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ISSN : 1229-3059(Print)
ISSN : 2287-2302(Online)
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
Vol.27 No.4 pp.281-288

DOI : https://doi.org/10.7734/COSEIK.2014.27.4.281

The Effect of Negative Pressure Phase in Blast Load Profile on Blast Wall of Offshore Plant Topside

Kang Ki-Yeob, Choi Kwang-Ho, Ryu Yong-Hee, Choi Jae-Woong, Lee Jae-Myung †
July 11, 2014 July 31, 2014 August 1, 2014

Abstract

As a gas explosion is the most fatal accident in shipbuilding and offshore plant industries, all safety critical elements on the topside of offshore platforms should retain their integrity against blast pressure. Even though many efforts have been devoted to develop blast-resistant design methods in the offshore engineering field, there still remain several issues needed to be carefully investigated. From a procedure for calculation of explosion design pressure, impulse of a design pressure model having completely positive side only is determined by the absolute area of each obtained transient pressure response through the CFD analysis. The negative pressure phase in a general gas explosion, however, is often quite considerable unlike gaseous detonation or TNT explosion. The main objective of this study is to thoroughly examine the effect of the negative pressure phase on structural behavior. A blast wall for specific FPSO topside is selected to analyze structural response under the blast pressure. Because the blast wall is considered an essential structure for blast-resistant design. Pressure time history data were obtained by explosion simulations using FLACS, and the nonlinear transient finite element analyses were performed using LS-DYNA.


초록

가스폭발은 해양플랜트 산업에서 발생할 수 있는 치명적인 사고 중 하나이며, 탑사이드 플랫폼은 폭발압력에 따른 구조 건전성을 확보해야만 한다. 따라서, 해양플랜트 분야에서는 이러한 폭발사고에 대비한 방폭설계에 관한 많은 연구가 수행되었지만, 여전히 추가적으로 세밀한 분석이 더 필요한 실정이다. 폭발 설계하중 계산과정에서 도출된 충격량은 CFD 해석결과로 계측된 폭발 압력 응답에서의 곡선 아래 면적의 절대 값에 의해 결정되어 진다. 하지만 가스폭발에서의 부압구간은 TNT 폭발이나 가스폭발과는 달리 상당부분 존재한다. 본 연구의 목표는 이러한 부압구간이 구조물의 거동에 미치는 영향에 대해서 분석하는 것이다. 따라서 방폭설계가 필수적으로 요구되어지는 FPSO 탑사이드의 방화벽을 폭발하중에 따른 구조응답을 분석하기 위한 대상물로 선정하였다. 폭발 하중-시간이력 데이터는 FLACS를 이용한 폭발 시뮬레이션 과정을 통해 획득하였으며, LS-DYNA는 비선형 과도 응답해석을 위해 사용되었다.


