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문제 정의
- 결국 기존의 예측 모델로는 배관개소 내에서 국부적으로 감육이 발생하는 현상을 예측할 수 없는 것이다. 따라서 본 논문에서는 실제 배관개소 내부에서의 국부감육을 직접적으로 분석하기 위하여 국부감육에 연관된 편향난류가 탄소강 배 관내의 티에서 어떠한 유동형태를 보이는지에 대하여 검토하고자 연구를 수행하였다. 이를 위하여 4개의 컴포넌트(4종류의 티, 오리피스, 90° 엘보우 및 직관 등)를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다.
- 따라서 본 연구에서는 배관개소에서의 국부감육 현상을 파악하고자 실험과 수치해석을 수행하였다. 실제적인 배관내의 국부 감육을 확인하기 위하여 수용성 알칼리금속염을 사용하여 배관 티를 제작하였으며, 내부 유동의 변화를 알아보기 위한 감육 유로가시화 실험을 수행하였다.
- 실제 현장의 발전소 등에서는 배관 등이 단열재로 씌여진 탄소강으로 제작되어 각 배관개소 내부에서 형성되는 유동특성을 눈으로 확인할 수가 없다. 이에 따라 본 논문에서는 배관개소의 형상에 따른 유동이 어떻게 형성되는지를 파악하고자 티 배관 내에서의 유동가속부식으로 인한 배관 감육 유로가시화 실험을 수행하였다.
- 탄소강 배관계에서 유동가속부식으로 인한 국부영역의 감육, 특히 배관형상에 따른 국소 감육현상을 가시화하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험장치의 배관계에 수용성 알칼리 금속염으로 제작한 티 부분을 체결하여 실험을 완료한 후, 알칼리 금속염으로 제작된 티 배관 내부에 대해서 유동가속부식으로 인한 난류유동의 영향을 확인하고 감육 유로를 가시화하기 위하여 Fig.
제안 방법
- 감육 유로가시화 실험을 수행한 후, 알칼리 금속염의 두께 측정은 3차원 스캐너를 이용하여 측정하였다. 또한, 유로가시화로 인한 티 배관 내부감육 현상을 보다 정확하게 분석하기 위하여 알칼리 금속염으로 제작한티 배관 내부의 형상을 석고로 본을 뜬 후, 압력 측정 포인트 위치와 동일한 지점의 단면 형상을 얻어 원형 좌표에 표시하였다.
- 그리고 내경과 외경 사이를 1 mm 간격으로 나누고 단면을 15° 각도로 나누어 티 배관의 감육 정도를 파악할 수 있게 하였다.
- 정압을 측정한 이유는 배관요소 내부의 유동분포가 국부적인 정압차이에 따라 결정되기 때문에 정압차이가 수치해석 결과와 유사한 경향을 보이면 유동분포는 동일하게 형성되는 것으로 간주해도 무방하기 때문이다. 그리고 배관 내의 유속은 대표속도의 경우는 전자식 유량계를 통하여 측정하였고, 각 배관요소의 입구쪽에는 피토관을 설치하여 유속을 측정하였다. 측정된 배관별 유속은 수치해석 경계조건으로 활용하였다.
- 대표적으로 유형 3을 보면 출구부분에서 감육이 크게 발생하였으며, 특히 출구 부위 벽면에서 감육이 가장 크게 발생하였다. 또한, 난류유동에 따른 매개변수와 국부감육의 연관성을 규명하기 위해 수치 해석을 수행하였고, 해석된 난류 매개변수와 실험을 통해 획득한 배관의 감육 정도를 비교하였다.
- 감육 유로가시화 실험을 수행한 후, 알칼리 금속염의 두께 측정은 3차원 스캐너를 이용하여 측정하였다. 또한, 유로가시화로 인한 티 배관 내부감육 현상을 보다 정확하게 분석하기 위하여 알칼리 금속염으로 제작한티 배관 내부의 형상을 석고로 본을 뜬 후, 압력 측정 포인트 위치와 동일한 지점의 단면 형상을 얻어 원형 좌표에 표시하였다. Fig.
- 실제적인 배관내의 국부 감육을 확인하기 위하여 수용성 알칼리금속염을 사용하여 배관 티를 제작하였으며, 내부 유동의 변화를 알아보기 위한 감육 유로가시화 실험을 수행하였다. 또한, 이를 검증하기 위하여 실험에 사용된 배관 티 형상과 경계조건을 동일하게 하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 티 배관개소의 4가지 유형에 대하여 각 유형에 따른 국부감육 부위를 확인할 수 있었다.
- 발전소 설비중에서도 탄소강으로 제작된 배관중에서 4개의 컴포넌트(4종류의 티, 오리피스, 90° 엘보우 및 직관 등)를 대상으로 상사설계를 수행하고, 실험설비를 제작하였다.
