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LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개(Introduction to Design of LNG Storage Outer Tank)

황 은 아* , Hwang, Eun A

원 남 규** , Won, Nam Kyu

정 명 진*** , Chung, Myung Jin

윤 성 일****, Yoon, Sung Il

요 지

급격한 경제성장으로 인해 화석 연료 에너지 수요가 급증하여 이로 인한 환경문제가 대두 되

면서 청정에너지로서 천연가스에 대한 관심 및 수요가 증가하고 있다. 따라서 대용량의 천연가

스를 생산지에서 소비지까지 공급하기 위하여, 약 -162℃의 초저온 액체 상태인

LNG(Liquefied Natural Gas)로 변환하여 천연가스를 운송 및 저장 하여야한다. 이에 따라 대

용량의 LNG를 저장하기 위한 LNG 저장탱크의 수요가 점차적으로 증가하고 있다. 이러한

LNG 저장탱크는 교량, 빌딩, 댐과 같은 일반적인 사회기반시설물과는 달리 초저온 상태의 액체

를 안전하게 저장할 수 있도록 초저온 액체의 거동 및 열전달 특성을 설계상에 충분히 고려해야

한다. 본문에서는 LNG 저장탱크 개요, 국내 기술현황 및 외조설계 기본개념과 주요 기술인 프

리스트레싱 설계, 내진 설계, 가스누출해석(Spillage Analysis)에 대해 소개하고자 한다.

Abstract

Recently, Natural gas is in spotlight world widely as a clean energy resource due to

the increase of the interest in environmental problems, so that the demand of natural

gas has been gradually increased. Natural gas should be transported and stored as in

the LNG(Liquified Natural Gas), which is liquid form of natural gas by cooling it to

approximately -162℃ to supply an enormous amount of natural gas to customer.

Therefore, it has increased the demand of LNG tank for storage of the large amount of

natural gas. Since the LNG storage tank is exposed to extremely lower temperature

than other infrastructures such as bridges and buildings, the heat transfer and liquid

behavior should be carefully reflected on the design to prevent the leakage of

cryogenic liquid from the LNG storage tank. In this study, it is introduced the

overview and design of outer tank of LNG storage tank including prestressing design,

seismic design and spillage analysis.

* (주)대우엔지니어링 경영지원실 기술연구소 사원

** (주)대우엔지니어링 인프라사업본부 토목사업그룹 대리

*** (주)대우엔지니어링 경영지원실 기술연구소 과장

**** (주)대우엔지니어링 경영지원실 기술연구소 차장

┃토목분야┃

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 119

1. 서론

세계적으로 친환경 사업에 대한 관심이 증가

하고 있는 가운데 석유, 석탄 등과 같은 기존

의 에너지원을 대체할 수 있는 청정연료의 수

요가 점차 증가하고 있다. 또한 지속적인 유

가 상승 및 1970년대의 두 차례의 석유 위기

를 겪으면서 석유 의존도를 줄이고자 하는 노

력이 정부정책의 일환으로 꾸준히 이루어지고

있다. 이러한 상황에서 천연가스는 청정성, 안

정성, 편리성을 두루 갖춘 주요 에너지원으로

그 수요가 점차 증가할 것으로 기대된다.

우리나라는 배관을 통해 천연가스를 직접 공

급 받는 미국이나 유럽과 달리 천연가스를 초

저온으로 액화시킨 LNG(Liquified Natural

Gas)를 도입하여 소비자에게 공급하고 있다.

따라서 국내의 천연 가스의 수요증가와 함께

LNG를 저장하기 위한 LNG 저장탱크의 수요

역시 증가하고 있다. 정부는 2003년도에 장기

천연가스수급계획을 수립하여 2010년에 총 56

기의 LNG저장탱크 확보를 목표로 사업을 추진

하고 있다[1].

또한 말레이시아, 호주, 인도네시아 등과 같

은 주요 천연가스 생산 국가에서 지속적으로

LNG 수출기지를 신설 및 확장하고 있으며, 일

본, 스페인, 중국 등의 에너지 수입 국가에서도

LNG 수입기지의 건설 및 확장이 예정되어 있

다. 이렇듯 세계적으로 LNG 저장의 수요가

증가함에 따라 LNG 저장탱크의 설계와 시공이

건설업계에서 주목 받고 있다.

