[논문]석유화학 플랜트 설계 시 배관계의 정적, 동적 설계기준에 대한 연구

민선규; 최명진

석유화학 플랜트 설계 시 배관계의 정적, 동적 설계기준에 대한 연구
A Study on Static and Dynamic Design Criteria of Piping System in Petrochemical Plant Design 원문보기

민선규 (경희대학교 기계공학과) , 최명진 (경희대학교 기계산업시스템공학부)

There are two kinds of the design criteria of piping system in petrochemical plant design. The first is on static state evaluation by thermal growth and the other is on dynamic evaluation by piping vibration. In the static design evaluation, the ASME B31.3 code defines 7000 cycles of fatigue life in operating the piping system with design condition. However, the dynamic design evaluation in comparative with small displacements of high frequencies to static condition has not established clearly the method, yet. So, this study purposes to present the trial of a proposal of dynamic design criterion on the basis of static design method.

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문제 정의

^2,3) 이와 같이, 석유화학 플랜트에서 배관진동에 의한 공인된 설계기준이 정립되어 있지 않은 상태이며, 이론적 배경도 확실하지 않은 상태이다. 따라서, 본 논문에서는 정적인 설계이론을 근거로 동적인 설계기준을 확립하여, 석유화학 플랜트의 배관설계를 위한 경제적이고 효율적인 방안을 제시하고 자 한다.
이것은 경제적이고 효율적인 배관계의 동적 설계기준이 확립되어야 함을 의미하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 정적인 해석자료로부터 용 이하게 적용할 수 있는 내구응력을 기준으로, 안 전율을 고려한 내구응력의 0.8배를 석유화학 플랜트에서 일반 배관계의 동적인 설계기준으로 적용 할 것을 제안한다.

제안 방법

회전기기에 의해서 전달되는 배관진동은 조화함 수로 표현되며, 이때 발생하는 주기적인 조화응력 은 배관재질의 내구 응력을 기준으로 평가한다. ⁷⁾ 한편, 회전기기의 주파수와 배관계의 고유 주파수 의 관계를 다음과 같은 범위로 설계기준에 적용하 기도 한다.

대상 데이터

배관 재질은 모두 ASTM A335 P11 이며, 3” 배관 외경 88.9 mm, 두께 5.49 mm이며, 분출계 내부에 설치되는 2” 배관은 외경 60.33 mm, 두께 3.91 mm 이다.

이론/모형

ASME OM-1987, Part 3의 Appendix D의 방법에 의해서 허용 진동속도(VgQ는 2.58 (cm/sec)로 계산되었다. 한편, 현장 측정 자료로부터 Node No.

성능/효과

CAESAR Ⅱ의 계산 결과로부터, 1차 고유 진동수 9.819 (Hz)에서 허용 진폭에 대한 설계기준은 에서 약 0.1214 (mm)이 며, 5차 고유 진동수 34.116 (Hz)에서 약 0.0633 (mm)이다.
진동속도에 의한 평가방법의 경우에는 설계기준이 엄격한 원자력 플랜트의 설계기준을 화학 플랜트 의 설계기준으로 적용함으로써 허용 진동속도보다 약137% 초과하는 결과가 계산되었다. 그러나, 내 구 응력의 평가, 진동수에 의한 진폭의 평가는 각각 허용기준의 약50%, 1% 범위 내의 결과로 계산 되었다. 이는 배관계가 충분히 안전한 설계범위 내에 있음을 보여주고 있다.
상기의 설계조건으로 ASME B31.3 Code에 따라서, 배관계에 대한 열변위에 의한 응력해석을 배관 전 용해석 Program인 CAESAR II를 사용하여 계산한 결과는 Node No. 60에서 최대 응력값 344.6 kg/cm² 이 발생하였다. 이때, Code에서의 배관재질에 대한 응력은 Sc = 1406 (kg/cm²), Sh = 1400 (kg/cm²)이며, 허용웅력은 Sa = 1.
이상과 같이, 석유화학 플랜트의 일반 배관설계 에서 동적인 설계기준의 적용방법에 따라서 1 % ~ 137 %의 차이를 나타내고 있다. 즉, 적용되는 설계 기준에 의해서 플랜트의 설계비용 및 시간을 결정 하게 된다.
배관계의 정적인 해석은 현재까지의 많은 이론 과 실험으로 그 결과와 상이한 반론의 여지가 없 으나, 상기의 검토와 같이 동적인 해석에는 적용 방법에 따라서 상당한 차이가 있음을 알 수 있다.진동속도에 의한 평가방법의 경우에는 설계기준이 엄격한 원자력 플랜트의 설계기준을 화학 플랜트 의 설계기준으로 적용함으로써 허용 진동속도보다 약137% 초과하는 결과가 계산되었다. 그러나, 내 구 응력의 평가, 진동수에 의한 진폭의 평가는 각각 허용기준의 약50%, 1% 범위 내의 결과로 계산 되었다.

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