산업용 가스용 극저온 저장 탱크

물건을 차갑게 유지하는 데 따른 어려움

액화 천연가스(LNG), 액체 질소, 액체 산소는 일반 대기압 탱크에 보관할 수 있는 일반 상품이 아닙니다. -150°C 이하의 온도에서는 규칙이 달라집니다. 재료는 취성화되고, 단열은 필수적이며, 저장 물질 자체가 지속적으로 기화되려는 경향을 보입니다. 극저온 저장 탱크는 이러한 도전 과제에 대한 공학적 해결책이며, 수십 년에 걸쳐 산업 분야에서 가장 정교한 압력 용기 중 하나로 진화해 왔습니다.

규모가 엄청납니다. 단일 대형 LNG 저장 탱크 하나로 액체 16만 입방미터를 보관할 수 있으며, 이는 중소 규모 도시에 며칠간 공급할 수 있는 양입니다. 반면, 다른 쪽 끝에서는 액체 질소 50입방미터를 저장하는 탱크가 단일 병원이나 전자제품 제조 공장에 사용될 수 있습니다. 그러나 크기와 관계없이 근본적인 물리학 원리와 공학 원리는 동일합니다.

탱크 유형: 단일 격리식부터 막식까지

저온 저장 탱크는 여러 가지 구조 형태로 제공되며, 각 형태는 서로 다른 안전 철학과 비용 구조를 갖습니다. .

단일 격리식 탱크 가장 기본적인 설계입니다. 단일 벽 또는 이중 벽 탱크로 저온 액체를 보관하며, 누출이 발생할 경우 외부의 브름(berm) 또는 디크(dike)가 액체를 담을 것으로 기대됩니다. 이 방식은 가장 비용이 저렴하지만, 격리 공간을 확보하기 위해 상당한 부지가 필요합니다.

이중 격리식 탱크 기본 탱크 주위에 보조 벽을 추가합니다. 내부 탱크에서 누출이 발생할 경우 외부 벽이 액체를 포착하고 증기 차단 밀봉 기능을 제공합니다. 이를 통해 대규모 버름(burm) 설치가 불필요해지고 부지 점유 면적도 줄어듭니다.

완전 밀폐식 탱크 대규모 LNG 저장 분야에서 현재 최첨단 기술을 대표합니다 내부 탱크와 외부 탱크 모두 액체를 담을 수 있도록 설계되었으며, 외부 탱크는 증기 차단 밀폐 기능도 제공합니다. 내부 탱크가 고장 날 경우 외부 탱크가 전체 내용물을 안전하게 보관합니다. 이러한 탱크는 가장 비용이 많이 들지만 최고 수준의 안전성을 제공하며, 대규모 저장 시설에 대해 많은 규제 기관에서 의무적으로 요구합니다.

멤브레인 탱크 단열재와 외부 콘크리트 쉘로 지지되는 얇은 스테인리스강 맴브레인을 사용합니다 원래 LNG 운반선을 위해 개발된 이 설계는 육상으로 확장되어 완전 밀폐식 설계보다 재료 중량이 적으면서도 뛰어난 밀폐 성능을 제공합니다.

저온 저장을 규정하는 표준

저온 저장 탱크는 엄격한 기준을 충족하지 않으면 제작되지 않는다. 주요 기준 문서는 다음과 같다. :

• API 625 – LNG 저장 탱크 설계 및 시공에 대한 주요 기준으로, 재료부터 시험까지 모든 사항을 다룸

• EN 14620 – 전면 격리형 LNG 탱크 시공에 대한 유럽 기준

• NFPA 59A – 화재 방지, 간격 설정, 위험 예방을 다루는 안전 기준

• BS 7777 / EEMUA – 냉각 저장 탱크 설계에 대한 지침

API 625는 세계적으로 가장 널리 인정받는 기준이다. 이 기준은 설계 압력, 재료, 단열 요구사항, 시험 절차를 명시한다. 대부분의 대규모 프로젝트에서 API 625 준수는 선택 사항이 아니라 보험 정책 및 대출 계약서에 명시된 필수 조건이다.

비등 손실: 피할 수 없는 손실

극저온 저장 분야에 새로 진입한 이들을 놀라게 하는 사실 하나는, 탱크 내부의 물질이 항상 비등하고 있다는 점이다. 최고 수준의 단열재를 사용하더라도 열은 탱크 내부로 유입되며, 일부 액체가 기화된다. 이를 ‘비등 증기(BOG)’라고 하며, 이 증기를 관리하는 것이 운영자의 주요 책임 중 하나이다.

LNG 저장 탱크에 대한 산업 표준 허용 비등 손실률은 일반적으로 하루당 탱크 용량의 ≤0.2%이다. 대규모 완전 밀폐식 탱크의 경우, 표면적 대 부피 비율이 크기 증가에 따라 개선되기 때문에 더 낮은 손실률—하루당 0.05%~0.08%—을 달성할 수 있다. 하루당 0.08%의 손실률을 보이는 16만 입방미터 규모의 탱크는 매일 약 128입방미터의 LNG를 손실한다. 이는 사소한 양이 아니며, 수천 가구를 난방할 수 있는 천연가스량에 해당한다.

