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[국내논문] 전산유체역학 배관 곡면 침식 모사를 통한 배관 실패 주기 분석
Analysis of Pipe Failure Period Using Pipe Elbow Erosion Model by Computational Fluid Dynamics (CFD) 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.1, 2018년, pp.133 - 138  

남정용 (서울대학교 화학생물공학부) ,  이용규 (서울대학교 화학생물공학부) ,  박건희 (서울대학교 화학생물공학부) ,  이건학 (서울대학교 화학생물공학부) ,  이원보 (서울대학교 화학생물공학부)

초록
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2000년대 이후 대두된 안전, 환경 이슈들로 인해 안전 관리는 더욱 더 중요해졌다. 하지만 안전 관리는 많은 경험적 데이터들을 요구하므로 한계점들이 많다. 안전 분야 중 하나인 배관 안전의 경우 현재 배관을 관리하는 시뮬레이션 프로그램들이 존재하지만, 배관 내부 침식에 대해서는 데이터를 얻기 힘들어 시뮬레이션에 반영이 잘 되어있지 않은 상태이다. 이러한 문제점에서 착안해 본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 배관 내부의 곡면에 일어나는 침식을 모사하였고, 계산한 침식 속도를 바탕으로 한계상태함수를 이용하여 배관의 실패 주기를 분석하였다. CFD 대상 배관의 경우 여수 산업 단지에 실제로 운영되고 있는 표본을 사용하였다. DPM (Discrete Phase Model)과 부식 모델을 이용하여 CFD 결과로 $3.093mm{\cdot}yr^{-1}$ 수치의 침식 속도를 얻을 수 있었고, 이 결과를 한계상태함수에 적용한 결과 배관에 누출(leak)을 유발하는데 14.2년, 파열(burst)를 유발하는데 28.2년이라는 실패 주기를 얻어낼 수 있었다. 이러한 과정들을 통해 배관 곡면 침식이 배관 안전 진단에 유효한 실패 모드임을 도출할 수 있었다. 본 연구는 실패 연도를 구할 수 있는 방법론들을 제시하여 데이터의 한계점을 극복하고, 배관 안전 진단에 좀 더 정밀하고 발전된 방법을 제시한 것에 대해 의의를 가진다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Safety management has become even more important because of the safety and environmental issues that have arisen since the 2000s. However, the safety study requires many empirical data, so there are many limitations. In the case of pipe safety, simulation programs exist, but it is difficult to get d...

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이러한 문제점을 해결하고자, 본 연구에서는 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD) 기법을 사용하여 배관 내부곡면 침식을 모사해 침식 속도를 계산하여 데이터의 한계성을 극복하고, 계산한 침식 속도를 한계상태함수에 적용하여 배관 곡면 침식이 배관 실패 확률에 영향을 주는 정도를 분석해 보았다

가설 설정

  • 3 MPa의 값을 가졌으므로, 해당하는 범위의 한계상태함수를 사용하였다. CFD의 결과에서 가장 긴 침식 길이를 측정하고, 평균 침식속도를 최대값의 절반으로 가정하여 한계상태함수가 0 이하가 되는 시간을 찾았다. 27.
  • DPM 모델에서 연속상은 분산상에게 항력(Drag Force)를 유발하지만 분산상은 거꾸로 연속상에게 영향을 미치지 못한다고 가정한다. 이러한 가정이 유효한 경우는 분산상이 10% 이하를 차지해 큰 영향력이 없을 경우이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Geometry 작성 중 유의해야 할 부분은 무엇인가? Geometry 작성 중 유의해야 할 부분은 곡면 이전의 배관 길이이다. 일반적인 경우에 배관의 직선 부분이 곡면에 비해서 긴 경우가 많아 곡면에 유체가 충돌할 때 대부분의 유체는 fully-developed flow 상태로 충돌하게 된다.
유체를 fully-developed flow 상태로 만들 필요성이 있는 이유는? Geometry 작성 중 유의해야 할 부분은 곡면 이전의 배관 길이이다. 일반적인 경우에 배관의 직선 부분이 곡면에 비해서 긴 경우가 많아 곡면에 유체가 충돌할 때 대부분의 유체는 fully-developed flow 상태로 충돌하게 된다. 그러나 CFD의 배관 입구 부분에서는 속도 분포가 균일 분포(Uniform Distribution)로 대입되므로 곡면앞부분의 배관을 충분히 길게 설정해주어 유체를 fully-developed flow 상태로 만들 필요성이 있다.
배관에 문제가 생겨 물질의 누출(Leak) 혹은 파열(Burst)이 일어나는 것을 뭐라고 하는가? 배관에 문제가 생겨 물질의 누출(Leak) 혹은 파열(Burst)이 일어나 피해가 생기는 경우를 배관 실패(Failure)라고 한다. 배관 실패에는 타공사 사고, 지반 이동, 외부 부식 등 여러 원인이 존재하는데, 이들 각각 원인을 실패 모드(Failure Mode)라고 한다.
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