이 논문에서는 원자력발전소나 각종 플랜트 시설물에서 배관을 보호하기 위하여 마찰방식을 이용한 댐퍼를 개발하여 성능을 분석하는 연구를 수행하였다. 마찰방식댐퍼는 MER-Spring에 압축력을 가하여 베어링과 샤프트에 마찰력을 발생시켜 진동을 감쇠시키는 장치이다. 댐퍼의 성능을 분석하기 위하여 MER-Spring과 마찰재의 재료특성을 분석하고, 마찰의 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 이에 대한 거동 방정식을 수립하였다. 또한 재료의 변형 여부를 판단 및 수립된 거동방정식의 신뢰성 검토를 위하여 시작품을 제작하였고 시편으로 제작된 댐퍼의 성능 시험과 유한요소 해석을 통하여 이를 분석하였다. 그 결과, 재료의 신뢰성이 확인되었고 마찰계수는 속도에 따른 보정이 필요하며, 반복재하 실험 및 유한요소해석 결과 우수한 결과를 나타냄을 확인하였다. 또한, 추후에 동적하중에 대한 검토가 수행되어 이 연구의 성과가 더 넓은 범위에 적용되었으면 한다.
이 논문에서는 원자력발전소나 각종 플랜트 시설물에서 배관을 보호하기 위하여 마찰방식을 이용한 댐퍼를 개발하여 성능을 분석하는 연구를 수행하였다. 마찰방식댐퍼는 MER-Spring에 압축력을 가하여 베어링과 샤프트에 마찰력을 발생시켜 진동을 감쇠시키는 장치이다. 댐퍼의 성능을 분석하기 위하여 MER-Spring과 마찰재의 재료특성을 분석하고, 마찰의 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 이에 대한 거동 방정식을 수립하였다. 또한 재료의 변형 여부를 판단 및 수립된 거동방정식의 신뢰성 검토를 위하여 시작품을 제작하였고 시편으로 제작된 댐퍼의 성능 시험과 유한요소 해석을 통하여 이를 분석하였다. 그 결과, 재료의 신뢰성이 확인되었고 마찰계수는 속도에 따른 보정이 필요하며, 반복재하 실험 및 유한요소해석 결과 우수한 결과를 나타냄을 확인하였다. 또한, 추후에 동적하중에 대한 검토가 수행되어 이 연구의 성과가 더 넓은 범위에 적용되었으면 한다.
In this paper, to protect the piping in nuclear power plants and various plant facilities, we have developed a damper using the friction method and carried out a study to analyze the performance. Friction typed damper means a device for attenuating vibration by generating a frictional force to the b...
In this paper, to protect the piping in nuclear power plants and various plant facilities, we have developed a damper using the friction method and carried out a study to analyze the performance. Friction typed damper means a device for attenuating vibration by generating a frictional force to the bearing and the shaft by applying a compressive force to the MER-Spring. In order to analyze the performance of the damper, the properties of MER-Spring and friction materials were analyzed, a study on the effects of friction was carried out, and the behavior of this equation was established. And, to determine whether deformation of the material and to examine the reliability of the behavior equation established, prototypes was produced and, through a performance test and finite element analysis of a damper made of specimens, they were analyzed. As a result, it is noted that the reliability of the material was confirmed, the coefficient of friction have to be adjusted according to the velocity, cyclic loading test and finite element analysis results show exhibits excellent results. In addition, a review of the dynamic loads in the future shall be performed for the usage in more broad fields.
In this paper, to protect the piping in nuclear power plants and various plant facilities, we have developed a damper using the friction method and carried out a study to analyze the performance. Friction typed damper means a device for attenuating vibration by generating a frictional force to the bearing and the shaft by applying a compressive force to the MER-Spring. In order to analyze the performance of the damper, the properties of MER-Spring and friction materials were analyzed, a study on the effects of friction was carried out, and the behavior of this equation was established. And, to determine whether deformation of the material and to examine the reliability of the behavior equation established, prototypes was produced and, through a performance test and finite element analysis of a damper made of specimens, they were analyzed. As a result, it is noted that the reliability of the material was confirmed, the coefficient of friction have to be adjusted according to the velocity, cyclic loading test and finite element analysis results show exhibits excellent results. In addition, a review of the dynamic loads in the future shall be performed for the usage in more broad fields.
