일반적으로 초저온 액화가스 용기 및 저장탱크는 임계온도가 -50℃이하인 산소, 질소, 아르곤, 탄산, 아산화질소 및 천연가스 등을 액체 상태로 운반, 저장하는 장비를 의미하고 있다.
또한 이같은 장비는 내장된 기화기나 별도로 설치된 기화기로 액체상태의 가스를 기화시켜 기체상태의 가스를 소정의 압력, 온도, 유량으로 공급하기 위해 사용된다.
초저온은 일반적으로 -150℃이하의 온도영역을 지칭하는 것으로 이를 이용하고 활용할 수 있는 방안을 연구하는 초저온 공학은 첨단과학기술의 기초 기술에 해당하게 된다.
지금까지 알려진 초저온 기술은 초고순도 가스정제, 급속냉각, 고진공, 항공우주, 식품금속 동결, 통신, 유전공학, 생명보존, 의학, 반도체 등의 첨단과학 산업전반에 걸쳐 기초적인 기술로 광범위하게 활용되고 있다.
따라서 이같은 초저온 기술의 광범위한 활용으로 첨단산업의 하나인 반도체산업은 물론 일반산업용과 의료용 그리고 하절기 양식장의 적조피해 방지 등 초저온가스의 수요는 지속적으로 증가하고 있는 추세다.
최근에는 전세계적으로 난치병의 치료제 개발을 목적으로 한 줄기세포에 대한 관심과 연구가 집중되면서 이를 냉동 저장할 수 있는 초저온 장비에 대한 활용도도 높아지고 있는 실정이다.
이를 바탕으로 앞으로는 생명공학에 대한 국내외의 집중적인 투자와 연구가 지속됨에 따라 초저온 바이오 시장의 급성장도 예상되고 있다.
이와 함께 초저온 에너지인 LNG의 이용분야도 산업용과 발전용에서 민생용, 차량용 등으로 분야확대가 이어지면서 초저온 저장분야의 장비수요도 증가하고 있는 추세를 보이고 있다.
이에 따라 본지는 초저온 저장탱크 제조업체인 부영기공(주)의 최동준 대표이사가 최근 발표한 논문에 근거해 초저온 저장용기 및 저장탱크의 제작과 관련한 부분을 발췌, 게재코자 한다.
초저온 저장탱크 및 용기의 필요성
상온에서 기체상태로 존재하는 대부분의 가스들이 -40℃이상의 온도에서 액화되지만 헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소, 아르곤, 메탄 등의 초저온가스는 -150℃이하로 하락해야만 액화가 가능하다.
또한 액화된 후에는 체적이 수백분의 1로 감소하게 되면서 압축가스로 저장하는 것에 비해 동일 크기의 저장용기(탱크)에 저장능력을 수배로 증가시킬 수 있는 동시에 충전압력을 보다 낮게 유지할 수 있기 때문에 안전성이 향상되는 이점이 있어 지속적인 연구개발이 뒤따라야 한다는 게 관련업계의 설명이다.
이와 함께 기존 대용량 초저온 저장탱크의 경우 용량이 큰 탓에 초기 투자비가 매우 높고 고정설치가 불가피하지만 소용량의 초저온 용기는 용량이 대부분 200~300㎏이하로 사용량이 많을 경우는 용기의 공급대수도 많아지고 용기교환주기가 빨라짐으로서 안전관리 및 유지보수측면에서 문제점이 대두돼 대용량과 소용량 사이의 중간 용량의 초저온 용기나 저장탱크의 개발과 유통이 필요할 것으로 예상된다는 것이다.
따라서 이 글에서는 수요처에 맞는 적정용량의 액화가스를 운반·저장이 용이한 초저온 저장탱크 및 용기의 구조설계 및 제작법 개발을 목표하는 동시에 저온 저장탱크의 성능평가를 통해 그 유효성을 입증하고자 한다.
초저온 용기의 구조 및 설계
진공으로 채워진 초저온 용기에 충전된 액화가스는 -150℃이하의 초저온 상태이므로 고압가스안전관리법상 초저온 용기는 외부에서의 열침에 의한 액온의 상승 즉, 용기 압력의 상승을 방지하기 위해 단열을 실시, 침입 열량을 규정치 이하로 하여야 하고 용기의 재료는 저온 취성을 일으키지 않는 재료를 사용해야 한다.
특히 일반용기와 달리 초저온 용기는 내조와 외조를 갖는 2중 구조의 용기로 오스테나이트계 스테인리스강으로 된 내조가 탄소강 등으로 제작된 외조의 내부공간에 설치돼 있으며 내조 상단의 내조상부헤드에 열전도가 적고 강도가 큰 재료의 지지재가 외조의 상단에 지지된 구조를 갖고 있다.
