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1. KR1020090032087 - AN ARRANGEMENT FOR A CYLINDRICAL TANK FOR TRANSPORTATION OF LIQUEFIED GASES AT LOW TEMPERATURE IN A SHIP

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[ KO ]
명 세 서
저온에서 액화 가스를 운반하기 위한 선박의 원통형 탱크의 구조{AN ARRANGEMENT FOR A CYLINDICAL TANK FOR TRANSPORTATION OF LIQUEFIED GASES AT LOW TEMPERATURE IN A SHIP}
기 술 분 야
본 발명은 저온에서 액화 가스를 운반하기 위한, 대형이며 독립식이고 수평한 대체로 원통형인 탱크를 선박에 탑재하기 위한 설계, 구성 및 지지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기본적으로 하나의 공통 탱크로 함께 건조된 2개의 원통형 탱크로 이루어진 소위 트윈 탱크에도 적용 가능하다.
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
수평한 독립식 원통형 탱크는 저온에서 액화 가스를 운반하기 위해 총 화물 적재량이 비교적 작은 선박에 광범위하게 사용되고 있으며, 그러한 화물 탱크(cargo tank)를 구비하여 건조된 공지의 가장 큰 선박은 약 30,000㎥의 총 화물 적재량을 갖는다.
그러나, 지난 20년 내지 30년 동안, 액화 가스의 운반을 위한 더 큰 선박이 120,000㎥ 내지 160,000㎥ 범위의 총 화물 적재량을 갖는 규정 크기로 건조되어 왔다. 최근에는, 200,000㎥보다 큰 총 화물 적재량을 갖는 선박이 계약 및 건조되고 있다.
지금까지, 이런 대형 선박은 2개의 다른 설계 개념에 따라, 즉 멤브레인형 화물 탱크와 독립식 구형 화물 탱크의 개념에 따라 대부분 건조되어 왔다.
지금까지도 액화 가스를 위한 이런 대형 선박에 원통형 탱크를 적용하는 개발이 이루어지지 않고 있다.
설계, 조립 및 선박 내 설치와 관련하여 이런 원통형 탱크가 예를 들면 구형 탱크와 비교하여 바람직함에도, 전술한 바와 같이 독립식 원통형 탱크는 액화 가스의 운반을 위한 대형 선박에 적용된 적이 없다.
구형 탱크는 1개의 자유도(직경)만을 가지는 반면, 원통형 탱크는 주변 선체 내에의 배열 및 설치에 유리한 2개의 자유도(직경 및 길이)를 가진다.
또한, 원통형 탱크의 제작 및 건조는 구형 탱크와 비교하여 훨씬 간단하다.
그러나, 지난 5년 내지 10년 동안, 소위 멤브레인형의 선박이 우세한 형태였으며, 액화 천연 가스(LNG)의 운반용 대형 선박들을 대신하였다. 하지만, 이들 선박은 성능에 한계가 있다. 특히, 선박이 거친 해양에서 항해중일 때 액체 운동[슬러싱(sloshing)]을 견디기 위한 화물 봉쇄 시스템의 수용 내구력과 관련하여 한계가 있다. 슬러싱으로 인한 손상의 위험성 때문에, 이들 형태의 선박이 항해중일 때 만탱크(full tank)의 약 20% 내지 약 80% 사이로 화물 탱크를 부분 충진하는 것을 허용하지 않는다.
또한, 이런 충진 제약 외에도, 슬러싱으로 인하여 화물 봉쇄 시스템의 절연 박스와 멤브레인에 대한 손상이 종종 발생하였다. 화물 탱크의 개수는 LNG용 선박의 건조 비용에 있어 중요한 파라미터이다. 계약 및 건조하에 있는 초대형 선박에 있어, (다소 소형의 멤브레인형 선박과 비교하여) 화물 탱크의 개수를 4개에서 5개로 증가시킬 필요가 있고, 이런 경우 이런 선박의 건조를 위해 상대적으로 많은 비용이 요구된다는 점을 생각해 볼 필요가 있다.
