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류용희(Yonghee Ryu),이희성(Heesung Lee),최재웅(Jaewoong Choi) 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會誌 Vol.29 No.5
최근 해양플랜트의 대형화 및 복잡화의 영향으로 가스 누출에 의한 폭발 위험성이 증가되고 설계 폭발 하중의 크기 또한 높아지고 있는 추세이며, 이로 인한 설계 요구조건을 충족시킬 수 있는 구조물 설계가 어려운 실정이다. 해양플랜트 폭발 사고 대비 안전설계를 위한 폭발 위험성을 정량적으로 수치화하기 위해서는, 발생 가능한 폭발 사고 빈도와 폭발 해석을 통한 결과 값의 상관관계를 고려하여 ALARP(As Low As Reasonably Practicable) 기준을 만족할 수 있는 수준의 ‘정량적 폭발 위험도 평가’ 방법이 널리 사용되고 있다. 폭발 구조해석의 경우, 폭발 압력의 증가로 인해 최근 비교적 단순한 정적 선형해석에서 보다 복잡하지만 정교한 동적 비선형 해석을 선호하고 있으며, 더 나아가 유체와 구조를 함께 해석하여 유체흐름과 구조물의 상호작용을 동시에 고려할 수 있는 유체 구조연성 해석 방법(Coupled Eulerian-Lagrangian Method)을 이용하여, 가스 폭발에 대한 구조물의 응답을 더욱 합리적이고 정확하게 분석하려는 노력이 진행 중이다.
폭발하중 이력 특성에 따른 판 구조물의 동적응답 평가 - Part A: 폭발하중 특징 및 재하속도의 영향 분석 -
강기엽,최광호,류용희,최재웅,이제명,Kang, Ki-Yeob,Choi, Kwang-Ho,Ryu, YongHee,Choi, JaeWoong,Lee, Jae-Myung 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.2
가스 생산용 해양플랜트 설비에서 발생할 수 있는 폭발사고의 경우, 구조 시스템의 기하학적 특성이나, 바람, 가스 누출율 등과 같은 환경적 조건에 의해 피해 규모의 범위가 상당하다. 따라서 폭발파에 의한 구조 부재의 응답을 분석하기 위해서는 이러한 조건들을 고려한 가스폭발 수치해석 과정이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 FPSO 탑사이드의 형상 및 장비 배치와 같은 세부적인 부분까지 고려하여 폭발해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 획득한 하중 이력들의 특성을 분석하였다. 또한 다양한 형태로 나타나는 폭발하중 이력들 중 구조물 손상에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 최대 압력과 지속시간들을 고려하여 유한요소해석 시 하중조건으로 적용한 후, 부재의 응답특성에 관한 분석을 수행하였다. 유한요소해석 모델은 실제 구조물에 적용이 가능하고, 복잡한 형상을 이상화한 단 자유도 및 다 자유도 모델을 사용하였다. 정 압력 및 부 압력단계의 최대 압력이 증가함에 따라 구조 부재의 최대 응답이 증가하였고, 부 압단계에서 하중 지속시간이 증가함에 따라 구조물의 최대 변위가 증가는 경향을 보였다. The gas explosions in offshore installations are known to be very severe according to its geometry and environmental conditions such as leak locations and wind directions, and a dynamic response of structures due to blast loads depends on the load profile. Therefore, a parametric study has to be conducted to investigate the effects of the dynamic response of structural members subjected to various types of load shapes. To do so, a series of CFD analyses was performed using a full-scale FPSO topside model including detail parts of pipes and equipments, and the time history data of the blast loads at monitor points and panels were obtained by the analyses. In this paper, we focus on a structural dynamic response subjected to blast loads changing the magnitude of positive/negative phase pressure and time duration. From the results of linear/nonlinear transient analyses using single degree of freedom(SDOF) and multi-degree-of freedom(MDOF) systems, it was observed that dynamic responses of structures were significantly influenced by the magnitude of positive and negative phase pressures and negative time duration.
