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논문명/저자명
A study on failure characteristics and viscoplastic-damage model of the cryogenic materials for liquefied natural gas insulation system = 액화천연가스 방열시스템 극저온 재료의 파손특성 및 점소성-손상모델에 관한 연구 / Kim Jeong-Hyeon 인기도
발행사항
부산 : 부산대학교 대학원, 2016.2
청구기호
TD 623.8 -16-119
형태사항
xiv, 187 p. ; 26 cm
자료실
전자자료
제어번호
KDMT1201603431
주기사항
학위논문(박사) -- 부산대학교 대학원, Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2016.2. 지도교수: Lee Jae-Myung
원문

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Title Page

Contents

Nomenclature 6

1. Research Motives and Objectives 15

2. Austenitic Stainless Steels and Aluminum Alloys in LNGC Insulation System 23

2.1. Introduction 23

2.2. Materials 28

2.2.1. Austenitic Stainless Steels 28

2.2.2. Aluminum Alloys 30

2.3. Experimental Preparation 32

2.3.1. Experimental Conditions 32

2.3.2. Experimental Equipment 35

2.4. Results and Discussion 37

2.4.1. Austenitic Stainless Steels 37

2.4.2. Aluminum Alloys 44

2.5. In Summary 54

3. Austenitic Stainless Steel Weldment in LNG Pipelines 56

3.1. Introduction 56

3.2. Materials 59

3.3. Experimental Preparation 63

3.3.1. Experimental Conditions 63

3.3.2. Welding Conditions 66

3.3.3. Specimens 69

3.4. Results and Discussion 71

3.4.1. Absorbed Energy: Mild Steels 71

3.4.2. Absorbed Energy: Welded Austenitic Stainless Pipe 75

3.4.3. SEM of Fracture Surfaces: Mild Steels 77

3.4.4. SEM of Fracture Surfaces: Welded Austenitic Stainless Pipe 79

3.5. In Summary 84

4. Viscoplastic-Damage Model for Austenitic Stainless Steels 86

4.1. Introduction 86

4.2. Theory 89

4.3. Numerical Preparation 93

4.3.1. Parameter Identification 93

4.3.2. User-Defined Material Subroutine 99

4.3.3. FE Modeling 100

4.4. Results and Discussion 103

4.5. In Summary 106

5. Verification of Proposed Model 108

5.1. Introduction 108

5.2. Numerical Preparation 111

5.2.1. FE Modeling 111

5.2.2. Boundary and Loading Conditions 113

5.2.3. Material Model 117

5.3. Experimental Preparation 119

5.4. Results and Discussion 121

5.4.1. Final Deformed Shape 121

5.4.2. Force-Displacement Curves 125

5.4.3. Damage Contour 128

5.5. In Summary 130

6. PF- and MUF-resin Plywood in LNGC Insulation system 132

6.1. Introduction 132

6.2. Materials 138

6.3. Experimental Preparation 140

6.3.1. Experimental Conditions 144

6.3.2. Experimental Equipment 148

6.4. Results and Discussion 150

6.4.1. PF Resin Plywood 150

6.4.2. MUF Resin Plywood 158

6.4.3. Comparative Study 164

6.4.4. Failure Characteristics 168

6.4.5. Discussion: Applicability of MUF Resin Plywood 178

6.5. In Summary 180

7. Concluding Remarks 183

References 186

Abstract 200

Table 2.1. Chemical composition of tested austenitic stainless steels. 29

Table 2.2. Chemical composition of tested aluminum alloys. 31

Table 2.3. Conditions of the cryogenic tensile test. 33

Table 3.1. Chemical composition of tested steels. 61

Table 3.2. Mechanical property of tested steels. 62

Table 3.3. Testing scenario for CVN impact tests. 65

Table 3.4. Welding conditions and process parameters. 68

Table 4.1. Temperature-varying material parameter m for 304L, 316L, 321, and 347 stainless steels... 97

Table 4.2. Temperature-varying material parameters b and h of 304L, 316L, 321, and 347 stainless steels... 98

