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친환경 선박시장, 극저온 LNG 연료탱크로 잡는다.

- 생기원, ㈜가스팩·금성GTC㈜에 용접기술 지원해 LNG연료저장탱크 제작 성공

- 고망간강 소재 적용, -163℃ 극저온 시험 성공 및 설계 선급 인증 확보

□ 전 세계 대기질 악화의 주범으로, 흔히 자동차 배기가스가 손꼽힌다.

ㅇ 하지만 지상의 모든 차량을 합친 것보다 더 많은 배출가스를 내보내는 운송수단은 바로 석유 연료(중유, 벙커C유)를 사용하는 ‘중대형 선박’이다.

ㅇ 운행 대수는 자동차보다 훨씬 적지만, 거대한 크기로 인해 연비가 나쁘고, 특히 연소 과정에서 자동차보다 수천 배 많은 유해물질을 배출한다.

ㅇ 반면 액화천연가스(이하 LNG)를 연료로 사용하는 친환경 선박의 경우, 황산화물·질소산화물·미세먼지 같은 유해물질 배출량을 기존보다 90% 이상 감축이 가능하다.

ㅇ 그에 따라 많은 선주사들이 지난해부터 더욱 강화된 국제해사기구*의 환경규제에 대응하여 LNG연료추진선박에 대한 신규 발주를 늘리고 있다.

* 선박의 항로, 교통 규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 LNG탱크 엔지니어링 기업 ‘㈜가스팩(대표 김광석)’과 전문 제작업체 ‘금성GTC㈜(대표 정현진)’에 용접 자동화 기술을 지원하여 LNG 액화점–163℃보다 더 낮은 극저온에서도 버틸 수 있는 LNG연료저장탱크 제작에 성공했다.

ㅇ LNG연료저장탱크 제작에는 극저온 수축 현상에 유연하면서도 단단하며 국제해사기구 기준에도 부합하는 9%니켈강, 고망간강 등의 특수 소재만 사용해야 한다.

ㅇ 생기원 파트너 기업인 가스팩과 금성GTC는 안정성 높은 탱크 구조 설계 기술과 용접 자동화 기술을 바탕으로 탱크 제작을 시도하였으나, 각각의 탱크 부재들을 하나로 잇는 용접 공정에서 어려움에 부딪혔다.

ㅇ 조선 분야에서는 용접 열원으로 전기불꽃 ‘아크(ARC)’를 사용하는 FCAW 수동용접*을 주로 활용하는데, ‘9%니켈강’의 경우 소재 자체에 자성이 있어 일직선으로 용접되지 않고 한쪽으로 쏠리는 ‘아크쏠림현상’이 발생하기 때문이다. 또한 용접봉 특성상 수동용접이 어려운 작업자세가 많고, 값비싼 용접봉도 다량 소모돼 경제성도 떨어졌다.

* Flux Core Arc Welding의 약자, 와이어를 전기와 Co2를 활용해 용접하는 방식

ㅇ 또 다른 극저온용 탱크 소재인 ‘고망간강’의 경우, 극저온에서의 성능이 좋고 가격경쟁력이 우수한 강점이 있지만, 해당 소재를 사용한 경험이 많지 않은 중소기업에서는 용접이 어려운 소재에 속한다.

□ 기술지원을 요청받은 생기원 동력소재부품연구그룹 김재웅 박사 연구팀은 우선 보유한 최적 용접 자동화 기술을 ‘Type C 탱크 전용 자동화 설비’에 지원하여 그 성능을 입증하고 제작 공정상의 문제점도 해결해냈다.

ㅇ 그 결과, ‘연안 선박용 LNG 연료탱크 모듈’ 개발이 약 3년 만에 완료되어 ‘20년 12월 9%니켈강 소재의 50m³ 소형 탱크가, 올해 8월에는 같은 크기의 고망간강 소재 소형 탱크가 제작을 마쳤다.

ㅇ 해당 시제품은 현재 극저온 시험에서 성능 검증을 완료하고, 관련 설계안의 선급 인증까지 확보한 상태다.

□ 또한 연구팀은 특수소재에 대한 레이저 출력제어를 비롯해 항복·인장강도와 같은 각종 용접인자들의 특성을 고려한 수많은 실험 끝에, 용접 열원으로 아크 대신 ‘고출력 레이저’를 활용하는 용접자동화 기법도 개발했다.

ㅇ 레이저 용접은 자성에 영향을 받지 않고 직진하려는 특성을 띄어 아크쏠림현상이 없고, 기존보다 열 변형도 크게 줄일 수 있어 수정작업의 필요를 덜 수 있다.

ㅇ 또한 용접기술자가 취하기 어려운 자세도 자동화 장비를 통해 고른 품질로 용접할 수 있으며. 고가의 용접봉이 적게 소모돼 비용절약에도 유리하다.

ㅇ 이로 인해, 특수소재로 제작되는 극저온 탱크의 작업성과 품질을 동시에 개선할 수 있었으며, 관련 기술이 국외 SCI 저널 10곳에 게재되는 한편, 조선분야 대기업을 포함한 5개 기업에 기술이전 되는 성과도 있었다.