[논문]지역난방 열배관 강화를 위한 실증시험 연구

김재민; 김주용; 조종두

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.3.245

[국내논문] 지역난방 열배관 강화를 위한 실증시험 연구
Experimental Study for the Reinforcement of District Heating Pipe 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.3, 2016년, pp.245 - 252

김재민 (인하대학교 기계공학부) , 김주용 (한국지역난방공사 지역난방기술연구소) , 조종두 (인하대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 벤드(bend)부의 노후 문제를 경감시키기 위한 대안으로 폼패드를 없앤 이중보온관의 형상 설계를 제안하였다. 전 관경에 대해 유한요소해석을 수행하였으며, 이를 토대로 전단제어링 형상을 결정하였다. 제안된 전단제어링 사양 강화이형관에 대한 현장 시공 시험은 진행하였으며, 온도와 응력 데이터를 취득 및 분석하였다. 강화이형관의 제작과 현장 시범시공을 통하여 강화이형관이 폼패드를 시공하지 않으면서도 강관의 열응력이 허용치 기준내에 있음을 확인하였다. 특히 보온재의 전단강도가 강화되어 폼패드를 적용한 기존 벤드보다 낮은 최대 전단응력이 발생함을 확인함으로써, 강화이형관 적용에 따른 구조 안전성 향상 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an alternative bend design is proposed to overcome the aging problem in piping bends. In this design, the foam pad is not included. Finite element analysis was performed based on the total pipe diameter. From this analysis, the shape of the Shear Control Ring (SCR) was determined. Temperature, stress, and other data of the proposed reinforced pipe were acquired and analyzed after the test was performed. The value of the thermal stress for the reinforced steel pipe satisfied the required standard without the foam pad based on the manufacturing of the reinforced fitting and construction site of the test. The reinforcement provided a shear strength level for the foam pad that resulted in maximum shear stress less than stress based on the original foam pad applied at the pipe bend. Additionally, an increasing factor of safety effect for the reinforced fitting application was discovered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 제안된 전단제어링 사양 강화이형관에 대한 현장 시범시공을 통해 온도 및 응력 등구조 안전성 관련 데이터를 취득 및 분석하였다.
본 연구에서 다구찌 방법의 목적함수는 손실의 최소화이다. 우선 다구찌 방법을 이용하여 제품이나 공정의 최적 조건을 결정하는데 있어서 손실을 줄일 수 있는 여러 인자를 선택하였다.

가설 설정

Table 2는 상기한 기준에 의해 결정된 이중보온관 전단제어링 최적화 설계를 위한 직교배열표이다. 본 연구에서는 단일인자에 관한 영향만을 고려하므로 각 인자간의 교호작용은 고려하지 않았다.