    1. 서 론

    해양플랜트 탑사이드는 시추, 정제, 저장 등의 과정에서 많은 가스나 기름과 같은 인화성 물질을 포함하고 있으며, 이는 화재 및 폭발로 인한 사고로 이어질 수 있다. 화재 및 폭발사고는 일단 발생하게 되면 환경적 및 물리적으로 대규모 피해를 유발하게 된다. 실제로 1988년 Piper Alpha Fixed Platform에서 발생한 화재 폭발사고와, Deep Water Horizon호에서 발생한 화재 폭발사고는 심각한 피해를 유발하였다(Fig. 1). 따라서, 이러한 해양플랜트 탑사이드의 화재 및 폭발사고로 인한 피해를 막기 위해서는 폭발에 대한 현상학적인 이해가 필요하여 폭발규모에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대한 세밀한 분석을 통해 방폭설계가 수행되어야 한다. 또한, 복잡한 구조적 형상을 나타내는 탑사이드에 대한 폭발 위험도 평가가 수행되어야 하며, 이를 바탕으로 가스 확산 해석 및 폭발해석을 통해 폭발설계 하중을 계산하고 구조설계 시 반영하여 구조 안전성을 확보하여야 한다. 탑사이드의 가스누출·폭발에 따른 통상적인 구조설계는 우선, 발생 위치, 가스누출량, 바람 등의 조건을 상정한 가스누출 시나리오를 작성하고 가스 확산과 폭발에 따른 폭발 하중이력을 확률론적 해석이나 CFD를 활용하여 예측한다. 예측된 폭발 하중이력은 구조해석의 하중조건으로 입력되고, 구조해석을 수행하여 구조물의 건전성 평가 및 설계가 이루어지고 있다. 하지만, 실제 산업현장에서 폭발 하중이력을 구조설계에 활용할 시, 최대 압력과 작용 시간에 의해 정의되는 삼각형 형상의 폭발압 이력 모델로 단순화되는데, 이는 폭발 하중이력의 부압구간에 대한 반영이 이루어지지 않고 있는 실정이다(ISO 16933, 2007; UKOOA, 2003). 따라서, 폭발 설계 하중도출 시, 부압구간에 대한 합리적인 반영을 위한 연구가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 폭발 하중이력 거동에서 부압구간이 구조물의 거동특성에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위해, 방폭설계가 필수적으로 요구되는 방화벽을 구조해석 적용 대상물로 선택하였다. 또한 부압구간을 포함한 단순화 모델을 적용한 후, 주요 물성 비교를 통해 부압구간이 구조 동적거동에 미치는 영향력에 대한 평가를 수행하였다.

    2. 폭발 설계하중 도출

    폭발 설계하중을 도출하기 위한 과정을 Fig. 2에 나타낸다. Fig. 2에 나타낸 것과 같이 폭발 설계하중은 폭발위험요소에 대한 산정 후, 폭발해석 시나리오 작성 및 폭발전산 모사 과정을 수행하게 되며 이를 통해 획득한 결과 데이터들은 폭발하중 영향인자 분석, 단순화 모델 전환 등의 과정들을 거쳐 구조해석의 하중조건으로 사용하게 된다. 일반적으로 CFD 해석결과를 구조해석의 하중조건으로 활용하기 위해 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 단순화 과정을 거치게 되는데, 정압구간과 부압구간의 물리적 특성에 대한 구분없이 단순히 하중-시간 곡선아래의 넓이를 충격량으로 간주하고, 각각의 구간에 해당하는 면적을 절대 값으로 합하여 전체 충격량을 도출한다. 또한 반복형태의 하중이력 특성을 단순히 대칭삼각형 형태로 전환하기 때문에 반복하중에 대한 물리적 특성 또한 고려되지 않고 있는 실정이다. 하지만, 가스폭발 하중 이력에서는 초기 하중방향과 반대방향으로 작용하게 되는 구간이 존재하기 때문에, 이러한 부분에 대한 평가가 필요하며 폭발하중 이력이 대상물에 가격되었을 경우 구조 응답반응 특성에 대한 분석 또한 반드시 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 폭발파와 같이 짧은 시간동안 작용하는 하중이력에서 초기 하중방향과 반대방향으로 작용하는 하중이 일정시간 동안 작용하게 될 때 구조물의 반응응답에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석을 수행하였다.

    3. 가스폭발해석

    이 장에서는 가스폭발해석에 따른 하중이력 특징을 설명 한 후, 가스폭발의 전산모사를 수행하는 방법 및 결과에 대한 내용을 소개하고자 한다.

    3.1 가스폭발에 의한 하중이력 특성

    일반적으로 폭발에 의해 생성되는 폭발파는 급격한 화학 반응을 통해 순간적으로 에너지를 방출하며 발산하게 된다. 또한 매우 짧은 시간 안에 최대 초과 압력에 도달하게 되며 이후 대기상태와 평형을 이루기 위해 급격히 감쇠되는 특징을 나타낸다. 가스폭발 하중이력에서 주목해야 할 점은 대기상태와 평형 상태에 도달 한 이후에 대기압 보다 낮아지는 부압구간이 상당부분 존재한다는 것이다(Bjerketvedt, 1997). TNT폭발, 가스 연소 등에 의한 폭발 하중이력의 경우 부압구간이 무시할 수 있을 정도로 적은 분포를 나타내지만, 가스폭발에 의한 하중이력은 부압구간의 분포가 상당하며 폭발파의 형태가 반복적으로 형성되는 특성을 나타낸다. Fig. 3, 4에 각각의 폭발에 의한 하중이력의 특성을 도시한다.