당사도 LNG 저장탱크 설계에 참여하고 있으

며 자체 설계 기술 개발에 많은 관심을 가지고

있다. 이에 본문에서는 국내에서 주로 시공되

고 있는 9% 니켈(Ni) 완전방호식 LNG 저장탱

크를 대상으로 외조 설계에 대한 소개를 하고

자 한다.

2. LNG 저장탱크 개요 및 현황

2.1 LNG 저장탱크의 종류

LNG 저장탱크는 사고 발생 시, 방호 방식에

따라 크게 3가지로 분류된다[2].

① 단일방호탱크 (Single Containment Tank)

저온액체에 직접 접촉하는 내조만이 저온

연성의 필요조건을 충족하도록 설계 및 시

공 되는 탱크로 내조에서 초저온 액체가 누

출 되었을 경우 이로 인한 2차 피해를 막기

위한 방액제(Dike)가 필요하다.

② 이중방호탱크 (Double Containment Tank)

내조 및 외조가 저온 연성의 조건을 만족

하도록 설계, 시공하는 형식의 탱크이다.

외조는 내조 파괴로 인해 누출된 액체를 저

장할 수 있도록 설계 및 시공되지만 기화된

가스의 누출 방지 기능은 고려하지 않는다.

③ 완전방호탱크 (Full Containment Tank)

이중방호탱크와 마찬가지로 내조와 외조

모두 저온 연성 조건을 만족해야 한다. 외

조는 내조 파괴 시 누출된 액체를 저장할

수 있을 뿐만 아니라 가스의 누출도 방지

할 수 있도록 설계 및 시공된다.

1970년대까지 주로 건설된 단일방호탱크를

1세대 탱크라 하고, 1970년대 이후에 건설된

이중방호탱크와 완전방호탱크를 2세대 탱크로

분류한다. LNG 저장탱크 형식별 도식도가

[그림 1]에 나타나 있다.

120

(a) 단일방호탱크

(b) 이중방호탱크

(c) 완전방호탱크

[그림 1] LNG저장탱크의 종류[2]

2.2 국내 LNG 저장탱크 설계 기술 현황

전 세계적으로 천연가스의 수요는 꾸준한 증

가 추세를 보이고 있으며, 2030년에는 2002년

대비 약 2배 수준으로 증가할 것으로 예상된

다. 그에 따른 투자액은 연평균 약 1,000억

달러가 될 것이라고 전망되고 있다.[3] 근래에

들어 이러한 전망에 따라 국내 유수의 건설관

련 기업들이 LNG 생산·운송·저장 사업에 적극

적으로 참여하고 있는 실정이다.

LNG 저장탱크 시공 기술은 지금까지 많은

건설 경험을 바탕으로 세계적인 수준에 도달해

있지만 설계 기술의 경우 핵심기술은 여전히

외국 기술에 의존하고 있는 것이 현실이다[1].

이를 극복하기 위해 국내 기업들은 독자적인

LNG 저장탱크 설계 기술력을 보유하고 있는

국외의 주요 엔지니어링 회사와 기술 제휴를

맺는 등, 설계 기술을 향상하기 위한 많은 시

도를 하고 있다. LNG저장탱크 시장에서 국내

기업과 해외 선진 기업의 제휴 현황이 <표 1>

에 나타나 있다.

<표 1> 국외 LNG 저장탱크 기술 보유 현황[1]

국가 회사명저장탱크 형식 국내기술

제휴업체9% Ni 강 멤브레인식

미국CB&I ○ 현대건설

PDM ○ LG건설

일본

TKK ○ 대림산업

MHI ○ ○ 현대건설

IHI ○ ○ 삼성물산

KHI ○ ○ 대우건설

NKK ○ ○ 대림산업

영국 Whessoe ○ KOGAS

프랑스 GTT○

(주)한양○ ○

하지만 이러한 노력에도 불구하고 기술을 보

유하고 있는 해외 선진 기업들이 핵심기술 이

전을 꺼려하고 있어 독자적인 설계기술을 확보

하기가 어려운 것이 현실이다.