멤브레인형 및 구형 탱크의 LNG 선박의 공통된 약점/단점은 화물 탱크의 상부와 하부 사이에 배관, 배선 및 내부 접근을 위한 구조에 있다. 상부와 하부 사이의 거리는 40 미터 내지 45 미터 범위일 수 있고, 탱크 하부로의 접근을 위한 래더뿐만 아니라 배관 및 배선을 지지 및 고정하기 위해 각각의 화물 탱크 내부에 자립형 타워가 제공되어야 한다.
또한, 이들 타워는 해양에서 슬러싱을 견디기 위한 충분한 강도를 가져야 하기 때문에, 타워는 상당히 복잡하고 고가인 구조물이 된다.
액화 가스의 운반을 위한 대형 및 초대형 선박에 독립식 원통형 탱크를 적용하기 위한 개념적 대안은 소형의 액화 가스 운반선에 적용된 원통형 탱크의 기존 구성을 업스케일링하는 것일 수 있다.
이런 소형의 액화 가스 운반선에 있어서, 독립식 원통형 탱크는 2개의 새들(saddle) 구조부에 지지되고, 이런 새들 구조부는 주변 선체 구조부에 통합된다. (알루미늄, 스테인레스 강 또는 저온강으로 제조되는) 화물 탱크와 강으로 제조되는 새들 구조부 사이에는 가득찬 화물 탱크의 중량을 지탱하기에 충분한 강도의 단열 재료가 제공된다.
이런 원통형 탱크에 대한 임계 하중점은 지지부와 쉘, 그리고 상기 지지부 근처의 내부 보강재에 있게 된다. 소형 선박/탱크의 내부 보강재는 일반적으로,
1) 플랜지를 구비한 단일 링 스티프너, 또는
2) 단일 원형의 천공 워시 격벽(wash bulkhead)과 관련된 플랜지를 구비한 단일 링 스티프너로 구성된다.
이런 종류의 보강재는 소형 및 중형 액화 가스 운반선에 충분하며, 이런 소형 화물 탱크에서는 충진 레벨에 대한 제약이 일반적으로 필요하지 않다.
수평한 원통형 탱크와 상기 1)과 같은 내부 보강재를 갖는 대형 선박은 항해중에 슬러싱으로 인한 탱크의 충진 레벨에 대한 제약을 가질 것이다.
상기 2)와 같은 내부 보강재는 대경의 단일 워시 격벽을 강화하기 위한 어려움으로 인해 대형 탱크에 대해 현실적이지 않다. 또한, 이들 두 형태의 구조부/보강재는 반경 강성 및 강도를 제한하며, 이런 제한은 탱크가 대형화될수록 점점 중요하게 된다. 따라서, 강성 및 강도의 결여는 지지 영역에서 탱크의 주연부를 따른 반경 방향 변형을 초래할 것이며, 이런 변형과 이에 수반하는 응력은 정확하게 계산되기 어려울 것이다. 또한, 상이한 드래프트(draught)와 해양 조건으로 인한 주변 선체의 변형은 지지 시스템과 화물 탱크에 전달될 것이다.
새들 구조부를 갖는 주변 선체가 변형된다는 사실과, 지지 영역의 탱크가 반경 방향 변형을 갖는다는 사실은 화물 탱크 요소의 응력 수준에 대한 정확한 사전 계산을 어렵게 할 것이다. 그러나, 이런 응력의 정확한 사전 계산은 적용 가능한 국내/국제 기관 및 선급 협회로부터의 필수 요구조건이며, 소형 선박의 원통형 탱크에 적용되는 구조부/보강재 유형은 대형 선박에 적용하기 어렵거나 심지어 불가능하다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 액화 가스, 특히 액화 천연 가스(LNG)를 운반하기 위한 대형의 독립식 원통형 탱크를 적용할 수 있는 기술적 해결책을 제공한다. 또한, 본 발명은 전술한 다른 설계 개념들의 주요 약점/단점들을 경감시킨다. 본 발명에 따른 구조는 청구범위 제1항에 의해 한정되고, 본 발명에 따른 방법은 제12항에 의해 한정된다.
