[논문]주위 온도변화가 다층구조 해저 파이프라인 내부 압력변화에 미치는 영향

양승호

doi:10.7837/kosomes.2019.25.6.772

주위 온도변화가 다층구조 해저 파이프라인 내부 압력변화에 미치는 영향
Effects of Ambient Temperature Change on the Internal Pressure Change of Multi-Layered Subsea Pipeline 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.25 no.6, 2019년, pp.772 - 779

초록
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해저 파이프라인은 자원개발을 포함한 에너지산업 및 철강산업과 연계한 고부가가치 산업으로서 상당한 관심을 받아왔다. 해저 파이프라인의 설계와 설치 프로젝트 수행을 위해서는 다양한 핵심요소기술들이 필요하다. 특히, 해저 파이프라인의 안전한 운영을 위해서는 예비커미셔닝을 통한 철저한 사전검증과정이 필수 불가결한 부분이다. 해저 파이프라인 예비커미셔닝 과정 중 하이드로테스팅 공정은 파이프라인 주위 온도변화에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있으나 이에 관한 이론적, 수치해석적 접근방법을 활용한 연구는 미미한 편이다. 본 연구에서는 해저 파이프라인의 예비커미셔닝 과정 중 하이드로테스팅 공정에 대해 과도열전달 해석법을 활용하여 내부 온도변화량 산정 및 이를 활용한 파이프라인 내부 압력변동량 예측법을 제시하였고 예측된 결과를 현장 실계측 데이터와 비교·검토하여 그 유효성을 입증하였다. 제안된 해석절차는 해저 파이프라인 설치 프로젝트 수행 사전단계에서부터 파이프라인 열전달 시뮬레이션을 통해 압력변동량 예측을 가능하게 함으로써 해저 파이프라인 설치 프로젝트의 생산성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The subsea pipeline has received considerable attention as a high-value-added industry linked to the energy and steel industries including natural resource development. The design and installation of the subsea pipeline require a variety of key technologies to carry out the project. In particular, a thorough pre-verification process through pre-commissioning is essential for the safe operation of the subsea pipeline. The hydrotesting stage in the pre-commissioning process of the subsea pipeline is known to be affected significantly by the ambient temperature change; however, there is a little study based on the theoretical and numerical approach. In this study, the method of predicting the internal temperature change using the transient heat transfer method for the stage of hydrotesting during the pre-commissioning process of the subsea pipeline and the prediction method of the pressure variation in the pipeline using it were proposed. The predicted results were compared with field test results and its effectiveness was verified. The proposed analysis procedure is expected to contribute to the productivity improvement of the subsea pipeline installation project by enabling the prediction of pressure variation through pipeline heat transfer simulation from the initial design stage of the subsea pipeline installation project.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해석결과를 실프로젝트 하이드로테스팅 계측결과와 비교^.검토하여 하이드로테스팅 해석법의 유효성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 전산열유체(Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD) 해석기술을 활용하여 해저 파이프라인 내부 과도 열전달 해석을 수행하고 시간에 따른 파이프라인 내부 온도 변화를 예측한 후, 예측된 온도변화 결과를 토대로 파이프라인 내부의 압력변동량을 예측하고자 하였다. 해석결과를 실프로젝트 하이드로테스팅 계측결과와 비교^.
본 연구에서는 해저 파이프라인 하이드로테스팅 공정절차 중, 수압테스트 부분을 과도열전달 해석법을 적용하여 수치 해석적으로 나타내고 해석결과에 따른 파이프라인 내부 압력변동량을 예측하고자 하였다. 이를 위해 해저 파이프라인 하이드로테스팅 해석절차를 해저 파이프라인의 과도열전달 해석부분과 압력변동량 예측부분의 두 부분으로 나누어 구성하였다.
본 연구의 목적은 동아시아 지역에서 수행된 해저 파이프라인 설치 프로젝트 중 예비커미셔닝 작업과정에 있어 주요 공정절차 중의 하나인 하이드로테스팅(Hydrotesting) 과정에 관한 해석기술을 개발하고 이를 검증하여 향후 해저 파이프라인 설치 프로젝트 수행 시 사전예측을 통해 하이드로 테스팅 단계에서 문제가 발생하지 않도록 대비하고자 함에 있다.

