선박 엔진 배관 플랜지 용 세미 금속 가스켓 의 열전달 및 구조 해석 
 DOI : https : / / doi . org / 10 . 26748 / KSOE . 2017 . 10 . 31 . 5 . 352 
 Jeong - seok Oh *, In - sup Lee **, Han - ki Yoon ***, Heung - kyoung Sung **** 
 * Advanced Nuclear Materials Technology Institute , Dong - Eui University , Busan , Korea 
 ** Department of Materials Engineering , Dong - Eui University , Busan , Korea 
 *** SUNG CHANG Co . , LTD . , & Korea Institute of Science and Technology Information , Busan , Korea 
 ***** SUNG CHANG Co . , LTD . , Busan , Korea 
 오정석 *, 이인섭 **, 윤한기 ***, 성 흥경 **** 
 * 동의 대학교 차세대 원자력 소재 기술 연구소 
 ** 동의 대학교 신 소재 공학 과 
 *** 주식회사 성창 기업 부설 연구소 , 한국 과학 기술 정보 연구원 
 **** 주식회사 성창 기업 부설 연구소 
 Corresponding author In - Sup Lee : islee @ deu . ac . kr 
 Received March 28 , 2017 Revised September 18 , 2017 Accepted October 19 , 2017 
 핵심 용어 : 세미 금속 가스켓 , 실 , 팽창 흑연 , 유한요소해석 , 스테인리스 강 
 Keywords : Semi - metallic gasket , Seal , Expanded graphite , Finite element analysis , Stainless steel 
 We performed thermal and structural analyses to evaluate the structural integrity of a semi - metal gasket for a flange with increases in the internal fluid temperature and pressure using a commercial FEA program . As a thermal analysis result , the temperature distribution of the gasket body increased with an increase in the internal fluid temperature until the maximum fluid temperature of 600 ° C . In addition , the structural analysis showed that contact pressures of more than 35 MPa occurred uniformly in the graphite seal regions . It was found that no fluid leakage occurred under the load conditions for the structural analysis because the contact pressure in the graphite seal region was greater than the maximum internal fluid pressure of 35 MPa . Therefore , we demonstrated the structural integrity of the semi - metal gasket by performing the thermal and structure analyses under the maximum fluid temperature of 600 ° C and the internal fluid pressure of 35 MPa . 
 실 재료 ( Seal material ) 는 구조물 , 기계 부품 , 각종 기기 등 유체 의 누설 ( Leakage ) 방지 용 으로 사용 되 는 밀봉재 이 며 , 고온 , 고압 , 부식 , 유해 성 유체 등 가혹 한 조건 아래 에서 완벽 한 성능 을 요구 한다 . 실은 소형 의 부품 이 지만 기능 및 역할 은 대단히 중요 하 다 . 실 이 장착 된 부위 에 고온 ⋅ 고압 증기 , 화학 약품 등 누설 이 발생 되 었 을 때 작업자 의 안전 에 미치 는 영향 은 치명 적 이 다 ( Lee et al . , 2013 ) . 
 가스켓 은 선박 엔진 , 압력 용기 등 배관 플랜지 고정 접합면 에 가스켓 을 삽입 하 고 볼트 등 으로 체결 하 여 누설 을 방지 하 는 정 적 실 ( Static seal ) 을 말 한다 . 가스켓 종류 는 일반 적 으로 금속 가스켓 , 비금속 가스켓 , 또한 금속 재료 와 비금속 재료 를 조합 하 여 사용 하 는 세미 금속 가스켓 ( Semi - metal gasket ) 이 있 으며 , 비금속 재료 가 가지 고 있 는 유연 성 , 탄력 성 과 금속 재료 가 가지 고 있 는 강도 , 내열성 등 이점 을 조합 함 으로써 광범위 한 온도 및 압력 조건 에서 뛰어난 기밀 성 을 발휘 할 수 있 는 특징 이 있 다 . 기존 의 널리 사용 되 고 있 는 대표 적 인 세미 금속 가스켓 은 스파이럴 와운 드 가스켓 ( Spiral Wound Gasket ) 이 있 다 . 