    Fig. 4에 나타낸 것과 같이 가스폭발에 의한 하중이력은 최대 압력까지 도달하는데 걸리는 시간(rising time)이 TNT폭발의 경우보다 상대적으로 길며, 전체 하중이력에서 부압구간에 해당하는 비율이 무시할 수 없을 정도로 상당부분 존재하기 때문에 방폭 설계가 요구되어지는 구조물을 설계할 시 부압구간이 구조물의 동적 거동에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석이 필수적으로 요구된다.

    3.2 가스폭발 전산모사

    폭발에 의해 생성되는 압력파는 사방으로 퍼져나가며, 진행방향에 놓여있는 물체에 의해 굴절/반사되어 전파되어 진다(Ngo, 2007). 따라서 폭발에 의한 압력파가 구조물에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석을 위해서는 폭발 이력 특성을 분석할 수 있는 데이터를 확보하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 폭발 하중이력을 획득하기 위한 CFD해석은 가스누출과 그로 인한 폭발 시나리오를 작성하여 수행하게 된다. 따라서, 시나리오를 작성할 시 포함하는 변수들의 정량적인 양에 따라 결과 값의 신뢰도에 큰 영향을 줄 수 있다(Brill, 2012). 본 연구에서는 FLACS를 이용한 폭발 모델을 이용하여 다양한 폭발 환경에 의한 폭발하중을 산정하였다. CFD 해석을 수행하기 위한 해석모델은 FPSO Topside module이며, 공극을 지닌 점들을 module내에 랜덤하게 분포하여 각각의 점에서 시간에 따른 압력이 계측되어 진다. 또한, blast wall과 deck에는 일정 간격으로 패널을 분포하여 각각의 패널에서 계측되어 지는 폭발 압력 결과 데이터로 획득하여 가능한 많은 양의 폭발 하중이력 데이터를 획득하였다. Table 1은 폭발 해석 시 고려한 변수 및 해석 시나리오를 나타내며, Fig. 5는 본 연구에서 사용된 해석 모델인 FPSO topside의 3D 형상을 나타낸다. 그림에 서 알 수 있듯이, 구조물의 기하학적 형상을 면밀히 반영하기 위해 모듈 내 배치된 장비, 계단, 난간 등을 해석 모델에 포함시켰다. Fig. 6, 7은 폭발파 계측을 위해 배치된 공극의 점과 패널들을 나타낸다.

    3.3 가스폭발 해석결과

    폭발 하중에 의해 구조물에 가해지는 피해규모에 영향을 미치는 인자들 중 가장 큰 영향을 미치는 것은 폭발 하중의 에너지 크기, 점화 위치로 부터의 이격 거리라고 할 수 있다. 또한 폭발 하중이 가해지는 대상물의 기하학적 형상이나, 폭발 진행방향에 배치된 장비 등에 의해 구조물에 작용하는 폭발 피해 규모가 다르게 나타날 수 있다. Fig. 8은 이러한 폭발 규모에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요인들을 나타낸 것이다. 폭발 내부 에너지는 가스 구름의 부피에 따라 구분되며, 점화 위치로 부터의 거리는 각 위치에서 계측한 데이터를 바탕으로 분류하였다. Fig. 9는 점화 위치로부터 모듈 내에 분포 된 공극의 점 사이의 거리에 따른 정압구간 및 부압구간의 최대 초과 압력의 분포이다. Fig. 9에 나타낸 것과 같이 정압구간의 최대 초과 압력은 이격 거리가 20m 이상부터는 점차적으로 감소하였다. 상대적으로 더 가까운 곳에서 계측된 최대 압력 값이 더 작은 이유는 앞서 언급한 것과 같이 폭발파의 경우 장비배치나 구조물의 기하학적 형상에 의해 영향을 받기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 장비 배치 시 폐쇄 형태의 경로를 피하고 장비를 한 곳에 집중적으로 배치하지 않아야 한다. 부압구간의 최대 초과 압력의 크기는, 이격 거리와는 큰 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 또한, 정압구간과 부압구간의 최대 압력 비를 분석해 본 결과 부압구간의 최대압력이 정압구간 최대 압력 값의 25%~90%로 다양하게 나타났다. Fig. 10에 나타낸 결과는 패널에서 계측된 결과 값으로, 가스 구름 부피에 따른 정압구간 최대압력, 부압구간 최대압력의 분포이다. 결과에 나타낸 것과 같이 패널에서 계측된 압력의 경우 부압구간의 압력이 오히려 정압구간의 압력보다 더 큰 값을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 공극의 점에서 계측된 폭발 하중 이력과 패널에서 계측된 폭발 하중이력의 경향은 서로 다르지만 부압구간이 모두 상당 부분 차지한다는 공통점을 나타냈다. 따라서, 부압구간을 배제하고 설계 하중을 도출하는 것은 상당한 오류를 범할 수 있으며, 구조물 파손 모드를 파악하는데 있어서도 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다.