가설 설정

해저 파이프라인 주위 온도변화가 거의 없거나 일정한 경우, 벽면 경계조건을 일정한 것으로 가정하여 해석하였다. 아래 Fig.

제안 방법

(1) 해저 파이프라인 과도열전달 해석결과를 활용한 하이드로테스팅 해석법을 정립하였다.
(2) CFD를 이용한 과도열전달 해석결과 및 온도변화와 압력변동량의 상관관계에 관한 이론식을 활용하여 파이프라인 내부 압력변동량을 예측하였다.
본 연구에서는 주위 온도변화에 대한 파이프라인 내부 온도변화를 CFD를 활용하여 해석하고 이를 기반으로 압력변동량 예측 이론식을 통해 파이프라인 내부 압력변동량을 구 하였다. 이러한 해석법을 한 단계 더 발전시키기 위해 현재의 두 단계에 걸친 해석과정을 유체·구조연성(Fluid-Structure Interaction) 해석기법을 도입하여 하나의 해석과정에 의한 압력변동량 예측이 가능하도록 통합할 필요가 있다.
본 연구에서는 해저 파이프라인 하이드로테스팅 공정절차 중, 수압테스트 부분을 과도열전달 해석법을 적용하여 수치 해석적으로 나타내고 해석결과에 따른 파이프라인 내부 압력변동량을 예측하고자 하였다. 이를 위해 해저 파이프라인 하이드로테스팅 해석절차를 해저 파이프라인의 과도열전달 해석부분과 압력변동량 예측부분의 두 부분으로 나누어 구성하였다.
4에 나타내었다. 주요제원을 활용하여 파이프라인 다층구조를 포함한 형상을 모델링하였고 정도 높은 해석을 위해 충분한 요소를 포함하도록 격자를 생성하였다. 파이프라인이 원형인 점을 고려하여 효율적 계산을 위해 1/4 대칭(symmetry) 형상으로 모델링하였다.
해저 파이프라인 예비커미셔닝 과정 중 하이드로테스팅 공정에 대한 압력변동량 예측법을 제시하였다. 파이프라인 내부 압력변동량 예측을 위해서는 주위 온도변화에 따른 파이프라인 내부 온도변화량이 반드시 필요하며, 이를 구하기 위해 다층구조의 복합재질로 구성된 파이프라인에 대한 과도열전달해석을 수행하였다. 열전달 해석결과를 활용하여 대상 파이프라인에 대한 압력변동량을 예측하였으며 실프로젝트 계측결과와 잘 일치함을 확인하였다.
파이프라인의 벽면 온도는 시간에 따라 변하게 되며 이를 모사하기 위해 벽면 경계조건을 매 15분마다 기록된 값으로 변하는 것으로 하여 해석의 입력값으로 사용하였다. 초기값은 파이프라인 내부 및 외부온도를 6.
주요제원을 활용하여 파이프라인 다층구조를 포함한 형상을 모델링하였고 정도 높은 해석을 위해 충분한 요소를 포함하도록 격자를 생성하였다. 파이프라인이 원형인 점을 고려하여 효율적 계산을 위해 1/4 대칭(symmetry) 형상으로 모델링하였다. 파이프라인 외부벽면은 벽면 경계조건(wall boundary condition), 안쪽 대칭면은 대칭경 계조건(symmetry boundary condition), 내부 경계면은 벽면에서의 열전달이 가능한 내부 벽면(internal wall)으로 각각 경계조건을 부여하였다.
해석결과의 시간 흐름에 따른 온도변화값을 확인하기 위해 Fig. 5에 보이는 바와 같이 중심으로부터 반경방향으로 0.01 m, 0.20 m, 0.40 m 위치에서의 온도값을 각각 해석결과값으로 출력하였다.
해저 파이프라인 예비커미셔닝 과정 중 하이드로테스팅 공정에 대한 압력변동량 예측법을 제시하였다. 파이프라인 내부 압력변동량 예측을 위해서는 주위 온도변화에 따른 파이프라인 내부 온도변화량이 반드시 필요하며, 이를 구하기 위해 다층구조의 복합재질로 구성된 파이프라인에 대한 과도열전달해석을 수행하였다.

