[논문]지하매설 고압가스배관의 수명예측을 위한 인위결함 배관의 파열실험

이경은; 김정환; 하유진; 길성희; 조영도; 문종삼

doi:10.7842/kigas.2018.22.5.62

지하매설 고압가스배관의 수명예측을 위한 인위결함 배관의 파열실험
Experimental Study on Rupturing of Artificial Flaw of Pipes for Life Prediction of Underground High Pressure Gas Pipes 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.22 no.5, 2018년, pp.62 - 71

이경은 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김정환 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 하유진 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 길성희 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 조영도 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 문종삼 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

초록
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2017년 한국가스안전공사 가스안전연구원의 자체 조사에 따르면, 국내 고압가스배관 중 매설된 배관의 길이는 대략 770km이며, 그 중 84%가 울산과 여수산업단지에 몰려 있다. 특히 20년 이상의 장기 운영 배관이 56%에 달하며, 이는 매설된 고압가스배관의 관리가 시급하다는 것을 시사하고 있다. 매설된 가스배관의 주요 사고 원인으로 미국 PHMSA, 유럽의 EGIG 등에서는 타공사와 외면부식을 지적하고 있으며, 배관 벽두께의 손실에 의한 누출 및 파열 등의 사고로 보고된다. 따라서 배관에 결함이 발생하였을 때, 그 결함이 배관의 잔존수명에 영향을 미치는 바를 평가하는 것이 중요하다. DNV나 ASME 등에서는 배관에 인위결함을 만든 후 수압 파열 실험을 통하여 배관의 잔존강도를 평가했다. 배관의 잔존강도를 운전압력과 연관시키면, 배관이 파열되는 시점의 벽 두께가 계산되며 해당 배관의 부식 성장률만 정확히 알 수 있다면, 배관의 잔존수명을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 기존에 결함깊이가 벽두께의 80% 이하에서 적용된 수식을 개선하기 위하여 국내 매설배관의 80%를 차지하는 A53 Grade.B와 A106 Grade.B 배관에 대하여 결함 깊이가 80~90%의 범위에서 실험하였고, 결함과 잔존강도 관계를 표현한 수식을 만들었다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to own investigation conducted by Korea Gas Safety Corporation Gas Safety Research Institute in 2017, the length of underground pipes in domestic high-pressure gas pipelines is approximately 770km, of which 84% is buried in Ulsan and Yeosu industrial complexes. In particular, 56% of underground pipelines have been in operation for more than 20 years. This suggests urgent management of buried high pressure gas pipelines. PHMSA in US and EGIG in Europe, major causes of accidents in buried gas pipelines are reported as third party damage, external corrosion and loss of pipe wall thickness. Therefore, it is important to evaluate whether the defects affect the remaining life of the pipe when defects occur in the pipe. DNV and ASME have evaluated the residual strength of pipelines through the hydraulic rupture test using pipe specimens with artifact flaws. Once the operating pressure is known through the residual strength of the pipe, the wall thickness at the point at which the pipe ruptures is calculated. If we know the accurate rate of corrosion growth, we can predict the remaining life of pipe. In the study, we carried out experiments with A53 Grade.B and A106 Grade.B, which account for 80% of domestic buried pipes. In order to modify the existing model equation, specimens with a defect depth of 80% to 90% was tested, and a formula expressing the relationship between defect and residual strength was made.

주제어

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. A scheme of area capacity method.
그림 Fig. 2. The length of buried pipeline according to type of pipeline.
그림 Fig. 3. The distribution chart for type of pipeline.
그림 Fig. 4. Application of the model for remaining strength of corroded pipelines.
그림 Fig. 5. Corrosion parameters used in ASME B31G.
표 Table 1. The model for remaining strength of corroded pipelines.
그림 Fig. 6. Corrosion parameters used in Modified ASME B31G.
그림 Fig. 7. Corrosion parameters used in RSTRENG.
그림 Fig. 8. Corrosion parameters used in DNV-RP-F101.
그림 Fig. 9. A scheme of test specimen.
표 Table 2. Chemical composition of Pipe materials
표 Table 3. Mechanical properties of Pipe materials
그림 Fig. 10. The distribution chart for the type of pipe size.
그림 Fig. 11. The experiment schematic diagram.
그림 Fig. 12. The experiment process.
표 Table 4. The list of test specimens
표 Table 5. Pressure at the rupture according to the artificial flaw sizes
표 Table 6. The specifications of 100A, 150A and 200A pipe(flaw length=150 mm)
표 Table 7. The result of rupture pressure according to ASME B31G origin
그림 Fig. 13. The comparison of rupture pressure. (L=150mm, pipe size=100A)
그림 Fig. 14. The comparison of rupture pressure. (L=150mm, pipe size=150A).
표 Table 8. The result of rupture pressure according to ASME B31G modified
표 Table 9. The result of rupture pressure according to DNV-RP-F101
표 Table 10. The coefficient of modified DNV RP F101
표 Table 11. The coefficient according to width of KGS DNV RP F101