제안 방법

(1) 전단제어링의 개수, 높이, 두께를 인자로 한 구조해석을 수행하였으며, 그 결과를 토대로 SN비와 기여율을 산출/분석함으로써 20A부터 900A까지 전체 25개 관경에 대한 강화이형관 규격을제시하였다.
현장 적용성 시험은 한국지역난방공사가 열공급을 하는 용인지역 신설구간을 대상으로 수행하였다. Fig. 6에 도시한 바와 같이 45m 가량의 긴 직관구간 양 끝에 동일 관경의 벤드가 설치되는 지역으로써 전단제어링의 효과 확인을 위해 ①지점에는 SCR이 장착된 벤드를, ② 지점에는 SCR이 장착되지 않은 기존 벤드를 설치하고 실제 지역난방 열공급 시의 온도 및 응력 상태를 비교하였다.
각 관경별로 모든 가능한 수준의 조합은 27개이며 필요한 자유도가 2이고 다구찌 방법에서 가용한 직교좌표가 한정적이므로 4개 인자까지 배열할 수 있는 L₉(3⁴)직교표를 선택하여 A부터 C까지 3개의 인자를 배열하고 나머지는 e(empty)로 처리하여 인자를 배열하였다. Table 2는 상기한 기준에 의해 결정된 이중보온관 전단제어링 최적화 설계를 위한 직교배열표이다.
본 연구에서는 지중매설 이중보온관의 구조적 안전성에 큰 영향을 미치는 PUR 폼의 전단응력 최소화가 목적이므로 망소특성을 활용하였다. 각 해석결과를 기반으로 SN비를 산출하고, 분산분석을 통하여 PUR 폼에 작용하는 전단응력을 최소화하는 전단 고리의 개수 A, 높이 B 및 두께 C를 찾아 전단제어링 형상를 최적화하는 연구를 수행하였다. PUR 폼의 경우 전단응력이 각 모델에 따라 큰 차이를 보이고 있으며 800A와 850A 등 일부 모델의 경우는 허용치를 넘어서는 경우가 확인되었다.
2와 같다. 내관과 외관 사이의 협소한 공간에 설치되는 전단제어링의 공간적 제약과 제작편의성을 고려하여 다구찌 방법을 이용한 최적 형상을 찾기 위한 인자로서 전단제어링의 개수A, 높이 B, 두께 C를 선정⁽²⁾하고 3개 수준(level)으로 분석을 수행하였다.
두 시편의 응력 비교를 위하여 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용하였으며 온도 비교를 위하여 열전대(thermocouple)를 설치하였다.
우선 다구찌 방법을 이용하여 제품이나 공정의 최적 조건을 결정하는데 있어서 손실을 줄일 수 있는 여러 인자를 선택하였다. 둘째로각 인자를 직교표(orthogonal table)에 배치하여 각수준을 계산하고 이를 SN비(signal to noise ratio)로 표현하여 분석하였다. 결과적으로 손실을 줄이기 위한 각 인자의 영향력이 어느 정도 인지를 분석할 수 있으므로 최종적으로 선택되는 수준이 최적조건이 된다.
일반적인 매설형태에서 최대응력 예상부분인 상부(top)와 하부(bottom)에는 3축 스트레인 게이지를 부착하여 각 방향의 축응력 및 등가응력을 측정할 수 있도록 하였으며, 측면 부분엔 길이방향으로의 1축 스트레인 게이지를 부착하여 축응력만을 측정하였다. 또한 강관의 온도를 측정하기 위하여 스트레인게이지 부착위치 부근에 열전대를 설치하였다. Fig.
다구찌 방법에서는 직교배열표를 이용하여 얻은 데이터를 통하여 SN비로 환산한 후 목표값이 작으면 좋은 망소특성, 목표값이 커질수록 좋은망대특성, 목표 값이 특정 값에 가까이 접근할수록 좋은 망목 특성을 활용한다. 본 연구에서는 지중매설 이중보온관의 구조적 안전성에 큰 영향을 미치는 PUR 폼의 전단응력 최소화가 목적이므로 망소특성을 활용하였다. 각 해석결과를 기반으로 SN비를 산출하고, 분산분석을 통하여 PUR 폼에 작용하는 전단응력을 최소화하는 전단 고리의 개수 A, 높이 B 및 두께 C를 찾아 전단제어링 형상를 최적화하는 연구를 수행하였다.
상기 연구결과를 바탕으로, 본 연구에서는 기존연구⁽²⁾에서 125A 단일 관경에 대하여 제한적으로 검토된 전단제어링을 지역난방에 사용하는 열배관 전체 관경을 대상으로 다구찌 방법을 적용하여 이론적인 관경별 최적 설계를 수행하였으며, 전단제어링이 설치된 열배관의 제작 및 실제 매설현장 적용을 통해 제안된 강화이형관의 구조안정성 향상 효과를 실험적으로 확인하였다.
본 연구에서 다구찌 방법의 목적함수는 손실의 최소화이다. 우선 다구찌 방법을 이용하여 제품이나 공정의 최적 조건을 결정하는데 있어서 손실을 줄일 수 있는 여러 인자를 선택하였다. 둘째로각 인자를 직교표(orthogonal table)에 배치하여 각수준을 계산하고 이를 SN비(signal to noise ratio)로 표현하여 분석하였다.
3에 도시하였으며 Table 1에 선정된 인자의 정의와 수준에 따른 적용값을 정리하였다. 이때 각 인자의 수준에 따른 수치는 기존의 이중보온관의 치수조건 내에서 관경별 외관의 형상과 크기를 고려하여 설치 가능한 값을 고려하여 선정하였다.
8에 도시한 것과 같이 시험용 강관 제작 시 벤드의 곡관부에 스트레인 게이지를 부착하여 시험 시공에 사용하였다. 일반적인 매설형태에서 최대응력 예상부분인 상부(top)와 하부(bottom)에는 3축 스트레인 게이지를 부착하여 각 방향의 축응력 및 등가응력을 측정할 수 있도록 하였으며, 측면 부분엔 길이방향으로의 1축 스트레인 게이지를 부착하여 축응력만을 측정하였다. 또한 강관의 온도를 측정하기 위하여 스트레인게이지 부착위치 부근에 열전대를 설치하였다.

대상 데이터

현장 적용성 시험은 한국지역난방공사가 열공급을 하는 용인지역 신설구간을 대상으로 수행하였다. Fig.

이론/모형

(3,4) 현재 시공되고 있는 전 관경에 대해 분석을 수행하였으며, 관의 제원은 ‘지역난방열배관시설 건설업무지침서’(5)를 참고하였다.
구조해석을 위한 유한요소모델은 Kim 등⁽¹⁾에서 사용된 모델을 기준으로 Fig. 4와 같이 구성하였다. 구조해석에는 ANSYS Workbench가 사용되었으며, 지중매설 이중보온관을 구성하는 각 재료의 해석에 적용한 물성^(6,7)은 Table 2와 3에 정리하였다.
벤드는 그 형상 특성 상 열팽창 및 매설토사의 반력, 마찰력 등이 복합적으로 작용하여 인장, 압축, 전단응력이 동시에 발생하므로 등가응력(equivalent strss)을 고려하여 안정성을 판단할 필요가 있다. 등가응력의 계산은 식 (6)의 VonMises stress식을 이용하였다.

