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문제 정의
- 발전소 설비중에서도 탄소강으로 제작된 배관 중에서 6개 컴포넌트(3종류의 티, 오리피스, 리듀서, 엘보우)를 대상으로 상사설계를 수행하고, 실험설비를 제작하였다. 본 논문에서는 6개 컴포넌트 중 분기관(branch)으로부터 유체가 들어온 후 양쪽으로 나가는 티에 대한 실험결과 만을 대표적으로 제시한다. Fig.
- 이에 따라 본 논문에서는 탄소강으로 제작된 개별 배관개소 중에서도 특정 부위에서만 감육이 발생하고 있다는 사실에 착안하여 국부감육에 연관된 매개변수를 찾아내고, 이에 따른 상관관계를 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 탄소강 배관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감육(local wall thinning) 상관관계 규명에 대해서 6개 컴포넌트를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- (8) 근접벽 처리(near wall treatment) 방식은 가장 일반적으로 적용되는 standard wall function을 적용하였으며, 수치해석에 적용된 작동 유체는 1.013×105 Pa의 물로 설정하였다.
- 계속해서 Vr과 감육률 사이에는 어떠한 상관관계가 있는지를 분석하였다. 이를 위하여 실측에 의한 감육률과 수치해석 결과로 나온 Vr을 모두 추출한 후, 감육률이 ‘-’로 계산되거나 Vr이 벽면과 반대 방향으로 흐르는 데이터는 모두 삭제하였다.
- 정압을 측정한 이유는 배관요소 내부의 유동분포가 국부적인 정압 차이에 따라 결정되기 때문에 정압 차이가 수치해석 결과와 유사한 경향을 보이면 유동분포는 동일하게 형성되는 것으로 간주해도 무방하기 때문이다. 그리고 배관 내의 유속은 피토관 또는 오리 피스를 이용하여 측정하였다. 측정된 배관별 유속은 수치해석 경계조건으로 활용하였다.
- 이를 위하여 탄소강 배관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감육(local wall thinning) 상관관계 규명에 대해서 6개 컴포넌트를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다. 그리고 해석모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후, 실험으로 검증된 조건으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로 계산된 여러 난류 매개변수를 실측 데이터로 계산한 감육률과 비교하여 연관성을 확인 하고, 국부감육과 밀접한 관련이 있는 매개변수를 도출한 후 매개변수와 국부감육의 상관관계를 도출하였다.
- 3은 티의 후단 배관에 대한 국부 차압 측정부위를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 전단의 압력측정 부위는 Base로 나타내었으며, 국부 측정부위(local)는 유체거동 특성에 따라 10 mm 또는 20 mm 간격으로 압력공을 설치하였다.
- 몇몇 배관요소에 대하여 실험한 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하고 있는 것이 확인됨에 따라 해석 모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로 나온 편향 난류유동에 따른 매개변수와 실제 감육률을 비교하였다.
- 7은 전체 429,261개로 구성한 수치해석 모델의 격자구성이다. 본 연구에서는 모든 수치해석 모델의 격자유형을 사면체 형태로 구성하였다. 균일한 사면체 격자로 구성하더라도 격자수를 충분히 많게 구성하면 배관 벽면의 경계층 특성을 충분히 반영할 수 있다고 생각하기 때문이다.
- 그리고 해석모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후, 실험으로 검증된 조건으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로 계산된 여러 난류 매개변수를 실측 데이터로 계산한 감육률과 비교하여 연관성을 확인 하고, 국부감육과 밀접한 관련이 있는 매개변수를 도출한 후 매개변수와 국부감육의 상관관계를 도출하였다. 수치해석과 감육률의 비교는 9가지 유형의 17개 모델에 대하여 수행하였으나, 본 논문에서는 티 모델에 대해서만 대표적으로 설명하였다.