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 각 해외 기준의 비교와 함께 국내 사용되고 있는 매설배관에 적용 가능한 평가 방법에 대해 서술하고자 한다.
본 연구에서는 고압가스 배관의 잔류강도 평가실험을 진행하였다. 실험 시 사용된 시편은 실제 국내 산업단지에서 사용되는 배관의 수요를 조사해 가장 많이 사용되었던 ASTM A53 Grade.
본 연구에서는 면적용량법을 이용하되 변수로 손실길이(L)와 손실깊이(d)를 고려한 동시에 부식 부위의 너비(W, width)도 함께 변화를 주어 수정된 면적용량법을 제시하고자 한다.
B 배관의 크기가 100A와 150A일 때, 잔류강도 평가 실험 결과 고압배관의 잔류강도 평가식 중 DNV RP F101모델식과 유사한 거동을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 이 식을 토대로 국내 산업용 배관으로 주로 사용되는 ASTM A106/A53에 맞는 DNV RP F101 수정 식을 제시하고자 한다. 아래의 식(1)과 식(2)는 DNV RP F101 식을 토대로 파열 압력을 표현한 수정 식이다.

제안 방법

(3) 실험 값과 고압 배관의 모델 식 계산 값을 비교 하였을 때 배관 종류에 따른 경향 및 결함 폭에 따른 경향 모두 DNV RP F101 모델 계산 값에 따르는 것을 확인 할 수 있었다. DNV RP F101을 이용해 본 실험에서 진행한 결함비율 0.8 이상일 때 파열 양상을 확인 할 수 있는 KGS DNV RP F101 식을 도출 하였다.
11은 수압파열 시험 시 시편과 가압기를 연결해 놓은 모습을 보여주는 모식도이다. 가압기를 통해 수압을 높여주어 시편에 미치는 영향을 압력계를 통해 측정하였다.
제작 시편에 주어진 결함 깊이는 배관 두께 대비 80%, 85%, 90%의 결함을 부여한 깊이로 제작하였다. 결함 길이 및 폭은 비교대상에 따라 결함 깊이가 80%, 85%, 90%를 비교하기 위해 각각 길이 150mm에 흠 폭 9mm를 제작하였으며, 배관의 관경에 따라서 흠의 크기와 깊이의 영향을 알아보기 위해 길이와 폭을 다양하게 주어 제작하였다.
고압배관의 잔류강도를 평가하는 실험을 위해서는 보다 안전하게 유체가 눈에 확인되어야 하고, 그 압력을 측정하기 용이한 시험을 통해 잔류강도를 평가하여야 하므로 수압파열시험 방법을 택하여 실험을 진행 하였다.
배관의 잔류강도 평가 실험 시, 실제 국내 산업단지 매설배관으로 가장 많이 사용되고 있는 두 배관(ASTM A53 Grade.B, ASTM A106 Grade.B)을 이용하여 국부부식 깊이가 80%를 넘는 인위적 결함을 만들어 실험을 진행하였다.
9와 같이 시편을 제작하였다. 보다 용이한 실험을 위해 긴 배관이 아닌 짧은 배관 양쪽에 캡을 씌운 모형으로 배관을 제작하였다. 시편 내부 압력이 측정 위치와 동일함을 가정하고, 정압력에 의해 파열되는 것은 잔존강도 평가에 있어 중요한 요소이다.
밀폐계 내부에 압축성 유체가 존재하게 되면 가압이 제대로 이뤄지지 않기 때문이다. 본 실험에서 사용된 가압기는 한번 펌프에 3cc 가량의 공기가 들어가는 가압기로 배관 내를 정상상태로 유지하기 위해 전동식 가압기가 아닌 수동식 가압기를 이용해 가압하여 파열 수압을 측정하였다.
시편을 제작함에 있어서 결함이 있는 배관을 표현하기 위해 배관에 인위적인 결함을 주었는데, 본 실험에서는 국부 부식을 표현하는 결함 제작 시 금속 손실 길이(L), 깊이(d) 및 폭(w)을 독립변수로 제작하였다.
12는 수압파열시험 진행 순서를 보여주는 그림이다. 실험 방법으로는 가압기, 시편, 조절 밸브, 압력계를 모두 연결시킨 후 시편에 물을 채워주는 데, 이때 시편 속에 그 어떤 공간이 만들어 지지 않게 하기위해 아래에서 위로 시편의 물을 채워준다. 밀폐계 내부에 압축성 유체가 존재하게 되면 가압이 제대로 이뤄지지 않기 때문이다.
B의 100A, 150A, 200A를 이용하여 실험 하였다. 외면 국부 부식의 조건을 만들기 위해 시편에 인위적 결함을 만들었으며, 그 크기는 배관 두께에 대한 비율로 만들어 실험을 진행하였다.
DNV-RP-F101은 ASME B31G와 함께 많이 사용되는 잔류강도 평가 모델이다. 이는 용량 방정식(capacity equation) 방법을 이용해 Fig. 8 과 같이 단일 종단 방향, 직사각형 부식 결함의 파열 용량에 대한 다수의 분석들과 일련의 전 범위 파열 시험들을 바탕으로 개발되었다.[5]
잔류강도 모델 식 중 가장 보편적으로 많이 사용되는 ASME B31G, ASME B31G modified, DNV RP F101식을 이용하여 본 연구에서는 실제 실험 결과값과 비교하려 한다. 모델 식을 이용해 잔류강도 압력을 계산하기 위해 모델 식의 항 값을 분리하여 다음과 같이 Table 7~9에 정리하였다.
Table 4는 제작 전편의 시편에 관한 정보이다. 제작 시편에 주어진 결함 깊이는 배관 두께 대비 80%, 85%, 90%의 결함을 부여한 깊이로 제작하였다. 결함 길이 및 폭은 비교대상에 따라 결함 깊이가 80%, 85%, 90%를 비교하기 위해 각각 길이 150mm에 흠 폭 9mm를 제작하였으며, 배관의 관경에 따라서 흠의 크기와 깊이의 영향을 알아보기 위해 길이와 폭을 다양하게 주어 제작하였다.