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문제 정의
본 연구에서는 배관에 적용 가능한 마찰방식의 댐퍼를 개발하여 거동방정식을 수립하고 실험과 해석을 통하여 신뢰성을 검증하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 배관에서 발생하는 동적하중을 마찰진자 원리를 이용하여 감쇠시키는 댐퍼를 개발하고 거동 방정식을 제안하였으며, 실험과 유한요소해석을 통하여 결과에 대한 검증을 수행하였다.
제안 방법
마찰과 MER-Spring의 특성에 대한 실험을 바탕으로 FCD를 제작하였다. FCD의 성능을 파악하기 위하여 Fig. 12와 같이 설치한 후 반복하중을 가력하여 하중과 변위에 대한 결과를 측정하였다. 실험시 가력속도는 1, 20, 100, 200 mm/sec로하였으며 ±40 mm의 변위를 3회 반복하여 실험을 수행하였다.
댐퍼의 성능을 분석하기 위하여 특성실험과 더불어 ABAQUS를이용한 유한요소해석을 수행하였다. 해석에서는 Fig.
일반적으로 마찰계수는 하중과 속도가 지배적인 요소로 작용한다. 따라서 마찰재의 마찰계수 특성 실험에서는 하중과 속도를 변수로 하여 실험을 수행하였다. 실험 시편은 Fig.
마찰과 MER-Spring의 특성에 대한 실험을 바탕으로 FCD를 제작하였다. FCD의 성능을 파악하기 위하여 Fig.
실험결과에 대한 분석을 위하여 10 MPa와 50 MPa 응력에 속도가 미치는 영향을 검토하였다. 10 MPa에서 1 mm/sec와 200 mm/sec는 각각 0.
실험시 가력속도는 1, 20, 100, 200 mm/sec로하였으며 ±40 mm의 변위를 3회 반복하여 실험을 수행하였다.
8에서와 같이 UTM으로 수직하중을 가력한 상태에서 수평방향으로 일정한 속도로 지그를 움직여 마찰계수를 얻었다. 실험에서 시편이 받는 응력은 10~50 MPa으로 10 MPa씩 증가시켰으며, 응력별로 1, 5, 20, 100, 200 mm/sec의 속도로 지그를 움직여 마찰계수를 측정하였다.
마찰력을 결정하게 되는 압축 스프링은 에너지소산에 의한 장치의 성능을 결정하는 중요한 요소이므로 신뢰성을 확보해야 한다. 이를 위하여 FCD에 삽입되는 매스 에너지 조절장치(Mass Energy Regulator, MER)인 Spring의 재료특성을 분석하였다. 즉, Fig.
14와같이 샤프트, 베어링, 베어링 플레이트, 및 스프링으로 모델링하였다. 재료의 물성치로는 탄성재료를 적용하였고, 접촉면 조건은 Concave Shaft와 Bearing 및 Bearing과 Bearing Plate 각각의 접촉면에 대하여 0.12의 일정한 마찰계수를 적용하였다(Fig. 15). 하중조건은 선행하중으로 스프링에 11.
이를 위하여 FCD에 삽입되는 매스 에너지 조절장치(Mass Energy Regulator, MER)인 Spring의 재료특성을 분석하였다. 즉, Fig. 4와 같이 우레탄 재질의 원통형 MER-Spring 시편을 제작하여 UTM 장치를 이용하여 10~50%까지 압축실험을수행하였다(Fig. 5). 시편의 제원은 외경 67 mm, 내경 18 mm,그리고 길이 168 mm이다.