LNG 저장탱크 설계분야에서 국내 기술 자립

화의 비교적 성공적인 사례로 한국가스공사를

들 수 있다. 한국가스공사는 영국의 Whessoe

사와의 협력 체계를 구축, 2001년에 14만 ㎘

급 9% 니켈(Ni) 완전방호식 저장탱크 설계를

완료하여 국내 LNG 저장탱크 설계 분야 시장

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 121

을 선점하고 있다. 또한, 한국가스공사 및 한

국가스기술공사는 멤브레인(Membrane) 형식의

LNG 저장탱크를 독자적으로 개발한 바 있다.

LNG 저장탱크 설계 분야는 수요가 많은데

비해 독자적인 설계가 가능한 업체가 한정되어

있어 설계의 공급이 거의 독점적으로 이루어지

고 있다. 따라서 현재 당사에서 추진하고 있

는 LNG 저장탱크 설계 자립화를 통해 꾸준히

증가 할 LNG 시장을 개척하고, 경쟁력을 확보

할 수 있을 것이라 판단된다.

3. LNG 저장탱크 외조 설계 개요

3.1 LNG 저장탱크 외조의 구조

LNG 저장탱크는 공정, 기계, 전기, 토목 등

다양한 분야가 복합적으로 고려되어야 하는 복

합 구조물이다. 본문에는 그 중 토목분야에

해당하는 외조 설계를 소개 한다.

포스코 광양 LNG 인수기지, 평택 LNG 인수

기지 등 국내의 LNG 인수기지는 완전방호식

LNG 저장탱크를 채택하고 있다. 따라서 본문

에서는 앞서 소개한 3가지 종류의 LNG 저장

탱크 중 완전방호식 LNG 저장탱크의 외조설계

에 대한 소개를 진행 하고자 한다.

완전방호형 LNG저장탱크는 크게 9% 니켈

(Ni) 강 또는 맴브레인 형식의 내조와 프리스

트레스 콘크리트 외조로 이루어져 있다. LNG

와 직접 접하는 내조는 정상 운전 시, LNG의

액압 하중 및 온도하중을 견디게 설계 및 시공

된다. 콘크리트 외조는 외부의 하중뿐만 아니

라 내조 파괴 시, LNG 누출에 의한 추가적인

피해를 방지할 수 있도록 설계 및 시공된다.

완전방호식 LNG 저장탱크의 일반적인 형태가

[그림 2]에 나타나 있다.

[그림 2] 완전방호식 LNG 저장탱크[4]

본문에서 다루고자 하는 외조는 돔형 지붕,

링빔(Ring Beam), 벽체, 바닥판, 파일 기초 등

으로 이루어져 있다.

돔형 지붕은 철골조 지붕위에 약 5mm의

Roof Plate를 거치하고 그 위에 약 500mm

두께의 철근콘크리트를 타설하여 완성된다.

돔형 지붕과 벽체 사이에는 지붕에서 전달된

수평력을 지지할 수 있도록 링빔이 설치된다.

벽체는 두께에 따라 두 부분으로 나눌 수 있

다. 상부벽체는 두께가 일정한 완전 원통형

이며 하부벽체는 외측의 지름이 아래 방향으로

증가하여 벽체가 두꺼워지는 형상이다. 벽체

는 프리스트레스 기법을 도입, 긴장재를 이용

하여 수평과 수직 방향으로 긴장된다.

말뚝기초의 직경과 배열은 벽체 하단부와 바

닥판 하부에서 상대 부등 침하가 발생하지 않

도록 선정해야한다.

3.2 LNG 저장탱크 설계 하중

LNG 저장탱크 외조에 작용하는 하중이 <표

2>에 정리되어 있다.