대상 데이터

B와 ASTMA106 Grade.B의 100A, 150A, 200A를 이용하여 실험 하였다. 외면 국부 부식의 조건을 만들기 위해 시편에 인위적 결함을 만들었으며, 그 크기는 배관 두께에 대한 비율로 만들어 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 고압가스 배관의 잔류강도 평가실험을 진행하였다. 실험 시 사용된 시편은 실제 국내 산업단지에서 사용되는 배관의 수요를 조사해 가장 많이 사용되었던 ASTM A53 Grade.B와 ASTMA106 Grade.

이론/모형

부식부위 평가 방법으로는 ASME B31G, Modified ASME B31G, RSTR -ENG, DNV-RP-F101 등이 있다. 이 중 일반적으로 가스배관 부식부위 평가에 사용되는 기본수식은 미국 국가 규격인 ASME B31G(manual for determining the remaining strength of corroded pipelines)의 평가방법을 통해 평가한다.

성능/효과

(3) 실험 값과 고압 배관의 모델 식 계산 값을 비교 하였을 때 배관 종류에 따른 경향 및 결함 폭에 따른 경향 모두 DNV RP F101 모델 계산 값에 따르는 것을 확인 할 수 있었다. DNV RP F101을 이용해 본 실험에서 진행한 결함비율 0.
B, A106 Grade. B 배관 모두 결함 비율이 0.8 일 때, DNV RP F101과 ASME B31G modified 모델 식 값과 실험값의 유사함을 확인하였고, 결함 비율이 0.85 이상 일 때 잔류강도 모델 식 중 가장 보수적인 값을 나타내는 ASMEB31G origin 모델 식에 가까운 값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 배관의 결함 폭(w)이 크면 클수록 DNV RP F101 양상과 유사한 것을 확인 할 수 있었다.
B, A106 Grade. B 배관의 경우 결함 비율이 0.8 일 때, DNV RPF101과 ASME B31G modified 모델 식과 유사하였고, 결함 비율이 0.85 이상일 때 잔류강도 모델식 중 가장 보수적인 값을 나타내는 ASME B31G origin 모델 식에 가까운 값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 배관의 결함 폭(w)이 크면 클수록 DNV RP F101 양상과 유사한 것을 확인 할 수 있었다.
ASTM A106/A53 Grade.B 배관의 크기가 100A와 150A일 때, 잔류강도 평가 실험 결과 고압배관의 잔류강도 평가식 중 DNV RP F101모델식과 유사한 거동을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 이 식을 토대로 국내 산업용 배관으로 주로 사용되는 ASTM A106/A53에 맞는 DNV RP F101 수정 식을 제시하고자 한다.
5는 배관내의 부식 손상부위 형상을 나타낸 것으로 부식 부위를 곡선으로 가정하여 부식 결함의 깊이 d와 길이 L로 규정하여 계산하였다. 배관 두께 t대비 실제 ASMEB31G의 수식으로 평가한 결과 실제 크기 배관 파열 실험 결과 대비 지나치게 보수적으로 나타났다. 이 식의 보수성을 줄이기 위해 사용된 평가방안이 Modified ASME B31G이다.
B의 실험 값은 결함 비율에 관계없이 DNV RPF101 모델 식과 유사한 값과 경향을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 배관의 결함 폭(w)이 9mm일 때, 배관은 d/t 비율이 80~85% 사이에서 DNV RPF101기울기와 비슷하였고, 3mm의 폭(w)을 가진 배관에서는 80%, 90% 실험 값이 DNV RP F101값과 거의 유사한 실험 값을 보이는 것을 확인 할 수 있었다.