특히, 본 발명은 이하의 주요 항목에 대해 양호한 기술적 해결책을 제공한다.
- 항해중 화물 탱크의 충진 레벨에 대한 상당한 제약을 회피.
- 화물 탱크의 제한된 최소 개수의 달성이 가능(화물 적재량에 따라 2개, 3개 또는 4개의 화물 탱크).
- 배관, 전기 배선, 그리고 화물 탱크의 상부와 하부 사이의 접근을 위한 화물 탱크의 단순한 내부 배열이 가능.
또한, 본 발명은 지지부에서 탱크의 내부에 구조부/보강재를 제공하며, 이는 일반적인 하중 조건에서 주변 선체 구조와 화물 탱크의 재료에 대한 정확한 응력 계산을 가능하게 한다.
본 발명은 각각의 지지부에서 화물 탱크의 내부에 다른 지지부와 함께 2개의 원형의 천공 격벽을 제공한다. 원형의 격벽들 사이의 거리는 일반적으로 1 미터 내지 4 미터의 범위에 있다. 원형의 천공 격벽들 사이에는 거더/스티프너의 프레임워크가 제공되어 용접되며, 이에 의해 2개의 원형의 천공 격벽이 프레임워크를 통해 상호 연결된다. 후속하여, 외부 쉘 플레이트의 인접한 섹션들은 원형의 천공 격벽들의 주연부와, 격벽들 사이의 반경 거더에 용접된다. 따라서, 2개의 원형의 천공 격벽과, 개재 프레임워크와, 외부 쉘 플레이트는 강성의 휠 형상 구조를 구성하게 된다.
이런 구조에서 2개의 원형 격벽은 탱크 내부의 레벨의 차이를 신속하게 균형 잡기 위한 많은 개구부/천공부를 구비한다. 2개의 원형의 천공 격벽은 중간 프레임워크 및 외부 쉘과 함께 매우 강한 구조를 형성하게 된다. 반경 강성 및 전체 강성(global stiffness)이 거의 무한할 수 있기 때문에, 일반적인 외부 하중에서 탱크의 임의의 전체 또는 국부 반경 방향 변형이 거의 불가능하게 된다.
이에 기초하여, 화물 탱크의 응력 계산은 단순하면서도 신뢰성이 있고, 따라서 정확한 사전 응력 계산에 대한 요구 조건이 실현될 수 있다. 또한, 중간 프레임워크를 구비한 이중 격벽은 효율적인 방식으로 슬러싱으로부터의 힘에 대해 견딜 수 있고, 이에 따라 외부 쉘에 부착되는 격벽에서의 국부 응력은 단일 격벽에서의 국부 응력보다 현저하게 작을 것이다. 예를 들어, 145,000㎥의 총 화물 적재량을 갖는 원통형 화물 탱크를 구비한 선박에 3개의 화물 탱크가 제공되는 경우, 선박은 내부 격벽의 천공부를 최적화함으로써 화물 탱크의 부분 충진에 대한 제약을 받지 않을 것으로 기대된다.
이는 145,000㎥의 총 화물 적재량에 대해 최소한 4개의 화물 탱크를 필요로 하는 멤브레인형 및 구형 탱크의 선박과 비교하여 현저한 장점에 해당한다. 또한, 전술한 바와 같은 멤브레인형 화물 탱크의 선박은 해양에서 부분 충진으로 인한 제약을 갖는다.
각각의 지지부에 있는 2개의 원형의 천공 격벽 사이의 공간은 배관, 배선, 그리고 탱크의 상부와 하부 사이로의 접근을 위해 효율적인 방식으로 이용될 수 있다. 배관과 배선의 연결을 위해 접근 해치를 구비한 돔은 이중 격벽의 바로 위에 배열된다.