Table 5.1. FE analysis conditions for corrugated steel membrane. 118

Table 6.1. Dimensions of the bending test specimens for MUF resin plywood. 142

Table 6.2. Cryogenic thermal shock treatments and bending test conditions. 146

Table 6.3. Bending test conditions for PF and MUF resin plywood specimens treated by cryogenic... 147

Table 6.4. Averaged results of the bending tests when the plywood is in the parallel-grain orientation. 155

Table 6.5. Averaged results of the bending tests when the plywood is in the perpendicular-grain orientation. 156

Table 6.6. Average mechanical properties of MUF resin plywood treated by cryogenic thermal... 162

Table 6.7. Average mechanical properties of MUF resin plywood treated by cryogenic immersion. 163

Table 6.8. Failure mode of MUF and PF resin plywood under bending loads. 177

Fig. 1.1. Schematic diagram of (a) MARK III- and (b) NO96-type LNG insulation systems 20

Fig. 1.2. LNG supply chain 21

Fig. 1.3. Stainless steel pipeline with welded joints for LNG transportation. 22

Fig. 2.1. Shape of material testing specimen and its specific dimensions (KS B0801 10). 34

Fig. 2.2. (a) Universal testing machine (UH-1000KNI SHIMADZU) with the cryogenic... 36

Fig. 2.3. Tensile test results for 304L stainless steel at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 39

Fig. 2.4. Tensile test results for 316L stainless steel at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 40

Fig. 2.5. Tensile test results for 321 stainless steel at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 41

Fig. 2.6. Tensile test results for 347 stainless steel at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 42

Fig. 2.7. Yield and tensile stress of (a) 304L, (b) 316L, (c) 321, and (d) 347 stainless steels. 43

Fig. 2.8. Tensile test results for 5052 aluminum alloy at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 48

Fig. 2.9. Tensile test results for 5086 aluminum alloy at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 49

Fig. 2.10. Tensile test results for 6061 aluminum alloy at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 50

Fig. 2.11. Tensile test results for 6082 aluminum alloy at strain-rates (a) 10-4 and (b) 10-2s-1(이미지참조) 51

Fig. 2.12. Temperature- and strain-rate-dependent yield and tensile stress of aluminum... 52

Fig. 2.13. Temperature- and strain-rate-dependent fracture strain of aluminum alloys 53

Fig. 3.1. Gas tungsten arc welding (GTAW) process 67

Fig. 3.2. (a) Dimensions, (b) sampling method, and (c) pick-up location in direction of... 70

Fig. 3.3. Temperature-varying absorbed energy for AT and BT mild steels. 73

Fig. 3.4. Photographs of (a) tested specimens and (b) fracture surfaces of BT mild steel. 74

Fig. 3.5. Temperature-varying absorbed energy behavior for AT and BT mild steels. 76

Fig. 3.6. SEM fracture surface of AT mild steel-(a) -25, (b) -75, (c) -125, and (d)... 78

Fig. 3.7. SEM fractographs obtained from BM-(a) 25, (b) -75, and (c) -196℃-HAZ-... 81

Fig. 3.8. Statistical analysis of the (a) size and (b) number of dimples. 82

Fig. 3.9. SEM fractographs of the 304 stainless steel obtained from the fractured surfaces... 83

Fig. 4.1. Procedure for material parameter identification. 96

Fig. 4.2. FEA procedure (ABAQUS UMAT) 101

Fig. 4.3. Finite element mesh of analysis 102

Fig. 4.4. Comparison of stress-strain relationships at strain-rate of 10-4s-1 for (a) 304L, (b)...(이미지참조) 105

Fig. 5.1. MARK III-type LNG carrier and its insulation system: corrugated steel... 110

Fig. 5.2. Standard shapes and dimensions for corrugated membrane. 112

Fig. 5.3. Behavior of LNG insulation sheet depending on sagging and hogging moments... 115

Fig. 5.4. Loading and boundary conditions for corrugated steel membrane. 116

Fig. 5.5. Experimental specimen at (a) ambient and (b) cryogenic temperatures 120