B의 실험 값은 결함 비율에 관계없이 DNV RPF101 모델 식과 유사한 값과 경향을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 배관의 결함 폭(w)이 9mm일 때, 배관은 d/t 비율이 80~85% 사이에서 DNV RPF101기울기와 비슷하였고, 3mm의 폭(w)을 가진 배관에서는 80%, 90% 실험 값이 DNV RP F101값과 거의 유사한 실험 값을 보이는 것을 확인 할 수 있었다.
실험 값과 고압 배관의 모델 식 계산 값을 비교하였을 때 배관 종류에 따른 경향 및 결함 폭에 따른 경향 모두 DNV RP F101 모델 계산 값에 따르는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ASME B31G는 어떻게 손상배관 잔류강도를 도출하는가?	ASME B31G는 배관의 직경, 두께, 최소허용 항복응력을 이용해 부식 결함의 깊이, 길이를 통하여 손상배관 잔류강도를 도출한다. Fig.
	잔존강도 평가 모델 중 대표적으로 사용되는 방법은 무엇인가?	현재 보편적으로 사용되고 있는 잔존강도 평가 모델 중 대표적으로 사용되는 방법은 Fig.1의 면적용량법(area capacity method)이다. 이는 부식에 의한 손실길이(L, length)와 손실깊이(d, depth)를 독립변수로 취급하는 방법이다.
	면적용량법(area capacity method)은 어느 것을 독립변수로 취급하는 방법인가?	1의 면적용량법(area capacity method)이다. 이는 부식에 의한 손실길이(L, length)와 손실깊이(d, depth)를 독립변수로 취급하는 방법이다. 배관에 손상이 발생하면 부식 환경에 따라 전면부식 또는 국부부식이 발생하는데, 면적용량법에서는 변수로 손실길이(L)와 손실깊이(d)만을 두고 있으므로, 국부부식에 적용하는 방법이다.

참고문헌 (8)

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S. S. Yim, J. S. Kim, Y. D. Ryu and J. H. Lee, "A Study on the Residual Strength of the Carbon Steel pipe using in Fuel Gas", KIGAS, 20(5), 112-117, (2016)
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K. E. Lee, J. H. Kim, Y. J. Ha and S. H. Kim, "An Experimental Study on the Mechanical Impact(Third Party Damage) of High Pressure Gas Pipe", KIGAS, 21(6), 8-14, (2017)
K. H. Oh, K. J. Yeom and W. S. Kim, "A Study on the Defect Evaluation of Gas pipe", the journal of the KSME, 54(1), 38-42,(2014)
Technical Toolboxes, "Remaining Strength of Corroded Pipe(RSTRENG) Assessment Procedure", 35-39, (2015)

저자의 다른 논문 :

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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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