화물 탱크는 선체의 새들 지지 구조부에 설치 및 구성될 때 대기 온도를 가진다. 그러나, 화물 탱크가 제1 화물(예를 들면, LNG)의 적재에 의해 냉각되면, 탱크의 직경은 30미터 직경의 강철 탱크에 있어서 약 60㎜ 직경이 수축될 것이다. 적어도 이론적으로, 탱크는 새들 지지부에 대한 최초 접촉면으로부터 부분적으로 변형되고, 이로 인해 선박이 해양에서 롤링(rolling)될 때 탱크는 간과할 수 없는 횡방향으로의 불안정한 위험성에 노출된다.
이런 위험성은 횡방향 이동에 대해 (각각의 탱크에 대해 2개인) 돔을 고정함으로써 배제되고, 이에 따라 탱크는 동일한 횡방향 위치에 일정하게 유지된다.
이중 격벽 상의 돔 구조는 격벽의 평면상에 있는 돔에 외부 브래킷을 배열하고 이와 동시에 돔에 내부 강성 플레이트의 배열을 가능하게 한다. 이는 원형의 격벽에 연결된 돔의 구조가 일반적인 모든 횡방향 힘에 대해 저항하여 상기 힘을 주변 데크 구조물로 전달할 수 있도록 한다. 화물 탱크로부터 돔을 거쳐 주변 데크 구조물로의 횡방향 힘의 전달은 돔과 데크 구조물 사이에 특정하게 배열된 절연 재료의 시스템에 의해 가능하다. 또한, 이들 사이의 재료의 배열은 화물 탱크의 온도 변화에 따른 임의의 수직 및 종방향 이동을 처리한다. 후미 돔에서는 화물 탱크의 수직 이동이 가능할 수 있다. 선미 돔에서는 수직 및 종방향 이동이 가능할 수 있다. 선박이 새깅(sagging) 및 호깅(hogging)되면, 후미 돔은 얼마간의 종방향 이동을 허용할 수도 있다.
본 발명의 설계 개념의 다른 장점은 정확한 진원도(roundness)를 갖는 빌트인 격벽/프레임워크를 구비한 지지부에 원통형 섹션의 제작이 가능하다는 것이다. 원형의 천공 격벽은 건조되어 완전히 용접될 수 있고, 초기에 초과 치수를 갖고 만들어질 수 있다. 최종 용접시에, 격벽은 정확한 직경으로 측정, 표시 및 절단되어, 정확한 원형 진원도가 달성되어 보증될 수 있다. 다음 단계에서, 인접한 쉘 플레이트는 원형의 천공 격벽 및 인접한 프레임워크에 용접되어, 정확한 진원도를 여전히 유지한다.
지지부에서의 탱크의 정확한 진원도로 인해, 선체의 새들 구조부에 탱크를 맞춤하는 것이 용이하게 된다.
다른 신규의 대안은 탱크와 선체 사이의 새들 구조부의 주연부를 따라 압력 변환기를 적용하는 것이다. 새들 상의 압력 하중이 지속적으로 모니터링되어, 지지 시스템의 주연부에 따른 사전 계산 하중과 비교될 수도 있다.
본 발명의 보다 명확한 이해를 위해 첨부한 도면에 개략적으로 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 자세히 설명될 것이다.
도면의 간단한 설명
도1A 및 도1B 각각은 본 발명을 구체화하는 LNG 운반선의 측면도 및 평면도이다.
도2A 및 도2B는 도1에 도시된 선(A-A)을 따라 취한 단면도로서, 본 발명의 2개의 다른 실시예를 도시한다.
도3은 도2A 및 도2B에 도시된 선(B-B)을 따라 취한 단면도이다.
도4는 도3에 지시된 상세부 3을 확대한 도면이다.
도5A 및 도5B는 도1에 지시된 상세부 1을 확대한 도면이다.
도6A 및 도6B는 도1에 지시된 상세부 2를 확대한 도면이다.