 본 연구 에서 는 기존 의 고온 ⋅ 고압 환경 에서 우수 한 기밀 성능 을 발휘 하 는 스파이럴 와운 드 가스켓 보다 경제 성 , 성능 면 에서 보다 유리 한 세미 금속 가스켓 을 개발 하 였으며 , 금속 바디 부 와 흑연 실로 결합 된 새로운 형상 의 혁신 적 인 가스켓 이 다 . Fig . 1 ( a ) 는 기존 의 스파이럴 와운 드 가스켓 , Fig . 1 ( b ) 는 세미 금속 가스켓 을 나타내 고 있 다 . 날개 모양 의 바디 부 와 바디 원형 부 요철 에 흑 연실 각 2 개 씩 바디 앞면 과 뒷면 에 부착 한다 . 특히 독특 한 디자인 의 날개 모양 형상 은 가스켓 체결 시 배관 플랜지 의 외경 크기 가 다양 하 게 변화 하 여도 동일 한 크기 의 가스켓 으로 볼트 를 체결 할 수 있 도록 설계 하 였 다 . 또한 작업자 가 가스켓 체결 시 날개 부분 을 손 으로 잡 고 간단히 가스켓 을 체결 할 수 있 도록 작업 용이성 을 고려 하 여 설계 하 였 다 . 바디 부 는 SUS 316 재질 이 며 요 철부 에 부착 되 는 실은 천연 흑연 성분 을 98 % 포함 한 유연 한 성질 을 가지 고 있 는 팽창 흑연 이 다 . 세미 금속 가스켓 은 기존 의 스파이럴 와운 드 가스켓 에 있 는 용접부 및 기계 가공 공정 을 없애 고 간단 한 프레스 성형 만 으로 단시간 에 제조 가 가능 하 며 , 단가 면 에서 경제 적 이 고 성능 이 우수 하 다 . 가스켓 바디 두께 도 기존 의 3 . 2 mm 에서 1 . 6 mm 로 얇 지만 뛰어난 기밀 성 과 내구 성 을 가지 고 있 다 . 또한 유연 성 과 복원력 이 크 고 내 화학 성 , 고 열전도율 을 가진 팽창 흑연 실 을 금속 가스켓 바디 요철 부 에 삽입 시켜 고온 및 고압 에서 기밀 성 을 극대 화 할 수 있 도록 하 였 다 . 본 연구 의 세미 금속 가스켓 은 선박 엔진 , LNG ⋅ LPG 선 , 석유 ⋅ 해양 플랜트 등 의 고온 , 고압 배관 플랜지 등 에 적용 하 여 기존 의 스파이럴 와운 드 가스켓 을 대체 할 것 이 다 . 
 2 . 1 흑연 시트 의 인장시험 
 유연 한 흑연 시트 의 인장시험 은 KS M ISO 1924 - 2 를 참고 하 여 실시 하 였 다 . 흑연 시크 크기 210 × 15 mm , 10 개 를 준비 하 여 인장시험 을 실시 하 였 다 . Fig . 2 는 유연 한 흑연 시트 의 인장시험 모습 및 인장시험 결과 그래프 를 나타내 었 다 . 인장시험 에서 얻 은 재료 물 성 치 는 열전달 해석 및 구조 해석 의 재료 물 성치 로 이용 하 였 다 . 
 Tensile test of expanded graphite sheet 
 2 . 2 세미 금속 가스켓 의 유한 요소 해석 
 세미 금속 가스켓 의 누설 여부 를 평가 하 기 위하 여 열전달 해석 과 구조 해석 을 수행 하 였 다 . Fig . 3 은 유한 요소 해석 에 사용 된 배관 플랜지 용 세미 가 스켓 의 3 D CAD 모델 이 며 , 해석 모델 은 플랜지 , 금속 가스켓 , 흑연 실 , 볼트 , 너트 로 구성 되 어 있 다 . Table 1 은 유한요소해석 을 위한 플랜지 용 세미 금속 가스켓 의 각 부위 별 재료 의 상온 물성 치 를 나타내 었 다 ( Mathan and Prasad , 2012 ) . 가스켓 바디 재질 은 스테인리스강 SUS 304 , 두께 는 1 . 6 mm , 실은 팽창 흑연 , 볼트 , 너트 는 S 35 C 이 다 . Fig . 4 는 각 재료 의 고온 환경 에서 의 물 성치 로서 열전달 및 구조 해석 의 물 성치 로 적용 하 였 다 ( Afanasov et al . , 2009 ) . Fig . 5 ( a ) 는 플랜지 , 가스켓 , 흑 연실 의 유한 요소 3 차원 모델 을 나타내 었 으며 , Fig . 5 ( b ) 는 유한 요소 해석 과정 을 단순 화 하 기 위하 여 3 D CAD 모델 의 1 / 8 모델 을 나타내 었 다 . 유한 요소 1 / 8 모델 의 메시 형상 을 Fig . 6 에 나타내 었 다 . 