따라서 내조의 하부와 외조의 하부 사이에 내조 받침대를 설치하고 그 사이에 펄라이트를 진공으로 충전시켜 단열 성능을 향상시키는 동시에 내조와 외조의 상대변위를 없게 함으로써 내조와 외조의 파손을 줄여야 한다.
또한 이송과 사용상의 안전성 및 편의성을 위하여 격자상의 팰리트의 내측에 외조 좌대와 완충재로써 팰리트에 지지되도록 구성한다.
이와 함께 내용적 설계에서는 동측, 듀브측 재킷 용적을 계산하여 총 용적은 각각의 값을 합하여 산정해야 한다고 관련전문가들은 지적하고 있다.
초저온 용기용 금속재료설계
일반적으로 초저온 구조용 재료로서 요구되는 기계적, 물리적 성능에는 다음과 같은 항목들이 필요하다.
1) Young's modules, 항복당도, 인장강도. 피로강도 등 기계적 성질
2) 충격흡수에너지, Kc 등 파괴인 성치
3) 용접 접합성을 포함한 가공성
4) 비열, 열전도도, 열팽창계수 등의 열물지적 성질
5) 비중, 자성, 전기절연성, 내방사성능 등의 물성
6) 가격
재료의 기계적 성질 즉 인성은 극저온 구조물에서 중요한 물성이며 비열은 용기 재료에서 특히 중요한 부분으로 냉각시 냉매의 소비량으로 그 가치를 결정할 수 있다.
또한 열전도율은 임입열의 평가에 필요한 것으로 배관재, 열교환기 재료에 있어서 재료를 선택하는데 큰 판단기준이 되기도 한다.
이와 함께 비자성, 전기절연성은 초전도 코일재료에 필요한 특성이다. 특히 저온설비에서는 취성파괴가 일어나지 않는 조건이 중요하다.
따라서 저온구조용 재료는 충분한 파괴인성을 가져야만 하고 그 요구치는 규격마다 약간씩 다르지만 샤피충격시험으로부터 샤피흡수에너지값(vE), ASTM의 CT시험에서 응력집중계수(Kc), BS 5762의 COD시험에서 임계균열개구변위(δc)등을 구하여 적용한다.
다음의 표는 각 종 가스의 비등점과 사용구조재료를 정리하여 나타낸 자료로 액화산소 및 액화질소 용기로 사용되는 스테인리스 강, 9%Ni강 및 Al 합금의 특성에 대하여 살펴보고자 한다.
재료 소개 - 9%Ni강
9%Ni강은 NNT(double-normalized and tempered)나 QT(quenched and tempered)와 같은 열처리를 통해 결정립을 미세화시킴으로서 펄라이트계의 약점인 연성-취성 파괴천이(DBTT)를 -200℃이하로 저하시킨 소재다.
이 합금은 1940년에 미국에서 3.5%Ni강으로 Pilot plant를 건설함으로써 개발되기 시작해 1944년 INCO에서 9%Ni강을 개발했고 1948년 Luckens Steel사에서 액화헬륨추출탑과 액체산소 저장탱크용으로 9%Ni강을 제조·판매하기 시작했다.
그 후 1960년 U.S Steel, Chicago Bridge & Iron 및 INCO 등 3개사 공동으로 9%Ni강을 이용해 극저온용 모형탱크를 대량 제작하여 대규모 파괴시험을 실시한 이래 9%Ni강의 안전성이 입증딤에 따라 초저온 저장탱크용 소재로 널리 사용되고 있다.
하지만 실구조물 용접시에는 값비싼 Ni기 용접봉을 사용해야 하고 자화가 되면 아크의 흐름 때문에 용접이 불가능해 용접성도 떨어진다는 단점이 있는 것으로 전해졌다.
재료 소개 - AL 합금
5083 AL은 4.5% Mg을 포함하고 있는 특성으로 AL-Mg합금은 어닐링 조건에서 사용되고 용접시 가열되는 동안 강도가 저하되지 않는 장점을 가지고 있다.
또한 저온에서 충격값이 저하되지 않는 면심입방격자 구조이며 대형파괴 시험시 우수한 저온 특성을 보이지만 9% Ni강보다 강도는 낮아 7~70mm의 판으로 주로 사용되고 있다.
용접은 위치별로 자동 고전류 MIG와 DCSP TIG를 사용하고 있다.
