2.1 블록의 Global 변형

Fig. 1은 여러 개의 소부재와 중조립 부재로 이루어진 대조립 블록의 사례이다. 블록을 구성하고 있는 소부재의 개수와 위치에 따라 수십, 수백 미터(m)의 용접이 이루어지며, 변형은 수축(Shrinkage)과 각변형(Angular distortion), 굽힘(Bending) 등을 유발하게 된다.

Fig. 1

Sample of large assembly block

Fig. 1 (b) 또는 Fig. 2 (a)에 나타낸 정면 단면의 용접 전 단면 형상은 용접 후 Fig. 2 (b)와 같이 변형이 발생하고, 이 변형을 교정하기 위해 Fig. 2 (c)와 같이 이면에 백히팅 작업을 수행한다.

Fig. 2

Variation of deformation due to process

하지만, 이러한 백히팅 작업은 블록의 하부에 열 응력을 집중시키는 효과를 가져오게 되며, Fig. 2 (b)와 같은 국부적인 용접변형이 발생한 경우 이를 교정하는 효과를 볼 수 있으나, Fig. 2 (d)와 같이 블록이 전체적으로 위로 볼록 혹은 아래로 볼록해지는 글로벌 변형을 일으키는 문제가 있다. 이러한 글로벌 변형은 블록 전체의 뒤틀림 문제이기 때문에 이후의 탑재공정에서 이웃 블록간의 심각한 치수 불균일을 일으키며, 아래 Fig. 3과 같은 형태로 데크(Deck)가 전체적으로 위로 볼록해지는 형태의 변형을 잔류시킨다.

Fig. 3

Global distortion shape for large block

이러한 변형은 Fig. 4 (a)같이 내부재에 다시 삼각가열 형태와 같은 히팅(heating)작업에 의한 수많은 곡직작업을 통해 교정되거나, 탑재 공정에서 블록을 교정(Correction) 해야만 한다.

Fig. 4

Before and after correction for global distortion

2.2 블록 역세팅 조립기술

블록의 글로벌 변형을 방지하기 위한 역세팅 조립 기술은 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 발생하는 변형을 사전에 예측하고, 적절한 조립 방법을 선택하여, 내부재 및 소조립 부재를 Fig. 5와 같이 변형 형상으로 역세팅 하도록 하는 것이다. 이러한 역세팅 조립을 통해, 블록 제작과정에서 발생되는 용접과 곡직에 의해 발생하는 변형을 상쇄할 수 있다.

Fig. 5

Schematic reverse setting shape of block

따라서, 블록의 형상에 따라 다르게 발생하는 글로벌(Global) 변형을 최소화 하는 최적 역세팅 형상(δ)을 결정하는 것이 중요하다.

3.1 역세팅 적용에 따른 백히팅 변형 거동 분석

백히팅에 의해 블록에 열이 가해지면 백히팅 반대측 면의 온도(T_top)와 백히팅 면의 온도(T_bot)의 온도 차이에 의해서 각변형(θ)과 부재 횡 방향의 수축변형(δ)이 Fig. 6과 같이 발생한다(Ha et al, 2007; Jang et el, 2002; Jang et el, 2005). 식 (1)과 같이 열팽창계수(α)와 온도 차이(식 (2))에 의한 열 변형(Thermal strain)이 발생하며, 이로 인해 식 (3)과 같이 열에 의해서 윗면과 아랫면은 각각 길이 변화가 발생한다. 윗면(Top face)과 아랫면(Bottom face)의 길이 변화 차이에 의해 각변형(θ)이 발생하게 되는데, 이때 각변형(θ)는 식 (4)와 같이, 횡 방향의 변형(δ)은 식 (5)와 같이 계산 할 수 있다.

Fig. 6

Block sectional deformation by back-heating

여기서, T_t, T_b, T_i는 Element의 Top layer 온도, Bottom layer 온도, 초기 온도를 의미하며, α는 고유변형도법에 의해 계산된 가상의 열팽창 계수이다. 또한, L, L_t, L_b는 Element의 초기 길이와 변형된 Top layer, Bottom layer의 길이를 의미한다. 또한, δ_rotatiom와 δ_shrinkage는 각각 Element의 회전과 수축에 의한 횡방향의 변위(Displacement)이다.