폭발하중 이력 특성에 따른 판 구조물의 동적응답 평가 - Part B: 고유주기에 따른 폭발하중 지속시간의 영향 분석 -
강기엽,최광호,류용희,최재웅,이제명,Kang, Ki-Yeob,Choi, Kwang-Ho,Ryu, YongHee,Choi, JaeWoong,Lee, Jae-Myung 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.2
가스 생산용 해양플랜트 설비의 경우 폭발의 위험에 노출되어 있으며, 폭발사고는 구조물의 안전성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 폭발사고에 의한 피해를 최소화하기 위해서는, 폭발하중에 의한 구조부재의 동적응답 특성을 명확히 파악할 필요가 있다. 폭발하중의 경우 매우 짧은 시간 동안에 구조물에 가격되었다가 소멸되기 때문에 구조부재의 고유주기 및 폭발하중의 지속시간을 고려한 동적응답 평가가 필수적으로 요구된다. 일반적으로 가스 폭발하중의 경우, 부 압력단계가 전체 하중 이력에서 상당 부분 존재하며, 본 연구에서는 이러한 부 압력단계의 형상에 따라 총 하중 지속시간을 결정하는 하중 모델을 제안하였다. 방화벽은 폭발사고 시 장비 및 인명 피해를 방지하고자 FPSO 탑사이드 모듈 사이에 배치되는 구조부재이므로 폭발하중에 의한 응답이력 특성 분석이 반드시 필요하다. 때문에 무 감쇠 단 자유도 모델에 가스 폭발하중을 적용하여 변위응답 특성을 분석하였으며, 평판으로 구성된 방화벽의 FE 모델을 이용한 하중 지속시간과 구조부재들의 고유주기를 고려한 응답 특성을 분석하였다. LS-DYNA를 이용한 선형/비선형 구조해석 분석결과, 부 압력단계의 지속시간이 구조물의 동적응답에 큰 영향을 주는 것을 보였다. Offshore structures for the gas production are exposed to the risk of gas leaks, and gas explosions can result in fatal damages to the primary structures as well as secondary structures. To minimize the damage from the critical accidents, the study of the dynamic response of structural members subjected to blast loads must be conducted. Furthermore, structural dynamic analysis has to be performed considering relationships between the natural frequency of structural members and time duration of the explosion loading because the explosion pressure tends to increase and dissipate within an extremely short time. In this paper, the numerical model based on time history data were proposed considering the negative phase pressure in which considerable negative phase pressures were observed in CFD analyses of gas explosions. The undamped single degree of freedom(SDOF) model was used to characterize the dynamic response under the blast loading. A blast wall of FPSO topside was considered as an essential structure in which the wall prevents explosion pressures from the process area to utility and working areas. From linear/nonlinear transient analyses using LS-DYNA, it was observed that dynamic responses of structures were influenced by significantly the negative time duration.
중속 엔진용 스파크 어레스터 일체형 SCR Mixer 설계
박성종(Seongjong Park),류용희(YongHee Ryu),이대희(Daehee Lee),이희성(Heesung Lee),이동연(Dongyeon Lee) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.3
중속 엔진 배기관에 소음 기준 만족을 위한 소음기, 인화성 입자의 방사를 방지하는 스파크 어레스터, 배기가스에서 질소산화물(NOx)을 저감하는 탈질 장비(SCR) 그리고 폐열 회수를 위한 이코노마이저를 모두 설치하도록 요구하는 선박이 점점 증가하는 추세이며, 이로 인하여 배기관에는 설치 공간 부족과 압력 손실 문제가 발생하고 있다. 배기관의 여러 장비 중 SCR mixer는 한 단의 고정 베인(stationary vane)을 이용하여 난류 유동에 의하여 배기가스와 암모니아를 적절하게 혼합하고, 스파크 어레스터에도 배기가스로부터 인화성 입자를 분리하기 위하여 한 단의 고정 베인이 설치된다. 본 연구에서 이와 같은 두 장비를 결합하여 한 단의 베인만으로 혼합과 분리의 역할을 동시에 수행할 수 있는 스파크 어레스터 일체형 SCR mixer(S-mixer)를 설계하였다. 유동 해석을 통하여 다양한 case에 대한 인화성 입자의 포집성능과 암모니아와 배기가스의 혼합 성능 그리고 압력 손실을 수치적으로 계산하였으며, 예측 결과를 고려한 S-mixer의 최적 설계 안을 선정하였다. Latest vessels have increased the demand for silencers to meet noise standards, spark arresters to prevent the emission of flammable particles, selective catalytic reduction (SCR) reactors to reduce nitrogen oxides (NOx), and economizers to recover waste heat for middle-speed engine exhaust pipelines. This has led to a shortage of installation space and pressure loss in exhaust pipelines. In exhaust pipelines, the SCR mixer is used to properly mix exhaust gas and ammonia by turbulent flow using a stationary vane located below the SCR. A stationary vane similar to a spark arrestor is also installed in the silencer to remove flammable particles from the engine. In this study, a spark-arrestor-integrated SCR mixer (S-mixer) is developed using a combined single stationary vane that can simultaneously mix exhaust gas and ammonia and separate flammable particles in the mixer. Computational fluid dynamics analyses were performed for various cases to evaluate the trapping performance of flammable particles and the mixing performance of ammonia and exhaust gas, measuring pressure loss numerically. An optimal S-mixer design is proposed considering the study results.