[논문]복합하중에 의한 천연가스 배관의 파손확률 평가

백종현; 장윤찬; 김익중; 김철만; 김영표

doi:10.7842/kigas.2020.24.4.10

복합하중에 의한 천연가스 배관의 파손확률 평가
Failure Probability Assessment of Natural Gas Pipeline under Combined Stresses 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.4, 2020년, pp.10 - 17

백종현 (한국가스공사 가스연구원) , 장윤찬 (한국가스공사 가스연구원) , 김익중 (한국가스공사 가스연구원) , 김철만 (한국가스공사 가스연구원) , 김영표 (한국가스공사 가스연구원)

초록
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신뢰도 기반 평가법은 천연가스배관의 기하학적 형상 변화, 기계적 특성, 하중변화 및 운영조건을 평가 인자로 사용하여 천연가스배관의 건전성 평가 관리의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 구조신뢰성 평가 시 배관의 파손확률은 외부하중에 대한 배관재료의 저항성과의 관계에 의해 평가된다. COMREL 프로그램을 사용하여 내압, 열응력 및 굽힘응력과 같은 복합응력에 의한 천연가스배관의 파손확률을 평가했다. 천연가스배관의 파손확률 평가 시 매설깊이는 1.5~30m, 차량바퀴하중은 2.5~20톤, 온도차는 45℃, 운전압력은 6.86MPa 그리고 토양밀도는 1.8kN/㎥를 사용하였다. 천연가스배관의 파손확률은 Von-Mises 응력 기준에 의해 복합응력 하의 최대허용응력 기준으로 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structural reliability assessment can be used to improve the reliability in the asset integrity management of the pipeline by using a geometric variation, mechanical characteristics, load change and operating condition as evaluation factors. When evaluating structural reliability, the failure probability of the natural gas pipe is evaluated by the relationship of the resistance of the pipe material to external loads. The failure probability of the natural gas pipe due to the combined stresses such as the internal pressure, thermal stress and bending stress was evaluated by using COMREL program. When evaluating the failure probability of the natural gas pipe, a buried depth of 1.5 to 30 m, a wheel load of 2.5 to 20 ton, a temperature difference of 45℃, an operating pressure of 6.86MPa, and a soil density of 1.8 kN/㎥ were used. The failure probabilities of the natural gas pipe were evaluated by the Von-Mises stress criterion as the maximum allowable stress criterion under the combined stresses.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Target reliability level for on-land pipeline in ISO 16708
그림 Fig. 1. Statistical data on the (a) yield strength and (b) tensile strength of API X65 pipe.
표 Table 2. Maximum permissible failure probabilities for on-land pipeline in CSA Z662
그림 Fig. 2. Statistical data on the (a) outside dia-meter and (b) wall thickness of API X65 pipe.
그림 Fig. 3. Acceptable target failure probabilities with variation of internal pressure in ISO 16708.
그림 Fig. 4. Maximum permissible failure probabilities with variation of population density in CSA Z662.
그림 Fig. 5. Failure probabilities of pipeline by yiel-ding with variation of internal pressure in CSA Z662.
그림 Fig. 6. Failure probabilities of pipeline by burs-ting with variation of internal pressure in CSA Z662.
그림 Fig. 7. Stress distribution of pipeline with varia-tion of trench depth.
그림 Fig. 8. Failure probabilities of pipeline with varia-tion of trench depth.
그림 Fig. 9. Load applied to pipeline according to variation of vehicle wheel load.
그림 Fig. 10. Load transmitted to pipeline by 10 tons of vehicle wheel load according to trench depth variation.
그림 Fig. 11. Failure probabilities of pipeline due to vehicle wheel load change.

AI 본문요약
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제안 방법

결함이 없는 API X65 천연가스배관의 파손확률 평가는 항복(Yielding)이 발생되는 경우와 파열(Bursting)이 발생되는 경우에 대해 평가하였다. 결함이 없는 배관의 항복에 대한 한계상태방정식은 식(1)을 사용하였다[2].
해외의 경우 장기운영 배관에 대한 수명평가 시 신뢰도기반 평가법 적용이 점차 확대되고 있는 추세이며 국내의 경우에도 장기운용 배관이 증가함에 따라 신뢰도기반 평가에 대한 적용성을 검토하였다. 본 연구에서는 결함이 없는 건전한 배관에 대하여 ISO 16708 규격과 CSA Z662 규격에 따라 인구밀도 또는 운전압력 별 가스배관에 대한 허용 파손확률을 분석하였으며 토하중과 차량하중 변화 등 외부하중에 의한 건전한 배관에 대한 파손확률을 COMREL 프로그램을 활용하여 평가하였다[13].
인구밀도는 2013년도 시도별 행정구역 및 인구 현황자료를 활용하였다. 최대 허용파손확률평가 시 내압은 6.86㎫(70㎏/㎠)와 7.85㎫(80㎏/㎠)에 대해 평가하였으며 배관 외경은 610㎜(24인치), 660㎜(26인치) 및 762㎜(30인치)에 대해 평가하였다.