Fig. 7은 역세팅 형상 적용 여부에 따른 블록의 곡직 변형을 보여주고 있다. 적절한 역세팅 비율이 적용되는 Fig. 7 (b)과 같은 경우 횡방향 수축 변형에 의해서 지지점 사이의 길이를 단축시키기 위해 편평도가 개선된다. 하지만, Fig. 7 (c)와 같이 과도한 역세팅 비율의 적용은 횡방향 팽창 변형을 유발시켜 지지점 사이의 부재에 대하여 길이가 증가하는 방향으로 내력을 발생시켜서 편평도가 악화되는 블록 변형을 유발 할 수 있음을 보이고 있다. 실제 생산에서도 과도한 역세팅 적용에 따른 블록편평도가 악화되는 문제가 수차례 발생되었다. 따라서 최적의 역세팅 값을 구하기 위해서는 경험이나 이론식에 의한 결정은 어려울 것으로 판단되며, 블록의 형상과 변형 발생 경로를 고려하여 최적의 역세팅량을 예측하는 것이 필요하다.

Fig. 7

Mechanism of back heating deformation

3.2 변형도법과 리메슁을 이용한 역세팅 형상예측

Fig. 8은 역세팅 형상예측 기술의 작업 순서를 보이고 있는데, 대상 블록 모델 선정 후, Step 1에서는 작업장 기준 백히팅 공정해석을 통해서 용접 후에 적용되는 곡직 변형을 예측한다. 이는 Fig. 3의 변형된 모습을 예측하는 것이다. Step 2에서는 구해진 백히팅 변형량의 역방향 변위에 일정한 비율을 곱한 값을 새로운 절점의 좌표로 적용하여 리메슁을 수행하여 초기 블록의 역형상 모델을 구성한다. 이는 Fig. 5와 같은 역세팅 형상을 생성하는 것이다. Step 3에서는 Step 2에서 구성한 역형상 모델을 이용하여 백히팅 변형 해석을 재 수행하고 예상되는 백히팅 후의 블록 형상을 구한다. 해석에 적용된 백히팅 해석의 수행은 고유변형도법에 기반한 열변형 해석 기술을 적용하며, 기준이 되는 경로 혹은 부재의 전체 변형값을 구하여 설계 기준치 미만의 변형이 발생하는지 판단한다. 만일 기준 이상의 변형을 얻는 역세팅 형상이 예상되면 Step 2의 역세팅 비율을 재조정하여 백히팅 해석을 반복하며, 기준 이하의 변형이 예상되는 역세팅 비율이 결정되면 역세팅 형상을 최종 결정하고 해석을 종료한다.

Fig. 8

Prediction of Reverse setting shape.

개발된 역세팅 예측 해석 기술의 적용성을 검토하기 위하여 대조립 블록의 형태를 단순하게 만든 Fig. 9와 같은 표준 모델을 구성하였으며, 모델은 1개의 횡방향(Transverse) 보강재와 10개의 종방향(Longitudinal) 보강재로 구성하였고, 각 보강재는 1.3m 간격으로 배치하였다.

Fig. 9

Finite Element Model of Standard block

삼각형 및 사각형 Shell 요소를 사용하였으며, 종 및 횡 방향 보강재의 용접 효과를 모사하기 위해 일반 및 백히팅 구간으로 구분하여 기계 및 열적 물성값을 적용하였으며, 해석은 범용 비선형 유한요소 해석 프로그램인 MSC.Marc 2013 (MSC.Software, 2013)을 사용하였다.

역세팅 비율에 따른 블록의 변형량을 파악하기 위하여 역세팅 비율을 0%부터 100%까지 10% 간격으로 증가시키고 백히팅 해석 결과에 대하여 Fig. 10 (a)와 같이 블록의 센터(Path1)와 끝단(Path2)을 비교하였다. Fig. 10 (b)-(c)에서 RS 20과 RS 100은 역세팅 비율이 20%와 100%인 경우를 의미하며, BH 20과 BH 100은 역세팅 비율 20%와 100%가 적용된 역세팅 형상에 곡직 변형해석을 각각 수행한 것을 의미한다. Fig. 10 (b)에 역세팅 비율이 20% RS20)인 경우와 100%(RS100)인 경우의 횡방향 보강재가 배치된 곳의 백히팅 변형을 비교하였다. 20% 역세팅 비율의 경우는 편평도가 개선되는 결과를 보였으나, 100%의 경우는 편평도가 악화되는 결과를 보였다. 횡방향 보강재가 배치되지 않은 곳의 백히팅 변형은 100%나 20%의 역세팅 비율에 따라 편평도 개선에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이는 블록의 백히팅에 의한 변형은 역세팅 비율 뿐만 아니라 블록의 종, 횡방향의 강성과 밀접한 관계가 있음을 나타낸다.

Fig. 10

Back-heating deformation with Reverse setting shape of standard block