[논문]ASME Boiler & Pressure Vessel Code에 따른 배열회수보일러 기수분리기의 피로 평가

이부윤

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.4.150

ASME Boiler & Pressure Vessel Code에 따른 배열회수보일러 기수분리기의 피로 평가
Fatigue Evaluation of Steam Separators of Heat Recovery Steam Generators According to the ASME Boiler and Pressure Vessel Code 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.4, 2018년, pp.150 - 159

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The present research deals with a finite element analysis and fatigue evaluation of a steam separator of a high-pressure evaporator for the Heat Recovery Steam Generator (HRSG). The fatigue during the expected life of the HRSG was evaluated according to the ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 2 (ASME Code). First, based on the eight transient operating conditions prescribed for the HRSG, temperature distribution of the steam separator was analyzed by a transient thermal analysis. Results of the thermal analysis were used as a thermal load for the structural analysis and used to determine the mean cycle temperature. Next, a structural analysis for the transient conditions was carried out with the thermal load, steam pressure, and nozzle load. The maximum stress location was found to be the riser nozzle bore, and hence fatigue was evaluated at that location, as per ASME Code. As a result, the cumulative usage factor was calculated as 0.00072 (much less than 1). In conclusion, the steam separator was found to be safe from fatigue failure during the expected life.

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문제 정의

본 연구는 Lee^[13]가 제시한 기수분리기의 설계 조건과 정상상태 운전조건의 응력 평가의 후속 연구로서, 동일한 기수분리기를 대상으로 과도운전조건 하에서 발생하는 피로파손의 발생 여부를 평가하였다. 이를 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS^[14]를 사용하여 기동과 부하변화 등의 과도운전조건에 대한 열전도해석과 열응력해석을 수행하였다.
본 연구에서는 복합발전플랜트 배열회수보일러 고업증발기의 대표적 기기인 기수분리기에 대하여 과도운전조건에 대한 유한요소해석을 수행하고, ASME Code에 의거하여 피로파손에 관한 안전성을 평가하였다.

가설 설정

피로강도저하계수 Kf는 국부 노치 및 용접 효과와 관련되는데 본 연구에서는 유한요소모델에서 응력집중이 발생하는 노즐 보어 내면을 실제 형상대로 모델링하였으므로 Kf = 1로 설정하였다.

