[논문]노출 가스배관 안전 모니터링 시스템 개발

홍성경; 김준호; 고재필; 정석영

문제 정의

도로확장이나 지하철공사 등으로 노출되는 가스배관은 차량이동, 건설 중장비 등으로인하여 다양한 하중 및 진동의 영향을 받게 되는데 이러한 노출배관의 사고가능성을사전에 감지하기 위하여 가스배관 모니터링 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 적용하면 노출배관 현장이 24시간 감시체계로 전환되어 상시 안전관리가 가능해지며, 사고가발생될 경우 안전 관리자에게 경보가 발령되어 신속한 비상조치를 취할 수 있다.
가스배관 모니터링 시스템은 노출 가스배관과 배관을 지지하는 가시설구조물을 대상으로 24시간 응력 및 진동 모니터링을수행하고, 위험시 경보를 발령하는 시스템이다. 본 논문에는 가속도계와 스트레인 게이지의 부착위치를 결정하고 진동경보 레벨을 설정하기 위해서 노출배관 현장의 가시설구조물과 가스배관에 대해 수행한 구조해석이 포함되어 있다. 본 시스템은 약 7개월 동안 대전도시철도 노출배관 현장에 설치 .

제안 방법

획득할 수 있다. KT의 인터넷을 설치하여 인터넷 환경을 구축하였다.
따라서 복공판 위의 차량 통과로 가시설구조물은 영향을 받지않는다고 결론을 내릴 수 있다. SM400 강재의 항복응력은 235.2 MPa, 설계 허용응력은 137.2 MPa이고 여기에 안전계수 1.5를 적용하여 경보레벨 응력을 91.5 MPa (442好) 로 설정하였다.
가스배관 모니터링 시스템을 설치한 1-19 공구의 가시설구조물 중 취약 부분을 찾아내기 위한 방법으로 가시설구조물과 가스배관의 정적해석, 고유모드해석 및 배관의 동적 응답해석 등의 구조해석을 수행하였다. 가시설구조물의 이상 발생시 가스배관 모니터링 시스템의 감지 여부를 판단하기 위해서 위의 3가지 해석에 대해서 정상적인 상태에서의 구조해석과 1개의 가스관전용보가 손상된 비정상적인 경우의 구조해석을 수행하였다.
등의 구조해석을 수행하였다. 가시설구조물의 이상 발생시 가스배관 모니터링 시스템의 감지 여부를 판단하기 위해서 위의 3가지 해석에 대해서 정상적인 상태에서의 구조해석과 1개의 가스관전용보가 손상된 비정상적인 경우의 구조해석을 수행하였다. 정적해석 결과, (Fig.
1에 나타내었으며, 통상적으로 피로시험으로 얻은 S-N 선도를 이용하여 피로강도를 해석한다. 균열이 있거나 손상을 받은기존 구조물에 대해서는 S-N 선도를 적용할 수 없고 파괴역학적 피로강도 해석법에근거 한 균열진전해석을 통하여 대상구조물의 잔여수명을 예측한다.I%】
노출배관과 가시설구조물의 응력상태와 변동응력을 측정, 분석하여 피로한계 여부를판단하고자 스트레인 모니터링으로 얻은 데이터를 분석하였다. Fig.
대전도시철도 1-19 공구 노출배관 현장의 가스배관과 복공판보, 가스관전용보에 설치한 진동센서의 신호를 분석하였다. 복공판 보에서 측정된 시간-진동가속도(g) 측정 결과를 Fig.
복공판 위를 주행하는 차량의 통행으로 인해 가스배관에 발생되는 진동 응답을 해석적 방법으로 구하기 위해 동적 유한요소해석 기법을 적용하였다. 범용 유한요소해석 프로그램인 MSC Visual NASTRAN for Windows 2002를 사용하여 해석하였다.
시스템 본체는 산업용 컴퓨터를 이용하였고, 진동측정용으로 Dynamic Data Acquisition Board (Nation -al Instrument PCI 4472), 화상감시용으로 Image Acquisition Board (NI PCI 1411)를시스템 본체에 장착하여 구성하였다. 스트레인 측정용으로는 Ethernet Network Module (NI FP-2000)과 스트레인 Module (NI FP-SGT40)을 사용하여 측정거리의 영향을 최소화 하였다. 진동센서는 본체에서부터 동축케이블로 연결되고 본체에서 스트레인 모듈까지는 LAN선으로 연결되며, 화상감시용 CCD 카메라는 본체에서 동축케이블로 연결된다.
2는 본 시스템의 하드웨어 구성을 간단히 나타난 개략도이다. 시스템 본체는 산업용 컴퓨터를 이용하였고, 진동측정용으로 Dynamic Data Acquisition Board (Nation -al Instrument PCI 4472), 화상감시용으로 Image Acquisition Board (NI PCI 1411)를시스템 본체에 장착하여 구성하였다. 스트레인 측정용으로는 Ethernet Network Module (NI FP-2000)과 스트레인 Module (NI FP-SGT40)을 사용하여 측정거리의 영향을 최소화 하였다.
또한이 시스템은 약 7개월 동안 대전도시철도 노출배관 현장에 설치 . 운용하여 신뢰성을확보하였다.
일반적인 강구조물의 피로강도 해석절차를 Fig. 1에 나타내었으며, 통상적으로 피로시험으로 얻은 S-N 선도를 이용하여 피로강도를 해석한다. 균열이 있거나 손상을 받은기존 구조물에 대해서는 S-N 선도를 적용할 수 없고 파괴역학적 피로강도 해석법에근거 한 균열진전해석을 통하여 대상구조물의 잔여수명을 예측한다.

