A Comparative Study on Mechanical Behavior of Low Temperature Application Materials for Ships and Offshore Structures

Abstract

Austenite stainless steel(ASS), aluminum alloy and nickel steel alloy are the most widely used in many cryogenic applications due to superior mechanical properties at low temperature. The Face-Centered Cubic(FCC) and Hexagonal Close-Packed(HCP) materials are used for the primary and secondary insulation barrier of Liquefied Natural Gas(LNG) carrier tank and various kinds of LNG applications currently. In this study, tensile tests of ASS, aluminum alloy and nickel steel alloy were carried out for the acquisition of quantitative mechanical properties under the cryogenic environment. The range of thermal condition was room temperature to-163℃ and strain rate range was 0.00016/s to 0.01/s considering the dependencies of temperatures and strain rates. The comprehensive test data were analyzed in terms of the characteristics of mechanical behavior for the development of constitutive equation and its application. Keywords : Austenitic stainless steel(오스테나이트계 스테인레스 강), Aluminum alloy(알루미늄 합금), Nickel alloy(니켈 합금), Low temperature(저온), Strain rate(변형률 속도), Strain hardening rate(변형 경화율), Strain rate sensitivity(변형률 속도 민감도) 1. 서 론 최근 고유가 인플레 현상으로 LNG(액화 천연 가스)의 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 LNG의 채굴, 저장 및 이송에 관련된 극저온 장비의 수요가 크게 증가하고 있다. 일반적으로 LNG는 110K(-163℃)의 극저온에서 저장되기 때 문에 LNG Tanker의 1, 2차 방벽, 안전밸브, 이송 파이프 등의 LNG 관련 구조물은 극저온 및 고압 등의 극한 상태에서 충분한 안전성이 확보되어야 한다. 따라서 이러한 극한 조건을 충족시키 기 위해, 우수한 저온 재료 특성을 보유한 오스테나이트 스테인 레스 강(ASS), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 니켈 강 합금 (Nickel steel alloy) 등이 널리 사용되고 있다. 위의 재료는 극저온에서 안전성에 대한 검증은 이미 이루어 져 있으나, 대부분 저온 영역에서의 사용 가능 여부에 대한 결 론적인 내용만 포함하고 있으며, 실제 극저온 장비가 운용되는 조건에서의 성능 분석 결과 및 재료의 특성을 모사하는 수치해석 기술은 매우 부족한 상황이다(Lee, 2008). 따라서 본 연구에서는, 극저온 재료의 온도 및 변형률 속도 의 존 통합 구성방정식 개발을 위한 기초 연구단계로, 대표적 극저 온 재료에 대한 인장실험을 수행하였다. 실험은 온도 및 변형률 속도의 영향을 고려하여 수행되었으며, 실험 재료로는 300계열의 오스테나이트 스테인레스 강인 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347과, 알루미늄 합금 계열 AA5083, 니켈 강 합금 계열 Invar 강을 선정하였다. 인장실험을 통해 각 재료의 온도와 변형 률 속도 의존성을 정량적으로 분석하였으며, 통합 구성방정식에 적용하기 위하여 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도 측면 에서 비선형 거동을 분석하였다. 2. 실험 재료 본 연구에서는 극저온 재료로 가장 널리 상용되고 있는 ASS, 알루미늄 합금 및 니켈 강 합금에 대한 극저온 인장 실험이 수행