[논문]매설가스배관 강 슬리브 보수 용접부의 피로수명에 미치는 공정변수 영향 고찰을 통한 최적공정 수립

김종성; 이철; 김우식; 김익중

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.11.1021

문제 정의

API579,(16) R6 Code(17)와 같은 사용중적합성 평가 코드에는 용접후열처리를 수행하면 당초 항복강도의 20~30%에 해당하는 인장 잔류응력이 막응력 성분으로 처리하라고 명기하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 용접후열처리를 가정하고 항복강도의 30%에 해당하는 인장 잔류응력이 막응력 성분 형태로 용접부에 존재한다고 가정하고 용접후열처리가 피로수명에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 감육부의 경우에는 용접후열처리를 통해 어떠한 잔류응력도 존재하지 않는다고 가정하였다.
따라서, 본 연구에서는 유한요소 해석과 구조 응력/파괴역학 접근법⁽⁸⁾을 이용하여 매설가스배관의 강 슬리브 보수용접부의 피로수명에 미치는 공정변수별 영향을 고찰하여 장기 구조 건전성 측면에서 최적의 공정변수를 도출하였다.
본 연구에서는 기존 실험 결과(14)가 존재하는 큰 인장 평균응력을 가지는 용접 구조물을 대상으로 구조응력/파괴역학 접근법을 적용하여 기법의 타당성을 검증하였다.
2절에서 제시한 바와 같이 용착되는 용접 금속의 온도만을 적절히 조정하여 모재의 용용 영역 크기를 증감시켰다. 본 연구에서는 용접 입열량 변화에 따른 피로수명 변화를 고찰하기 위해, 현재 한국가스공사에서 실시되는 용접 입열량에 따른 모재의 용융 영역 크기를 기준으로 하여 모재의 용융 영역 크기를 증감시켜 모재의 용융 영역 크기 별 피로수명을 평가하였다.
감육부의 루트부에서 균열이 발생하고 관통하여 가스가 누설되어 강 슬리브 내측과 배관 외면에 압력이 작용되는 경우, 압력경계가 당초 가스 배관에서 강 슬리브로 변화된다. 본 연구에서는 이러한 경우가 발생 시 강 슬리브의 피로 측면에서의 건전성을 평가하였다. L-2는 감 육부에서 누설이 되었다면 더 이상 압력경계가 아니므로 제외하였다.

가설 설정

고려되는 감육부의 깊이는 배관 두께의 80%이며, 감육부의 폭과 길이는 각각 55 mm와 300 mm이다. 또한 보수적인 관점에서 감 육부 루트부의 반경은 0 mm라고 가정하였다. 3차원 선형 유한요소를 이용하였고 대칭성을 고려하여 1/4로 모델링하였다.
본 연구에서는 보수적인 관점에서 인장 용접 잔류응력은 이완되지 않는다고 가정하였으며 전체 구조응력 성분들은 용접 잔류응력에 의한 구조응력 성분들과 운전응력에 의한 구조응력 성분들의 단순 합이라고 가정하였다. 또한 운전이력⁽¹⁵⁾으로부터 정상운전 시 최대 내압 7.0 MPa, 최소 내압 5.0 MPa으로 하여 하루에 2번의 압력변동이 발생한다고 가정하였다. 감육 루트부의 경우 용접부는 아니나 보수적인 관점과 피로해석 절차의 일관성 유지 차원에서 용접부에 해당하는 피로물성(ASME B&PVCode, Sec.
따라서, 본 연구에서는 용접후열처리를 가정하고 항복강도의 30%에 해당하는 인장 잔류응력이 막응력 성분 형태로 용접부에 존재한다고 가정하고 용접후열처리가 피로수명에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 감육부의 경우에는 용접후열처리를 통해 어떠한 잔류응력도 존재하지 않는다고 가정하였다.
4 mm 정도 용융되는 결과를 도출하였는데, 이는 실제 용융부 크기에 근접한 값이다. 또한, 용접동안에는 내압을 5.6 MPa로 낮추어(정상운전 내압 7.0 MPa) 용접이 실시된다고 한국가스공사의 보수기준⁽⁵⁾에 제시되고 있으므로 용접 동안 내압이 5.6 MPa이 작용한다고 가정하였다.
구조응력은 탄성에 기반한 값이어야 하나 용접 잔류응력 해석은 탄소성에 기반한 것이다. 본 연구에서는 보수적인 관점에서 인장 용접 잔류응력은 이완되지 않는다고 가정하였으며 전체 구조응력 성분들은 용접 잔류응력에 의한 구조응력 성분들과 운전응력에 의한 구조응력 성분들의 단순 합이라고 가정하였다. 또한 운전이력⁽¹⁵⁾으로부터 정상운전 시 최대 내압 7.