성능/효과

(2) 강화이형관의 제작과 현장 시범시공을 통하여 강화이형관이 폼패드를 시공하지 않으면서도 강관의 열응력이 허용치 기준 내에 있음을 확인하였다. 특히 보온재의 전단강도가 강화되어 폼패드를 적용한 기존 벤드보다 낮은 최대 전단응력이 발생함을 확인함으로써, 강화이형관 적용에 따른 구조 안전성 향상 효과를 확인하였다.
400A 이상의 큰 관경에서는 전단제어링의 개수가 많을수록 그 효과가 증대되었으며, 두께, 높이의 순으로 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 대체적으로 관경이 작아질수록 높이와 두께에 대한 영향도가 증대되었다.
전단제어링 사양 강화 벤드의 전단응력이 현 사양 벤드보다 작아진 것을 확인할 수 있다. 강화이형관에 대한 기존 연구⁽¹⁾의 구조해석결과와 같이 현 사양 벤드 대비 SCR 강화벤드의 강관 응력은 증가하지만 허용치 내에 머무르고,PUR 폼의 전단응력은 감소하는 경향을 나타내었다.
14에 각각 SCR 벤드와 현 사양벤드의 열공급에 따른 응력 및 내부 강관의 온도를 도시하였다. 급격한 온도변화에 따라 이중보온관 내부 강관에 열충격이 발생 할 수 있을 것이라 예상하였으나 실제 작용응력은 최대 97MPa 수준으로, Table 3에 정리한 축응력에 대한 허용응력인 154MPa 보다 낮은 범위 안에서 증가하다 안정되는 것을 확인할 수 있었다.
16는 식 (7)을 이용하여 산출한내부강관의 온도변화에 따라 강관에 작용하는 등가응력을 도시한 것이다. 전단 제어링 사양 강화벤드 및 현 사양 벤드 모두 보다 더 크게 나타났으나 최대 등가응력이 206MPa 수준으로, Table 3에 정리한 등가응력 허용치인 841MPa 보다 낮은 것을 확인하여, SCR 벤드 적용에 따른 내부 강관의 구조 안전성을 확인하였다.
SCR 벤드의 경우 기존 구조해석 결과(1)와 같이 폼패드 미 적용에 따른 강관의 응력 상승을 확인할 수 있었다. 축응력과 Von Mises 응력이 현 사양 벤드 대비 약 2배 증가하였지만 축응력과Von Mises Stress는 모두 허용 응력 범위 기준을 만족하였다.
(2) 강화이형관의 제작과 현장 시범시공을 통하여 강화이형관이 폼패드를 시공하지 않으면서도 강관의 열응력이 허용치 기준 내에 있음을 확인하였다. 특히 보온재의 전단강도가 강화되어 폼패드를 적용한 기존 벤드보다 낮은 최대 전단응력이 발생함을 확인함으로써, 강화이형관 적용에 따른 구조 안전성 향상 효과를 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열배관이란 무엇인가?	본 논문에서, 열배관이란 지역난방 열공급을 목적으로 설치하는 열수송 시설물을 말하며 열 생산 시설에서 생산된 지역난방열을 사용자 주변기계실까지 보내는데 이용된다. 통상적으로 열배관이라 함은 지중매설 열배관을 지칭하며 단열성, 경제성 등의 이유로 중심으로부터 Fig.
	신축흡수재가 시간이 경과함에 따라 열팽창력과 지반반력에 의해 압착되어 기능을 상실하게 되는 문제점에 대한 방안은?	이러한 문제점을 해결하기 위해서 근본적으로 신축흡수재와 덕트 등을 고려하지 않고 자체적으로 열팽창력에 대하여 안정적인 강화이형관(reinforced fitting)의 개발이 대두되고 있다.
	열배관은 어디에 사용되는가?	본 논문에서, 열배관이란 지역난방 열공급을 목적으로 설치하는 열수송 시설물을 말하며 열 생산 시설에서 생산된 지역난방열을 사용자 주변기계실까지 보내는데 이용된다. 통상적으로 열배관이라 함은 지중매설 열배관을 지칭하며 단열성, 경제성 등의 이유로 중심으로부터 Fig.

참고문헌 (7)

Kim, J., Kim, H., Ko, H. I. An, Y. M. and Cho, C., 2009, "Design Validation and Improvement of District Heating Pipe Using FE Simulation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 33, No. 4, pp. 337-345.

원문보기 상세보기
Choi, M., Kim, J., Ko, H. I. and Cho, C., 2010, "Shape Design of Bends in District Heating Pipe System by Taguchi Method" Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 34, No. 3, pp. 307-313.

원문보기 상세보기
Lee, S., 2003, "The Taguchi Technique from the Field to Apply," Sangjosa, pp. 15-268.
Lee, S., 2006, "Taguchi Techniques for Use with Minitab," Eretec inc., pp. 18-70.
Korea District Heating Corporation, 2003, "A Construction Guidebook of District Heating Pipe Facilities," KDHC DH Pipe Network Division, Vol. 2, pp. 225-240.
Soil Material Property / Young's Soil Modulus http://www.geotechnicalinfo.com
Randlov, P., 1997, "District Heating Handbook," European District Heating Pipe Manufacturers Association, pp. 131-138.

저자의 다른 논문 :

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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