[논문]350A 벨로우즈형 신축관이음의 내진특성 평가

손인수

doi:10.21289/ksic.2020.23.4.653

[국내논문] 350A 벨로우즈형 신축관이음의 내진특성 평가
Seismic Stability Evaluation of Bellows Type Expansion Joints Piping System(350A) 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.4/1, 2020년, pp.653 - 659

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, seismic verification of the bellows used in the plant field was conducted. The pressure used in the analysis was analyzed by applying the design pressure of 15.7bar. For the seismic analysis, the natural frequency of the bellows system was obtained and the stability of the system was evaluated by static seismic analysis comparing the lowest order natural frequency with the dominant frequency of 33 Hz. The material of the bellows system is STS304, and the safety factor is obtained in comparison with the allowable stress. For the seismic analysis, the design response spectrum was prepared and the maximum acceleration was applied to the static seismic analysis and the stability of the entire system was confirmed. Compared to the structural analysis results, the maximum stress of the bellows system increased by about 16.4% and the maximum strain increased by about 3 times when seismic analysis was performed.

Keyword

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Bellows-pipeline system
표 Table 1. Yield strength of bellows system
그림 Fig. 2 Mesh shape and boundary conditions
그림 Fig. 3 results of structural analysis(normal)
그림 Fig. 4 results of structural system
그림 Fig. 5 Flow chart of performance assessment based on seismic qualification
그림 Fig. 6 Mode shape and natural frequency of bellows system
그림 Fig. 7 Standard design response spectrum
표 Table 2. Seismic zone and zone factor(Z)
그림 Fig. 9 Seismic analysis result of system(Y-dir. load)
그림 Fig. 8 Boundary condition with seismic load
그림 Fig. 10 Analysis results of target bellows(Y-dir. load)
표 Table 3. Results of seismic analysis for bellows- pipeline system

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 플랜트 분야 비구조요소의 안정성 및 지진평가는 매우 중요한 문제라 할 수 있다. 플랜트 분야 비구조요소의 파손은 주로 관 이음쇠 및 신축관이음 등에서 발생이 되고 있으며 이 연구에서는 밸로우즈형 신축관 이음에 대한 지진 안정성 평가를 수행하여 구조적 안정성을 확보하고자 한다.
이 연구에서는 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 350A 벨로우즈형 신축관이음에 대한 지진 안정성 평가를 수행하여 구조적 안정성을 확보하고자 한다. 즉, 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 벨로우즈형 신축관이음에 대한 내진 검증을 수행하여 안정성을 판단하였다.
본 연구에서는 구조해석 및 내진해석을 수행하여 상하수도용 벨로우즈형 신축관이음의 구조적 안정성을 판단하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이 연구에서는 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 350A 벨로우즈형 신축관이음에 대한 지진 안정성 평가를 수행하여 구조적 안정성을 확보하고자 한다. 즉, 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 벨로우즈형 신축관이음에 대한 내진 검증을 수행하여 안정성을 판단하였다. 특히, 지진해석을 위하여 벨로우즈 시스템의 고유 진동수를 구하고 정적 내진해석으로 파이프라인 시스템의 안정성을 판단하였다.
즉, 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 벨로우즈형 신축관이음에 대한 내진 검증을 수행하여 안정성을 판단하였다. 특히, 지진해석을 위하여 벨로우즈 시스템의 고유 진동수를 구하고 정적 내진해석으로 파이프라인 시스템의 안정성을 판단하였다.
1은 해석을 수행한 벨로우즈형 신축관이음을 갖는 파이프라인의 전체형상을 도시하고 있다. 벨로우즈 신축관이음의 직경은 350mm, 재질은 STS304이고 주요 기계적 물성치는 Table 1에 나타내었으며, 재질의 허용강도와 비교하여 안전계수를 구하였다. 내진해석에서 지진구역계수는 0.
2는 일반구조해석을 위한 요소분할 및 경계조건을 나타낸 것으로 해석 효율성을 위한 모델 간략화(벨로우즈 cover 제외)하였으며, 관심 벨로우즈는 밸브와 연결되는 1번 단식 벨로우즈이다. 축소 모델의 양 끝단(플랜지 부분)을 완전 구속하여 해석 수행하였으며, 해석에 있어 최대 압력은 bellows 내부에 1.569 MPa이 작용하도록 하중조건을 적용(실제 해석 시 1.6 MPa 적용)하였다. 노드 (node) 330,894개, 요소 수(element)는 152,746개로 해석을 수행하였다.
신축관이음을 갖는 파이프 시스템의 내진해석을 위하여 먼저 대상 모델에 대한 진동해석을 통한모달해석(Modal analysis)으로 고유진동수를 구한다. 일반적으로 대상모델의 고유진동수가 지진의 지배 진동수 구간의 상한이 되는 33 Hz 를 초과하면 정적 내진해석을 수행하고, 33 Hz 미만인 경우에는 공진현상에 취약하다고 판단하여 동적 내진해석을 수행한다.
내진 해석을 위하여 먼저 벨로우즈-파이프라인 시스템의 모달해석을 수행한다. 경계조건은 양단 벨로우즈의 플랜지 양쪽에 완전구속을 주었으며 자유진동해석으로 해석을 수행하였다. 응답스펙트럼 해석을 위하여 모드 질량 참여계수 합이 90% 이상이 되도록 충분한 수의 모드를 고려하여 계산하였다.
경계조건은 양단 벨로우즈의 플랜지 양쪽에 완전구속을 주었으며 자유진동해석으로 해석을 수행하였다. 응답스펙트럼 해석을 위하여 모드 질량 참여계수 합이 90% 이상이 되도록 충분한 수의 모드를 고려하여 계산하였다.
89Hz를 나타내었다. 모달해석을 통하여 구해진 시스템의 1차 고유진동수는 약 43.8Hz로 지진의 지배 진동수인 33Hz 이상이기 때문에 이 연구에서는 밸브의 정적 내진해석을 통하여 내진해석을 수행하도록 한다.
11g 로 하였다. 지반증폭계수 및 식 (1)에 의해 계산되어지는 설계응답스펙트럼을 이용하여 Fig. 7과 같이 벨로우즈 시스템의 표준 설계응답스펙트럼을 도출하였다.
내진 해석을 위하여 먼저 벨로우즈-파이프라인 시스템의 모달해석을 수행한다. 경계조건은 양단 벨로우즈의 플랜지 양쪽에 완전구속을 주었으며 자유진동해석으로 해석을 수행하였다.