제안 방법

또한 보수적인 관점에서 감 육부 루트부의 반경은 0 mm라고 가정하였다. 3차원 선형 유한요소를 이용하였고 대칭성을 고려하여 1/4로 모델링하였다. 또한, 감육부 위치, 깊이 및 길이도 제시하고 있다.
본 연구에서는ASME B&PV Code, Sec.VIII, Div.2에 등재된 기법에 따라, 일차적으로 유한요소 해석을 통해 도출된 용접잔류응력 및 운전응력과 절점 힘으로부터 힘과 모멘트 평형 조건을 통해 피로수명 평가에 사용될 구조응력을 다음과 같이 계산하였다.
각 공정변수별 전체 피로수명에 미치는 영향과 실제 공정 수행의 적용성을 검토하여 최적 보수 방안을 도출하였다.
0 MPa의 압력과 이에 상응하는 배관 끝단 압력(end-cap pressure)를 부가하여 계산하였다. 계산된 운전응력 분포에 실제 운전압력의 비를 곱하여 해당 운전압력에 대한 운전응력을 계산하였다.
L-1은 감육부로부터의 가스 누설 여부에 무관하게 압력경계이므로 평가대상에 포함되어야 한다. 내압이 강 슬리브 내표면, 강 슬리브로 둘러쌓인 배관 외표면, 배관 내 표면에 작용한다고 하중조건을 설정하고 탄성 유한요소 응력해석을 수행하였다.
매설가스배관의 강 슬리브 보수용접부의 피로 수명을 평가하는 손상해석 기술을 개발하고 개발된 기술을 적용하여 장기 구조 건전성 측면에서 최적의 공정을 도출한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
13⁽¹²⁾를 이용하여 연계 연성(sequentially-coupled)온도-응력 해석을 통해 강 슬리브 보수 용접부의 용접 잔류응력을 도출하였다. 매설가스배관의 용접 잔류응력 분포 도출과 관련된 기존 연구⁽¹³⁾에서 개발하고 타당성을 검증한 해석 기법을 활용하였다. 열전도 기반 해석을 통해 실제와 동등한 용융부 형상이 도출되도록 용착되는 용접 금속의 온도만을 적절히 조정하여 온도 분포를 도출한후 그 온도 분포를 응력해석시 입력 변수로 제공하는 연계 연성 해석을 수행하였는데 탄소성 재료거동과 어닐링 거동을 고려하였다.
감육부 루트부 반경이 감소할수록 응력집중 정도의 변화로 인하여 용접 잔류응력과 운전응력이 변화하여 피로수명이 변화될 수 있다. 본 연구에서는 감육부 루트부 반경을 0 mm, 2 mm, 5 mm로 변화시켜 응력해석 및 피로평가를 수행하였다.
용접 입열량이 증가할수록 모재의 용용 영역은 증대된다. 본 연구에서는 입열량에 따른 모재의 용융 영역 크기 변화를 고찰하지 않는 대신에 입 열량 변화에 따른 현상학적 결과인 모재의 용융 영역 크기를 용접 입열량의 영향을 고찰하는 대표매개변수로 설정하였다. 2.
용접 비드수가 증가할수록 보다 작은 입열량이 보다 여러번 가해지므로 용접 잔류응력에 영향을 미쳐서 피로수명에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 필렛 용접부의 용접 패스수를 4개에서, 2개, 6개로 변화시켜 응력해석 및 피로평가를 수행하였다.
운전응력 분포는 유한요소 탄성해석을 통해 도출하였다. 선형 탄성 해석이므로 실제 운전 압력을 가하지 않고 배관 내측에 1.0 MPa의 압력과 이에 상응하는 배관 끝단 압력(end-cap pressure)를 부가하여 계산하였다. 계산된 운전응력 분포에 실제 운전압력의 비를 곱하여 해당 운전압력에 대한 운전응력을 계산하였다.