122

<표 2> LNG 저장탱크 외조 작용 하중

A. 영구하중 (Permanent Loads)

• 사하중 (단열재 포함)

• 콘크리트의 건조수축에 의한 하중

B. 프리스트레스 하중 (Prestress Loads)

• 마찰, 이완(Relaxation), 건조수축, 크리

프 등에 의한 손실을 고려

C. 가변 하중 (Variable Loads)

• Hydro-test 하중

• Operational LNG load

• 내부 가스 하중

• 외부 온도 변화에 따른 하중

• 풍하중

• 지붕에 작용하는 활화중(설하중 포함)

• 기능수행수준지진(OBE*)

D. 비상 시 하중 (Emergency loads)

• 누출하중(Spillage load)

• 충돌 하중(미사일 하중)

• 붕괴방지수준지진(SSE**)

*OBE(Operating Basis Earthquake) **SSE(Safe Shutdown Earthquake)

이러한 하중을 바탕으로 <표 3>과 같은

LNG 저장탱크의 상황 시나리오에 따라 하중

계수를 적용하여 적절한 하중 조합을 구조 해

석에 적용한다.

<표 3> LNG 저장탱크 상황 시나리오

정상상태 비상상태

• 시공 (Construction)

• 성능 테스트

• 정상가동 (Operation)

• 정상가동 + OBE

• LNG 누출

• LNG 누출 + OBE

• 미사일 충돌

• SSE

3.3 LNG 저장탱크 설계 방법

현재 국내에서는 LNG 저장탱크 설계에 적합

한 규정이 마련되어 있지 않아 유럽, 일본, 미

국 등의 관련 코드를 사용하고 있다.

국내에서 주로 사용되는 BS (British

Standard) 코드는 한계상태설계법 (LSD:

Limit State Design)으로 안전성은 극한한계상

태 (ULS: Ultimate Limit State)를 검토함으로

써 확보하고, 사용성은 사용한계상태 (SLS:

Serviceability Limit State)를 검토하여 확보

한다. 또한 하중과 재료에 대하여 각각 부분

안전계수를 사용하여 이들의 특성을 설계에 합

리적으로 반영한다. 극한한계상태에서의 개략

적인 부분하중계수와 부분재료계수가 <표 4>

와 <표 5>에 정리되어 있다. 사용한계상태에

서는 부분하중계수 및 부분재료계수는 모두

1.0을 사용한다[2].

<표 4> 부분하중계수 (극한한계상태)

하중

정상상태 비상상태

AdverseBene-

ficialAdverse

Bene-

ficial

영구하중 1.4/1.2 1.0 1.05 1.0

Prestress 1.2 0.9 - 0.9

가

변

하

중

풍하중 1.4 - 0.30 -

OBE 1.2 - 1.05 -

기타 1.4/1.2 - - -

비상시 하중 - - 1.05 -

<표 5> 부분재료계수 (극한한계상태)

Design Situation 콘크리트 철근

Normal

Flexure/

Axial Load1.5 1.05

Shear 1.25 1.05

Emergency

Flexure/

Axial Load1.3 1.0

Shear 1.1 1.0

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 123

LNG 저장탱크의 외조 설계에는 강구조,

RC(Reinforced Concrete), PSC(Prestressed

Concrete)의 해석 및 설계 기술이 사용되며

그 밖에도 가스누출해석(이하 Spillage

Analysis) 등 LNG 저장탱크에 국한되는 특화

된 기술을 이용한다. 다음에서 이러한 다양한

기술 중에서 프리스트레싱 설계, 내진설계,

Spillage Analysis를 소개한다.

4. 프리스트레싱(Prestressing) 설계

4.1 개요

LNG 저장탱크 외조의 설계 및 시공에서는

원환 방향의 인장력과 수직방향의 휨모멘트에

대한 안전성을 확보하기 위해 프리스트레스를

도입 한다.

원형 탱크에 프리스트레싱을 도입할 경우

텐던(Tendon)에 의해 도입되는 압축력이 액압

등 내부 압력에 의한 인장력 및 휨모멘트를 효

과적으로 상쇄시켜 RC를 적용할 때보다 보다

경제적이고 안전한 구조물 건설이 가능하다.

내압에 의해 탱크의 측벽에는 원환방향의

인장력(Hoop Tension)과 연직방향의 휨 모멘

트가 발생한다. 따라서 원환방향 인장력에 대

하여는 원환방향으로, 휨모멘트에 대해서는 연

직방향으로 프리스트레스를 도입해야 한다[5].

