[논문자료] 선박용 휴대형 질소용기(11 kg, 10 L 및 50 bar)의 두께 및 외형 설계

출처: 픽사베이

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조선소 및 선박에서는 화재 발생 시 위험 유체를 차단하기 위해 대형 셧오프 밸브(Shut off valve)가 사용되는데, 직경이 150 mm를 초과하는 밸브의 경우, 인력으로는 빠른 시간 내에 개폐가 불가능하기 때문에 공기탱크에 저장된 공압을 사용한다. 기존에는 돔부 및 바닥부와 실린더부가 용접으로 접합된(3 pieces) 고정식 대형 저압 탱크(350 kg ~ 2 ton, 200 L ~ 2000 L 및 7 bar ~ 9 bar)에 공기를 저장하기 때문에 화재나 폭발 등에 대한 위험이 있으며, 먼 거리에 있는 밸브에 공압을 공급해야할 경우 추가 배관을 필요로 하며 공급 도중 발생 하는 압력강하로 인하여 효율이 저감된다. 또한 이론적 근거를 통한 구조 설계가 이루어지지 않아 용기의 두께가 과도하며, 피로수명 및 용접부에 대한 신뢰성이 파악되지 않아 잦은 교체가 이루어 지고 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는, 작업자들의 편의성 및 효율성을 증대시키고 공기 누설로 인한 폭발 방지를 위하여, 휴대형 용접식 질소용기(11 kg, 10 L 및 50 bar)를 Fig. 1의 흐름도(Flow chart)에 따라 개발하였다. 구조적으로 취약한 용접부를 최소화하기 위하여 용기의 외형을 타원형 (2 pieces)으로 설계하였으며, 기준 무게 및 용적을 충족함과 동시에 사용압력에 대한 구조안전성을 만족하는 용기 형상의 설계를 수행하였다. 또한 용접 잔류응력 예측을 위해 APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 과도 열-구조 연성해석을 수행하였으며, Goodman 선도를 이용하여 내압에 의한 피로수명을 검증하였다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticleOrgnl.do?cn=JAKO201714942384869

 

본 논문에서는 기준 무게 및 용적을 만족하는 휴대형 용접식 질소용기(11 kg, 10 L 및 50 bar)의 형상 설계를 수행하였다. 과도 열-구조 연성 해석을 통하여 용접 잔류응력 및 작동환경을 고려한 용기의 구조해석을 수행하였으며, Goodman 선도를 이용한 피로수명을 검증하였다.

 

(1) 타원형 용기의 장단축비에 따른 내압에 의해 발생하는 응력, 질량 및 용적에 대한 연구를 수행하였으며, 질량 11 kg 미만 및 용적 10 L 이상을 만족하는 형상(두께 6 mm, 장축 160 mm 및 단 축 110 mm)을 결정하였다.

 

(2) 용기의 용접잔류응력을 예측하기 위하여 APDL을 이용한 과도 열-구조 연성해석을 수행하였다. 4개의 비드를 각 10개로 나누어, 고온의 비드가 시간에 따라 생성되는 실제 용접과 동일한 공정을 구현하여 유한요소해석을 수행한 결과, 최대 용접 인장잔류응력이 127 MPa로 나타났다.

 

(3) 용접 인장잔류응력 및 사용압력 50 bar를 고려한 타원형 용기의 구조해석을 수행한 결과, 항복강도 (205 MPa) 보다 낮은 최대유효응력(181.5 MPa)이 도출되어 구조적으로 안전할 것으로 사료되며 피로해석 결과에 따르면 용기는 무한수명을 가질 것으로 사료된다.

 

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캡 볼트 결합 압력용기 CVB Type은 Teflon 용기의 비스듬한 면을 이용하여 실링되는 압력용기로 주로 화학실험 및 연구목적을 위해 사용됩니다. 연구목적으로 많이 사용되는 압력용기이기 때문에 내화학성과 내구성이 강한 스테인리스 재질로 만들어지며, 부식 방지를 위해 내부 용기 삽입이 가능(O-ring 없는 내부 용기 사용이 가능, Teflon/PEEK/STS liner) 하도록 제작됩니다.

 

또, 노즐 추가 설치, 교반장치 및 온도센서, Port의 크기, 수량 등은 사용자의 이용목적에 따라 옵션으로 추가 구성이 가능하여 원하는 사양으로 주문 제작해 이용할 수 있습니다. CVB 시리즈는 압력 확인이 가능할 수 있도록 별도의 Port를 가지고 있으며 내부 유체 흐름이 가능한 Inlet과 Outlet으로 구성됩니다. 간단한 도구와 적은 힘으로 손쉽게 체결할 수 있어 편리성이 높다는 장점을 지니고 있는 압력용기 중 하나입니다.

 

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