매설가스배관의 용접 잔류응력 분포 도출과 관련된 기존 연구⁽¹³⁾에서 개발하고 타당성을 검증한 해석 기법을 활용하였다. 열전도 기반 해석을 통해 실제와 동등한 용융부 형상이 도출되도록 용착되는 용접 금속의 온도만을 적절히 조정하여 온도 분포를 도출한후 그 온도 분포를 응력해석시 입력 변수로 제공하는 연계 연성 해석을 수행하였는데 탄소성 재료거동과 어닐링 거동을 고려하였다. 취약부인 조대화 열영향부에서 압축응력을 야기시키는 소성변태는 보수적인 관점에서 소성변태 재료거동은 고려하지 않았다.
배관과 강 슬리브는 동일 재료로써 API 5L X65이며 용접금속은 저수소계 용접봉 E9016이다. 용접부는 배관 길이방향으로 맞대기 용접부(longitudinal butt weld), 원주방향으로 필렛 용접부(fillet weld)가 존재하며, 길이방향 맞대기 용접부는 4패스, 필렛 용접부는 4패스로 모델링하였다. 고려되는 감육부의 깊이는 배관 두께의 80%이며, 감육부의 폭과 길이는 각각 55 mm와 300 mm이다.
운전응력 분포는 유한요소 탄성해석을 통해 도출하였다. 선형 탄성 해석이므로 실제 운전 압력을 가하지 않고 배관 내측에 1.
유한요소 해석프로그램인 ABAQUS Version6.13⁽¹²⁾를 이용하여 연계 연성(sequentially-coupled)온도-응력 해석을 통해 강 슬리브 보수 용접부의 용접 잔류응력을 도출하였다. 매설가스배관의 용접 잔류응력 분포 도출과 관련된 기존 연구⁽¹³⁾에서 개발하고 타당성을 검증한 해석 기법을 활용하였다.
한국가스공사의 보수기준⁽⁵⁾에 따르면 상향 용접을 수행하도록 되어있으나, 본 연구에서는 상향 용접 뿐만 아니라 하향 용접과 순차적인 용접(상향 용접후 하향 용접)인 경우의 응력해석 및 피로 수명을 평가하였다.
현재 한국가스공사의 보수기준⁽⁵⁾에 따라 내압을 5.6 MPa로 낮추어 용접을 실시하는 경우의 피로수명과 정상운전 시 내압인 7.0 MPa에서 용접을 실시하는 경우의 응력해석 및 피로수명을 평가하였다. 감육부의 루트부에서 균열이 발생하고 관통하여 가스가 누설되어 강 슬리브 내측과 배관 외면에 압력이 작용되는 경우, 압력경계가 당초 가스 배관에서 강 슬리브로 변화된다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에서 사용한 유한요소 모델로써 매설가스배관(외경 762 mm, 두께 17.5 mm)에 강 슬리브(두께 17.5 mm)가 용접된다. 배관과 강 슬리브는 동일 재료로써 API 5L X65이며 용접금속은 저수소계 용접봉 E9016이다.

이론/모형

구조응력/파괴역학 접근법은 Battelle에서 개발한 용접구조물에 대한 피로평가 기법⁽¹⁴⁾으로 유한요소 메쉬 크기에 둔감한 구조응력을 도출하고 도출된 구조응력 범위를 피로균열 성장 거동을 고려한 등가 구조응력 범위로 변환하여 이를 피로 평가 매개변수로 사용한다. 본 기법은 압력용기 및 배관 설계 코드인 ASME B&PV Code, Sec.