본문에서는 LNG 저장탱크에 도입되는 프리

스트레싱 중, 벽체의 원환 프리스트레싱의 설계

과정을 간략히 소개한다.

4.2 원환 프리스트레싱 설계

벽체의 원환 프리스트레싱의 설계과정은 다

음과 같다.

1) 벽체에 작용하는 내압의 계산

벽체에 작용하는 내압으로는 내조에서

LNG 누출 시 작용하는 액압 및 가스압,

단열재에서부터 발생되는 횡압력 등이 있

다.

2) 유효 프리스트레스의 계산

프리스트레싱 텐던에 가해진 인장력은 여

러 가지 원인에 의해 감소되고 그에 따라

콘크리트에 도입된 프리스트레스도 감소한

다. 이러한 프리스트레스 손실의 원인은

즉시손실과 시간적 손실로 나눌 수 있다.

프리스트레스를 도입하는 즉시 일어나는

즉시손실의 원인으로 프리스트레스 도입

당시 정착장치에 의한 활동, PS 쉬스

(Sheath) 사이의 마찰, 콘크리트의 탄성

변형에 의한 탄성 수축이 있으며, 시간의

경과와 더불어 일어나는 시간적 손실 원인

으로 콘크리트의 크리프, 건조수축, PS강

재의 릴랙세이션이 있다.

즉시손실과 시간적 손실을 합한 총 손실

은 재킹(Jacking) 응력(fj)의 20%~35%의

범위에 있다. 대개의 경우 실제 설계에서

프리스트레싱 손실의 상세한 계산은 필요

하지 않으나, LNG 저장탱크 벽체의 원환

프리스트레싱 설계의 경우, 곡률의 영향이

커서 표준적인 조건의 설계라 할 수 없으

므로 각 손실을 계산하여 추정해야 한다.

3) 유효 프리스트레스 하중 계산

유효 프리스트레스 하중은 식 (1)과 같이

표현된다.

124

---------- 식 (1)

여기서, : 유효 프리스트레스 하중

: 텐던의 단면적

: 유효 프리스트레스 응력

4) 벽체 구간 별 텐던 개수의 결정

벽체 높이 방향의 단위 높이를 가지는

슬라이스(slice) 구간을 고려하면 내압에

의한 원환 방향의 인장력 T는 식 (2)와 같

이 표현된다.

· ---------- 식 (2)

여기서, : 총 작용 내압

: 원통형 벽체의 반지름

설계 시 고려되는 벽체 구간의 높이를

이라 하면 그 구간에 도입되는 텐던의 수

N은 식 (3)와 같이 결정된다.

× × ---------- 식 (3)

여기서, N : 텐덴의 개수

: 벽체 구간 높이

Pe : 유효 프리스트레스 하중

이렇게 설계된 원환 프리스트레싱의 도입은

포스트텐셔닝(Post-tensioning)방법으로 이루

어지며 원환 텐던은 벽체에 일정한 각도 간격

으로 배치되는 부벽(Buttress)에 정착된다. 이

러한 방법으로 부벽에 정착됨으로써 도입 프리

스트레싱 힘의 손실을 경감할 수 있다. 시방

서에서는 탱크의 내압 외에도 건조 수축이나

온도 변화 등에 대비하기 위한 원환 방향의 여

유압축응력을 규정하고 있으므로 이를 탱크

설계 시 충분히 고려해야한다.

실제 광양 LNG #3호기 저장탱크 설계에 적

용된 원환 텐던의 배치 형식이 [그림 3] 에 나

타나 있다.

[그림 3] 원환방향의 텐던 배치[6]

5. 내진설계

LNG 저장탱크와 같이 특별히 안전이 요구되

는 구조물은 지진에 의해 구조물이 손상되는

경우 막대한 피해가 발생한다. 따라서 지진에

의한 구조물의 피해를 최소화하기 위하여 구조

물의 동적 거동을 정확히 파악할 필요가 있다.

LNG 저장탱크에 대한 국내의 내진설계

(Seismic Design)는 원자력 발전소 기준의 내

진설계가 적용되고 있으며 미국 및 유럽의 시

방서에서 규정하고 있는 OBE 및 SSE의 지진

하중 조건에 대하여 LNG 저장탱크가 안전하도

록 설계를 진행하고 있다. 일반적으로 국내의

경우 OBE 및 SSE의 최대지반가속도(PGA:

Peak Ground Acceleration)는 0.1g 및 0.2g

를 사용한다.