Fig. 5.6. Time-dependent deformation of corrugation 123

Fig. 5.7. Comparative study at 160 s for experimental and simulated results of (a) final... 124

Fig. 5.8. Comparison of results at (a) ambient (20℃) and (b) cryogenic (-163℃)... 127

Fig. 5.9. Damage contour in corrugated steel membrane specimen as a function of... 129

Fig. 6.1. Behavior of MARK III-type LNG insulation system. 136

Fig. 6.2. Photographs of the failure characteristics of GTT NO96 LNG insulation system 137

Fig. 6.3. (a) Photograph of the seven-layered plywood bending specimen and (b)... 139

Fig. 6.4. Schematic of three-point bending test of a plywood sheet. 143

Fig. 6.5. Photographs of the cryogenic bending tests using a universal testing machine... 149

Fig. 6.6. Representative bending test results tinder ambient and cryogenic temperatures for... 153

Fig. 6.7. Representative bending test results for the cryogenic immersion of PF resin... 154

Fig. 6.8. Comparison of the bending strength of the samples subjected to cyclic thermal-... 157

Fig. 6.9. Representative bending test results for thermally shocked MUF resin plywood at... 160

Fig. 6.10. Representative bending test results for cryogenically immersed MUF resin... 161

Fig. 6.11. Comparison of bending test results depending on bonded resin with (a)... 166

Fig. 6.12. Comparison of the bending strength between PF resin and MUF resin plywood... 167

Fig. 6.13. Failure characteristics of MUF resin plywood specimens with different grain... 172

Fig. 6.14. Cryogenic failure characteristics of (a) MUF resin plywood and (b) PF resin... 173

Fig. 6.15. Fractographs of fractured layers and surfaces of MUF resin plywood at... 174

Fig. 6.16. Fractographs of fractured layers and surfaces of PF resin plywood at cryogenic... 175

Fig. 6.17. Fractographs of fractured layers in (a) MUF resin and (b) PF resin plywood at... 176

Fig. 6.18. Comparison of mechanical properties depending on bonded resin with (a) as-... 179

초록보기 더보기

 본 연구에서는 영하 163 도의 극저온 환경에서 가동되는 액화천연가스운반선 방열시스템 금속계 일차방벽 및 단열패널을 구성하고 있는 비금속계 저온용 소재(오스테나이트계 스테인리스 강, 알루미늄 합금, 플라이우드)에 대한 극저온 시험을 수행하여 온도 및 변형률속도에 의존한 재료의 기계적 거동에 대해 조사하였으며, LNG 운송을 담당하는 오스테이트계 스테인리스 강으로 제작된 LNG 파이프의 모재부, 열영향부, 용착금속부의 극저온 충격시험을 수행하여 안전성을 검토하였다. 이는 극저온 환경에서 적용되는 소재의 경우 상온에서와는 달리 급격히 취성화되고, 일부 소재의 경우 비선형 경화현상이 발생한다고 알려져 있기 때문에 극저온 환경에서 적용되는 소재를 이해하고 설계에 반영하는 것이 설계 단계에서 매우 중요하기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 재료의 극저온 소재의 능력을 파악하고, 안전하고 적절한 적용성을 도모하며, 산업현장에서의 재료 사용에 있어 정량적 지표로 활용되는 것에 초점을 둔 연구를 수행하였다. 아울러, 알루미늄 합금에 비해 상대적으로 우수하고, 저온 영역에서 이차경화와 같은 비선형성을 보이는 오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 이론적 연구를 수행하여 재료의 파단 및 비선형 거동을 예측할 수 있는 점소성-손상모델을 제안하였다. 개발 점소성-손상모델은 상용유한요소해석 프로그램 ABAQUS 사용자지정 재료 서브루틴에 탑재하여 수치적으로 계산하였으며, 재료시험 결과와 비교하여 그 유효성을 검증하였다. 최종적으로, 제안모델 및 개발 서브루틴의 구조적용 가능성에 대해 검토하기 위해 Mark-Ⅲ 타입 LNG 멤브레인 구조시험편의구조실험, 그리고 개발 서브루틴을 활용한 전산해석을 수행하였다.

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