탄소강 배관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감육의 상관관계 규명 Verification of the Interrelation Between Local Wall Thinning and Velocity Components Observed in the Deflected Turbulent Flow inside Carbon Steel Piping원문보기
원자력발전소, 화력발전소 및 일반 산업체에서 탄소강으로 제작된 기기가 유체 흐름과 접촉할 경우에는 유동가속부식이라는 손상을 받아 두께가 점차 얇아지는 감육 현상이 나타나고 결국에는 기기의 압력경계 부분이 파열되는 사고가 발생할 수도 있다. 1986년 12월 미국 Surry 2호기에서 급수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육 문제가 전세계적으로 시급히 해결해야 할 과제로 대두되었으며, 2004년 8월에는 일본 미하마 3호기에서 복수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육에 대한 규제가 훨씬 강화되었다. 이러한 유동가속부식에 의한 감육을 이론적으로 예측할 수 있는 모델은 다수가 있으나 그 중에서도 Chexal-Horiwitz 모델과 Kastner-Riedle 모델은 코드로 개발되어 현장에 널리 적용되고 있다. 그러나 기존의 유동가속부식 예측 모델로는 실제 현장에서 국부적으로 발생하고 있는 국부 감육률과 발생부위를 정확히 예측할 수 없다. 이에 따라 본 논문에서는 배관개소별로 국부감육이 발생하는 부위를 확인하고, 국부감육과 밀접한 연관이 있는 난류 ...
원자력발전소, 화력발전소 및 일반 산업체에서 탄소강으로 제작된 기기가 유체 흐름과 접촉할 경우에는 유동가속부식이라는 손상을 받아 두께가 점차 얇아지는 감육 현상이 나타나고 결국에는 기기의 압력경계 부분이 파열되는 사고가 발생할 수도 있다. 1986년 12월 미국 Surry 2호기에서 급수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육 문제가 전세계적으로 시급히 해결해야 할 과제로 대두되었으며, 2004년 8월에는 일본 미하마 3호기에서 복수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육에 대한 규제가 훨씬 강화되었다. 이러한 유동가속부식에 의한 감육을 이론적으로 예측할 수 있는 모델은 다수가 있으나 그 중에서도 Chexal-Horiwitz 모델과 Kastner-Riedle 모델은 코드로 개발되어 현장에 널리 적용되고 있다. 그러나 기존의 유동가속부식 예측 모델로는 실제 현장에서 국부적으로 발생하고 있는 국부 감육률과 발생부위를 정확히 예측할 수 없다. 이에 따라 본 논문에서는 배관개소별로 국부감육이 발생하는 부위를 확인하고, 국부감육과 밀접한 연관이 있는 난류 매개변수를 찾아내어 감육률과의 상관관계를 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 유체유동 측면에서 접근한 본 연구는 단일 배관개소 내에서의 온도나 화학적 인자들은 동일한 것으로 간주할 수 있으므로 국부적으로 발생하는 감육 현상은 유체유동에 의한 마그네타이트의 물질전달(확산) 현상이 지배적이라는 사실에 근거한다. 본 논문에서는 먼저 유동가속부식 이론과 기존에 제시되어 있는 감육예측 모델을 검토하고 국내외의 손상사례를 조사하였다. 그리고 발전소에서 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 기하학적 모형이 서로 다른 6가지 종류의 배관개소에 대하여 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하였다. 그 결과 수치해석으로도 실제 배관개소 내의 유동특성을 충분히 모사할 수 있다는 사실이 확인되었으며, 해석모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관개소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 수행하기에 앞서, 선정한 격자유형이 배관개소의 경계층 조건을 충분히 반영할 수 있는지와 격자개수에 따른 해석결과의 민감도를 분석하였다. 그 결과 사면체 격자로 해석모델을 구성하더라도 일정 수준으로 격자수를 많게 하면 배관개소 벽면의 경계층 특성을 충분히 반영할 수 있음을 확인하였으며, 격자 민감도에 있어서는 대상 모델의 가장 짧은 가장자리의 길이인 0.43m의 7% 정도가 해석시간 및 결과의 정확도 측면에서 최적인 것을 확인하였다. 편향 난류유동에 따른 매개변수와 국부감육 상관관계를 규명하기 위하여 노형이 동일한 4개 발전소와 수화학 조건이 동일한 주급수계통을 대상으로 9가지 유형, 17개 모델의 배관개소를 선정하여 수치해석을 수행하고 해석으로 계산된 각 부위의 난류 매개변수와 실제 감육률을 비교하였다. 수치해석 결과와 감육률을 비교한 결과, 배관개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 반경방향 국부유속, Vr 성분이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것을 확인하였다. 수치해석 및 감육률이 비교된 전체 데이터 중 신뢰성 있는 데이터를 추출하여 Vr 속도성분과 감육률과의 상관관계를 확인한 결과, 국부 감육률은 Vr 속도성분의 0.55배에 0.1을 더한 값과 같다는 결론을 도출하였다. 이러한 연구결과는 현장의 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정, 감육 원인규명, 설계개선 등에 활용할 수 있으며, 향후 2상 증기배관에 대한 연구결과가 추가로 도출되면 국내의 감육예측 기술력 증대와 현장의 배관감육 관련 안전성 증대에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