내진설계는 시방서에서 제시하고 있는 규정

과 내진해석(Seismic Analysis)을 통하여 얻어

진 결과로부터 산정된 단면력을 이용하여 진행

한다. 따라서 정확한 내진해석이 내진설계 시

중요한 요소가 된다.

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 125

5.1 내진해석 방법

일반적으로 교량, 빌딩, 댐, 원자력 구조물

등과 같은 사회기반 시설물의 설계에 이용되는

내진해석 방법으로는 등가정적해석, 시간이력

해석 그리고 응답스펙트럼 해석이 있다.

등가정적해석법은 다른 내진해석 방법들에

비해 비교적 간단하고 그 결과를 빠르게 분석

할 수 있어 설계 전 단계에서 구조물의 응답

형상 추이를 살펴보기 용이하기 때문에 대부분

의 내진설계 시방서에 적용되고 있다. 하지만

해석 결과의 정확성이 다른 방법들에 비해 다

소 떨어지는 단점이 있다.

시간이력해석 방법은 시간의 변화에 따른

구조물의 응답을 구하는 방법으로 정밀한 해석

이 요구되는 구조물의 경우에 적합한 방법이

나, 복잡하고 다자유도의 구조물 해석 시에는

해석 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.

마지막으로 응답스펙트럼해석 방법은 구조물

의 최대 응답을 구하는 방법으로 해석 시간도

그다지 길지 않아 효율적이며, 매우 정확한

해석이 가능한 방법으로 토목 및 건축 구조물

의 내진 해석에 널리 사용되고 있다. 또한 원

자력 격납고 및 LNG 저장탱크와 같은 대형 구조

물의 내진해석 방법으로도 많이 사용되고 있다.

5.2 해석 모델 : 유체-구조물 상호작용

완전방호식 LNG 저장탱크는 콘크리트 외조

와 LNG로 채워져 있는 내조로 구분된다. 따

라서 LNG 저장탱크의 내진해석 시에는 외조와

내조를 모두 고려하여 모델을 설정해야 한다.

또한 입력 지진하중의 경우 수평 및 수직 방향

하중을 모두 고려해야 한다.

지진하중 조건하에서 LNG 저장탱크의 안정

성을 확보하기 위하여 기초, 외조 및 내부 유

체를 모두 고려한 해석 모델에 응답스펙트럼해

석 방법을 적용한다.

해석을 위한 모델은 LNG 저장탱크를 축대칭

구조물로 고려하여 [그림 4]와 같은 간단한 질

량-강성-감쇠 모델(Mass-Stiffness-Damping

Model)을 갖는 다자유도의 유한요소모델인

Beam-stick Model을 주로 사용하고 있다.

[그림 4] 단순 유체-구조물 상호작용 모델

LNG 저장탱크의 내진 해석 시에 내부유체의

거동을 정확하게 모사하는 것은 매우 중요하

다. 대체로 지진 하중에 의한 구조물의 거동

은 내부 유체의 유동에 영향을 미치고 이로 인

하여 유체의 유동 하중은 다시 구조물의 거동

에 영향을 주기 때문에 내부유체와 구조물 벽

면의 상호 작용을 반드시 고려하여야 한다.

유체-구조물 상호작용을 충분히 고려하기 위

하여 Hausner에 의해 제안된 방법이 초창기에

많이 사용되었다. 이 방법에서는 자유표면의

유동에 의한 유체의 영향인 대류(Convective)

성분과 저장구조물의 벽면과 함께 움직이는 유

체의 영향으로 표현되는 충격(Impulsive) 성분

을 등가질량으로 모형화하여 지진시, 유체가

구조물의 벽면 하단부에 미치는 전단력과 휨모

멘트를 구한다. 그러나 이 방법은 벽면을 강체

126

로 고려하여 구조물의 유연성을 고려하지 않는다.