 3 D CAD model of flange and gasket 
 Material properties for FEA 
 Materials properties at high temperature 
 Finite element model of flange gasket 
 Finite element mesh of flange gasket 
 3 . 열전달 및 구조 해석 결과 
 3 . 1 가스켓 의 열전달 해석 
 열전달 해석 경계 조건 을 Fig . 7 에 나타내 었 다 . 플랜지 외부 표면 은 공기 와 접촉 하 는 부분 으로 온도 22 ℃, 자연 대류 열전달 계수 5 . 0 × 10 − 6 [ W / mm 2 ⋅℃] 을 적용 하 였 다 ( Fig . 7 ( a ) ) . 플랜지 내부 벽면 은 유체 ( 물 ) 가 접촉 하 는 부분 으로 대류 열전달 계수 1 . 2 × 10 − 3 [ W / mm 2 ⋅℃], 내부 유체 온도 는 22 ℃, 600 ℃ 로 적용 하 였 다 ( Fig . 7 ( b ) ) . 
 Boundary conditions for thermal analysis in flange gasket 
 플랜지 내부 유체 온도 22 ℃ 및 600 ℃ 에서 가스켓 바디 의 열전달 해석 결과 와 온도 분포 등 고선 을 Fig . 8 에 나타내 었 다 . 플랜지 내부 유체 온도 600 ℃ 의 경우 가스켓 바디 의 최대 온도 599 . 74 ℃, 최저 온도 256 . 39 ℃ 를 나타내 었 다 ( Fig . 8 ( C ) 참조 ) . Fig . 8 ( d ) 는 플랜지 내부 유체 온도 변화 에 따른 열전달 해석 결과 를 그래프 로 나타내 었 다 . 플랜지 내부 유체 온도 가 증가 할수록 가스켓 바디 의 최대 온도 및 최 소대 온도 도 증가 하 였으며 , 또한 최대 온도 및 최저 온도 의 격차 는 더욱 크 게 나타났 다 . 
 Temperature distributions on the internal fluid temperatures 
 3 . 2 가스켓 의 구조 해석 
 Fig . 9 는 구조 해석 을 위한 경계 조건 을 나타내 며 , 접촉면 ABC 면은 Frictionless support 로 설정 하 였 다 . 구조 해석 의 하중 조건 ( 열전달 해석 에서 구한 가스켓 바디 최대 온도 + 유체 최대 압력 + 볼트 체결 력 + 플랜지 길 이 방향 압력 ) 을 Fig . 10 에 나타내 었 다 ( Shen et al . , 2015 ) . 또한 Fig . 8 열 전달 해석 결과 에서 구한 가스켓 바디 의 최대 온도 분포 를 구조 해석 하중 조건 에 적용 하 였 다 ( Fig . 10 ( a ) ) . 볼트 체결 력 : 33 , 600 N ( Fig . 10 ( b ) ) , 내부 유체 최대 압력 35 MPa ( Fig . 10 ( c ) ) , 플랜지 길 이 방향 ( y 방향 ) 으로 발생 하 는 압력 ( pressure 2 ) - 135 . 04 MPa ( Fig . 10 ( d ) ) 을 하중 조건 으로 적용 하 였 다 . 