대상 데이터

1 Steel pipe design formula"를 사용하여 계산하였다[4]. 그림 5에서 SMYS는 API 5L X65 배관의 최소 규정항복강도인 450㎫를 적용하였으며, API 5LX65 배관의 평균 항복강도 YS는 그림 1-a)의 통계자료로부터 확보한 515.4㎫를 사용하였다. 그림 6에서 SMTS는 API 5L X65 배관의 최소규정인장강도인 530㎫를 적용하였으며 API 5L X65 배관의 평균 인장강도 UTS는 그림 1-b)의 통계자료에서 획득한 594.
4㎫를 사용하였다. 그림 6에서 SMTS는 API 5L X65 배관의 최소규정인장강도인 530㎫를 적용하였으며 API 5L X65 배관의 평균 인장강도 UTS는 그림 1-b)의 통계자료에서 획득한 594.1㎫를 사용하였다.
배관 두께의 총 표본의 수는 231개 이다. 조사대상 배관의 두께는 17.
그림 2에는 배관 외경과 두께에 대한 통계자료를 나타낸 것이다. 배관 외경은 배관 끝단과 배관 몸체에서 측정한 데이터를 활용하였다. 조사 대상 배관외경의 허용한계는 ±1%(762㎜ 기준, 754.
6㎜)이다[14]. 배관 외경의 총 표본의 수는 1281개이다. 조사대상 배관의 외경은 762㎜이고, 평균 762.
CSA Z662 규격에서 천연가스 배관의 최대허용파손확률평가식은 인구밀도, 내압 및 배관 외경의 함수로 이루어져 있다. 인구밀도는 2013년도 시도별 행정구역 및 인구 현황자료를 활용하였다. 최대 허용파손확률평가 시 내압은 6.
API 5L X65 배관에 대한 신뢰도 기반 파손확률을 평가하기 위해서는 배관의 강도 및 기하학적 형상에 대한 통계자료가 필요하다. 천연가스배관 재료의 항복강도 및 인장강도는 배관 공장검사 시 제출하는 검사증명서를 활용하여 조사하였으며 총 표본의 수는 687개를 사용하였다.
ISO 16708 규격에 따른 안전등급 별 천연가스배관에 대한 허용목표파손확률을 그림 3에 나타내었다. 평가대상 배관은 외경 762㎜(30인치), 두께 17.5㎜인 API X65 배관이며 내압이 70, 75 및 80㍴에 대하여 허용목표파손확률을 평가하였다. 동일 안전등급에서는 내압이 증가함에 따라 허용목표파손확률은 감소하며 동일 내압에서는 안전등급이 Safety class 1에서 Safety class 4로 변화함에 따라 허용목표파손확률은 감소하고 있었다.

이론/모형

내압의 단위는 ㎫(10bar)이며, 배관 외경의 단위는 미터이다. 본 연구에서 ISO 16708에 따른 육상배관의 허용목표파손확률은 표 1의 기준을 적용하였다.
본 연구에서는 Von-Mises 응력기준인 [SL2-SL · SH+SH2]1/2을 복합응력 산정 시 사용하였다.
천연가스 배관에 대한 신뢰도기반평가는 확률론적 평가를 적용한 구조신뢰성기법을 사용하였다. 천연가스 배관의 최대허용파손확률은 인구밀도, 내압 및 배관 외경이 증가함에 따라 감소하였다.