재료 소개 - 오스테나이트계 스테인리스강
SUS 304 스테인리스강은 면심입방격자 구조로서 연성-취성 천이온도가 존재하지 않기 때문에 -200℃이하의 온도에서도 높은 인성을 유지할 수 있고 용접성 및 성형성이 우수하며 9% Ni 강에 비해 1.5배의 열팽창계수를 가지고 있다.
SUS 304의 건전성과 안전성을 확보하기 위해서는 온도변화에 따른 강도 및 파괴인성의 평가가 중요하다.
SUS 304의 온도변화에 따른 인장강도, 항복강도 및 연신율을 살펴보면 온도가 하락함에 따라 항복강도는 조금 증가하는 경향을 보이지만 인장강도는 현저히 상승하는 것으로 나타나고 있으며 연신율은 111K의 경우 상온보다 약 50%정도 급격히 감소했지만 연성파괴 거동을 보인다.
초저온 용기의 단열 설계
펄라이트 진공 단열법
초저온 용기는 철강재의 가공이나 부속품에 대해서는 대부분 전문업체에서 생산된 제품을 사용하고 있으며 이에 따른 국내 가공기술이 상당한 수준에 이르고 있어 초저온 저장용기의 제조기술능력은 진공기술에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니다.
우리나라이 연평균기온을 20℃로 가정할 경우 가스를 저장하는 용기 내부와 외부의 온도는 비점이 -196℃인 질소는 216℃, -162℃인 LNG는 182℃, 79℃인 액체탄산은 99℃로 상당한 차이가 발생한다.
이러한 현상으로 단열을 통한 진공이 확보되지 못할 경우 온도의 상승으로 액체상태인 가스가 기화돼 기체상태로 변하게 되면 질소나 LNG의 경우 부피가 대략 600~700배 증가해 용기 내에 엄청난 압력상승이 발생, 안전밸브를 통해 대기 중으로 가스를 분출시킴으로 자칫 안전사고의 발생이 우려된다.
따라서 용기의 품질은 물론 용기의 수명까지 직결되므로 초저온용기의 완성도는 진공기술의 정도에 달려있다는 표현은 절대로 간과할 수 없는 부분이다.
현재 대부분의 초저온 저장탱크는 펄라이트 진공 단열법을 사용하고 있으며 내조와 외조의 지지대, 배관류 등을 제외한 단열층에서의 침입열량은 그 단열성능에 의하여 결정된다.
펄라이트 진공단열에서 진공용 펄라이트의 열전도율은 펄라이트의 충전밀도에 따라 다소 차이가 있으나 이상적인 충전 밀도에서의 열전도율은 대기압 초저온하에서 2x10-2Kcal/m2h℃ 정도로 나타난다.
하지만 대기온도와 초저온과의 온도차는 200℃전후 또는 그 이상이 될 수가 있기 때문에 절대적으로 유효하고 경제적인 단열시공을 해야한다.
특히 소형 저장탱크일수록 내용적에 비해 표면적이 증대하며 그만큼 침입열량의 비율도 커지게 된다.
따라서 이와 같은 문제점을 해결하고 펄라이트 고유의 열전도율 2×10-2Kcal/m2h℃을 보다 효과적으로 이용하기 위해서 단열공간을 진공으로 처리한 것이 펄라이트 진공 단열법이다.
진공도가 높으면 높을수록 진공 중에서 공기분자의 확산속도가 늦어지며 열전도를 적게 할 수 있지만 진공도가 지나치게 높으면 경제성이 적고 진공으로서의 의미가 별로 없다.
여러가지 선행 연구결과에 의하면 펄라이트 진공단열법에서는 일정정도 진공도 이하에서는 펄라이트 고유의 열전도율에 지배되지만 그 이상의 진공도에서는 일정치의 열전도율을 갖게 된다.
이 조건하에서의 진공도를 경제적으로 유효한 진공도라 일컫고 있으며 이 진공도는 5×10-2Torr로 이 때의 펄라이트 진공단열의 열전도율은 2.4×10-2Kcal/m2h℃로 돼 펄라이트 진공단열은 상압 펄라이트 침입 열량에 비하여 1/10로 감소됨을 알 수 있다.
그러나 독일 등 일부 외국업체들이 2×10-2Torr정도의 진공제품을 생산하기도 하지만 대부분의 경우에는 국제적으로 통용되고 있는 미국의 ASME 코드에 맞춰 경제적으로 유효한 진공도라고 할 수 있는 5×10-2Torr의 진공제품을 생산하고 있다.
