Investigation of the Bonding Stress of the 2^nd Barrier for LNG Carrier Cargo Containment System Considering Various Working Conditions

다양한 작업 조건을 고려한 LNG 운반선 화물창 2차 방벽의 극저온 접착강도 분석

Abstract

The core of the liquefied natural gas (LNG) carrier cargo containment system (CCS) is to store and transport LNG safely under temperatures below -163 degrees Celsius. The secondary barrier of the LNG CCS is adopted to prevent LNG leakage from CCS to the ship's hull structure. Recently, as the size of the LNG CCS increases, various studies have been conducted on the applied temperature and load ranges. The present study investigates the working condition-dependent bonding strength of the PU15 adhesives of the secondary barrier. In addition, the mechanical performance is analyzed at a cryogenic temperature of -170 degrees Celsius, and the failure surface and failure mode are investigated depending on the working condition of the bonded process. Even though the RSB and FSB-based fracture mode was confirmed, the results showed that all the tested scenarios satisfied the minimum requirement of the regulation.

1. 서 론

유럽연합(UN) 산하의 국제해사기구(IMO)는 선 박에서 배출되는 이산화탄소를 2040년에는 2008 년 대비 50%를, 2050년에는 2008년 대비 70%까 지 줄이는 규제에 대해 논의했다. 이러한 규제를 충족시키기 위해 오염물질을 줄일 수 있는 부가적 인 장치를 설치하거나 선박의 운항효율을 높이거 나 추진연료를 저탄소 혹은 무탄소 연료로 전환하 기 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 단기 적으로는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등 저탄소 연료를 활용하면서 이산화탄소 포집 등의 장치를 활용하는 방안이 고려되고 있으 나 IMO 규제 내용에는 무탄소 연료로의 전환이라 는 문구가 포함되어 있어 2050년 규제를 충족시 키기 위해서는 에는 수소나 암모니아 등의 무탄소 연료로 전환이 필요해 보인다. 다만, 아직은 이들 무탄소 연료를 친환경적으로 확보할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있고, 공급 측면에서 더 많은 인 프라가 갖추어질 필요가 있다고 판단된다. 이러한 이유로 현시점 기준으로 2030년 이후까지는 환경 적 규제에 대응하기 위해 선박뿐만 아니라 육상에 서의 모빌리티, 발전소 등에서 LNG의 사용이 지 속해서 증가할 것으로 예상된다 [1,2].

메탄을 주성분으로 하는 LNG는 천연가스를 – 163℃ 이하의 온도에서 액화시켜 부피를 약 630 배 줄인 것으로, 저장 및 운송에 매우 유리한 측 면이 있다. 국내에서 소비되는 천연가스 대부분을 LNG의 형태로 수입하여 사용하는 우리나라는 LNG 수입을 위해 대형 화물창을 탑재한 LNG 운 송선을 이용한다 [3-5]. 수입에 의존하는 특성상 한 번에 많은 양의 LNG를 들여오는 것이 유리하 기 때문에 최근에는 구형 형태의 모스(Moss) 타입 대신 Prismatic 형태의 멤브레인(Membrane) 타입 의 LNG 운반선이 건조되고 있다. Fig. 1은 멤브레인 타입 LNG 운반선의 대표적 형태인 Mark-III 타입 화물창을 나타낸 사진이다. 해당 화물창은 LNG와 직접 맞닿게 되는 1차 방벽 강재, 단열재, 그리고 사고나 LNG 누출 사고 발생 시 2차 피해 를 막아줄 수 있는 2차 방벽 등이 적용된다. Mark-III 타입은 트리플엑스(Triplex)라고 불리는 복합소재를 이용하여 1차 방벽의 누수 혹은 손상 발생 시 -163℃의 극저온 유체가 선체에 닿지 않 도록 막아주는 역할을 한다.

Fig. 1 Photograph of the Mark-III type LNG carrier cargo containment system (Kim et al., 2014)

