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CO2 배관의 연속연성파괴 분석
Analysis on Dynamic Ductile Fracture of Transportation Pipeline for Carbon Dioxide Capture and Storage System 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.18 no.3, 2014년, pp.13 - 19  

정효태 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) ,  최병학 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) ,  김우식 (한국가스공사 연구개발원) ,  백종현 (한국가스공사 연구개발원)

초록
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이산화탄소 포집 및 저장 시스템(CCS, Carbon dioxide Capture and Storage system)의 수송배관에 대한 연속연성파괴(DDF, Dynamic Ductile Fracture)를 연구하기 위하여 Battlle Two Curve법(BTCM)으로 CCS수송배관의 연속연성파괴거동을 해석하여 천연가스 수송배관의 연속연성파괴거동과 비교하였다. 또한, $CO_2$배관에서의 배관두께 및 사용온도에 따른 연속연성파괴 민감도를 분석함으로써 연속연성파괴에 대한 사용기준을 해석하였다. 우리나라 기후조건에 따른 $CO_2$배관두께와 수송압력 사용기준을 분석하였으며, 상온의 경우에는 기존의 천연가스용 배관을 $CO_2$배관으로 사용하기 위해서는 배관두께가 7mm이상이어야 하고 수송압력은 54bar이하이어야 함을 해석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Dynamic ductile fracture (DDF) has been studied in the transportation pipeline for the carbon dioxide capture and storage(CCS) system. DDF behavior of CCS transportation pipeline has been analyzed using Battelle Two Curve Method (BTCM) and compared with the DDF behavior of natural gas pipeline. The ...

주제어

#Dynamic Ductile Fracture   #CCS   #Carbon Dioxide   #Battle Two Curve Method  

AI 본문요약
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문제 정의

  • CO2 배관으로 반지름 381㎜인 X70 등급 가스배관을 사용한다고 했을 때, 배관두께가 어느 정도까지 얇아도 DDF에 안정한지 평가하여 보았다. Fig.
  • 본 연구에서는 X65 및 X70 Grade의 가스 배관에 대한 DDF를 파악하고자 하여, X65 및 X70 배관의 각 항복강도, 탄성계수와 CVN 및 각 배관의 직경과 두께가 변수로 대입된다. 그런데 두 종류 가스배관에 있어서 현장에 설치 된 모든 조건을 망라하여 DDF 판정을 마련하는데, 여기에는 배관의 용접부/모재, 배관방향 (Long, 45도, Trans), 사용온도 (20℃ ~ - 40℃), 용접 종류 (자동 및 수동), 연간밴드(인장, 압축, 미변형) 조건에서 얻어지는 CVN 값이 주요변수로 적용 된다.
  • 지금까지 CO2 배관의 DDF 관련 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 가스배관에 적용된 DDF 코드를 기준으로 CCS 배관 DDF를 파악하고자 하였다. 가까운 미래에 CO2 배관은 중요한 플랜트 산업으로 자리할 것이다.
  • 여기에서는 CO2 배관을 기존의 가스배관을 사용한다고 가정하였을 때 DDF의 발생을 계산하고자 한다. 먼저 파열진전속도(Vf) 계산에 입력되는 배관재질상수 값은 아래와 같으며, 분위기에 따른 차이는 없다고 가정하였다.

가설 설정

  • 3. DDF Criteria of (a) CH4 and (b) CO2 at 70bar and 20℃ with 15.9㎜ thick X70 pipe.
  • 4. DDF Criteria of (a) CH4 and (b) CO2 at 70bar and 20℃ with 8㎜ thick X70 pipe.
  • 그림에서 X70 배관은 0℃ 까지 DDF 위험성이 없지만 -20℃ 이하 온도에서 DDF 발생 가능성이 있는 것을 알 수 있다. 단 아래 결과는 모든 온도와 압력의 계산 조건에서 CO2가 기체 상태임을 가정한 것이다.
  • 배관을 기존의 가스배관을 사용한다고 가정하였을 때 DDF의 발생을 계산하고자 한다. 먼저 파열진전속도(Vf) 계산에 입력되는 배관재질상수 값은 아래와 같으며, 분위기에 따른 차이는 없다고 가정하였다.
  • 수송라인에 X70 등급의 기존 가스배관을 사용함을 가정하는 경우, 사용온도의 민감도를 평가하였다. 여기에서 배관 형상은 반지름 381㎜, 두께 11.1㎜ 가정하였는데, 이것은 기존 배관의 제조 규격 중 하나로 20℃, 70기압의 CO2 사용조건에서는 DDF가 발생하지 않는 배관 규격이다. 표 1은 CO2가 적용된 X70 배관의 DDF 계산을 위한 사용온도별 물성이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CCS란? CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage)란 화력발전 및 석유․화학 플랜트로부터 배출되는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 시스템을 일컫는다. 또한 CCS 수송배관이란 포집된 이산화탄소를 저장장소까지 이송하는 배관이다.
CO2 배관에서 부식 피트 리크에 의한 DDF 설계코드가 적용되어야 하는 이유는? 배출가스를 포함하는 CO2 배관은 천연가스 배관에 비해 부식 위험성이 크다. 따라서 CO2 배관은 부식 피트 리크에 의한 DDF 설계코드가 적용되어야 한다.
CCS 수송배관이란? CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage)란 화력발전 및 석유․화학 플랜트로부터 배출되는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 시스템을 일컫는다. 또한 CCS 수송배관이란 포집된 이산화탄소를 저장장소까지 이송하는 배관이다. 그런데 아직까지 CO2 수송의 전용 배관은 없으며, 현재 사용 중인 가스배관을 이것에 적용하려는 시도가 미국 등 기술선진국에서 시도되고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. T.Harmelen, A.Horssen, M. Jozwicka, "air pollution impacts from carbon capture and storage (ccs)", EEA Technical report, 14 (2011) 

  2. S.T. McCoy, E.S. Rubin, "An engineering-economic model of pipeline transport of $CO_2$ with application to carbon capture and storage", Greenhouse Gas Control, 2, 2 (2008) 

  3. W.A. Maxey, "Fracture Initiaion, Propagation and Arrest", Paper J Proceedings of Houston, Texas, AGA(1974) 

  4. W.A. maxey, F.F. Kiefner, and R.J. Eiber, "Ductile Fracture Arrest in Gas Pipelines", NG-18 Report 100, Texas, AGA(1976) 

  5. G. Wilkowski, D. Rudland, H Xu, and N. Sandercon, "Effect of Grade on Ductile Fracnture Arrest Criteria for Gas Pipelines", Proc. Of International Pipeline Conference (2006) 

  6. G.D. Fearnehough and D.G. Jones, "Toughness specification for shear fracture arrest in pipelines", International conference on analytical and experimental fracture mechanics (1980) 

  7. G.H. Vogt et al, "EPRG Report on toughness for crack arrest in gas pipelins", 3R International, 22, 98 (1983) 

  8. F. Bonomo, "A survey and tentative revision of the ductile fracture arrest criterion in pipelines for gas transmission", International conference on analytical and experimental fracture mechanics, Rome (1980) 

  9. P.E. O'donoghue, M.F. Kanninen, C.P. Leung, G. Demofonti, S. Venzi, "The development and validation of a dynamic fracture propagation model for gas transmission pipelines", Int. J. Pres. Ves. & Piping, 70, 11 (1997) 

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