이상 결과를 초래 하며, 최대 응력의 경우도 허용강도와 비교하여 0.14의 안전계수를 가지므로 매우 불안전하다고할 수 있다. 또한 Case II의 결과에서도 Case I에 비하면 변형도 약 1.3m로 적당히 큰 값이라 할수 있지만 응력값으로 판단해 본 결과 Case II 또한 매우 불안정한 상태라 할 수 있다. 따라서 6m 의 필터 스크린 제작을 위하여 Case I, II 모두 적절한 받침 지지를 통하여 안전성을 확보할 필요가 있음을 알 수 있다. 이후 단일 웨지 와이어의 모달해석을 통하여 와이어의 진동형상을 파악하고 처짐 감소를 위하여 최적의 지지 위치를 결정하고자 한다.

Table 3. Structural analysis results for wedge wire

3. 최적 지지위치 결정

최적의 지지점 결정을 위한 웨지 와이어의 고유진동수 해석 결과를 Fig. 8에 나타내었으며, 최저차 0.19Hz에서 6차 모드인 1.72Hz의 고유진동수를 얻었다. 6차 모드까지 고려한 이유는 스크린 제작시 모터 회전수는 100rpm을 넘지 않기 때문이다. 고유진동수 해석을 수행한 결과 최저차 6개의 진동모드는 4개의 굽힘진동(y 방향 진동)과 2개의 횡진동(z 방향)으로 구성되어져 있으며 진동해석을 수행한 이유는 모드 형상을 통하여 진폭이 최소가 되는 점을 지지점으로 선택하기 위함이다.

Fig. 8 Result of modal analysis for wedge wire(6m)

Fig. 9와 같이 3가지의 지지 위치를 결정하고 해석을 통하여 웨지 와이어의 처짐 및 응력을 분석하여 최적 지지 위치를 판단하였다. 여기서, support A는 1차 진동모드, support B는 3차, 그리고 support C는 4, 6차 진동모드 형상에 대응한 지지 위치이다.

Fig. 9 Support positions of wedge wire

Figs. 10~12는 각 지지 위치(support A, B and C)에 따른 단일 웨지 와이어의 구조해석 결과를 도시한 것으로 Case I에 대한 결과이다. Fig. 10에서 최대 응력은 약 368.2MPa로 불안정하며, support B, C의 경우는 재질의 허용응력과 비교하여 안정함을 알 수 있다. Fig. 11의 support B 지지 위치인 경우 중앙부에서 109.4mm의 최대처짐이 발생하며, 최대 응력은 약 163.4MPa을 보인다.

Fig. 10 Structural analysis result(support A)

Fig. 11 Structural analysis result(support B)

Fig. 12 Structural analysis result(support C)

Table 4는 와이어 자세 및 지지위치에 따른 구조해석 결과를 도시한 것이다. 비교적 처짐 및 응력이 큰 Case I을 중점 검토하였으며, support C 의 경우가 가장 결과가 좋지만 제작 비용 및 향후프로필 와이어로 용접되기 때문에 support B 선정이 유리하다고 판단된다.

Table 4. Structural analysis of support position

Fig. 13와 Table 5는 단일 웨지 와이어 대한 구조해석 결과를 검토하기 위하여 전체 필터 스크린 웨지 와이어의 구조해석을 수행하고 그 결과를 단일 웨지 와이어의 결과와 비교하였다. 지지 위치는 support B 지지 위치로 고정하여 해석을 수행하였으며, 다른 조건은 단일 와이어 해석 조건과 동일하게 하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 최대 처짐은 약 107mm, 최대 응력은 152.4MPa 로 안정하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 13 Structural analysis result for filter screen

Table 5. Final results of analysis

4. 결론

이 연구에서는 기존 격자구조를 가진 금속와이어 메쉬 스크린을 개선한 웨지 와이어 필터 스크린 제작에 있어 6m 웨지 와이어를 사용하기 위하여 최적의 지지 위치 결정 및 웨지 와이어 스크린의 안정성 판단을 수행하였다. 최적 지지위치 및 안정성 판단을 위하여 진동모드 형상을 분석하여 지지 위치를 결정하였으며, 웨지 와이어의 고정 위치에 따른 해석을 함께 수행하였다.

해석의 시간 단축을 위하여 실제 적용하는 48개의 웨지 와이어 대신 단일 웨지 와이어를 적용하였으며, 그 신뢰성 및 타당성을 제시하고 결과를 도출하였다. 2m 위치에 지지점을 선정한 후, 전체 필터 스크린에 대한 구조해석을 수행하여 최대 응력은 약 152.4MPa로 스크린의 안정성을 확 인하였다.

향후 연구를 통하여 웨지 와이어 필터 스크린의 프로필 웨지 용접을 위하여 모터 회전수에 대한 공진해석을 함께 수행하고자 한다.