성능/효과

본 연구에서는 입열량에 따른 모재의 용융 영역 크기 변화를 고찰하지 않는 대신에 입 열량 변화에 따른 현상학적 결과인 모재의 용융 영역 크기를 용접 입열량의 영향을 고찰하는 대표매개변수로 설정하였다. 2.2절에서 제시한 바와 같이 용착되는 용접 금속의 온도만을 적절히 조정하여 모재의 용용 영역 크기를 증감시켰다. 본 연구에서는 용접 입열량 변화에 따른 피로수명 변화를 고찰하기 위해, 현재 한국가스공사에서 실시되는 용접 입열량에 따른 모재의 용융 영역 크기를 기준으로 하여 모재의 용융 영역 크기를 증감시켜 모재의 용융 영역 크기 별 피로수명을 평가하였다.
따라서 평균응력 효과를 고려하는 ASME B&PV Code, Sec.VIII, Div.2의 구조응력/파괴역학 접근방법이 타당함을 확인하였다.
◯ 강 슬리브 보수용접과 관련되는 다양한 공정 변수들이 피로수명에 미치는 영향을 고찰한 결과, 용접후열처리가 가장 큰 폭의 전체 피로수명을 향상시키며 정상운전 압력에서의 용접 수행 방안은 상대적으로 경제적이면서도 용이하게 5% 이상의 피로수명을 향상시킬 수 있음을 확인하였음.
◯ 구조응력/파괴역학 접근법을 강 슬리브 보수 용접부에 적용한 결과, 피로측면에서 장기 건전성을 확보(200년 이상의 피로수명)할 수 있음을 확인함.
각 공정변수별 전체 피로수명에 미치는 영향과 실제 공정 수행의 적용성을 검토한 결과, 이러한 공정 변수를 수정 또는 변경하지 않아도 이미 200년 이상의 장기 건전성을 확보하고 있으므로 별도의 공정변수 추가와 수정은 필요하지 않다고 판단된다. 다만, 경제성과 무관하게 대폭적인 장기 건전성 확보를 위해서는 용접후열처리 수행을 권고하며, 경제적이면서도 5% 이상의 전체 피로 수명 향상을 얻을 수 있는 정상 운전 압력에서의 용접 수행을 적용하는 것이 다양한 방안들 중 가장 합리적인 방안이라고 판단된다.
12는 원주방향 경로(C-1, C-2, C-3)를 따른 필렛 용접부의 용접 잔류응력에 대한 구조응력(C-1, C-2, C-3의 구조응력은 각각 L-1, L-2, L-3를 피로균열 성장 경로로 설정하여 계산됨)을 제시하고 있다. 모든 경로에서 원환 구조응력이 축방향 구조응력보다 전반적으로 크며, C-1과 C-3의 원환 구조응력이C-2의 원환 구조응력보다 큼을 알 수 있다.
5%의 오차를 보임을 알 수 있다. 즉, 구조 응력이 유한요소 메쉬에 둔감함을 확인하였다.
11은 평균응력 효과(R = σm in /σm ax) 고려 여부에 따른 피로수명 평가 결과를 기존 Battelle결과(11)와 비교하여 제시하고 있다. 평균응력 효과를 고려하지 않으면 S-N 선도의 산포도가 커지며 평균응력 효과를 고려 시 Battelle의 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 평균응력 효과를 고려하는 ASME B&PV Code, Sec.
표로부터 감육부 길이가 증가할수록 전체 피로수명이 감소함을 알 수 있다. 표로부터 가장 취약한 부위 (L-3) 기준으로 감육부 길이 200 mm의 전체 피로수명 대비 감육부 길이 100 mm의 전체 피로 수명과 감육부 길이 300 mm의 전체 피로수명은 각각 약 5.88% 증가 또는 약 8.25% 감소함을 알 수 있다.
Table 7은 감육부 루트부 반경 변화에 따른 각 해당부위별 전체 피로수명의 변화를 제시하고 있다. 표로부터 가장 취약한 부위(L-3) 기준으로 감 육부 루트부 반경 0 mm의 피로수명 대비 감육부 루트부 반경 2 mm의 전체 피로수명과 5 mm의 전체 피로수명은 각각 약 4.70% 증가 또는 약 0.18% 감소함을 알 수 있다.
표로부터 감육부 깊이가 증가할수록 전체 피로수명이 상당히 감소함을 알 수 있다. 표로부터 가장 취약한 부위(L-3) 기준으로 감육부 깊이비 50%의 전체 피로수명 대비 감육부 깊이비 12.5%의 전체 피로수명과 감육부 깊이비 80%의 전체 피로수명은 각각 약 169.16% 증가 또는 약 8.75% 감소함을 알 수 있다.
Table 10은 감육부 길이에 따른 각 해당부위별 전체 피로수명의 변화를 제시하고 있다. 표로부터 감육부 길이가 증가할수록 전체 피로수명이 감소함을 알 수 있다. 표로부터 가장 취약한 부위 (L-3) 기준으로 감육부 길이 200 mm의 전체 피로수명 대비 감육부 길이 100 mm의 전체 피로 수명과 감육부 길이 300 mm의 전체 피로수명은 각각 약 5.
Table 4는 용접 방향에 따른 각 해당부위별 전체 피로수명의 변화를 제시하고 있다. 표로부터 상향 용접 대비 가장 취약한 부위(L-3)를 기준으로 하향 용접의 전체 피로수명과 상향 후 하향 용접의 전체 피로수명이 각각 약 4.70%감소 및 약 0.85% 증가한다. 즉, 전체 피로수명에 미치는 용접 방향의 영향은 미미함을 알 수 있다.