성능/효과

(1) ISO 16708 규격에 따라 안전등급 별 천연가스배관에 대한 허용목표파손확률은 안전등급이 4인 지역에서 운전압력이 7㎫(70㍴)인 경우 외경이 762㎜(30인치) 배관은 1.61E-07이다.
(2) CSA Z662 규격에 따라 지역등급이 4, 외경 762㎜, 운전압력이 6.86㎫에서 운영되는 경우 인구밀도가 169인/10,000㎡인 서울지역에서 최대허용파손확률은 1.7.43E-09이다.
(3) CSA Z662 규격에 따라 6.86㎫인 경우 외경 762㎜, 두께 17.5㎜인 배관의 항복(Yielding)에 의한 파손확률은 3.32E-17이며 파열(Bursting)에 의한 파손확률은 5.09E-30이다.
(4) 토하중 및 차량하중 변화 등 외부하중에 의한 건전한 배관의 파손확률을 평가하였으며 매설 깊이 30m에서의 파손확률은 4.0E-19이었으며, 차량 바퀴 1개의 하중이 20ton까지 증가하는 경우 파손확률은 1.0E-18이하이다.
(5) 국내에서 운영되는 천연가스 주배관을 ISO 16708과 CSA Z662 규격에 의해 구조신뢰성 평가 결과 상당히 낮은 파손확률을 나타내어 신뢰도가 상당히 높은 것으로 평가된다.
5㎜인 API X65 배관이며 내압이 70, 75 및 80㍴에 대하여 허용목표파손확률을 평가하였다. 동일 안전등급에서는 내압이 증가함에 따라 허용목표파손확률은 감소하며 동일 내압에서는 안전등급이 Safety class 1에서 Safety class 4로 변화함에 따라 허용목표파손확률은 감소하고 있었다. Safety class 4(very high)는 국내 천연가스 주배관에서 가장 안전등급이 높은 “가”급 배관에 해당된다.
매설 깊이가 1.5m에서 건전한 가스배관의 파손확률은 1.0E-20을 나타내고 있으며 매설 깊이가 15m까지 증가함에 따라 파손확률은 미세하게 증가한 후 15∼30m 구간에서 파손확률은 4.0E-19정도의 일정한 값을 보이고 있었다.
가스배관의 파손확률은 내압의 증가와 지역등급이 4에서 1 등급으로 하향함에 따라 증가하였다. 매설깊이가 30m까지 증가하고 차량 바퀴 1개의 하중이 20톤까지 증가하여도 배관의 파손확률은 상당히 낮게 평가되었다. 이에 대한 상세한 연구 결과는 다음과 같다.
차량 바퀴 하중이 2.5톤에서는 1.0E-21 정도의 파손확률을 보였으며 차량 바퀴 하중이 8배 증가한 20톤에서는 1.0E-18의 파손확률을 나타내었다. 차량 바퀴 1개의 하중이 20톤까지 증가하는 경우 차량하중 증가에 따른 배관의 파손확률은 상당히 낮게 평가되었다.
천연가스 배관의 최대허용파손확률은 인구밀도, 내압 및 배관 외경이 증가함에 따라 감소하고 있었다. 이는 인구밀도가 높은 지역에 대해서는 더 높은 안전율을 요구하고 있기 때문에 더 낮은 허용파손확률을 요구하는 것이다.
천연가스 배관에 대한 신뢰도기반평가는 확률론적 평가를 적용한 구조신뢰성기법을 사용하였다. 천연가스 배관의 최대허용파손확률은 인구밀도, 내압 및 배관 외경이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 인구밀도가 높은 지역에 대해서는 더 높은 안전율을 요구하고 있기 때문에 더 낮은 허용파손확률을 요구하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연가스배관의 결정론적 설계 및 평가 방법에서는 무엇을 사용하는가?	천연가스배관 설계 및 평가는 결정론적방법과 확률론적 방법으로 분류된다. 결정론적 방법은 배관두께 및 운전조건을 사용하여 결정한다[4,5]. 확률론적 접근방식은 구조신뢰성 평가법과 정량적위험성 평가법으로 분류된다[1,2].
	천연가스배관 설계 및 평가는 어떻게 분류되는가?	천연가스배관 설계 및 평가는 결정론적방법과 확률론적 방법으로 분류된다. 결정론적 방법은 배관두께 및 운전조건을 사용하여 결정한다[4,5].
	확률론적 접근방식은 무엇으로 분류되는가?	결정론적 방법은 배관두께 및 운전조건을 사용하여 결정한다[4,5]. 확률론적 접근방식은 구조신뢰성 평가법과 정량적위험성 평가법으로 분류된다[1,2]. 국내 천연가스배관에 대한 확률론적 평가는 정량적위험성 평가법만 적용하고 있으며 구조신뢰성 평가법은 적용하고 있지 않다.

참고문헌 (15)

ISO 16708, Petroleum and natural gas industries- Pipeline transportation systems-Reliability-based limit state methods, 1st ed., ISO, Geneva, (2006)
CSA Z662, Oil and gas pipeline systems-Annex O Reliability-based design and assessment (RBDA) of onshore non-sour service natural gas transmission pipelines, Canadian Standards Association, Ontario, (2015)
API RP 580, Risk Based Inspection, 2nd ed., American Petroleum Institute, New York, (2006)
ASME B31.8, Gas Transmission and Distribution Piping Systems, The American Society of Mechanical Engineers, New York, (2016)
Baek,J.H., Kim,W.S., "Reliability Assessment for Pressure Uprating of Natural Gas Transmission Pipelines", KIGAS, 15(5), 1-6, (2011)
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Revie, R. W., Oil and Gas Pipelines-Integrity and Safety Handbook, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, (2015)
Waarts, P. H., Structural Reliability using Finite Element Methods, Delft University Press, The Netherlands, (2000)
COMREL User's Manual, www.strurel.de
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Spangler, M. G., and Handy, R. L., Soil Engineering, 4th ed., Harper Collins Publishers, (1982)

저자의 다른 논문 :

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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