이 표로부터 이들 사이의 오차는 크지 않으며 해석결과가 실험결과를 잘예측하고 있음을 알 수 있다. 추가적으로 각 요소별로 최대응력(Table 5)을 구하였다.
15). 하중조건은 선행하중으로 스프링에 11.1 mm의 선행압축력을 주었으며, 압축력이 가해진 상태에서 Concave Shaft의 길이방향으로 40 mm의 변위를 주어 얻어지는 하중-변위곡선을 통하여 성능을 분석하였다. Table 4는 항복하중,유효강성, 및 EDC에 대한 실험결과와 해석결과의 비교를 설명하고 있다.
댐퍼의 성능을 분석하기 위하여 특성실험과 더불어 ABAQUS를이용한 유한요소해석을 수행하였다. 해석에서는 Fig. 14와같이 샤프트, 베어링, 베어링 플레이트, 및 스프링으로 모델링하였다. 재료의 물성치로는 탄성재료를 적용하였고, 접촉면 조건은 Concave Shaft와 Bearing 및 Bearing과 Bearing Plate 각각의 접촉면에 대하여 0.
대상 데이터
5). 시편의 제원은 외경 67 mm, 내경 18 mm,그리고 길이 168 mm이다. Fig.
따라서 마찰재의 마찰계수 특성 실험에서는 하중과 속도를 변수로 하여 실험을 수행하였다. 실험 시편은 Fig. 7과 같이 직경 50 mm의 원형 마찰재를 사용하여 Fig. 8에서와 같이 UTM으로 수직하중을 가력한 상태에서 수평방향으로 일정한 속도로 지그를 움직여 마찰계수를 얻었다. 실험에서 시편이 받는 응력은 10~50 MPa으로 10 MPa씩 증가시켰으며, 응력별로 1, 5, 20, 100, 200 mm/sec의 속도로 지그를 움직여 마찰계수를 측정하였다.
성능/효과
1) MER-Spring은 20% 이상 압축 시, 시편별 응력값이 표준편차 약 1% 이내로 나타나고 있으므로 재료의 신뢰성이 확인되었다.
2) 마찰재는 응력이 커질수록 마찰계수가 감소하고, 속도가 증가할수록 마찰계수는 일정구간 증가하다가 평행하게 진행되는 것을 알수 있다. 따라서 마찰계수는 속도에 따른 보정이 필요하며 다양한 매개변수를 적용한 실험이 필요한 것으로 보인다.
3) 시편의 반복하중 재하에 대한 실험결과는 수계산으로 판단한 이력곡선과 약 8% 이내의 오차를 갖는 것으로 나타났으므로 기대성능을 만족한 것으로 판단된다. 따라서 시편의 품질에는 문제가 없을 것으로 판단된다.
17에 응력분포도를 나타내었다. 댐퍼에 40 mm의 수평변위가 발생하였을 때의 응력분포로 Concave Plate에서는 최대 64.95 MPa의 응력이 발생함을 확인할 수 있었다(Table 5).
10과 11에 응력과 속도에 따른 평균 마찰계수로 정리하여 나타내었다(Table 2). 분석 결과, 시편에 작용하는 응력이 증가하면 마찰계수는 감소하고, 속도가 증가하면 마찰계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 저속에서 고속으로 갈수록 마찰계수가 증가함에 따라 항복값이 증가하고 감쇠면적이 커지는 것으로 마찰재의 재료적 특성이 잘반영된 것으로 판단된다.
항복하중은 100 mm/sec까지는 증가하나 200 mm/sec에서는증가하는 경향이 없어졌다. 한 Cycle당소산된 에너지량인 EDC (Energy Dissipated per Cycle)와 이차강성 및 유효강성은 모두 증가하는 결과가 나타났으며, 감쇠비는 42.8~43.8%의수준으로 야 1% 차이를 두고 비슷하게 나타나는 것을 확인하였다. 저속에서와는 달리 고속인 경우 이력곡선 상에서의 떨림과 약간의 튐 현상이 발생한다.