후속연구

각 공정변수별 전체 피로수명에 미치는 영향과 실제 공정 수행의 적용성을 검토한 결과, 이러한 공정 변수를 수정 또는 변경하지 않아도 이미 200년 이상의 장기 건전성을 확보하고 있으므로 별도의 공정변수 추가와 수정은 필요하지 않다고 판단된다. 다만, 경제성과 무관하게 대폭적인 장기 건전성 확보를 위해서는 용접후열처리 수행을 권고하며, 경제적이면서도 5% 이상의 전체 피로 수명 향상을 얻을 수 있는 정상 운전 압력에서의 용접 수행을 적용하는 것이 다양한 방안들 중 가장 합리적인 방안이라고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매설가스배관의 강 슬리브 보수용접부의 피로 수명에 가장 큰 영향을 주는 것은 무엇인가?	◯ 강 슬리브 보수용접과 관련되는 다양한 공정 변수들이 피로수명에 미치는 영향을 고찰한 결과, 용접후열처리가 가장 큰 폭의 전체 피로수명을 향상시키며 정상운전 압력에서의 용접 수행 방안은 상대적으로 경제적이면서도 용이하게 5% 이상의 피로수명을 향상시킬 수 있음을 확인하였음.
	매설가스배관의 결함을 보수하기 위하여 현장에서 실제로 사용되고 있는 방안에는 무엇이 있는가?	FFS 평가시 건전성 관련 허용기준을 만족하지 못하는 1022 김종성 · 이 철 · 김우식 · 김익중 결함들에 대해서는 보수 및 교체 등 정비를 수행하여 결함 발생 이전 상태와 동등한 수준의 구조 건전성을 확보하여야 한다.(1) 매설가스배관 결함을 보수하기 위해 복합재 강화 슬리브 보수, 강 슬리브 보수용접 등 다양한 보수방안이 실제 가스 산업 현장에서 적용되고 있는데 강 슬리브 보수용접이 가장 신뢰성이 높은 방안으로 알려져 있다.(2)
	매설가스배관의 역할은 무엇인가?	폭발의 위험성이 큰 연료 매체인 천연가스를 운반하는 매설가스배관은 설계수명 동안 구조적 건전성을 유지하여야 한다. 구조적 건전성 유지를 위해 주기적으로 검사를 수행하며 검사 동안 발견한 결함들에 대해서는 사용 중 적합성(FFS :fitness-for-service) 평가를 수행하여야 한다.

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