트리플엑스는 FSB(Flexible Secondary Barrier) 와 RSB(Rigid Secondary Barrier)로 구성되어 있으 며, 접착제를 이용해서 고정된다. 과거 연구를 통해 서 트리플엑스의 접착강도를 향상하기 위한 다양한 연구가 수행된 바 있다. Lee et al. (2011)은 에폭 시와 폴리우레탄 접착제의 접착강도를 상온에서 극 저온에 이르는 온도 영역에서 수행했고, 특히 극저 온 온도에서의 debonding failure 현상을 정량적으 로 평가했다 [6]. Crocker et al. (2016)은 극저온 환경에서의 LNG 화물창에 적용되는 접착제의 전단 강도 평가 방법에 대해 제안했다. 평가를 통해 폴 리우레탄 계열의 접착제가 에폭시 계열의 접착제보 다 더 우수한 접착강도를 가진다는 결과를 제시했 다 [7]. LNG 화물창과 관련된 연구들은 새로운 접 착제를 이용하는 연구나 접착제의 종류에 의존하여 상온-극저온 환경에서의 물성 평가가 주로 수행되 었다 [8,9]. 다만, 대형 구조물에 적용되는 접착부 는 용접부와 다르게 상당 시간 동안 점성을 유지하 므로 중력의 영향에 따라 흐르거나 문제가 발생할 가능성이 커, 실제 LNG 화물창 내에서 다양한 자 세로 작업이 진행되는 작업환경 및 자세에 의한 접 착부 품질검증은 반드시 진행되어야 한다.

본 연구에서는 LNG 화물창 내 접착이 필요한 위치별 작업 조건을 다르게 하여 알루미늄 지그 시험편을 제작하였으며, LNG가 저장되는 극저온 온도에서 접착강도를 분석하였다. 현재 접착강도 의 기준으로 보고되고 있는 프랑스 Gaztransport & Technigaz(GTT)에서 제시한 규정과 비교를 통 해 해당 방식이 기본적인 강도 규정을 만족하는지 를 조사하였고, 파단 이후의 형상을 통해 향후 추 가로 진행되어야 할 연구에 대해 논의하였다.

2. 실험 준비

2.1 시험편 준비

본 연구에서는 실제 LNG 운반선 화물창 내 2 차 방벽 시공 공정과 같은 환경에서 제작된 시험 편의 접착강도를 검증하기 위해 프랑스 GTT의 Lap process 002-05 Revision 04에 따라 시험편 을 준비하였다. Fig. 2는 시험에 사용된 AA 2024 계열의 지그 형상 및 치수를 나타낸 그림이다. 접 착을 진행하기 전 가장 중요한 사항은 AA 2024 지그의 표면에 오염물질이나 불순물이 접착강도에 영향을 주어 관심 영역 외부에서 파단이 일어나는 현상이며, 이를 위해 알루미늄 합금 지그의 표면 에 남아있는 오염물질을 제거하였다.

합금 지그의 전처리는 중성 세척액을 통해서 초음파 세척기를 이용해 20분 동안 지그의 유기 오염물을 세척하고, 이후 흐르는 물로 지그를 세 척하였다. 이후 시험편에 남아있는 수분은 40℃, 상대습도 10%의 건조한 환경에서 12시간 건조했 다. 시험편 표면의 수분이 제거된 상태에서 헵텐 (heptane)을 이용하여 지그를 닦아내어 혹시라도 남아있을 수 있는 유기물을 제거하였다. Lab shear 시험을 위한 2차 방벽 접착부는 폴리우레 탄 계열의 접착제를 통해서 알루미늄 지그에 접착 되었고, 0.2bar의 압력을 가한 상태로 24시간 경 화 이후 압력을 제거하고 6일 동안 경화시켰다.

Fig. 2 Shape and dimension of the testing jig

2.2 시험 시나리오

Prismatic 형태의 LNG 운반선 화물창은 작업 자가 2차 방벽을 시공하는 공정 단계에서 화물창 내 시공 위치에 따라 다른 자세를 취하여 접착 공정을 진행하게 된다. Fig. 3은 LNG 운반선 화물 창의 형상과 화물창 내 2차 방벽 시공 위치에 따 른 분류를 보인다. 화물창 내부에 전체적인 시공 이 필요하므로, 작업자는 다양한 자세로 시공을 진행하게 된다. Upper chamfer는 LNG 운반선 화물창 상부 135도 영역, Vertical은 화물창 옆면 에 상하로 연결되는 영역, 그리고 Bottom은 화물 창 바닥 면을 의미한다.

Table 1은 본 연구에서 진행한 시험 시나리오를 나타낸 표이다. 표에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는 PU15 접착제를 이용하여 2차 방벽을 알루미늄 지 그에 접합시켰고, 각각의 시나리오는 실제 화물창 내에서 해당 위치에서의 작업을 진행하는 부분을 고 려하여 자세를 바꿔가며 접합을 진행했다. 이를 통 해 실제 공정에서의 작업환경을 최대한 반영할 수 있도록 하였다. High Humidity는 작업환경에서의 습도가 상대적으로 높은 조건에서 작업하는 조건을 가정했다. 5번과 6번 조건은 같은 습도 조건과 서로 다른 온도 조건을 고려한 것으로, 작업환경에서 여 름철 고온다습한 환경의 영향을 분석하고자 하였다. 하나의 시나리오에 대해 5번의 반복 실험을 수행하 였으며, 이를 통해 데이터 유효성을 확보하였다.