펄라이트 진공단열에 있어서 5×10-2Torr 이상의 진공도를 확보하기 위해서는 일반적인 가공기술을 물론 철강재 중에서의 배출가스, 펄라이트 중의 수분 등이 진공 조건하에서 배출돼 진공도의 열하를 일으켜 단열성능을 저하시킬 수 있다는 것이다.
또한 진공도 5×10-2Torr 이하에서는 열전도율이 일정하여 침입열량도 일정하게 되나 일반적으로는 로타리 진공펌프를 사용해 1×10-2Torr 정도까지 진공을 배가시킨다.
따라서 이러한 문제를 해결하는 것이 초저온 저장용기의 제작의 핵심기술이 되고 있다.
슈퍼 인슐레이션 단열법
슈퍼 인슐레이션 단열법은 저장용량이 큰 저장탱크에는 구조상 및 경제성의 문제 때문에 일반적으로 많이 사용하고 있지 않지만 소형 초저온 용기와 같이 내용적에 비하여 표면적의 비가 큰 경우나 액화헬륨(LHe), 액체수소(LH2) 등과 같은 극저온 저장용기 등에서는 많이 사용되고 있다.
슈퍼 인슐레이션 단열법은 전도, 대류 및 복사에 의한 열의 이동을 최소한으로 줄이도록 고안된 것으로 펄라이트 진공단열의 단열두께에 비하여 약 1/10정도의 두께로 되므로 경량화, 소형화에는 가장 적당하다.
슈퍼 인슐레이션 단열법은 공기를 매체로 하여 생기는 대류열을 차단하기 위하여 펄라이트 진공단열 보다도 고진공으로 만든다.
단열재는 펄라이트 대신에 다층 단열재인 반사판을 여러겹으로 내조 벽측에 감아둔 것으로 이 반사판은 내조에만 접촉하며 외조 내벽에는 접촉되지 않도록 만든다.
이들 반사판은 외부에서 들어오는 복사열을 반사판의 각층에 의해 감온시켜 외부에서 내조로 들어오는 복사열을 크게 줄여주는데 효과적이며 매우 우수한 단열법의 하나로 알려졌다.
반사판은 보통 은박지가 이용되고 있으며 감아주는 매수는 허용 침입열량에 의하여 결정되지만 175ℓ 초저온 용기에는 20~25층 정도로 내조에 원통상으로 감으며 반사판의 중간에는 중간 단열종이를 반사판의 열단락 방지용으로 함께 감아둔 구조다.
외부에서의 복사열은 반사판의 각층에 의하여 감온되어 외부에서 내조에 이르는 복사열을 크게 줄여준다.
슈퍼 인슐에이션 단열의 진공도는 1×10-4Torr 이하가 가장 효과적이며 이때의 열전도율은 5×10-3Kcal/m2h℃ 되어 펄라이트 진공단열의 2.3×10-3Kcal/m2h℃보다 적은 값이 되지만 10-3~10-4 이하의 고진공 하에서는 철강재 중의 배출가스량이 보다 증가됨에 따라 일반적으로 배출가스(OUT GAS)는 저온 흡착제(MOLECULAR SIEVE)등을 사용해 흡착시킨다.
그러나 저장용기 등의 전처리가 완전하지 않으면 이 흡착제도 배출가스에 의하여 포화돼 진공도가 떨어지는 원인이 되기도 한다.
펄라이트 진공단열법에서는 진공도가 10-2~10-3정도여서 이같은 흡착제를 필요로 하지 않으며 진공도 유지 기술도 충분히 확립돼 있는 것으로 알려져 있다.
진공단열성능시험
초저온용기의 성능를 좌우하는 진공단열성능에 대한 평가는 진공도시험이나 단열성능시험 등에 의하여 평가할 수 있다.
진공도시험은 Vacuum Detector를 이용해 초저온 용기의 진공상태를 확인하고 단열성능을 평가하는 방법으로 비교적 용량이 큰 중대형 저장탱크에 이용하고 있으며 헬륨테스트기와 같은 시험장비가 많이 보급돼 있어 보다 쉽고 정확하게 성능을 평가할 수 있는 장점이 있다.
한편 소형 저장용기의 경우는 고압가스안전관리법에서 규정하는 단열성능시험방법에 의해 성능을 평가하고 있다.
액체가 기화될 때에는 열(기화잠열)을 필요로 한다. 그러나 필요로 하는 열을 공급받지 못한다면 액체는 기화할 수 없게 된다.
보온이 되지 않는 일반 병과 보온이 되는 병에 같은 양의 물을(물 대신 증발을 잘하는 알코올을 넣는다면 그 결과가 더 빠르다)넣고 일정 시간이 경과한 후에 확인해 본다면 보통의 병이 보온병보다 더 많은 양이 증발해 남아 있는 물의 양이 적게 된다.