- 1과 같이 실험장치를 제작하였다. 본 논문에서는 4개의 컴포넌트 중 주배관의 양쪽 입구로 유동이 유입된 후, 출구인 분기관으로 유출하는 유형의 티에 대한 실험결과를 대표적으로 제시한다.
- 탄소강 배관계에서 유동가속부식으로 인한 국부영역의 감육, 특히 배관형상에 따른 국소 감육현상을 가시화하기 위한 실험을 수행하였다. 본 실험장치의 배관계에 수용성 알칼리 금속염으로 제작한 티 부분을 체결하여 실험을 완료한 후, 알칼리 금속염으로 제작된 티 배관 내부에 대해서 유동가속부식으로 인한 난류유동의 영향을 확인하고 감육 유로를 가시화하기 위하여 Fig. 7과 같이 알칼리 금속염 티 배관 내부를 절단하였다.
- 3은 티의 유체 유동 형태에 따른 4가지 형태의 유형과 함께 10 mm, 20 mm 간격으로 압력공을 설치한 압력측정 부위를 나타내고 있다. 분기관의 형태를 지닌 티 형상의 배관개소에서 발생할 수 있는 유동경향 중 대표적인 4가지 경우에 대해 실험을 수행하였다.
- 수치해석 결과로 구해지는 난류 매개 변수 중어떤 성분이 티 배관개소의 국부감육에 영향을 미치는지를 분석하기 위하여 수치해석을 수행하고, 알칼리 금속염 티 배관의 두께 측정 데이터와 비교하였다.
- 따라서 본 연구에서는 배관개소에서의 국부감육 현상을 파악하고자 실험과 수치해석을 수행하였다. 실제적인 배관내의 국부 감육을 확인하기 위하여 수용성 알칼리금속염을 사용하여 배관 티를 제작하였으며, 내부 유동의 변화를 알아보기 위한 감육 유로가시화 실험을 수행하였다. 또한, 이를 검증하기 위하여 실험에 사용된 배관 티 형상과 경계조건을 동일하게 하여 수치해석을 수행하였다.
- 실험결과와 수치해석 결과가 일치하는지의 여부를 검토하기 위하여 수치해석 모델을 구성하였다. 수치해석은 Gambit 프로그램을 이용하여 해석모델 및 격자구성을 하였고, FLUENT 코드로 유동해석을 수행하였다.
- 단, 여기서 온도는 국부 감육의 발생 경향을 파악하는 본 연구의 관심대상이 아니므로 상온에서 수행하였다. 실험설비에서 본 연구에서 관심의 대상이 되는 부분인 티 배관개소를 수용성 알칼리금속염으로 제작하여, 티 배관에서의 감육 유로가시화를 실시함과 동시에 감육 두께 등을 측정하였다.
- 75 m/s로 설정한 후 실험을 수행하였다. 실험에서는 배관요소 전단과 측정하고자 하는 부위와의 압력차를 디지털 압력계를 이용하여 측정하였다. 정압을 측정한 이유는 배관요소 내부의 유동분포가 국부적인 정압차이에 따라 결정되기 때문에 정압차이가 수치해석 결과와 유사한 경향을 보이면 유동분포는 동일하게 형성되는 것으로 간주해도 무방하기 때문이다.
- 실험에서는 본 연구의 관심대상이 되는 배관개소 등의 유동을 가시화하기 위하여 아크릴로 제작되었으며, 나머지 배관에 대해서는 PVC 파이프로 제작하였다. 실험은 상온인 15℃, 1기압에서 수행하였다.
- 3에서 티 배관의 유형과 유동경향 및 압력 측정 위치를 확인할 수 있듯이 네 가지의 경우가 있다. 이 네 가지의경우에 있어서 감육 유로가시화 및 감육 두께의 측정 등을 모두 실시하였으나(10), 이중에서 본 논문에서는 티 배관 형상 유형 3의 경우를 대표적으로 선택하여 티 배관 내부의 감육 현상을 분석하였다. Fig.
- 이를 위하여 4개의 컴포넌트(4종류의 티, 오리피스, 90° 엘보우 및 직관 등)를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다.
- 그리고 배관 내의 유속은 대표속도의 경우는 전자식 유량계를 통하여 측정하였고, 각 배관요소의 입구쪽에는 피토관을 설치하여 유속을 측정하였다. 측정된 배관별 유속은 수치해석 경계조건으로 활용하였다. Fig.
- 발전소 설비중에서도 탄소강으로 제작된 배관중에서 4개의 컴포넌트(4종류의 티, 오리피스, 90° 엘보우 및 직관 등)를 대상으로 상사설계를 수행하고, 실험설비를 제작하였다. 탄소강 배관 개소 내의 감육 현상을 파악하기 위하여 Fig. 1과 같이 실험장치를 제작하였다. 본 논문에서는 4개의 컴포넌트 중 주배관의 양쪽 입구로 유동이 유입된 후, 출구인 분기관으로 유출하는 유형의 티에 대한 실험결과를 대표적으로 제시한다.
