[논문]ERW강관에서 홈부식의 가속화에 미치는 유동의 영향에 관한 연구

김재성; 김용; 이보영

doi:10.5781/kwjs.2008.26.4.085

ERW강관에서 홈부식의 가속화에 미치는 유동의 영향에 관한 연구
Study on the Effects of Flows on the Acceleration of the Grooving Corrosion in the ERW Pipe 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.26 no.4, 2008년, pp.85 - 91

김재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 김용 (고등기술연구원 로봇생산기술센터) , 이보영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The grooving corrosion is caused mainly by the different microstructures between the matrix and weld which is formed during the rapid heating and cooling cycle in welding. By this localized corrosion reaction of pipes, it evolves economic problems such as the early damage of industrial facilities and pipe lines of apartment, and water pollution. So lots of researches were carried out already about grooving corrosion mechanism of ERW carbon steel pipe but there is seldom study for water hammer happened by fluid phenomenon and corrosion rate by flow velocity. In this study, the analysis based on hydrodynamic and fracture mechanics was carried out. ANSYS, FLUENT and STAR-CD were used for confirmation of flow phenomenon and stress on the pipe. As the results, fatigue failure is able to be happened by water hammer and grooving corrosion rate is increased cause by turbulent. Grooving corrosion is happened on the pipe, then friction loss of fluid is occurred from corroded part. Erosion can be happened enough in corroded region of microscopic size that wear "V" form. Also pipe is able to be damaged by water hammer effects because of corroded region is general acting as a notch effects. Corrosion depth was more than half of total thickness, it can be damaged from water hammer pressure.

주제어

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문제 정의

1 에서와 같이 국부적으로 부식된 곳에 유체 흐름의 방해로 인해 와류가 형성되어 점성저층의 두께가 감소되며 용존산소가 금속 면과 도달하기 훨씬 수월해 진다는 것을 말한다. 따라서 본 연구에서는 부식이 발생되지 않은 매끄러운 강관과 부식이 진행된 강관과의 유체흐름을 비교 해석하여 홈부식의 가속화에 대해 확인하고자 하였다. 해석 값에 대한 신뢰도를 명확히 하기 위하여 우선적으로 홈 부식 손상된 강관의 단면을 관찰하여 부식 부위를 실측 모델링 하였으며, 이를 해석하기 위하여 상용 열 .
본 연구에서는 ERW 방법으로 제작된 탄소강관의 홈 부식이 발생한 후에 유동의 영향으로 인한 홈 부식률의 증가와 함께 수격현상에 따른 파이프의 파손응력을 이론적으로 해석하였다. 해석 결과 값에 대한 신뢰도를 높이기 위하여 실제 부식된 강관을 검토하여 해석조건을 설정하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이를 위해 실제 사용 환경을 모사할 수 있는 경계조건을 선정하여 유한요소해석 및 유체해석을 실시하였다. 이러한 결과를 바탕으로 하여 ERW 강관에서 발생하고 있는 결함 발생에 의한 피해를 극소화시킴으로서 안전하고 효율적인 관리에 기여하고자 한다.
이에 본 연구에서는 부식이 일부 진행된 ERW 강관을 대상으로 강관 내부 유동이 흠부식 감수성 및 부시 속도에 주는 영향을 확인하고자 하였다. 이를 위해 실제 사용 환경을 모사할 수 있는 경계조건을 선정하여 유한요소해석 및 유체해석을 실시하였다.

가설 설정

강관 홈부식 부분에 대한 모델링은 Fig. 2의 (a) 및 (b)의 실측 치수를 대입하였으며, 수돗물이 44mm 의 지름을 갖는 ERW 강관을 가득히 채운 상태에서 1.8m/sec의 속도로 흐르고 있다고 가정한 후, 부식 부위를 중심으로 1/4 영역에 대해 해석하였다.

제안 방법

결론을 얻을 수 있다. 따라서 점성저층의 두께가 얇을수록 용존산소의 확산은 쉽게 일어난다는 유체역학의 이론적 배경을 바탕으로 유속에 따른 경계층 두께의 변화를 계산하였다. 식 (4), (5)와 같이 무 차원 계수인 마찰계수를 층류와 난류에 따라 정의하였으며, 식 (6)에 의해 경계층 두께를 계산하였다.
해석은 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하였으며, 실제 부식은 형상을 띠지만 단순 해석을 위하여 V-노치 형상으로 모델링 하였다. 또한, 수격현상으로 인해 배관에 발생하는 순간적인 폰미세스 응력을 구하기 위하여 식(7)부터 식(9)를 사용하였으며, 실제 배관에 걸리는 원주 방향 응력 (Oreal) 을 안전율을 고려 했을 때의 배관의 허용응력 (Oallow) 값과 비교하여 사용 중 수압으로 인한 균열 발생 가능성을 검토하였다.
주는 영향을 확인하고자 하였다. 이를 위해 실제 사용 환경을 모사할 수 있는 경계조건을 선정하여 유한요소해석 및 유체해석을 실시하였다. 이러한 결과를 바탕으로 하여 ERW 강관에서 발생하고 있는 결함 발생에 의한 피해를 극소화시킴으로서 안전하고 효율적인 관리에 기여하고자 한다.
5mm로 용접부폭 전체가 부식되며 부식 깊이만 변화되고 있는 것을 관찰할 수 있었다. 이에 따라 폭은 0.5mm로 고정하고 깊이만 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 및 2.5mm로 변화시켜 ERW 강관의 파손에 영향을 주는 폰미세스 응력의 변화를 해석하였다. 해석은 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하였으며, 실제 부식은 형상을 띠지만 단순 해석을 위하여 V-노치 형상으로 모델링 하였다.
따라서 본 연구에서는 부식이 발생되지 않은 매끄러운 강관과 부식이 진행된 강관과의 유체흐름을 비교 해석하여 홈부식의 가속화에 대해 확인하고자 하였다. 해석 값에 대한 신뢰도를 명확히 하기 위하여 우선적으로 홈 부식 손상된 강관의 단면을 관찰하여 부식 부위를 실측 모델링 하였으며, 이를 해석하기 위하여 상용 열 . 유체해석 프로그램인 STAR-CD 3.
해석하였다. 해석 결과 값에 대한 신뢰도를 높이기 위하여 실제 부식된 강관을 검토하여 해석조건을 설정하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