    또한, 본 연구에서 수행한 가스폭발 해석결과, 폭발 지점으로 부터의 이격 거리보다 가스 구름의 부피가 폭발하중 최대압력의 크기에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.

    4. 가스폭발 하중에 의한 구조응답 분석

    이 장에서는 가스폭발 하중에 의한 구조응답 분석을 위해 구조해석 적용 대상물을 선정하고 다양한 폭발 하중이력을 적용한 후 대상물의 동적거동 평가에 대한 내용을 소개하고자 한다.

    4.1 구조해석 대상 선정

    해양플랜트 탑사이드의 방화벽은 화재 및 폭발사고 발생 시 인명피해 및 구조물 파손을 방지하기 위해 모듈 사이에 배치가 된다(Louca, 2004). 따라서 폭발하중에 의한 피해를 방지하기 위한 목적을 가지는 방화벽은 방폭설계가 필수적으로 요구되어지며, 폭발하중이 가격되었을 시, 동적응답 특성에 대한 분석 또한 반드시 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 탑사이드 플랫폼의 방화벽을 구조해석 대상물로 선정하였으며, 다양한 폭발 하중이력을 분석하여 부압구간을 포함한 폭발 하중모델을 제안하였으며, 이에 대한 구조물의 동적구조응답 평가를 수행하였다. Fig. 11은 유한요소해석을 위한 요소이산화 및 경계조건을 보이고 있다. 요소의 형태는 해의 수렴성 및 경제적인 해석시간을 고려하여 쉘 요소(Belytschko-Tsay)를 이용하였으며, 요소 민감도 평가를 통해 최적화된 요소크기 50mm×50mm을 기준요소 크기로 설정하였다(HSE, 2004). 경계조건의 경우 방화벽과 주갑판이 연결되는 부분을 대상으로, 보수적인 결과획득을 위하여 상 방향 변위는 모두 구속하고 나머지 변위는 상부구조물 간의 연결을 고려해서 단순지지조건으로 설정하였다(Fig. 11 참조).