원자력발전소, 화력발전소 및 일반 산업체에서 탄소강으로 제작된 기기가 유체 흐름과 접촉할 경우에는 유동가속부식이라는 손상을 받아 두께가 점차 얇아지는 감육 현상이 나타나고 결국에는 기기의 압력경계 부분이 파열되는 사고가 발생할 수도 있다. 1986년 12월 미국 Surry 2호기에서 급수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육 문제가 전세계적으로 시급히 해결해야 할 과제로 대두되었으며, 2004년 8월에는 일본 미하마 3호기에서 복수관이 파열되는 사고가 발생하여 배관감육에 대한 규제가 훨씬 강화되었다. 이러한 유동가속부식에 의한 감육을 이론적으로 예측할 수 있는 모델은 다수가 있으나 그 중에서도 Chexal-Horiwitz 모델과 Kastner-Riedle 모델은 코드로 개발되어 현장에 널리 적용되고 있다. 그러나 기존의 유동가속부식 예측 모델로는 실제 현장에서 국부적으로 발생하고 있는 국부 감육률과 발생부위를 정확히 예측할 수 없다. 이에 따라 본 논문에서는 배관개소별로 국부감육이 발생하는 부위를 확인하고, 국부감육과 밀접한 연관이 있는 난류 매개변수를 찾아내어 감육률과의 상관관계를 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 유체유동 측면에서 접근한 본 연구는 단일 배관개소 내에서의 온도나 화학적 인자들은 동일한 것으로 간주할 수 있으므로 국부적으로 발생하는 감육 현상은 유체유동에 의한 마그네타이트의 물질전달(확산) 현상이 지배적이라는 사실에 근거한다. 본 논문에서는 먼저 유동가속부식 이론과 기존에 제시되어 있는 감육예측 모델을 검토하고 국내외의 손상사례를 조사하였다. 그리고 발전소에서 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 기하학적 모형이 서로 다른 6가지 종류의 배관개소에 대하여 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하였다. 그 결과 수치해석으로도 실제 배관개소 내의 유동특성을 충분히 모사할 수 있다는 사실이 확인되었으며, 해석모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관개소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 수행하기에 앞서, 선정한 격자유형이 배관개소의 경계층 조건을 충분히 반영할 수 있는지와 격자개수에 따른 해석결과의 민감도를 분석하였다. 그 결과 사면체 격자로 해석모델을 구성하더라도 일정 수준으로 격자수를 많게 하면 배관개소 벽면의 경계층 특성을 충분히 반영할 수 있음을 확인하였으며, 격자 민감도에 있어서는 대상 모델의 가장 짧은 가장자리의 길이인 0.43m의 7% 정도가 해석시간 및 결과의 정확도 측면에서 최적인 것을 확인하였다. 편향 난류유동에 따른 매개변수와 국부감육 상관관계를 규명하기 위하여 노형이 동일한 4개 발전소와 수화학 조건이 동일한 주급수계통을 대상으로 9가지 유형, 17개 모델의 배관개소를 선정하여 수치해석을 수행하고 해석으로 계산된 각 부위의 난류 매개변수와 실제 감육률을 비교하였다. 수치해석 결과와 감육률을 비교한 결과, 배관개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 반경방향 국부유속, Vr 성분이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것을 확인하였다. 수치해석 및 감육률이 비교된 전체 데이터 중 신뢰성 있는 데이터를 추출하여 Vr 속도성분과 감육률과의 상관관계를 확인한 결과, 국부 감육률은 Vr 속도성분의 0.55배에 0.1을 더한 값과 같다는 결론을 도출하였다. 이러한 연구결과는 현장의 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정, 감육 원인규명, 설계개선 등에 활용할 수 있으며, 향후 2상 증기배관에 대한 연구결과가 추가로 도출되면 국내의 감육예측 기술력 증대와 현장의 배관감육 관련 안전성 증대에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
When components made of carbon steel in nuclear, fossil, and industry plants are contacted with flowing fluid, wall thinning caused by FAC (flow accelerated corrosion) can be generated and eventually ruptured at the portion of pressure boundary. Because of the elbow rupturing accident of feedwater s...