- 몇몇 배관요소에 대하여 실험한 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하고 있는 것이 확인됨에 따라 해석 모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로 나온 편향 난류유동에 따른 매개변수와 실제 감육률을 비교하였다. 이는 하나의 배관요소에서 국부감육에 영향을 미치는 인자는 물질전달에 영향을 미치는 난류 매개변수가 유일하다는 조건에 근거한다.
- 수치해석은 9가지 유형의 17개 모델에 대하여 수행하였으나 본 논문에서는 티에 대한 결과만을 제시하였다.
- 실험은 상온인 15℃, 1기압에서 수행하였다. 실제로 현장에서의 운전조건은 이보다 훨씬 높은 온도이지만, 온도는 국부감육의 발생 경향을 파악하는 본 연구의 관심대상이 아니므로 상온에서 수행하였다. 각 배관요소에 들어가는 유속의 설정은 티의 경우 2.
- 실험결과와 수치해석 결과가 일치하는지의 여부를 검토하기 위하여 수치해석 모델을 구성하였다. Fig.
- 75 m/s(branch)로 설정한 후 실험을 수행하였다. 실험에서는 배관요소 전단과 측정하고자 하는 부위와의 압력차를 압력계를 이용하여 측정하였다. 정압을 측정한 이유는 배관요소 내부의 유동분포가 국부적인 정압 차이에 따라 결정되기 때문에 정압 차이가 수치해석 결과와 유사한 경향을 보이면 유동분포는 동일하게 형성되는 것으로 간주해도 무방하기 때문이다.
- 실험에서는 본 연구의 관심대상이 되는 배관요소는 유동가시화를 위하여 아크릴로 제작하였으며, 나머지 배관에 대해서는 PVC 파이프로 제작하였다. 실험은 상온인 15℃, 1기압에서 수행하였다.
- Table 2는 특정 발전소의 티 모델에 대한 수치해석 조건을 제시한 것이다. 운전조건과 경계조건은 실제 발전소에서 배관이 운전되고 있는 조건에서의 값들을 적용하였다.
- 이를 위하여 실측에 의한 감육률과 수치해석 결과로 나온 Vr을 모두 추출한 후, 감육률이 ‘-’로 계산되거나 Vr이 벽면과 반대 방향으로 흐르는 데이터는 모두 삭제하였다.
- 이에 따라 본 논문에서는 탄소강으로 제작된 개별 배관개소 중에서도 특정 부위에서만 감육이 발생하고 있다는 사실에 착안하여 국부감육에 연관된 매개변수를 찾아내고, 이에 따른 상관관계를 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 탄소강 배관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감육(local wall thinning) 상관관계 규명에 대해서 6개 컴포넌트를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다. 그리고 해석모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후, 실험으로 검증된 조건으로 수치해석을 수행하였다.
- 그리고 배관 내의 유속은 피토관 또는 오리 피스를 이용하여 측정하였다. 측정된 배관별 유속은 수치해석 경계조건으로 활용하였다.
대상 데이터
- 8은 수치해석 결과로 나온 데이터의 계산부위를 보여 준다. 데이터 계산부위는 발전소의 실제 배관요소에서 초음파 두께측정을 수행 하고 있는 부위이며, 부위간 간격은 11.18 cm이고 배관요소 중심에서 반경의 95%에 해당하는 지점이다. Table 2는 특정 발전소의 티 모델에 대한 수치해석 조건을 제시한 것이다.
- 발전소 설비중에서도 탄소강으로 제작된 배관 중에서 6개 컴포넌트(3종류의 티, 오리피스, 리듀서, 엘보우)를 대상으로 상사설계를 수행하고, 실험설비를 제작하였다. 본 논문에서는 6개 컴포넌트 중 분기관(branch)으로부터 유체가 들어온 후 양쪽으로 나가는 티에 대한 실험결과 만을 대표적으로 제시한다.
- 상기 수식으로부터 알 수 있는 사실은 배관개소 벽면에서 형성되는 마그네타이트가 벽면으로 향하는 국부유속에 의해 특정 부위에서 물질전달이 활발히 진행되어 국부감육이 더 빨리 진행된다는 것이다. 본 논문에서 분석한 대상 계통은 단상의 급수계통으로서 아래와 같은 조건에 있는 탄소강 배관에 대해서 적용이 가능하다.