제안 방법

1. 배열회수보일러에 주어진 8가지의 과도운전조건을 고려하여, 기수분리기에 대하여 열전도를 해석하였다. 열전도해석의 결과로서 온도분포는 각 과도운전조건의 열응력해석을 위한 열하중으로 사용하였으며, 각 과도운전조건에서의 최대온도와 최소온도는 피로 평가 시에 필요한 사이클평균온도를 결정하는데 사용하였다.
2. 8가지의 과도운전조건에 대하여 기수분리기에 대하여 열하중, 압력하중, 노즐하중을 가하여 열응력을 해석하였다. 8가지 과도운전조건 모두에서 최대응력은 상승관노즐 보어의 모서리에서 발생하였다.
3. 과도운전조건에서 최대응력이 상승관노즐의 보어 모서리에서 발생하였으므로, 이 위치에 대하여 ASME Code에 의거하여 피로를 평가하였다. 기대수명 25년 동안에 8가지 과도운전조건의 사이클이 조합되어 발생하는 누적피로사용 계수는 0.
과도열전도해석에 이어서, 8가지의 과도운전조건(CS, W1, W2, H1, H2, L5, L2, L1)에 대하여 과도열응력해석을 수행하였다. 하중으로는 노즐하중(nozzle load), 내면에 가해지는 시간에 따른 증기 압력(Fig.
이를 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS^[14]를 사용하여 기동과 부하변화 등의 과도운전조건에 대한 열전도해석과 열응력해석을 수행하였다. 그리고 ASME Code를 적용하여, 기대수명 동안 예상되는 반복적인 과도운전조건을 고려하여 피로파손에 관한 안전성을 평가하였다.
기수분리기의 과도열전도해석을 위한 경계조건으로 내면에는 대류경계조건을 사용하였다. 8가지의 과도운전 동안에 기수분리기의 증기온도와 증기압력의 시간이력은 배열회수보일러의 동특성 해석을 통하여 Fig.
기수분리기의 피로 평가를 위하여 우선 Table 1에 나타낸 가지의 과도운전조건 8 (CS, W1, W2, H1, H2, L5, L2, L1)에 대하여 온도분포를 구하기 위한 과도열전도해석을 수행하였다.
2에 나타내었는데, 유한요소모델의 총 요소 수는 82,337개, 총 절점 수는 135,272개이다. 노즐 부위에서 응력집중으로 인한 피로를 평가하기 위하여 수직방향으로 긴 원통을 노즐이 위치한 부분이 포함되도록 기수분리기의 상부만 분리하여 쉘과 증기출구노즐, 상승관노즐을 모델링하였다. Fig.
한편, ASME Code에서는 응력 및 피로 평가 시에 최대전단응력이론(maximum shear stress theory)을 따를 경우에는 최대주응력과 최소주응력의 차인 응력강도(stress intensity)를, 최대변형에너지이론(maximum distortion energy theory)을 따를 경우에는 von Mises 등가응력을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 최대전단응력이론을 따르고자 하며, ANSYS 해석결과는 응력강도(ANSYS에서는 SINT로 표기)를 추출하였다.
배열회수보일러에 주어진 8가지의 과도운전조건을 고려하여, 기수분리기에 대하여 열전도를 해석하였다. 열전도해석의 결과로서 온도분포는 각 과도운전조건의 열응력해석을 위한 열하중으로 사용하였으며, 각 과도운전조건에서의 최대온도와 최소온도는 피로 평가 시에 필요한 사이클평균온도를 결정하는데 사용하였다.
가 제시한 기수분리기의 설계 조건과 정상상태 운전조건의 응력 평가의 후속 연구로서, 동일한 기수분리기를 대상으로 과도운전조건 하에서 발생하는 피로파손의 발생 여부를 평가하였다. 이를 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS^[14]를 사용하여 기동과 부하변화 등의 과도운전조건에 대한 열전도해석과 열응력해석을 수행하였다. 그리고 ASME Code를 적용하여, 기대수명 동안 예상되는 반복적인 과도운전조건을 고려하여 피로파손에 관한 안전성을 평가하였다.
이상에서 설명된 경계조건을 사용하여 8가지의 과도운전조건에 대하여 열전도해석을 수행하여 온도분포의 시간이력을 구하였다. 과도운전조건 중 대표적으로 냉간기동 (CS)의 종료시간(13,800s)에서의 온도 분포를 Fig.

대상 데이터

기수분리기의 과도운전조건에 대한 열전도해석 및 다음 장의 열응력해석을 위해 만든 유한요소모델을 Fig. 2에 나타내었는데, 유한요소모델의 총 요소 수는 82,337개, 총 절점 수는 135,272개이다. 노즐 부위에서 응력집중으로 인한 피로를 평가하기 위하여 수직방향으로 긴 원통을 노즐이 위치한 부분이 포함되도록 기수분리기의 상부만 분리하여 쉘과 증기출구노즐, 상승관노즐을 모델링하였다.
기수분리기의 재질은 원통 쉘과 증기출구노즐은 SA335-P22, 상승관노즐은 SA182-F11 CL2이다. 기수분리기의 정상상태 운전온도는 404.
기수분리기의 치수는 원통 쉘은 외경 610 mm, 두께 52 mm이고, 증기출구노즐은 외경 310 mm, 두께 40 mm, 길이 530 mm이고, 6개의 상승관노즐은 외경 195 mm, 두께 27.5 mm, 길이 349 mm이다. Fig.
본 연구에서 다루는 배열회수보일러는 발주처에 의하여 기대수명이 25년으로 제시되었다. 과도운전조건의 종류와 기대수명 동안의 사이클 수는 Table 1에 나타내었는데, 총 8가지 과도운전, 즉 냉간기동(CS), 2가지 형태의 난간기동(W1, W2), 2가지 형태의 열간기동(H1, H2), 3가지 형태의 부하변화(L5, L2, L1)에 대하여 기대수명(25년) 동안 예상되는 사이클 수를 정리하였다 이 중에서 부하변화 L5, L2, L1는 각각 부하를 100%에서 시작하여 50%, 20%, 10%만큼 감소시켰다가 다시 100%로 복귀시키는 운전이다.