실 시 예
도1A 및 도1B는 약 145,000㎥의 총 화물 적재량(total cargo capacity)을 갖는 LNG 운반선(1)에 대한 전반적인 구조를 도시하는 평면도로서, 상기 LNG 운반선은 3개의 원통형 화물 탱크를 구비한다.
도2A 및 도2B는 선박과 화물 탱크를 관통하는 횡단면도로서[도1A의 섹션(A-A)을 참조], 상기 횡단면도는 하나의 화물 탱크에 대한 지지부들 중 하나에서 천공 격벽(perforated bulkhead: 3)들의 사이를 도시한다.
도면들은 원형의 천공 격벽 사이의 프레임워크에 대한 2개의 다른 구조/해결책을 도시한다.
도2A에 도시된 개재 프레임워크는 수직 플레이트 거더(grider: 4)와 수평 플레이트 거더(5)로 구성된다.
외측에는 동심 링 거더(6)가 배열되고, 상기 동심 링 거더(6)와 탱크(2)의 플레이트(2) 사이에는 반경 거더(7)가 배열된다. 쉘과 거더 사이에서의 최적의 힘 전달을 위해서는, 힘이 쉘 플레이트를 향해 수직으로 전달되는 것이 중요하다.
도2B에 도시된 개재 프레임워크는 동심 링 거더(6)와 반경 거더(7)로 구성된다.
도2A 및 도2의 실시예는 탱크의 상부와 하부 사이에 있는 래더(ladder: 8)와, 배관/배선(9)을 개략적으로 도시한다.
도2A 및 도2B의 실시예는 기본적으로 격벽의 천공부/개구부(10)를 도시한다. 격벽의 천공부/개구부의 최종 개수/위치는 항해중에 발생하는 탱크내의 슬러싱(sloshing)으로부터 격벽과 쉘에 작용하는 하중/응력을 최소화하기 위한 최적의 결과를 달성하도록 고려되어 계산될 것이다.
도2A 및 도2B의 실시예는 외부 단열부(11), 새들 지지부(12), 그리고 상기 새들 지지부와 화물 탱크 사이의 절연 및 중량 지지 재료(13)가 제공된 화물 탱크를 도시한다.
도3은 도2A 및 도2B에 지시된 섹션(B-B)의 단면도로서, 상호 일정한 거리를 두고 위치한 2개의 천공 격벽(3)을 도시한다. 상기 거리는 1 미터 내지 4 미터의 범위가 되도록 미리 지정된다. 도3은 전반적으로 지지부들 중 어느 하나의 지지부에서 탱크의 종방향 이동에 대해 탱크(2)를 새들 지지부에 고정하기 위한 설명을 위한 도면이다. 다른 지지부에서, 탱크(2)는 종방향으로 자유로이 활주한다.
또한, 도3은 액체 화물의 자유로운 유동과, 원형 격벽들 사이의 모든 공간으로의 접근을 허용하는 개구부(10, 14)를 구비한 (동심 거더를 포함한) 수직 거더 및 수평 거더를 도시한다.
도4는 도3에 지시된 상세부 3을 도시하는 도면으로서, 종방향으로 격벽(3) 및 반경 플레이트(7)로부터 외부 쉘 플레이트(17)로 (주로 슬러싱으로 인한) 힘을 전달하기 위한 구조를 도시한다.
격벽(3)과 쉘(17) 사이의 전이부에 있는 브래킷(15)은 탱크의 내부에 도시되어 있고, 동일한 평면에 있는 브래킷(16)은 탱크의 외부에 도시되어 있다. 이들 양 브래킷은 쉘을 향한 종결부에서 제로(zero)로 접근하면서 스닙 처리(snip)된다. 또한, 외부 브래킷(18)은 지지 구역에 도시되어 있고, 다른 브래킷(15, 16)과 내부 반경 플레이트(7)는 동일한 반경 평면 내에 있다. 전술한 브래킷(18)의 구조는 탱크와 새들 지지부 사이의 개재 재료(13)에 브래킷을 위한 공간을 절단함으로써 형성된다. 종방향으로 탱크를 고정하기 위해, 플랫 바아(19)는 탱크의 지지 구역의 주연부를 따라 외부에 배열된다.