그렇다면 증발가스(보일오프 가스)는 어떻게 되는가? 대부분의 터미널에서는 이 가스를 수거하여 재액화하거나 플랜트 연료 가스 시스템으로 보내는 방식으로 처리한다. 소규모 시설의 경우, 이를 화염으로 태우거나 대기 중으로 배출하기도 하나, 환경 규제가 점차 강화되면서 이러한 방식은 점차 제한되고 있다. 보일오프 가스(BOG) 관리의 경제성은 매우 중요하다. 즉, 액화천연가스(LNG) 1세제곱미터가 증발할 때마다 그만큼 판매되지 않는 제품이 발생한다는 것이다.

단열재: 진정한 영웅

저온 저장 탱크의 성능은 단열 시스템에 전적으로 달려 있다. LNG 탱크의 경우, 단열재로는 일반적으로 팽창 펄라이트—내부 및 외부 벽 사이에 채워지는 경량 화산 유리—가 사용되며, 소형 탱크에는 폴리우레탄 폼이 사용된다. 일부 액체 질소 및 액체 산소 탱크에서는 공간 확보가 중요한 요소이며 온도 차가 극심한 경우 진공 단열이 적용된다.

대형 LNG 탱크의 펄라이트 단열재는 수피트 두께로 설치될 수 있다. 문제는 단순히 열 성능만이 아니라 침강이다. 펄라이트는 시간이 지남에 따라 침강하여 단열 공간 상부에 공극을 형성하게 되고, 이로 인해 열이 단열재를 우회할 수 있다. 최신 설계에서는 침강 지시기와 정비 기간 중 펄라이트 보충을 위한 구조를 포함한다.

자주 간과되는 요소 중 하나는 탱크 관통부 주변의 단열재이다. 여기에는 배관, 계측기기, 인입구(manway) 등이 포함된다. 이러한 부위는 열이 유입되기 쉬운 취약 지점이다. 제대로 단열되지 않은 관통부는 외부 탱크 표면에 저온 부위를 형성하여 얼음 생성, 부식, 궁극적으로는 구조적 문제를 야기할 수 있다. 최고 수준의 탱크 설계는 주 탱크 벽면과 동일한 엄격한 기준으로 관통부를 다룬다.

재료 선정: 극저온 환경에서의 도전

탄소강은 극저온에서 취성이 증가합니다. 이는 문제인데, 대부분의 산업용 저장 탱크가 탄소강으로 제작되기 때문입니다. 해결책은 -162°C 이하에서도 인성( toughness)을 유지하는 재료를 사용하는 것입니다.

LNG 탱크의 내부 탱크는 일반적으로 9% 니켈 강재 또는 알루미늄 합금으로 제작됩니다. 9% 니켈 강재는 주요 재료로, -196°C까지 충격 인성을 유지하며 적절한 절차에 따라 용접이 가능합니다. 알루미늄 합금은 더 가볍고 극저온 특성이 뛰어나지만 비용이 더 비싸며 전문적인 용접 기술이 필요합니다.

반면 외부 탱크는 일반적으로 탄소강 또는 강화 콘크리트로 제작됩니다. 외부 탱크는 직접 극저온에 노출되지 않으며, 단열재가 이를 보호해 온도를 유지하지만, 내부 탱크 내용물이 누출될 경우 발생하는 정수압을 견뎌야 합니다.

운영 현실: 매뉴얼에는 명시되지 않은 사실

저온 저장 탱크는 매우 신뢰성이 높지만, 정비가 필요 없는 것은 아니다. 가장 흔한 운전상 문제는 열 층화 현상으로, 액체 내부에 발생하는 온도 구배로 인해 적절히 관리되지 않으면 급격한 압력 상승을 초래할 수 있다. 운영자는 여러 높이에서 탱크의 온도를 모니터링하고, 혼합 장치나 순환 펌프를 사용하여 균일한 온도를 유지한다.

또 다른 현실은 저온 탱크의 충전 및 배출 과정에서 열 응력이 발생한다는 점이다. 내부 탱크는 온도 변화에 따라 팽창 및 수축하며, 배관 연결부는 이러한 움직임을 허용해야 한다. 벨로우스와 팽창 루프가 일반적으로 사용되지만, 이들은 정기적인 점검과 경우에 따라 교체가 필요하다. 미국 중서부 지역의 액체 질소 시설에서는 벨로우스가 충전 작업 중 고장나 차가운 가스가 유출되어 6주간 가동이 중단되는 사례를 통해 이를 직접 경험하였다.

제작 및 건설상의 도전 과제

저온 저장 탱크를 제작하는 것은 일반 압력 용기를 제작하는 것과 다릅니다. 허용 오차가 더 엄격하고, 용접 절차가 더 까다롭며, 검사 요구 사항도 더 엄격합니다. 내부 탱크의 단 하나의 용접 결함도 전체 밀폐 시스템을 위태롭게 만들 수 있습니다.

프로젝트 소유자에게는 제작업체 선정이 매우 중요합니다. 저온 용도에 대한 실적을 보유한 제작업체는 특수 용접 절차, 비파괴 검사 요구 사항, 그리고 제작 과정에서 청결도의 결정적 중요성을 정확히 이해합니다. GreenFir와 같이 저온 장비 제작 분야에서 검증된 실적을 쌓아온 기업은 모든 탱크 프로젝트에 이러한 전문 지식을 적용하여 현장에서 발생할 수 있는 문제의 위험을 줄이고, 최초 충전 시부터 설계된 성능을 확보할 수 있도록 합니다.