대상 데이터

대상 해저 파이프라인의 주요제원을 Table 1에 나타내었다. 대상 파이프라인은 동아시아 지역 해저파이프라인 설치공사의 한 부분으로 파이프라인의 직경이 상대적으로 크고 주변 해수의 온도변화가 2.5℃로 나타나는 환경적 특성이 있다.

데이터처리

본 연구에서는 전산열유체(Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD) 해석기술을 활용하여 해저 파이프라인 내부 과도 열전달 해석을 수행하고 시간에 따른 파이프라인 내부 온도 변화를 예측한 후, 예측된 온도변화 결과를 토대로 파이프라인 내부의 압력변동량을 예측하고자 하였다. 해석결과를 실프로젝트 하이드로테스팅 계측결과와 비교^.검토하여 하이드로테스팅 해석법의 유효성을 평가하고자 하였다.

이론/모형

해저 파이프라인 열유체 과도열전달 해석도구로 열유체 해석분야에서 뛰어난 성능을 보여주고 있는 ANSYS Fluent를 사용하였다.

성능/효과

(3) 해저 파이프라인 주위 온도변화는 다층구조의 파이프라인 내부 온도장에 영향을 미치고 최종적으로 내부 압력변동량에 큰 영향을 미치는 것을 수치해석적으로 확인할 수 있다.
Table 3은 본 연구에서 제시한 해석과정을 통해 예측한 압력변동량과 실제 계측된 값을 상호비교한 결과를 나타내고 있다. 본 연구에서 제시한 이론식과 실험계수를 이용하였을 경우 단위 온도변화에 대한 압력변동량이 2.1 bar로 예측되었고 실계측된 압력변동량 값인 1.5 bar와 비교해 볼 때 그 차이가 0.6 bar 정도로 근소한 차이를 보였다. 해저 파이프라인 설계규정(DNV, 2013)에 의하면, 압력변동량이 테스트 압력의 0.
2 % 범위 내에 있을 때 파이프라인이 누설로부터 완전무결한 것으로 판단하고 있다. 본 연구에서도 테스트 압력을 고려하여 설계규정에 따른 압력변동량 오차범위를 살 펴보면 단위 온도변화에 대해 2.3 bar 이내를 테스트 통과범위로 판단할 수 있으며 시뮬레이션 결과가 허용압력변동량 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.
열전달 해석결과를 활용하여 대상 파이프라인에 대한 압력변동량을 예측하였으며 실프로젝트 계측결과와 잘 일치함을 확인하였다.