16에 나타내었다. 해석으로부터 구한 이 곡선은 20 mm/sec의 속도로 반복하중을 실험한 데이터와 비슷하며 2차 강성의 기울기도 거의 유사함을 확인하였다.
후속연구
이 연구에서의 해석 및 실험은 정적하중에 의한 내용이므로 추후동적하중에 대한 해석적 및 실험적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배관의 파괴는 보통 무엇에 의해 이루어지는가?
원자력발전소나 각종 플랜트 시설물에서 배관의 파괴는 주로 관내의 유체압력, 고정하중, 온도팽창 그리고 지진하중으로 인한 진동에 의하여 발생한다. 진동에 의한 반복응력은 주로 응력이 집중되는 배관 접합부위에 국부적인 피로파괴를 일으켜 구조물의 안전성을 저해하는 요인이 된다.
샤프트가 배관 진동에 의해 왕복운동을 할 때 일어나는 일은?
국내의 E사에서 개발된 마찰진자 댐퍼(FCD : Friction Concave Damper)의 구조는 베어링과 샤프트 사이의 곡면마찰을 이용하는 방식이다. 샤프트는 배관의 진동에 의하여 왕복운동을 하게 되는데 이때 베어링과의 마찰로 인하여 에너지를 흡수·소산시킨다. 마찰력은 수직방향의 하중에 의해서 결정되므로 마찰을 발생시키기 위해서는 스프링의 압축을 통하여 압축력을 발생시켜야 한다.
배관의 진동문제를 해결하기 위하여 Bakre et al.이 제안한 방법은?
(1999)은원자력발전소 배관의 PWR 스팀 발전기를 대상으로 방진기를 적용하여 진동문제를 해결하고자 하였으며 Bakre et al.(2004)은 미끄럼 마찰댐퍼(Sliding Friction Damper)를 이용하여 배관시스템의 지진 제어효과를 수치로 입증하였다. 한편,Nila (2009)는 항공분야에서 사용 중인 저 진동수 댐퍼(Low Frequency Damper)를 원자력발전소의 배관분야에 적용하기 위한 연구를 수행하였다.
참고문헌 (8)
Bakre, S. V., Jangid, R. S., and Reddy, G. R. (2004), Seismic Response of Piping Systems with Isolation Devices, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, BC, Canada, 2676-2688.
Brown, D. P., Palmer, G. R., Werry, E. V., and Blahnik (1990), Basis for Snubber Aging Research: Nuclear Plant Aging Research Program, US Nuclear Regulatory Commission, NUREG/CR-5386, PNL-6911, Washington DC, 119.
Cheung, J. H., Gae, M. S., Seo, Y. D., Choi, H. S., and Kim, M. K. (2013), Seismic Capacity Test of Nuclear Piping System using Multi-Platform Shake Table, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, 17(1), 21-31.
Iwatsubo, T., Sasaki, Y., Abe, H., Kuroda, K., Saito, Y., Tai, K., and Sumiya, H. (1999), NUPEC Project: Seismic Proving Test of Heavy Component with Energy Absorbing Supports, 7th International Conference on Nuclear Engineering, JSME, Tokyo, Japan, 4252-4259.
Jinsuo, N., Richard, J. M., Charles, H. H., and Syed, A. A. (2010), Assessing Equivalent Viscous Damping Using Piping System Test Results, ASME Proceedings of Pressure Vessel & Piping 2010 Conference, 9.
Nila, I., Ilinoiu, V., Ababei, D., Dobrescu, B., and Bogateanu, R. (2009), Low Frequency Damper, INCAS-Bulletin No. 1, 5.
Sinha, R. (1996), Effectiveness of Seismic Support in Piping, 11th World Conference on Earthquake Engineering, 1782-1788.
Yamazaki, E., and Kojima, N. (2007), Investigation on Ultimate Strength Evaluation of Snubber in Piping System of Japanese NPP. Intermational Association for Structural Mechanics in Reactor Technology, SMiRT 19, Toronto, 8.
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