대응하는 플랫 바아(20)는 새들 지지부(12)와 주변 선체(1)에 대해 개재 재료(13)를 고정하기 위해 새들 지지부(12)에 배열된다.
도5A 및 도5B는 도1A에 지시된 상세부 1을 도시하는 도면으로서, 후미 돔(aft dome: 23)에서 횡방향 및 종방향으로 탱크(2)를 고정하기 위한 원리를 도시한다. 동심 링(21)은 선체(1)에 고정되고, 동심 링(22)은 후미 돔(23)에 고정되며, 동심 링들 사이의 표면은 탱크(2)의 온도 변화에 기인하는 후미 돔(23)의 수직 이동을 위한 활주면으로서 작용한다. 이들 동심 링의 재질은 화물 탱크와 새들 지지부 사이에 적용되는 재질과 동일한 재질일 수 있다.
그러나, 후미 돔(23)과 탱크(2)는 횡방향 및 종방향으로의 이동에 대해 고정되고, 선박이 항해 중일 때 화물 탱크(2)에 작용하는 동적 힘(dynamic force)은 탱크(2)로부터 후미 돔(23)과 동심 링(21, 22)을 거쳐 선체(1)로 전달된다. 힘을 견디면서 전달하기 위해, 후미 돔(23)은 수직 보강 플레이트(24)와 수평 보강 플레이트(25)에 의해 내부적으로 보강된다.
수직 보강 플레이트(24)는 2개의 원형 천공 격벽(3)과 동일한 평면에 배열될 수 있고, 또한 힘 전달시의 응력 집중을 감소시키기 위해 탱크의 쉘 플레이트(17)와 후미 돔(23) 사이의 브래킷(26)도 동일한 평면에 배열된다.
도5B는 도5A에 지시된 섹션(C-C)을 도시한다.
도6A 및 도6B는 도1A에 지시된 상세부 2를 도시하는 도면으로서, 횡방향으로 탱크(2)를 고정하고, 이와 동시에 온도 변화에 따른 수직 방향 및 종방향으로의 선미 돔(29)과 탱크(2)의 자유로운 이동을 보장하기 위한 선미 돔(29)에서의 원리를 도시한다. 중간 요소(27, 28)는 선미 돔과 주변 선체(1)의 사이에 배열된다. 내부 요소(27)는 돔에 고정되고, (2개의 분리 편인) 외부 요소(28)는 선체(1)에 고정되며, 내부 요소(27)와 외부 요소(28)의 결합면은 탱크(2)의 온도 변화에 따른 선미 돔(29)의 수직 방향 및 종방향 이동을 위한 활주면으로서 작용한다. 중간 요소의 재질은 화물 탱크와 새들 지지부 사이에 적용된 재질과 동일한 재질일 수 있다.
그러나, 도시된 구조에 의해, 선미 돔(29)과 탱크(2)는 횡방향 이동에 대해 고정되고, 화물 탱크(2)에 작용하는 횡방향 동적 힘은 탱크(2)로부터 선미 돔(29)과 중간 요소(27, 28)를 거쳐 선체(1)로 전달된다. 힘을 견디면서 전달하기 위해, 선미 돔(29)은 수직 보강 플레이트(30)와 수평 보강 플레이트(31)에 의해 내부적으로 보강된다.
수직 보강 플레이트(30)는 2개의 원형 격벽(3)과 동일한 평면에 배열된다.
또한, 힘 전달시의 응력 집중을 감소시키기 위해 탱크의 쉘 플레이트(17)와 선미 돔(29) 사이의 브래킷(32)도 동일한 평면에 배열된다.
도6B는 도6A에 지시된 섹션(D-D)을 도시한다.
본 발명은 전술한 예시적인 실시예에 한정되지 않으며, 첨부한 청구범위의 범주 내에서 당업자에 의해 변형 및 변경될 수 있음을 이해할 것이다.