 Boundary conditions for structural analysis 
 가스켓 구조 해석 결과 가운데 흑 연실 에 분포 하 는 면 압 결과 를 Fig . 11 에 나타내 었 다 . 그림 에서 가스켓 전면 요철 부 실부 분 의 접촉면 압 은 35 MPa 이상 으로 균일 하 며 , 또한 후면 요철 부 흑연 실부 분 의 접촉면 압도 35 MPa 이상 균일 하 게 발생 하 고 있 는 것 을 알 수 있 다 . 플랜지 내부 유체 의 최대 압력 35 MPa 과 비교 하 여 흑연 실부 분 의 접촉 면 압 이 크 게 발생 하 고 있 는 것 을 알 수 있 다 . 구조 해석 결과 상기 의 하중 조건 에서 흑연 실부 분 의 접촉면 압 이 내부 유체 최대 압력 보다 크 기 때문 에 플랜지 내부 유체 는 흑연 실부 분 을 통과 하 여 누설 이 발생 하 지 않 는다고 해석 할 수 있 다 . 이상 의 플랜지 용 세미 금속 가스켓 의 열전달 및 구조 해석 결과 를 통하 여 플랜지 내부 유체 의 최대 온도 600 ℃ 및 최대 압력 35 MPa 조건 에서 세미 금속 가스켓 의 구조 건전 성 을 검증 할 수 있 었 다 . 
 본 연구 에서 는 흑 연실 과 결합 된 세미 금속 가스켓 의 구조 건전 성 을 평가 하 기 위하 여 플랜지 내부 유체 의 최대 온도 600 ℃ 및 최대 압력 35 MPa 조건 에서 열전달 및 구조 해석 을 실시 하 였 다 . 
 ( 1 ) 열전달 해석 결과 플랜지 내부 유체 온도 600 ℃ 의 경우 가스켓 바디 의 온도 분포 는 최대 온도 599 . 74 ℃, 최저 온도 256 . 39 ℃ 를 나타내 었 다 . 내부 유체 온도 22 ℃ 와 비교 하 여 플랜지 내부 유체 온도 가 증가 할수록 가스켓 바디 의 최대 온도 및 최저 온도 의 격차 는 크 게 나타났 다 . 
 ( 2 ) 세미 금속 가스켓 의 구조 해석 을 위하 여 다음 의 하중 조건 ( 열전달 해석 에서 구한 가스켓 바디 의 최대 온도 + 유체 최대 압력 + 볼트 체결 력 + 플랜지 길 이 방향 압력 ) 들 을 적용 하 였 다 . 구조 해석 결과 가스켓 요철 부 흑연 실부 분 의 접촉면 압 이 35 MPa 이상 균일 하 게 발생 하 였으며 , 내부 유체 최대 압력 35 MPa 과 비교 하 여 , 흑연 실부 분 의 접촉 면 압 이 35 MPa 이상 균일 하 게 발생 하 고 있 기 때문 에 상기 의 하중 조건 에서 는 플랜지 내부 유체 의 누설 이 발생 하 지 않 는다고 해석 할 수 있 다 . 
 ( 3 ) 세미 금속 가스켓 의 최대 사용 조건 유체 온도 600 ℃ 및 압력 35 MPa 조건 에서 열전달 및 구조 해석 을 통하 여 세미 금속 가스켓 의 구조 건전 성 을 검증 할 수 있 었 다 . 
 ( 4 ) 본 연구 를 통하 여 세미 금속 가스켓 의 열전달 및 구조 해석 방법 을 다양 한 가스켓 에 적용 하 여 구조 건전 성 을 해석 할 수 있 을 것 으로 사료 된다 . 
 본 연구 의 흑연 실과 결합 된 세미 금속 가스켓 은 고온 ⋅ 고압 환경 에서 뛰어난 기밀 성능 을 발휘 하 며 또 한 기존 의 스파이럴 와운 드 가스켓 과 비교 하 여 제작 비용 , 경제 성 에서 더욱 유리 하 여 기존 가스켓 을 대체 할 수 있 다 . 특히 선박 엔진 배관 , LNG ⋅ LPG 선 고압 배관 , 해양 플랜트 배관 등 의 배관 플랜 지용 가스켓 으로 크 게 활용 될 것 으로 사료 된다 . 
 It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KIM 2016 Gyeongju . 
 본 연구 는 2014 년 도 중소기업 기술 개발 사업 기업 부설 연구소 신규 설치 사업 ( No . C 0193754 ) 지원 의 연구 결과 중 일부 임 을 밝히 며 , 관계자 여러분 께 감사 의 말씀 을 드립니다 . 
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