    4.2 구조해석 조건

    가스 폭발하중에 의한 구조물의 동적응답 평가를 수행하기 위해 LS-DYNA를 이용한 유한요소해석을 수행하였다. 폭발 하중의 경우 매우 짧은 시간동안 작용하여 구조물의 많은 변형을 유발하며, 이러한 경우 implicit 해석기법을 사용하면 time step에 따른 강성행렬 계산에 많은 시간이 소요되며 해석결과의 신뢰도에도 영향을 미칠 수 있다(Kim, 2007). 따라서 해석방법은 explicit 해석기법을 사용하였으며, 적용된 재료물성은 조선해양 구조물용 강재로 널리 사용되고 있는 연강재이다. Table 2에 해석대상 구조인 방화벽의 재료 물성 치를 나타낸다. 해석에 사용한 탄소성모델은, 변형률 속도를 고려할 수 있는 piecewise linear plasticity을 사용하였다. 충격하중에 대한 재료의 변형률 속도 효과는 Cowper and symonds 모델을 이용하였으며, 연강재의 재료상수 값 C, P는 동적인장실험을 통해 도출된 값인 40s-1 및 5를 적용하였다(Chung et al., 2005). Fig. 12, 13은 구조해석 시 적용된 하중조건을 나타낸다. 본 연구에서는 가스폭발 하중이력 특성인 부압구간과 반복하중특성을 반영하기 위해 Fig. 13에 나타낸 것과 같이 CFD 해석결과로 획득한 폭발하중이력 데이터의 정압/부압 구간을 독립적으로 고려하여 충격량을 산출한 후, 최대 초과 압력은 유지한 상태에서 유효하중모델을 설정하였다. 또한, 비교 분석을 위해 초기 하중방향 이후 반대방향의 하중 형태를 적용하여 구조해석을 수행한 후 비교분석을 수행하였다. 방화벽의 동적응답 특성을 분석하기 위해 세밀한 시간증분을 이용하여 시간전체를 통해 적분되며, 안정한 해를 보증하기 위한 시간증분은 LS-DYNA에 탑재된 자동설정 기능을 사용하였다.

    4.3 구조해석 결과

    일반적으로 하중의 지속시간이 구조물의 반응응답 주기 만큼 충분히 길다면 하중방향에 따라 변위 발생방향 또한 변경되겠지만, 매우 짧은 시간동안 대상물에 가격되는 폭발하중의 특성은 다른 형태로 구조물에 작용하게 된다. 만약 폭발하중이 적용되는 대상물이 매우 유연한 탄성체로 구성되어 있다면, 하중방향에 따라 변위 발생방향이 즉각 반영되겠지만 해양플랜트 탑사이드 상부구조물의 경우 전형적인 강 구조물로서, 폭발하중 지속시간보다 고유주기가 긴 편이다. 따라서 초기 하중 발생방향으로 변형이 발생하다가 갑작스런 하중방향 변경에 즉각적인 반응을 나타내지 않고 초기 하중방향을 그대로 유지하면서 변형이 발생한다는 것을 알 수 있다. Fig. 14는 이러한 결과를 나타내는데, 부압구간이 포함되어 있는 하중형태를 적용하였을 경우 초기 방향으로 변형은 계속 발생하지만 최종 변위가 정압구간만으로 이루어 져 있는 하중을 적용하였을 때 보다 20~60% 감소되었음을 알 수 있었다. 이는 방화벽의 고유주기에 비해 폭발하중의 지속시간이 훨씬 더 짧기 때문에, 폭발하중에 대한 방화벽의 반응응답은 초기 하중방향에 따라 변형이 발생되게 되며, 반대방향의 하중으로 전환되더라도 변위 양상은 그대로 유지되는 것으로 사료된다.