대상 데이터

기존 도로와 신설되는 지하철이 교차하면서 가스공사 배관이 약 40 m 정도 노출되는 대전도시철도 1-19 공구에 시스템을 설치하여 운용하였다. 이 구간에는 유성관리소에서부터 호남지방과 중촌관리소로 가는 762 mm 주배관, 508 mm 배관이 나란히 노출되어 있다.
본 논문에는 가속도계와 스트레인 게이지의 부착위치를 결정하고 진동경보 레벨을 설정하기 위해서 노출배관 현장의 가시설구조물과 가스배관에 대해 수행한 구조해석이 포함되어 있다. 본 시스템은 약 7개월 동안 대전도시철도 노출배관 현장에 설치 . 운용하여 신뢰성 있는 시스템임을 확인하였으며, 도시가스 업계의 안전관리 수준을 한 단계 높이는 중요한 계기가 될 것으로 본다.

데이터처리

방법으로 구하기 위해 동적 유한요소해석 기법을 적용하였다. 범용 유한요소해석 프로그램인 MSC Visual NASTRAN for Windows 2002를 사용하여 해석하였다.
본 구조물의 경우 차량이 복공판 위를 지나가면서 가진을 하기 때문에 별도의 가진 하중을 가할 필요가 없어 실험결과를 얻기가 유리하다. 앞에서 설명한 방법으로가 시설구조물 및 배관의 주파수특성을 구하기 위하여 Fourier 변환(FFT)을 수행하였으며, Fig. 10에 주파수분석 결과를 나타내었다. 주파수분석 결과로 얻은 초기 주파수와 모니터링 결과를 분석하여 고유진동수가 크게 변하면 이를 구조물의 이상 징후로 판단하여 현장의 이상 유무를 예상할 수 있다.

성능/효과

11은 8개 채널의응력측정 결과를 동시에 나타낸 그림으로 차량이 통과할 때 측정한 데이터 중에서 현장을 대표하고 있다고 판단되는 240초를 해석 대상으로 하여 분석한 것이다. 가시설구조물에서 발생하는 최대 변동응력은 28 MPa이고, 이 값에 정적 구조해석 결과의 최대응력인 30 MPa을 더하면 가시설구조물의 응력 수준은 약 58 MPa이다. AASHTO의강구조물 피로수명 수준은 130 MPa에서 1000만 Cycle로 58 MPa의 응력은 피로수명수준에 미치지 못한다.
본 시스템은 약 7개월 동안 대전도시철도 노출배관 현장에 설치 . 운용하여 신뢰성 있는 시스템임을 확인하였으며, 도시가스 업계의 안전관리 수준을 한 단계 높이는 중요한 계기가 될 것으로 본다.
10에 주파수분석 결과를 나타내었다. 주파수분석 결과로 얻은 초기 주파수와 모니터링 결과를 분석하여 고유진동수가 크게 변하면 이를 구조물의 이상 징후로 판단하여 현장의 이상 유무를 예상할 수 있다.

후속연구

또한 이 시스템은 진동 및 응력 데이터를 모니터링 하면서 저장된 데이터로 정밀 구조해석을 수행하는 정밀 안전진단 과정이 포함되어 있다. 이 시스템은 교량첨가 배관을 비롯하여 상당수 노출배관을 운용하고 있는 도시가스사에서 매우 유용하게 사용될 것으로 보인다. 이 시스템을 적용하면 24시간 안전관리감시체계로 전환하여 노출 가스배관의 안전성을 확보할 수 있으며, 보통 2〜5년 정도가 소요되는 지하구조물 공사 기간 동안 안전관리로 소요되는 인력을 줄여 비용을 절감할 수 있다.

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