When components made of carbon steel in nuclear, fossil, and industry plants are contacted with flowing fluid, wall thinning caused by FAC (flow accelerated corrosion) can be generated and eventually ruptured at the portion of pressure boundary. Because of the elbow rupturing accident of feedwater system at the Surry Unit 2 in December 1986, wall thinning management was emerged as a problem to be solved preferentially. Regulation related to wall thinning over the world was more tighten due to the rupturing accident of a condensate piping component at the Mihama Unit 3 in August 2004. Various models have been proposed to predict the wall thinning caused by FAC. The Chexal-Horiwitz model of United State and the Kastner-Riedle model of Germany serve as codes to aid utilities in managing pipe degradation. However, existing models can not predict exactly the local thinning rate and the local wall thinning location. A study for identifying the locations generating local wall thinning, disclosing turbulence coefficients related to the local wall thinning, and developing the relationship between turbulence coefficients and thinning rate was performed. In this thesis, FAC process in general and existing models to predict FAC were reviewed and significant FAC failures were investigated. Experiments and numerical analyses for six types of piping component, which are used to plants in general, were performed and the results were compared. Based on the results that the flow behaviors inside piping components can be simulated by numerical analysis, numerical analyses for the magnified models to actual size of plants were performed. In advance of performing numerical analyses, whether the selected cell type can predict the boundary layer characteristics or not and the sensitivity of analysis results by the number of cells were analyzed. It was identified that, even if the cells of analysis models are constructed as the tetra/hybrid type, the model constructed with enough number of cells can reflect the boundary layer characteristics to analysis results and 7% of shortest edge 0.43 m is the most eligible in terms of analysis time and accuracy of analysis results. To disclose the relationship between turbulence coefficients and local thinning rate, numerical analyses were preformed for 17 components of 9 types included in the main feedwater systems which are the same type of reactor and water chemistry. The turbulence coefficients based on the numerical analyses were compared with the local wear rate based on the measured data. From the comparison of the results, the Vr velocity component flowing to the wall after separating in the wall due to the geometrical configuration and colliding with the wall directly at an angle of some degree was analogous to the configuration of local wall thinning. From the relationship between the Vr and the local thinning rate, it was derived that the local thinning rate is in proportion to 0.55 times of Vr adding 0.1. This result may be used to decide the locations and scopes for ultrasonic tests, verify the wall thinning reasons, modify the pipeline design, etc. and contributed to upgrading the techniques for wall thinning prediction and improving the plant safety related to wall thinning.
When components made of carbon steel in nuclear, fossil, and industry plants are contacted with flowing fluid, wall thinning caused by FAC (flow accelerated corrosion) can be generated and eventually ruptured at the portion of pressure boundary. Because of the elbow rupturing accident of feedwater system at the Surry Unit 2 in December 1986, wall thinning management was emerged as a problem to be solved preferentially. Regulation related to wall thinning over the world was more tighten due to the rupturing accident of a condensate piping component at the Mihama Unit 3 in August 2004. Various models have been proposed to predict the wall thinning caused by FAC. The Chexal-Horiwitz model of United State and the Kastner-Riedle model of Germany serve as codes to aid utilities in managing pipe degradation. However, existing models can not predict exactly the local thinning rate and the local wall thinning location. A study for identifying the locations generating local wall thinning, disclosing turbulence coefficients related to the local wall thinning, and developing the relationship between turbulence coefficients and thinning rate was performed. In this thesis, FAC process in general and existing models to predict FAC were reviewed and significant FAC failures were investigated. Experiments and numerical analyses for six types of piping component, which are used to plants in general, were performed and the results were compared. Based on the results that the flow behaviors inside piping components can be simulated by numerical analysis, numerical analyses for the magnified models to actual size of plants were performed. In advance of performing numerical analyses, whether the selected cell type can predict the boundary layer characteristics or not and the sensitivity of analysis results by the number of cells were analyzed. It was identified that, even if the cells of analysis models are constructed as the tetra/hybrid type, the model constructed with enough number of cells can reflect the boundary layer characteristics to analysis results and 7% of shortest edge 0.43 m is the most eligible in terms of analysis time and accuracy of analysis results. To disclose the relationship between turbulence coefficients and local thinning rate, numerical analyses were preformed for 17 components of 9 types included in the main feedwater systems which are the same type of reactor and water chemistry. The turbulence coefficients based on the numerical analyses were compared with the local wear rate based on the measured data. From the comparison of the results, the Vr velocity component flowing to the wall after separating in the wall due to the geometrical configuration and colliding with the wall directly at an angle of some degree was analogous to the configuration of local wall thinning. From the relationship between the Vr and the local thinning rate, it was derived that the local thinning rate is in proportion to 0.55 times of Vr adding 0.1. This result may be used to decide the locations and scopes for ultrasonic tests, verify the wall thinning reasons, modify the pipeline design, etc. and contributed to upgrading the techniques for wall thinning prediction and improving the plant safety related to wall thinning.
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