    Fig. 15는 폭발 하중이 가격되는 시간동안 최대 소성변형이 발생한 특정 노드에서의 누적 소성 변형률을 비교한 결과이다. 그림에 나타낸 것과 같이 부압구간이 포함되어 있을 경우 누적 소성 변형률이 최대 7%가량 더 적게 나타났다. 즉, 강구조물에서 정압구간 이후 작용하게 되는 부압의 경우 소성 변형 발생을 억제하는 효과가 있는 것으로 사료된다. 물론 더욱 다양한 폭발 하중이력과, 폭발 가능성을 포함하고 있는 여러 가지의 구조물에 대해 세부적인 분석이 필요하지만 본 연구에서 수행된 결과를 바탕으로 정압과 부압을 구분하지 않고 단순히 등가의 충격량 산출을 통해 단순화 모델을 도출할 경우, 과도 설계를 유발할 수 있으며, 실제 폭발하중에 의한 구조물의 동적 응답과는 차이가 있을 수 있다는 결론을 도출할 수 있었다. 따라서, 폭발 하중이력에서 부압구간의 물리적 특성을 설계 하중 도출 시 어떤 식으로 반영 할 지에 대한 추가적인 연구도 필요하다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 해양플랜트 상부구조 가스폭발사고에 의한 동적 구조해석 결과에 영향을 미치는 하중효과 분석을 수행하였다. 이를 위해 다양한 폭발 영향 인자들을 고려한 폭발 시뮬레이션을 FLACS code를 이용하여 구현하였으며, 다양한 형태의 가스폭발 하중이력 데이터에 대한 분석을 수행하였다. FLACS를 이용한 폭발 시뮬레이션 결과로 획득한 데이터를 분석하여 본 결과, TNT 폭발에 의한 하중이력과 달리 가스폭발 하중이력의 경우 부압구간이 상당부분 포함된다는 것을 알 수 있었으며, 유한요소 해석을 통해 이러한 부압구간이 구조물의 동적거동 응답에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 분석을 구조 변형 측면에서 분석하였다. 일반적으로 폭발 하중이력을 유한요소해석에 적용할 때, 압력-시간 그래프의 면적을 통해 충격량을 도출 한 후, 삼각형 형상의 모델로 단순화하는데, 부압구간의 경우도 정압구간과의 구분없이 등가충격량 기법을 통해 단순화 모델에 반영된다. 하지만 본 연구에서는 정압구간과 부압구간을 독립적으로 고려하였으며, 이를 통해 폭발 하중이력의 특성인 부압구간과 반복하중의 효과가 반영된 유효 하중 모델을 제안하였다. 또한, FLACS code를 이용해서 획득한 폭발 하중이력 데이터를 이상화하는 과정에서 부압구간의 반영방법에 따라 변위 및 소성변형의 크기에 큰 편차가 존재함을 확인하였다. 따라서 부압구간을 단순히 등가 충격량으로만 고려하는 현재의 해석으로는 과도하게 보수적인 결과를 유도할 수 있다는 것을 확인하였고, 가스폭발의 경우는 반드시 부압의 크기 및 이력특성을 반영한 하중설정이 필요하다는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 폭발하중의 작용 시간이 강 구조물의 반응응답주기보다 상대적으로 짧기 때문에 나타나는 현상으로 사료된다. 하지만 폭발파의 하중이력의 경우 매우 다양한 형태로 나타나며, 해양플랜트 상부구조물 또한 재료특성 및 기하학적 특성에 따라 고유주기의 범위가 다양하므로 이러한 조건들은 세부적으로 고려하여 더욱 정밀한 폭발해석 시리즈 분석이 추후 필요하다고 판단된다.

    이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2011-0030013). 이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행 된 것임(NRF-2013R1A1A2A10011206).

    Figure

    10.7734.27.4.281.F102.png
    Explosion accidents of offshore topside platform
    10.7734.27.4.281.F103.png
    Procedure for calculation of explosion design load
    10.7734.27.4.281.F104.png
    TNT explosion load profile
    10.7734.27.4.281.F105.png
    Gas explosion load profile
    10.7734.27.4.281.F106.png
    3D view of FLACS geometry model
    10.7734.27.4.281.F107.png
    Panel measurements in FLACS 3D model
    10.7734.27.4.281.F108.png
    Monitor points in FLACS 3D model
    10.7734.27.4.281.F110.png
    Affecting parameters of explosion magnitude
    10.7734.27.4.281.F111.png
    Average maximum overpressure at each of point monitors
    10.7734.27.4.281.F112.png
    Average maximum overpressure at each of panel monitors
    10.7734.27.4.281.F113.png
    FE model for the topside module and detailed geometry conditions
    10.7734.27.4.281.F117.png
    Pressure time history by CFD simulation
    10.7734.27.4.281.F118.png
    Simplified blast load models
    10.7734.27.4.281.F121.png
    Maximum displacement responses of the blast wall for two load types
    10.7734.27.4.281.F123.png
    Maximum plastic strain responses of the blast wall for two load types

    Table

    Table 1 Explosion scenarios for each module
    Material properties of FE model

    Reference

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