[논문]두께 감소된 배관 엘보우의 파손 모드에 대한 연구

신규인; 윤기봉

두께 감소된 배관 엘보우의 파손 모드에 대한 연구
A Study on Failure Mode of Pipe Elbows with Wall Thinning 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.12 no.2, 2008년, pp.57 - 62

신규인 (중앙대학교 차세대 에너지.안전연구소) , 윤기봉 (중앙대학교 기계공학부)

초록
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배관 엘보우의 내호면(intrados)의 과 내부에 국부적으로 두께 감육이 발생한 경우, 내압과 엘보우를 닫는 방향으로의 굽힘하중을 부가하여 파손 모드를 연구하였다. 탄소성해석 시 반력-변위 곡선이 세 그룹으로 나뉘므로 각 그룹의 한 경우씩을 해석하여 소성붕괴에 의한 파손모드의 차이를 확인하였다. 이를 위해 주요 부위에서 하중-국부적응력 곡선이 어떻게 변화하는지 결정하여, 이로부터 관찰된 파손모드와 비교하여 설명하였다. 감육폭이 $90^{\circ}$인 경우 배관은 엘보우 측면부터 소성붕괴가 시작되었으며, $360^{\circ}$인 경우 내호면으로부터 소성변형이 시작되어 서로 다른 파손모드를 보여주었다. 배관의 감육측정에 의한 건전성 평가 시 이와 같은 파손 모드의 차이점을 고려하여 평가를 실시하여야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Difference of failure modes was studied by finite element analysis for elbows with local wall thinning area particularly at inner surface of intrados of the elbow. Longitudinal wall thinning length, minimum thickness were kept constant but circumferential wall thinning width was varied to get $90^{\circ}$, $180^{\circ}$ and $360^{\circ}$ thinning width. Elastic-plastic analysis were carried out under the combined loading conditions of internal pressure and in-plane bending moment closing the elbow. Von Mises stress were obtained from the outer surface central surface location in intrados, extrados and crown parts in elbow. The results showed that the plastic deformation and failure started from the crown location when the thinning width small ($90{\sim}180^{\circ}$). However, plastic collapse started from the intrados location when the thinning width is approaching $360^{\circ}C$. This should be reflected to assess structural integrity of elbows after wall thinning measurement is made.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 엘보우 배관의 내호면(intrados)에 국부적으로 두께가 감소되었다고 가정을 하고, 내압(inner pressure)과 엘보우를 닫는 방향의 굽힘하중(closing bending load)을 가하여 파손시 취약부위와 파손모드를 연구하였다. 내호면 감육부의 주어진 감육길이와 감육깊이 조건에서 감육폭의 변화에 따른 파손모드의 차이와 그때의 소성 붕괴하중에 대해 연구하였다.
본 논문에서는 엘보우 배관의 내호면(intrados)에 국부적으로 두께가 감소되었다고 가정을 하고, 내압(inner pressure)과 엘보우를 닫는 방향의 굽힘하중(closing bending load)을 가하여 파손시 취약부위와 파손모드를 연구하였다. 내호면 감육부의 주어진 감육길이와 감육깊이 조건에서 감육폭의 변화에 따른 파손모드의 차이와 그때의 소성 붕괴하중에 대해 연구하였다.

가설 설정

4 mm이다. 엘보우의 감육형상은 Fig. 1과 같이 엘보우의 내호면에 감육부가 있다고 가정하여 내면에서의 감육만을 고려하였다. 엘보우의 감육형상은 배관축의 감육길이 L과 원주방향 감육폭 2C 그리고 최소잔여두께 t_p로 나타낸다.
해석 시 배관 재료의 탄소성 거동은 Fig. 3에서와 같이 인장강도에 도달한 이후에는 완전소성으로 거동한다고 가정하였으며, 두께감소부에서는 대변형(large deformation)이 가능하도록 하였다. 하중은 2단계로 나누어 부과하였다.