다시 말해 외부로부터 침입된 열에 의하여 액체가 증발하는 원리에 따라 보온병은 열의 침입이 적어 물은 조금밖에 증발하지 않은 것이다.
이 경우 증발된 양이 2㎏이고 증발잠열이 80Kcal/㎏이라면 그동안 80Kcal/㎏×2㎏=160Kcal 만큼의 열이 침입했다는 것으로 이것이 10시간동안의 결과라면 160Kcal÷10hr=16Kcal/hr로 1시간당 16Kcal가 이 물병에 침입했다는 것이 된다.
단열성능시험도 결국 이러한 원리를 이용한 것이다.
단열성능시험 방법
시험용으로 저온의 액화가스인 액화질소나 액화산소 또는 액화아르곤을 용기 내용적의 1/3이상 1/2이하로 충전하고 다른 모든 밸브는 닫은 채 가스방출 밸브만 열어 대기중으로 가스가 기화 방출되도록 한다.
일정 시간이 지난 후 저울이나 유량계를 이용하여 남아 있는 액체의 양을 최초 충전한 액체 양과 비교함으로써 기화 방출된 양을 측정하고 다음의 식을 통해 침입열량을 산출해 낼 수 있다.
단열성능시험 산출식
W?q
Q= ――――― (2.15)
H?Δt?V
Q : 침입열량(Kcal/hr?℃?ℓ)
W : 측정중의 기화 가스량 (㎏)
H : 측정시간 (hr)
Δt : 시험용 저온 액화가스의 비점과 외기온도차(℃)
V : 용기 내용적(ℓ)
q : 시험용 액화가스의 기화 잠열 (Kcal/㎏)
단, 시험용 저온 액화가스의 비점 및 기화열은 다음 수치로 한다.
결론 및 향후 전망
지속적인 기술개발과 발전을 위한 초저온 저장용기 및 탱크시장의 문제점은 크게 나눠 자재가격의 급격한 인상과 수급 차질, 업체간 가격인하경쟁으로 대변할 수 있다.
초저온 저장용기 및 탱크의 주자재로 사용되는 스테인리스와 철강재가격이 국제적인 원자재 파동과 맞물려 최근 2년 사이에 대부분 두배 이상 급등했다.
더욱이 국내 경기불안으로 인해 초저온 제품에 대한 설비투자 감소로 수요마저도 급락하는 상황이어서 제조업체들은 원자재 가격인상과 제품가격 하락이라는 이중부담을 안고 있는 실정이다.
하지만 국내 초저온 저장탱크 시장은 아직 성장세를 유지하거나 추세에 있다는 판단으로 제조에 참여하는 업체는 계속 증가하고 있지만 신규시장 생성의 축소와 시장규모의 한계성 노출로 업종성장의 한계에 봉착할 것으로 예상된다.
따라서 국내시장의 성장 한계를 극복하기 위해서는 수출이 필수적일 수밖에 없다.
변화하는 시장에 능동적으로 대비하여 수출을 증대시켜나가기 위해서는 가격경쟁 보다는 품질과 기술경쟁으로 전환하고 고품질을 유지할 수 있는 독자기술을 개발해야 하는 과제를 되새겨볼 필요가 있다.
지금까지 살펴본 초저온 저장탱크 제조와 관련해 기술적인 측면에서는 초저온 액화가스 용기 개발에 요구되는 고진공 단열기술개발, 초저온용 내냉성 재료개발, 압력 조절 및 안전장치의 제조기술 개발, 초저온 용기의 구조설계기술(2중구조) 등은 대형 초저온 저장탱크, LNG 저장탱크, 초저온 냉동기 및 기타 초저온 냉각장치와 산업기계분야의 기술개발에 광범위하게 활용될 것으로 전망되고 있다.
또한 경제적인 측면을 고려할 때 소형 용기에 대한 적극적인 국산화 개발 및 유통을 통한 수입대체효과가 높을 수 있으며 이를 바탕으로 한 중국, 동남아 및 중동시장을 대상으로 초저온 기술의 수출도 예상해 볼 수 있다.
더욱이 효율적이고 안전성이 매우 높은 초저온 액화가스용기의 개발보급은 여러 초저온 기술 관련분야와 최근에 관심이 집중되고 있는 나노기술과 생명공학의 보존기술, 초정밀 센서냉각, 광통신소자의 냉각, 의료용 장비와 고온초전도체 응용 등 첨단 과학 분야의 연구개발을 촉진시키는데 직·간접적인 파급효과를 높일 수 있을 것으로 전망된다.