이론/모형

B의 Rainflow 사이클 계산법을 사용하여 총 16가지의 하중, 그리고 각 하중에 관한 PL+Pb+Q+F의 범위 △Sp와 하중 사이클 수 n을 결정하여 Table 7에 나타내었다.
Fig. 2의 요소망은 ANSYS의 자동요소생성 기능을 사용하여 생성하였으며, 1차(linear) 사면체요소가 갖는 해석결과의 부정확성을 피하기 위해 2차(quadratic) 사면체요소인 SOLID187을 사용하였다.
쉘과 노즐 내면의 대류열전달계수는 식 (1)과 같은 관 내의 기체상(vapor phase)유동의 강제대류이론(Dittus-Boelter correlation)^[16]을 적용하여 계산하였다.
열전도해석 및 다음 장의 열응력해석에 필요한 물성치는 ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section II Part D[15]에 수록된 대로 온도에 따라 변화하는 값을 사용하였다.
이 장에서는 ASME Code: Part 5(Design by Analysis Requirement)에 의거하여 상승관노즐의 보어 위치의 피로를 평가하였다.

성능/효과

8가지 과도운전조건 모두에서 최대응력은 상승관노즐 보어의 모서리에서 발생하였다. 그리고 8가지 과도운전조건 중에서 최대응력은 부하를 100%에서 시작하여 50%, 20%, 10%만큼 감소시켰다가 다시 100%로 복귀시키는 부하변화의 시작시간과 종료시간에서 가장 크며 290.6 MPa로 나타났다.
0 MPa로 나타났다. 그리고 8가지 과도운전조건의 해석결과에서 최대응력은 모두 상승관노즐의 보어 모서리에서 발생하는 것을 확인하였다.
5에 나타내었다. 상승관노즐들의 보어(bore) 모서리에서 응력집중이 발생하는 것을 확인할 수 있으며 최대응력은 270.0 MPa로 나타났다. 그리고 8가지 과도운전조건의 해석결과에서 최대응력은 모두 상승관노즐의 보어 모서리에서 발생하는 것을 확인하였다.
최종적으로 피로 평가에서는 Miner’s Rule에 의하여 누적피로사용계수가 1 이하이면 기대수명 동안에 피로파손에 관하여 안전한 것으로 판정하고, 1보다 크면 피로파손이 발생하는 것으로 판정한다.

후속연구

4. 본 연구에서 제시된 ASME Code를 따른 배열회수보일러 고압증발기 기수분리기의 피로 평가 방법과 실제 적용 사례는 향후 유사한 기기의 설계검증 과정에서 효율적으로 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (17)

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Lee, B. Y., "Evaluation of Stress and Fatigue of High-Pressure Drum for Heat Recovery Steam Generator According to European Code," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers A, To be published, Vol. 42, No. 9, 2018.
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Lee, B. Y., "Evaluation of Stress and Fatigue Life of Tube Bundle and Header for High-Pressure Evaporator of Heat Recovery Steam Generator," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Submitted, 2018.
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Lee, B. Y., "Stress Analysis and Evaluation of Steam Separator of Heat Recovery Steam Generator", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, To be published, Vol. 17, No. 4, 2018.
ANSYS, ANSYS User's Manual Version 11, ANSYS Inc., 2007.
ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II Part D: Materials Properties, American Society of Mechanical Engineers, 2010.
Coller, J. G. and Thome, J. R., Convective Boiling and Condensation, Oxford, 1994.
Richard, G. B. and Keith, J. N., Shigley's Mechanical Engineering Design, 9th Ed., McGraw-Hill, 2013.

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