제안 방법

von Mises 응력은 Fig. 2에 표시한 바와 같이 엘보우 내호면 바깥 표면에서의 중심(intrados position)과 외호면 바깥 표면에서의 중심(extrados position) 그리고 엘보우 측면 바깥 표면 중심(crown center position)에서의 응력을 구하여 하중 증가에 따른 응력을 살펴보았다. 감육부의 크기에 따라 최대 변형 발생부의 위치가 달라지는데 그러한 최대 변형 발생이 예상되는 위치를 선정한 것이다.
배관축에 수직인 단면에서 원주방향 감육폭의 형상은 배관 단면의 중심을 중심으로 하고 각도가 2C인 호를 갖는 부채꼴을 배관의 내경에 사상이 되었을 때, 그 호가 t_min과 만나는 두 점과 t_p를 지나는 호의 형태로 하여 2C의 길이를 나타내도록 하였다. 감육된 엘보우에 대해 2C를 변화시키면서 3가지의 해석을 수행하였다. 해석조건은 Table 2에 나타내었다.
배관축의 감육길이 L은 곡관의 중심점을 중심으로 하고 L인 호를 갖는 부채꼴이 배관의 중심선에 사상이 되었을 때 길이로 정의된다. 그 호가 최소설계요구두께(t_min)와 만나는 두 점과 t_p의 중심부를 지나는 또 다른 호의 형태로 하여 축방향 감육길이를 나타내도록 하였다. 이때 최소설계요구두께는 5.
4에 나타낸 3개의 하중변위 곡선이 그 각각의 경우를 나타낸다고 볼 수 있다. 따라서 각각의 경우에 실제 배관의 소성붕괴에 의한 파손모드가 어떻게 다른지 Fig. 5를 사용해 검토해 보았다.
본 연구에서는 감육폭 만을 변화시키면서 3종의 해석을 하였으나 감육길이, 감육두께 등 관련 변수를 다양하게 변화시키며 해석하면 하중-변위 곡선이 대개 3개의 그룹으로 나눠지며 Fig. 4에 나타낸 3개의 하중변위 곡선이 그 각각의 경우를 나타낸다고 볼 수 있다. 따라서 각각의 경우에 실제 배관의 소성붕괴에 의한 파손모드가 어떻게 다른지 Fig.
엘보우 배관의 내호면(intrados)에 두께가 감소된 감육부가 배관 내면에 있다고 가정하고, 축방향 감육길이(L)와 최소잔여두께(t_p) 조건은 일정하게 하고 원주방향 감육폭(2C)을 변화시켜 가면서 파손 모드의 차이점을 파악하고자 탄소성 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 시 내압이 고려된 상황에서 엘보우가 닫히는 굽힘 하중을 작용시켜 하중점에서의 반력과 엘보우 내호면 바깥 표면에서의 중심(intrados position)과 외호면 바깥 표면에서의 중심(extrados position) 그리고 엘보우 측면 바깥 표면 중심(crown center position)에서의 von Mises 응력을 구하여 하중 증가에 따른 이 부위의 응력을 조사하였다.
엘보우의 유한요소 모델은 20 절점, 3 차원 구조용 요소(3D20R)를 사용하여, y-축방향(좌표축은 Fig. 2에 표시함) 대칭조건을 이용하여 전체의 1/2을 모델링 하였고, 두께 방향으로 4개의 요소를 형성시켰다. 엘보우의 경계조건은 Fig.
하중은 2단계로 나누어 부과하였다. 처음에는 가동압력으로 내압 10 MPa을 가한 후, 그 후 내압을 유지하면서 엘보우가 닫히는 굽힘하중을 받도록 하였으며, 이로부터 Fig. 2의 A점에서의 반력과 B점에서의 변위로부터 반력-변위 선도를 구하였다.
) 조건은 일정하게 하고 원주방향 감육폭(2C)을 변화시켜 가면서 파손 모드의 차이점을 파악하고자 탄소성 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 시 내압이 고려된 상황에서 엘보우가 닫히는 굽힘 하중을 작용시켜 하중점에서의 반력과 엘보우 내호면 바깥 표면에서의 중심(intrados position)과 외호면 바깥 표면에서의 중심(extrados position) 그리고 엘보우 측면 바깥 표면 중심(crown center position)에서의 von Mises 응력을 구하여 하중 증가에 따른 이 부위의 응력을 조사하였다.

대상 데이터

본 연구의 해석대상 엘보우의 재료는 ASTM A234 WPB로 재료의 화학적 성분은 Table 1과 같으며, 외경(D_o)은 113.4 mm, 두께(t)는 7.8 mm이고 엘보우 곡관반경(R_m)은 152.4 mm이다. 엘보우의 감육형상은 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랜트 배관 설비에서 유체가속 부식으로 인해 발생하는 문제는 무엇인가?	플랜트 배관 설비에서 유체가속 부식(FAC; flow accelerated corrosion)으로 인하여 국부적 감육이 발생하여 탄소강 배관에서 파열 사고가 종종 발생되고 있으며, 특히 2004년 일본 미하마(Mihama) 발전소에서 감육으로 인한 배관 파열사고로 4명이 사망하고 7명의 부상자가 발생하는 심각한 결과가 초래되어 감육에 의한 배관 파열사고를 예방하기 위한 연구가 국내·외적으로 활발히 진행되고 있으며, 그 결과로서 두께 감육 결함을 갖는 배관에 대한 건전성평가 모델들이 제시되고 있다[1-4].
	ASME Sec. XI App. H는 균열성 결함에 대한 평가를 목적으로 만들어진 코드의 한계는 무엇인가?	H는 균열성 결함에 대한 평가를 목적으로 만들어진 코드이기 때문에 보수적인 결과를 주고 있으며[5], 감육된 배관에 적용할 목적으로 ASME Code Case N597-2가 제안되어 있으나 아직 규제기관의 승인을 받지 못하고 있다[6]. 또한 적용범위가 한정되어 있고, 너무 보수적인 결과를 주고있는 경우도 있으며, 많은 경우 사용자의 별도 해석을 요구하고 있어 신속한 적용이 어려운 경우가 많다. 특히 감육 결함에 대한 대부분의 연구들은 직관을 대상으로 수행되었으며, 엘보우(elbow)나 연결관 등에 대한 연구는 상대적으로 적은 실정이다[7-9].
	탄소성해석 시 소성붕괴에 의한 파손모드의 차이를 확인하는 해석하는 방법은 무엇인가?	배관 엘보우의 내호면(intrados)의 과 내부에 국부적으로 두께 감육이 발생한 경우, 내압과 엘보우를 닫는 방향으로의 굽힘하중을 부가하여 파손 모드를 연구하였다. 탄소성해석 시 반력-변위 곡선이 세 그룹으로 나뉘므로 각 그룹의 한 경우씩을 해석하여 소성붕괴에 의한 파손모드의 차이를 확인하였다. 이를 위해 주요 부위에서 하중-국부적응력 곡선이 어떻게 변화하는지 결정하여, 이로부터 관찰된 파손모드와 비교하여 설명하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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