Impact Properties and Fractography of Structural Materials for LNG Tank at Cryogenic Temperatures

LNG 저장탱크용 재료의 극저온 충격특성과 파면해석

In order to investigate the impact properties of structural materials for LNG tank, instrumented Charpy impact tests were carried out at cryogenic temperatures. $9\%$ Ni steel showed a superior fracture resistance because of less degradation in toughness until 77 K. From the load-deflection curve obtained by an instrumented methods it was found that with the decrease of temperature from 173 K to 77 K, the peak load in the curve increased, but the total absorbed energy decreased. In addition, the energy absorbed during the crack growth was larger than one absorbed in the process of crack initiation. In SUS304L material, the energy absorbed in the process of the crack initiation was relatively large, but the energy absorbed in the process of crack growth was small, the behavior of absorbed energy was well agreed with the observations of the fracture surface which showed a relatively smooth fracture surface. The absorbed Charpy impact energy in the case of A5083 alloy was lower as compared with other steels, and some cracks were observed along the crack propagation direction at the fracture surface of 77 K.

최근 환경오염 문제와 관련하여 청정연료로 수요가 증가하고 있는 액화천연가스(LNG)의 저장탱크 및 운반선 등 연료 저장 설비, 초전도이용 관련 기기와 같은 저온용 설비 및 기기가 증가하고 있고 대형화의 추세를 보이고 있다. 특히 액화천연가스(LNG)의 수요급증에 따라 이의 운송 및 저장에 필요한 재료의 수요가 증가하면서 극저온재료에 대한 관심이 높아지고 있다. LNG저장조의 대형화에 따라, 설계강도상의 검토는 물론, 사용재료의 특성, 가공성 및 용접 둥의 시공법을 비롯하여 품질관리 면까지 충분한 검토가 필요하다. 특히 LNG를 저장하는 내조재료에 대하여는 모재 및 용접부의 제반 특성을 파악하여 저온에서 취성파괴에 대한 안전성을 확인해 둘 필요가 있다. 본 연구는, LNG 저장 탱크의 안전성 평가시 필요한 재료물성 데이터 중 파괴인성의 측정 기반 기술을 확보하고, 현재 국내에서 사용되고 있는 LNG 저장탱크용 재질(SUS304L강, Al합금 및 $9\%$ Ni강)에 대하여 77 K 및 173 K에서 계장화 샬피충격시험을 실시하여 온도에 따른 충격파괴특성 및 파면해석을 실시하여, 안전성 평가에 필요한 기초 자료를 확보하는 것을 주목적으로 한다. 계장화샬피충격파괴시험결과, $9\%$니켈강의 경우 온도저하에 따라 77K까지는 인성의 저하정도가 적어 우수한 파괴저항을 나타내었다. 계장화 장치에 의해 얻어진 하중-처짐 곡선으로부터, 온도가 173 K에서 77 K로 저하함에 따라 최대하중은 증가하였으나 에너지는 오히려 감소하였다. 또한 균열개시에 쓰여진 에너지보다 균열진전에 쓰여진 에너지가 높게 나타났다. A5083의 경우 합금강재에 비해 충격흡수에너지값이 낮고 저온 특유의 갈라짐 현상을 볼 수 있었다. SUS304L재의 경우 균열개시에 쓰여지는 에너지가 높게 나타났고, 균열진전에 따른 에너지는 거의 나타나지 않아 균열개시 후 비교적 평탄한 파단면을 나타내는 파면관찰 결과와 일치하는 거동을 나타내었다.