Numerical Study on the Strength Safety of High Pressure Gas Cylinder

The strength safety of high pressure gas cylinder has been analyzed by using a finite element method. In this study, the internal gas pressures of a steel bombe include a service charging pressure of $9kg/cm^2$, high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$, high limit of safety valve operation pressure $24.5kg/cm^2$, and hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$. The computed FEM results indicate that the strength safety for a service charging pressure of $9kg/cm^2$ and high limit charging pressure of $18.6kg/cm^2$ is safe because the stress of a gas cylinder is within yield strength of steel. But the stress for a hydraulic testing pressure of $34.5kg/cm^2$ sufficiently exceeds the yield strength and remains under the tensile strength. If the hydraulic testing pressures frequently apply to the gas cylinder, the bombe may be fractured because a fatigue residual stress is accumulated on the lower round end plate due to a plastic deformation. The computed results show that the concentrated force in which is applied on a skirt zone does not affect to the lower round end plate, and the most weak zone of a bombe is a middle part of a lower round end plate between a bombe body and a skirt for a gas pressure. Thus, the FEM results show that the profile of a lower round end plate is an important design parameter of a high pressure gas cylinder.

고압가스 압력용기의 강도안전성에 관한 수치해석적 연구

고압가스 압력용기의 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 본 연구에서 고려한 강재용기의 내압은 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$, 가스충전 최고압력 $18.6kg/cm^2$, 안전변 작동 최고압력 $24.5kg/cm^2$, 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$이다. FEM 해석결과에 의하면, 서비스 충전압력 $9kg/cm^2$와 충전최고압력 $18.6kg/cm^2$에 대한 강도안전성은 가스용기에 걸리는 응력이 강재의 항복강도 이내에 있기 때문에 안전한 것으로 나타났다. 그러나 수압시험압력 $34.5kg/cm^2$을 가하였을 때에 발생하는 응력은 항복강도를 충분히 넘어서기 때문에 불안전하지만, 인장강도 이내에 존재하기 때문에 아직은 안전하다. 수압시험압력을 용기에 자주 공급하면 용기는 소성변형에 의한 피로잔류응력이 특히 하단반구부에 축적되므로 파손될 수 있다. 계산결과에 의하면, 스커트 지역에 작용하는 집중하중은 하단반구부에 영향을 미치지 않지만, 용기에 서 가장 취약한 부분은 용기의 몸체와 스커트 사이에 위치한 하단반구부의 중간부분임을 알 수 있다. 따라서 하단반구부의 형상은 고압가스 저장용기 설계에서 중요한 요소라는 것을 보여주는 FEM 해석결과를 제공하고 있다.