Fig. 3 Shape and dimension of the testing jig

Table 1. Working condition dependent lab shear test

2.3 극저온 온도환경 구현

본 연구에서는 극저온 챔버(Cryogenic Chamber) 가 탑재된 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 이용하여, LNG가 저장되는 온 도보다 다소 낮은 온도인 -170℃ 환경에서 진행되 었다. 해당 극저온 환경을 조성하기 위해 특수 제 작된 극저온용 챔버 내부에 -196℃의 액체질소를 분사시켰고, 자동으로 제어되는 온도 조절 시스템 을 이용해 챔버 내부 온도계 및 제어 시스템이 액 체질소의 유동을 제어하고 일정한 온도가 유지될 수 있도록 하였다. Fig. 4에 본 시험에서 진행한 극저온 접착강도 시험을 보인다. 챔버 내부를 관통 하는 극저온용 지그에 시험편을 결합했으며, 액체질소를 분사하여 챔버 내부 온도가 -170℃에 도달 하는 시점부터 약 2시간 정도 충분히 냉각시켜 시 험편 및 접착제 내부가 열평형에 도달할 수 있도 록 하였다. 본 시험에서는 다양한 작업 조건을 고 려한 테스트를 수행하기 위해 준 정적 하중인 1.3mm/min의 하중속도로 시험을 시행하였다.

Fig. 4 Photograph of the cryogenic bonding test using the universal testing machine

3. 시험 결과

3.1 General Behavior

Fig. 5는 본 시험을 통해 획득한 load-strain 거동을 나타낸 것이다. 앞서 언급하였듯, 시험 결 과의 유효성을 검증하기 위해 동일 시나리오에 대해 5번의 반복 시험을 시행했고, 이들 결과를 그 래프로 정리하였다.

Fig. 5 Mechanical behavior of the lab shear test: (a) Upper chamfer, (b) Bottom, (c) Vertical, (d) High Humidity, (e) 20℃ 70%, and (f) 30℃ 70%

시험 결과로 획득한 그래프를 보면, 같은 하중 이 가해지면서 비선형적인 거동을 보이며 연신율 이 증가하다가 파단이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 시험 결과의 유효성 검증을 위해 수행한 반 복 시험 결과, 최대하중과 최대 변위 측면에서 편 차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 일부는 strain 측면에서 편차가 발생하기도 했고, 일부는 최대 load 측면에서 발생하였지만 큰 폭으로 차이 가 나거나 실패한 시험은 발생하지 않았다. 즉, 각각의 시험마다 전체적인 거동이 차이는 났지만, 데이터 경향성을 크게 벗어나지 않았다. Table 2 는 시험 시나리오별 시행한 5번의 반복 시험 결 과를 최대하중과 변형률 측면에서 정리한 것이다.

Table 2. Working condition dependent test results

그래프에서 계산한 Stress 값은 접착제를 바른 면 적으로 나누어 도출하였다.

3.2 Ultimate Load

환경조건에 의존한 하중 특성을 보다 정량적으로 비교 및 분석하기 위해 5번의 반복 시험 결과 중 최대하중 기준으로 최댓값과 최솟값을 제외한 3개의 데이터 평균값을 이용해 상대적인 비교를 진행했다. Fig. 6은 작업 조건에 의존한 폴리우레 탄 계열의 접착제를 이용한 시험편의 하중 특성을 분석한 그래프이다. 그림에서 보는 것처럼 접착강 도 측면에서 최대하중 측면에서 시험 조건 별 차 이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그림에서 보는 것과 같이 Upper chamfer 조건에서 가장 높은 수준의, 그리고 30℃ 30%의 조건에서 가장 낮은 수준의 하중에 견디는 것을 확인할 수 있었 다. LNG 화물창 2차 방벽 접착강도 측면에서 통 상적으로 참고하는 GTT의 최대하중은 37.5 kN이 다. 시험을 시행한 다양한 시나리오에서는 이들 기준을 모두 만족하는 것을 확인했고, 30℃ 30% 를 제외한 모든 조건에서 해당 기준을 상회하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6 Mechanical behavior of the tested bonding strength