- 한편, 감육에 대한 탄소강 배관내의 유체 유동의 형태를 가시화하기 위하여 탄소강 배관 티 내부를 알칼리 금속염으로 제작하였다. 티 배관의 경우, 내부는 가시화를 위해 알칼리 금속염으로 외부는 전체 배관과 연결하기 위해 석고를 사용하여 제작하였다.
대상 데이터
- 2 µgFe/kg H2O의 용해도를 가진다(9). 미소한 양의 용해도를 가지는 마그네타이트의 감육 현상과 같이 탄소강 배관 티에서의 감육을 가시화하기 위하여 배관 부품요소인 티의 재료로서 빠른 시간에 용해와 물질전달이 발생하는 재료인 수용성 알칼리금속염을 선정하였다. 단, 여기서 온도는 국부 감육의 발생 경향을 파악하는 본 연구의 관심대상이 아니므로 상온에서 수행하였다.
- 5는 티에 대하여 구성한 해석 모델 및 격자구성이다. 수치해석을 위한 배관요소의 격자는 경계층 영향분석 결과에 따라 육면체 유형인 Hex/Wedge와 사면체 유형인 Tet/Hybrid를 혼합 적용하였으며, 격자 민감도 분석결과에 따라 298,870개의 격자로 구성하였다. 수치 해석은 3차원 정상상태 조건으로 수행하였고, 난류점성 모델은 Instantaneous Navier-Stokes 식에서 유도된 RNG (Re-Normalized Group) k-ε model을 적용하였다(7).
데이터처리
- 이를 위하여 4개의 컴포넌트(4종류의 티, 오리피스, 90° 엘보우 및 직관 등)를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제작하여 실험을 수행하고, 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검증하였다. 수치해석 결과로 계산된 여러 난류 매개변수를 실측데이터로 계산한 감육두께와 비교하여 연관성을 확인하였다. 수치해석과 감육두께와의 비교는 여러 모델에 대해서도 수행하였으나, 본 논문에서는 티 모델에 대해서만 대표적으로 설명한다.
- 실험결과와 수치해석 결과가 일치하는지의 여부를 검토하기 위하여 수치해석 모델을 구성하였다. 수치해석은 Gambit 프로그램을 이용하여 해석모델 및 격자구성을 하였고, FLUENT 코드로 유동해석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
- 근접벽 처리(near wall treatment) 방식은 가장 일반적으로 적용되는 standard wall function을 적용하였으며, 수치해석에 적용된 작동유체는 1.013×105 Pa의물로 설정하였다.
- 수치 해석은 3차원 정상상태 조건으로 수행하였고, 난류점성 모델은 Instantaneous Navier-Stokes 식에서 유도된 RNG (Re-Normalized Group) k-ε model을 적용하였다(7).
성능/효과
- 또한, 이를 검증하기 위하여 실험에 사용된 배관 티 형상과 경계조건을 동일하게 하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 티 배관개소의 4가지 유형에 대하여 각 유형에 따른 국부감육 부위를 확인할 수 있었다. 대표적으로 유형 3을 보면 출구부분에서 감육이 크게 발생하였으며, 특히 출구 부위 벽면에서 감육이 가장 크게 발생하였다.
- 그러나 두 유동이 만나서 유출되는 출구인 분기관에서는 입구 부분에 비해 감육이 많이 발생하였으며, 0°와 180° 근처의 감육량이 90°와 270° 근처에서 보다 많은 것으로 나타났다.
- 그러나, 난류 매개변수들과 알칼리 금속염 티 배관 두께의 비교 결과, 배관개소의 벽면으로 향하는 속도성분인 반경방향 유속 Vr이 국부감육과 가장 연관성이 있는 것으로 확인되었다. 이는 반경방향 유속 Vr과 유동이 배관 벽면에서 분리된 후, 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 속도성분으로서 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것 으로 확인되었다.
- 이는 배관이나 기기 벽면에 수직으로 부딪쳐 유동이 정체되는 부위에서 감육이 가장 많이 발생한다는 선행연구(11,12) 결과에도 부합된다. 또한 동일한 형태의 배관개소이더라도 유속과 전단에 설치된 배관개소의 형태에 따라 배관 벽면을 직접 타격하는 부위가 달라진다는 사실도 확인하였다.
- 수치해석 결과와 두께 측정결과를 비교한 결과, 배관 개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 반경방향 속도성분 Vr이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과는 현장의 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정, 감육 원인규명, 설계개선 등에 활용할 수 있으며, 현장의 배관 감육 관련 안전성 증대에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 수치해석 결과와 두께 측정결과를 비교한 결과, 배관 개소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 반경방향 속도성분 Vr이 배관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과는 현장의 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정, 감육 원인규명, 설계개선 등에 활용할 수 있으며, 현장의 배관 감육 관련 안전성 증대에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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