대상 데이터

6 MPa 적용)하였다. 노드 (node) 330,894개, 요소 수(element)는 152,746개로 해석을 수행하였다. 또한 해석에 있어 사용한 방향은 다음과 같이 정의하여 사용하였다.

성능/효과

벨로우즈 신축관이음의 직경은 350mm, 재질은 STS304이고 주요 기계적 물성치는 Table 1에 나타내었으며, 재질의 허용강도와 비교하여 안전계수를 구하였다. 내진해석에서 지진구역계수는 0.11로 설계응답스펙트럼을 작성하였으며 최대 가속도를 적용하여 정적내진해석을 수행하고 전체 시스템의 안정성을 판단하였다.
77 MPa을 나타내었다. 전체 시스템의 해석 결과 값에 비하여 비교적 적은 값을 가진다는 것을 알 수 있다.
지진 하중 적용 방향은 x, y, 그리고 z 축 방향 모두 적용하였으며, 해석 결과 Z 방향으로 지진하중 적용하는 경우 최대 응력 및 변위가 발생한다. 지진하중이 없는 일반구조해석 결과와 비교하여 지진해석 시 최대 응력은 약 16.4%증가하며, 최대 변형은 약 3배 정도 증가한다는 것을 알 수 있다.
(1) 구조해석 결과 관심 벨로우즈인 단식 벨로우즈의 최대 응력은 시스템 전체의 최대응력(복식 벨로우즈)에 비하여 약 3.9% 작게 나타나며, 최대응력은 파이프와 벨로우즈가 결합되어지는 부분에 발생하였다.
(2) 일반구조해석 결과와 비교하여 강도 7정도에 해당하는 지진하중을 적용한 해석 시 벨로우즈 시스템의 최대 응력은 약 16.4% 증가하며, 최대 변형은 약 3배 정도 증가하였다.
(3) 지진 하중 적용 방향(x, y, 그리고 z 축)에 대하여 z방향으로 지진하중 적용하는 경우 최대응력 및 변위가 발생하였다.
(4)내진해석 결과 시스템 재질의 허용강도와 비교하여 최소 안전계수는 1.72이며, 따라서 벨로우즈 시스템은 안정하다고 판단된다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Kim, C. W., Lim, J. G. and Lee, Y. S., "Feasibility Study of Fluid-Structure Coupling Analysis in Butterfly Valve", Proceeding of SCDE Conference, pp. 1210-1213, (2011).
Son, I. S., Ha, S. H., Kim, G. L., Yu, J. S. and Sim, S. G., "Dynamic Behavior Evaluation of Bellows Type Piping System", Proceedings of the KSPSE Spring Conference, pp. 160-161, (2019).
Son, I. S., "Fluid-structural Interaction Analysis and Seismic Evaluation of Bellows Type Expansion Joints", Journal of the KSPSE, Vol. 23, No. 6, pp. 11-18, (2019).

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