데이터처리

5mm로 변화시켜 ERW 강관의 파손에 영향을 주는 폰미세스 응력의 변화를 해석하였다. 해석은 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하였으며, 실제 부식은 형상을 띠지만 단순 해석을 위하여 V-노치 형상으로 모델링 하였다. 또한, 수격현상으로 인해 배관에 발생하는 순간적인 폰미세스 응력을 구하기 위하여 식(7)부터 식(9)를 사용하였으며, 실제 배관에 걸리는 원주 방향 응력 (Oreal) 을 안전율을 고려 했을 때의 배관의 허용응력 (Oallow) 값과 비교하여 사용 중 수압으로 인한 균열 발생 가능성을 검토하였다.

성능/효과

된다. 배관의 내부에 부식이 발생하지 않은 매끄러운 강관과 홈부식에 의해 틈새가 발생한 강관에 대해물이 1.8m/s의 속도로 흐르는 조건으로 해석을 진행한 결과 홈부식이 발생한 강관(0.143m/s)에서의 유체 속도가 매끄러운 강관(0.8m/s)에서 보다 5배 이상 늦어지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 Fig. 7과 같이 부식이 진행되어 생성된 '"V"형태의 홈은 기계적 침식을 유발하며 이는 마이크로 단위의 홈부식 틈새에서도 관로 마찰 증가로 인해 홈부식은 더욱 가속화될 것이라고 판단할 수 있다.
1) 홈부식으로 인해 형성된 'V'형상의 부식틈새는 유체와 관로사이의 마찰을 증가시켜 흠부식이 가속화 되는 것을 확인하였으며, 구상부식과 같은 국부부식 형태의 부식이 전면부식보다 유동의 흐름에 민감함 알 수 있었다. 또한 홈부식이 발생한 강관의 경우 형성된 부식 틈새와 유체 사이의 마찰손실에 따라 아주 미세한 크기의 부식 틈새에서도 침식은 충분히 발생할 수 있다.
또한 홈부식이 발생한 강관의 경우 형성된 부식 틈새와 유체 사이의 마찰손실에 따라 아주 미세한 크기의 부식 틈새에서도 침식은 충분히 발생할 수 있다. 2) 일반적으로 수격현상으로 인해 파이프에 순간적으로 걸리는 압력은 약 88MPa 정도지만, 부식이 파이프 두께의 절반 이상 진행된 후부터는 그 압력이 급격히 증가하여 결국은 수압으로 인한 파손으로 이어질 가능성이 충분히 있음을 확인할 수 있었다.
3) 배관을 흐르는 유체의 속도는 곧 점성저층 두께의 감소로 이어지며 이는 용존산소의 확산이 쉬워져 금속 면과의 부식작용이 더욱 활발하게 이루어질 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 이에 따라 현장에서의 부식을 억제하기 위해서는 배관 시스템 설계 시 한계 유속의 제한 및 수격방지기의 장착이 필수적이라 할 수 있다.
1 (a) 및 (b)에서 이론적으로 설명한 층류 및 난류 유동에서의 속도분포에 대해 FLUENT 해석한 결과로서, 강관 표면에서부터 중심부까지의 유속을 상대적으로 보여주고 있다. 본 해석 결과를 통해 일정한 속도를 가지는 유체가 배관내부로 유입되면 마찰로 인해 유속이 느려진다는 것을 확인할 수 있었으며, 초기 유입되는 유체의 속도가 빠를수록 금속 면에 가까운 곳에서의 유속(1.54m/s)은 난류를 형성하기에 충분한 유속이 흐르며, 그로 인해 점성저층 두께가 얇아진다는 것을 재차 확인하였다.
부시형태를 확인하기 위해 각기 다른 입열 조건으로 제조된 6가지의 ERW 강재를 사용하여 자연 부식시험을 실시한 후 표면조도 측정기로 측정한 결과 Fig. 2와 같이 부식 폭은 6가지의 강종 모두 약 0.5mm로 용접부폭 전체가 부식되며 부식 깊이만 변화되고 있는 것을 관찰할 수 있었다. 이에 따라 폭은 0.
지금까지 유속과 부식률과의 관계에 대해 발표된 여러 결과들을 보더라도 유속의 증가는 부식률을 증가시킨다는 결론을 얻을 수 있다. 따라서 점성저층의 두께가 얇을수록 용존산소의 확산은 쉽게 일어난다는 유체역학의 이론적 배경을 바탕으로 유속에 따른 경계층 두께의 변화를 계산하였다.
5mm이상에서는 응력값이 300MPa 넘어가게 되어 KS D 3507에서 규정한 배관용 탄소강관의 항복응력인 294MPa 이상이 된다. 탄소강관의 안전율을 2로 가정하여 배관의 허용응력을 고려할 경우에도 150MPa을 넘지 않으며, 이러한 결과는 절반 이하의 부식 진행은 수압으로 인한 응력 피로에 영향을 거의 받지 않는다는 사실을 말해준다.

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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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