3.3 Fracture Surface

Fig. 7에 시험 시나리오별 파단 형상을 정리하 였다. 같은 조건에서 반복 시험을 시행했음에도 불구하고, 파단 위치와 파손 모드가 서로 상이하 게 분포되는 것을 확인할 수 있었지만, 대체적인 경향성을 분석하는 데는 크게 문제가 없었다. 대 부분의 시험 결과에서 폴리우레탄 계열의 접착제 층에서 파단이 발생하지 않았고, 이들 접착강도보 다 상대적으로 더 낮은 강도를 가지는 층에서 파 단이 발생한 것을 알 수 있었다. 그림에서 상대적 으로 회색에 가까운 부분은 FSB, 그리고 상대적으 로 흰색에 가까운 부분은 RSB이다. Fig. 7(a)에서 7(d) 결과는, 대부분 FSB에서 파손이 발생하였고, 경화 단계에서 온도를 상이하게 설정했던 Fig. 7(e)와 7(f)는 주로 RSB에서 파단이 발생하는 것 을 확인할 수 있었다. 특히, 경화 온도를 10℃ 정 도로 변화시켰음에도 불구하고, 접착강도가 약 13 kN 정도 차이가 났던 Fig. 7(e)와 (f)의 경우 본 연구에서는 파단 위치만으로는 특별한 차이를 확 인하기 어려웠다.

Fig. 7 Fracture surface of the tested samples: (a) upper chamfer, (b) bottom, (c) vertical, (d) high humidity, (e) 20℃ 70%, (f) 30℃ 70%

3.4 Failure Mode

Table 3에 본 연구에서 수행한 시나리오를 통해 발생한 파손 모드를 정리하였다. 아울러, Fig. 7을 통해 확인한 파손 모드의 대표 형상을 그림 으로 나타내었다. 대형 구조물인 LNG 운반선 화 물창에 적용되는 접착부는 상당 시간 동안 점성을 유지하기 때문에 대상 위치에 의존하여 중력에 의 한 영향을 많이 받을 것으로 사료되었다. 다만, 대부분의 시험 조건에서는 폴리우레탄 계열의 접 착제에서 파손이 발생하기 보다 상대적으로 낮은 하중에서도 파손되는 FSB와 RSB에서 파손이 발생 했다. 접착 위치와 습도에 의한 영향에서는 FSB substrate의 파손 모드를 확인하였고, 접착제 경화 조건에서 온도와 습도 조건을 상이하게 진행했던 20℃ 30% 시나리오와 30℃ 30% 시나리오에서는 RSB support의 파손 모드를 확인했다.

Table 3. Representative failure mode of the samples

4. 결 론

본 연구에서는 실제 LNG 운반선 화물창에 적 용되는 2차 방벽을 대상으로 시공 위치별 다른 자세를 취하여 작업이 진행되는 부분을 고려하여 시나리오를 구성했고, 추가로 경화되는 환경에 대 해서도 변수를 설정하여 접착부 품질검증을 수행 하였다. 본 연구에서 획득한 연구 내용을 하기와 같이 요약하였다.

ㆍUpper chamfer 조건에서 접착부 하중 평균 은 62 kN으로 가장 높았고, bottom 및 vertical 조건에서는 각각 56.4 kN, 55.1 kN 의 평균 접착강도를 보였다. 이들 위치에서는 GTT에서 규정하고 있는 접착부 품질 합격 기준인 37.5kN을 충분히 만족하였다.

ㆍ상대적으로 30℃ 70% 조건에서 가장 낮은 수준의 접착강도를 보였지만, 이를 포함하여 모든 시나리오에서 GTT의 접착부 품질 합격 기준을 충족했다.

ㆍ대부분의 파단은 접착제를 도포한 부분이 아 닌 RSB와 FSB에서 파단이 발생했다. 이는, 이미 검증된 경화 조건에서 폴리우레탄 계열 의 접착부 품질 확보가 가능하다는 것을 의미한다.

ㆍWorking condition과 high humidity에서는 FSB substrate, 그리고 경화 단계에서 온도 및 습도를 유지했던 조건에서는 RSB support 파손 모드를 확인했다.

본 연구에서는 시험편 접합 후 상온에서 일주 일 동안 경화시키는 방식에 대한 부분을 고려했지 만, 이들 외에도 자동경화 혹은 고온에서 경화하 는 방식도 채용되고 있는 만큼 이들 방식과의 비 교 분석이 필요해 보인다. 아울러, 시험을 시행했 던 시나리오 중에서 경화 온도에 대한 조건에서 시공 위치 시나리오 대비 다른 파단 형상을 보였 고, 접착강도의 민감도도 크게 차이가 나는 것을 확인하여, 향후 보다 세밀한 시나리오를 설정하여 결과의 민감도에 대한 정밀한 분석이 필요할 것으 로 생각된다. 본 연구는 현재 LNG 운반선 화물창 형태나 단열재 두께가 다변화되는 시점에서 기초 연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

사 사

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.