구조물의 유연성이 고려되지 않아 발생하는

해석의 부적합성을 줄이기 위해 여러 다른 방

법들이 제안되었으며, 그 중에서 [그림 5]와

같이 Haroun[7][8]에 의해 제안된 모델이 많이

사용되고 있다. 이 방법에서는 내부유체의 영

향에 의한 구조물 벽면의 거동을 표현하기 위

한 요소가 추가되었다.

이렇게 형상화된 유한요소모델의 자유진동해

석을 통하여 얻어진 모드해석 결과로부터 설계

응답스펙트럼을 이용하여 각 모드의 최대응답

을 구한 후, 모드별 최대응답을 SRSS(Square

Root of Sum of Squares)방법으로 조합하여

구조물의 최대전단력과 휨모멘트를 산출한다.

[그림 5] 탱크 내부유체거동 해석 모델

(Haroun Model)[9]

6. 가스누출해석(Spillage Analysis)

6.1 개요

LNG는 천연가스를 약 -162℃로 냉각하여

액화시킨 초저온 액체이다. 따라서 LNG 저장

탱크 설계 시, 초저온에서의 구조적 안전성 및

사용성이 반드시 확보 되어야 한다[10].

정상운전 시, LNG는 내조에 저장되고, 내조

와 외조사이 공간(이하 Annular Space)에는

단열재 (이하 Insulation)가 있어 외조는 직접

적으로 초저온에 노출되지 않는다. 그러나 내

조 파손으로 LNG가 누출될 경우, LNG가

Insulation에 침투하여 외조의 내면은 LNG에

직접 노출되고 외조는 급격한 온도변화에 따른

큰 온도하중을 받는다. 또한 내조에서 누출된

LNG는 Annular Space에 점차 누적되어 외조

내벽에 하중으로 작용한다. 누출 시 이러한

급격한 온도 변화 및 유체에 의한 압력을 고려

한 해석을 필수적으로 실시해야 한다.

6.2 Spillage Condition

내조에서의 LNG 누출로 인한 외조의 벽체

내부의 열 흐름은 시간에 따라 그 양상이 변하

므로(Time-dependent) 이를 정확하게 묘사하

기가 쉽지 않다. 벽체는 내면과 외면의 온도

차가 가장 클 때 최대 온도하중을 받게 되므로

이 상황에서의 해석만을 수행한다. 이러한 상

황은 누출이 일어난 후 충분한 시간이 경과되

어 에너지 평형이 이루어진 상태, 즉 정상상태

(Steady State)일 때 발생한다. 따라서 LNG

누출에 따른 외조의 거동 해석은 정상상태 조

건에서 수행한다.

누출된 LNG는 Annular Space의 Perlite와

같이 공극을 가지는 Insulation에 흡수된다.

내조의 반경이 39m인 160,000m3 용량의 저장

탱크에서 LNG 누출이 일어날 경우, 25%의 공

극을 가지는 두께 1m의 Perlite를 고려하면

Annular Space에는 최고 2,150m3의 LNG가

저장 된다.

누출 시, 외조에 미치는 LNG의 영향은

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 127

Annular Space의 LNG 수위에 따라 4~5단계

로 나누어 해석을 실시한다. 누출된 LNG는

내조에 온도변화 외에도 액압으로 작용하게 됨

으로 이로 인한 수평하중에 대한 해석이 같이

실시되어야 한다.

6.3 초저온 콘크리트 물성

LNG 누출 시, 외조의 특정 부분은 -162℃

까지 온도가 내려간다. 이런 초저온 상태에서

콘크리트의 탄성계수, 열팽창계수 등, 재료 물

성 값은 상온의 것과 상이하다. 가스누출해석

시, 초저온에서의 재료 특성 변화를 고려하기

위한 노력들이 있었으나, 아직은 설계에 직접

반영하기에는 그 결과가 미흡한 상황이다[10].

따라서 초저온에서의 외조의 해석에서는 상온

에서의 콘크리트 재료값을 그대로 적용한다.

6.4 Spillage Analysis

LNG의 누출에 의한 열적, 구조적 영향을 해

석하기 위해서 열해석과 구조해석이 순차적으

로 진행된다.