- 4는 티에 대하여 구성한 해석 모델 및 격자구성이다. 수치해석을 위한 배관요소의 격자는 경계층 영향분석 결과에 따라 혼합 사면체 유형인 Tet/Hybrid를 적용하였으며, 격자 민감도 분석결과에 따라 티의 경우에는 208,234개의 격자로 구성하였다. 수치해석은 3차원 정상상태 조건으로 수행하였고, 난류점성 모델은 instantaneous Navier-Stokes 식에서 유도된 RNG(Re-Normalized Group) k-ε model을 적용하였다.
- 그 후 실측 오류에 따른 데이터를 제거하기 위하여 Vr과 감육률 사이의 오차가 68% 이상인 데이터를 추가로 제거하였다. 최종적으로 Vr과 감육률 사이의 상관관계를 결정하는데 활용된 데이터는 86개이다. Fig.
이론/모형
- 수치해석은 3차원 정상상태 조건으로 수행하였고, 난류점성 모델은 instantaneous Navier-Stokes 식에서 유도된 RNG(Re-Normalized Group) k-ε model을 적용하였다.
성능/효과
- 결과적으로 본 논문에서는 벽면을 수직으로 향하는 국부유속 Vr과 감육률(WR) 사이에는 다음식과 같은 상관관계가 있는 것을 확인하였다.
- 9는 티에 대하여 수치해석을 수행한 결과로서 속도크기를 등고선 형태로 나타낸 그림이 모델에 대하여 수치해석을 수행하고 실제 초음파 두께측정 데이터와 비교하였다. 그 결과, 배관개소의 벽면으로 향하는 속도성분인 Vr이 모든 모델에서 국부감육과 가장 밀접한 연관성이 있는 것으로 확인되었다. 즉, 배관개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시벽면으로 향하거나 배관벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 속도성분이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것으로 확인되었다.
- 이는 배관이나 기기 벽면에 수직으로 부딪쳐 유동이 정체되는 부위에서 감육이 가장 많이 발생한다는 선행연구(9,10) 결과에도 부합된다. 또한 동일한 형태의 배관개소일지라도 유속과 전단에 설치된 배관개소의 형태에 따라 배관벽면을 직접 타격하는 부위가 달라진다는 사실도 확인하였다.
- 수치해석 결과와 감육률을 비교한 결과, 배관요소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된후 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 Vr 속도성분이 배관의 국부감육과 직접적인 연관성이 있는 것을 확인하였다. 최종적으로 수치해석 및 감육률이 비교된 전체 데이터 중, 신뢰성 있는 데이터를 추출하여 Vr 속도성분과 감육률과의 상관관계를 확인한 결과, 국부 감육률은 Vr 속도성분의 0.
- 그 결과, 배관개소의 벽면으로 향하는 속도성분인 Vr이 모든 모델에서 국부감육과 가장 밀접한 연관성이 있는 것으로 확인되었다. 즉, 배관개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시벽면으로 향하거나 배관벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 속도성분이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것으로 확인되었다. 이는 배관이나 기기 벽면에 수직으로 부딪쳐 유동이 정체되는 부위에서 감육이 가장 많이 발생한다는 선행연구(9,10) 결과에도 부합된다.
- 수치해석 결과와 감육률을 비교한 결과, 배관요소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된후 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 Vr 속도성분이 배관의 국부감육과 직접적인 연관성이 있는 것을 확인하였다. 최종적으로 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.
후속연구
- 이러한 결과로부터 알 수 있는 사실은 배관개소 벽면에서 형성되는 마그네타이트가 벽면으로 향하는 국부유속에 의해 특정 부위에서 물질전달이 활발히 진행되어 국부감육이 더 빨리 진행된다는 것이다. 이러한 연구결과는 현장의 배관계통에서 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정, 감육 원인규명, 설계개선 등에도 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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