후속연구

해저 파이프라인 설계규정(DNV, 2013)에서도 이러한 부분을 부수적으로 설명 하고는 있으나 시뮬레이션 결과를 활용하여 사전에 예측하고 대비하는 부분에 대해서는 구체적으로 제시하고 있지 않아 필요시 적극적으로 발주처와 협의해 나갈 필요가 있을 것이다. 더 나아가 본 연구결과의 활용은 해저 파이프라인 하이드로테스팅 공정을 포함한 파이프라인 설치 프로젝트 전반의 생산성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.
뿐만 아니라, 파이프라인 다층구조 재료특성 및 층별 두께 변화에 따른 열전달 특성연구 등 다양한 파라미터 변화에 따른 실험 및 해석결과들을 확보하여 해저 파이프라인 설계 및 설치 프 로젝트 수행을 위한 기초자료로 활용할 필요가 있다. 따라서, 향후 연구로서 상기 제시된 연구내용들을 지속적으로 수행하고 연구성과를 확보하여 해저 파이프라인 설계 및 설치 핵심 요소기술들의 고도화를 앞당길 수 있기를 기대한다.
본 연구결과를 활용하면 해저파이프라인 설치 프로젝트 수행 전 사전 시뮬레이션을 통해 하이드로테스팅 과정에 있어 공정지연을 막기 위한 사전대비가 가능할 것으로 판단된다. 즉, 주위 온도변화가 클 경우 파이프라인 내부 압력변동량이 크게 나타나게 되며 이 때 시뮬레이션 결과를 발주처와 공유하고 사전협의를 통해 압력변동량 허용범위를 추가적으로 넓게 보도록 조율하거나 혹은 주위 온도변화가 상대적으로 적은 시점에 하이드로테스팅을 수행하여 해당 공정의 반복적인 실패를 피할 수 있을 것이다.
이러한 해석법을 한 단계 더 발전시키기 위해 현재의 두 단계에 걸친 해석과정을 유체·구조연성(Fluid-Structure Interaction) 해석기법을 도입하여 하나의 해석과정에 의한 압력변동량 예측이 가능하도록 통합할 필요가 있다. 뿐만 아니라, 파이프라인 다층구조 재료특성 및 층별 두께 변화에 따른 열전달 특성연구 등 다양한 파라미터 변화에 따른 실험 및 해석결과들을 확보하여 해저 파이프라인 설계 및 설치 프 로젝트 수행을 위한 기초자료로 활용할 필요가 있다. 따라서, 향후 연구로서 상기 제시된 연구내용들을 지속적으로 수행하고 연구성과를 확보하여 해저 파이프라인 설계 및 설치 핵심 요소기술들의 고도화를 앞당길 수 있기를 기대한다.
본 연구결과를 활용하면 해저파이프라인 설치 프로젝트 수행 전 사전 시뮬레이션을 통해 하이드로테스팅 과정에 있어 공정지연을 막기 위한 사전대비가 가능할 것으로 판단된다. 즉, 주위 온도변화가 클 경우 파이프라인 내부 압력변동량이 크게 나타나게 되며 이 때 시뮬레이션 결과를 발주처와 공유하고 사전협의를 통해 압력변동량 허용범위를 추가적으로 넓게 보도록 조율하거나 혹은 주위 온도변화가 상대적으로 적은 시점에 하이드로테스팅을 수행하여 해당 공정의 반복적인 실패를 피할 수 있을 것이다. 해저 파이프라인 설계규정(DNV, 2013)에서도 이러한 부분을 부수적으로 설명 하고는 있으나 시뮬레이션 결과를 활용하여 사전에 예측하고 대비하는 부분에 대해서는 구체적으로 제시하고 있지 않아 필요시 적극적으로 발주처와 협의해 나갈 필요가 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해저 파이프라인 산업의 특징은?	해저 파이프라인은 자원개발을 포함한 에너지산업 및 철강산업과 연계한 고부가가치 산업으로서 상당한 관심을 받아왔다. 해저 파이프라인의 설계와 설치 프로젝트 수행을 위해서는 다양한 핵심요소기술들이 필요하다.
	국내기업들은 해외 에너지 산업에서 어떤 역할을 하고 있는가?	현재 국내기업들 중 해저 파이프라인의 기본설계 및 상세 설계와 설치가 가능한 곳이 일부 있으며 주로 아랍에미레이트를 비롯한 중동지역과 태국, 말레이시아 등 동남아시아, 그리고 중국 등에서 해저 파이프라인 설계 및 설치 프로젝트들을 개별적으로 수행해 오고 있다.
	에너지 수요와 관련된 움직임의 변화는?	시추 및 생산기술의 발전과 더불어 석유와 천연가스 개발 프로젝트가 전 세계 곳곳에서 진행되어져 왔고 생산·정제된 에너지 자원은 필요한 곳이면 어느 곳이든지 운송하기 위해 수많은 파이프라인들이 설치되었기 때문에 이제는 육상과 해상을 가리지 않고 마치 모세혈관처럼 전 지구를 감싸고 있다고 해도 과언이 아닐 정도이다. 과거에는 에너지 수요가 일부 선진국에 국한되어 있었으나 이제는 개발도상국을 포함한 수많은 국가들에서 자국 에너지 수요를 충당하기 위해 에너지 자원확보를 위한 노력을 경주하고 있다. 이러한 에너지 수요에 따른 파이프라인 설치 시장은 최근의 유가하락과 경기침체에 따른 일시적인 감소에도 불구하고 향후 지속적으로 성장할 것으로 전망되고 있다(Kim, 2014).

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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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