열해석에서는 LNG 누출에 따른 온도조건과

사용재료의 열전도도(Heat Conductivity)를 고

려한 열전달 해석이 이루어지며 그 결과로 구

조물내의 온도분포를 알 수 있다. 이러한 온

도분포 결과는 구조해석을 위한 모델에 절점

온도로 적용 된다.

열해석을 위한 외기 온도 경계조건은 발주처

(Purchaser)가 제공하는 지역 온도에 따르며

지반 동해를 방지하기 위해 설치하는 바닥의

전기온열장치(Electric Heating System)의 영

향을 LNG 저장탱크 바닥의 온도조건에 적용한

다. 또한 일반적으로 지반을 모델링하여 지

반의 열전달 효과를 고려한다.

열해석의 결과는 구조해석 모델의 절점 온도

로 적용된다. 구조해석을 위한 모델은 콘크리

트 구조물만을 포함하고 있으며 기초파일은 같

은 강성을 가지는 스프링 요소로 모델링한다.

구조해석 시 Insulation의 영향은 고려하지 않

는다.

LNG 저장탱크는 형상 및 하중조건이 회전축

에 대해 대칭을 이루는 원통형 구조를 가진다.

따라서 3차원 축대칭 특성을 2차원으로 이상

화한 2차원 축대칭요소(2D Axi-symmetric

Element)를 이용하여 구조물을 모델링한다.

열해석과 구조해석에 사용되는 LNG 저장탱크

모델이 [그림 6]에 나타나 있다.

LNG의 누출은 앞서 설명한 것과 같이 외조

와 내조 사이의 공간에 차오르는 LNG의 수위

에 따라 단계별로 모사된다. 이때 Annular

Space 내의 Perlite와 Fiberglass는 누출된

LNG로 포화된다. 누출된 LNG는 외조 내벽

에 액압으로 작용하고 이러한 영향은 벽체에

작용하는 압력(Pressure)으로 구조해석 단계에

서 모사된다. Annular Space의 LNG 수위에

따른 열해석 결과가 [그림 7]에 나타나 있다.

(a) model for Thermal analysis

b) model for structural analysis

[그림 6] 완전방호식 LNG 저장탱크[6]

128

(a) Loading State Step 1 (누출수위: 5.000m) (b) Loading State Step 2 (누출수위: 7.500m)

(c) Loading State Step 3 (누출수위: 17.000m) (d) Loading State Step 4 (누출수위: 34.690m)

[그림 7] LNG 누출 수위에 따른 열해석 결과-온도분포[6]

7. 결론

본문에서는 LNG 저장탱크에 대한 개략적인

설명과 함께 완전방호식 LNG 저장탱크의 외조

설계 기술에 대해 소개하였다.

LNG 저장탱크 건설 시장은 향후 지속적인

성장이 예측되는 시장이지만 아직은 국내의 설

계 기술 수준이 높지 않고, 특정 회사만 LNG

저장탱크 설계 기술을 보유하고 있는 실정이다.

한편, 포스코는 광양 LNG 저장탱크 #4호기

를 2010년 5월에 착공하였고, 대우엔지니어링

은 광양 LNG 저장탱크 #4호기를 설계를 수행

하고 있다. 이에 당사는 토목, 기계, 공정, 배

관, 전기 등 LNG 저장탱크 설계 관련 부서간

의 ‘LNG 저장탱크 설계 추진팀’을 구성하여

전사적으로 설계기술 자립화를 추진 중이다.

따라서, 현재 추진하고 있는 저장탱크의 설

계기술 자립화를 통해 국내뿐만 아니라 해외에

서도 LNG 저장탱크 사업이 경쟁력 있는 당사

의 신성장 동력으로 발전할 수 있을 것으로 판

단된다.

철

LNG 저장탱크 외조(Outer Tank) 설계 기술 소개 129

참 고 문 헌

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179~206, M. A. Haroun, 1983

[10] "극저온이 작용하는 LNG 저장탱크의

합리적인 수밀성 평가", 대한토목학회논문집,

Vol. 24, No. 1A, pp. 203~210. 전세진,

2004

[11] "Liquid spill hazard investigated for

LNG tanks", Engineering Forum, LNG

Journal, October 2006, pp. 32~33, Josef

Koizser, 2006