[논문]외부 부식에 의한 천연가스 수송용 고장력 강관의 신뢰성 평가

외부 부식에 의한 천연가스 수송용 고장력 강관의 신뢰성 평가
Reliability Estimation of High Strength Natural Gas Pipeline by External Corrosion 원문보기

이억섭 (인하대학교 기계공학부) , 김홍민 (인하대학교 기계공학과 대학원) , 김동혁 (인하대학교 기계공학과 대학원) , 최혜빈 (인하대학교 기계공학과 대학원)

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본 연구에서는 매설된 배관의 외부 부식에 따른 손상특성을 바탕으로 확률론적인 방법을 이용하여 배관의 신뢰성을 예측해 보았다.
본 연구에서는 천연가스 수송용 고장력 강관(API 5L X65 Size 30)에 대해 외부 부식에 의한 파손확률을 산출하였다. 변수들에 대한 평균(Mean) 값 및 변동계수(C.

우선, 유동응력은 항복강도의 1.1 배로 가정하였고, 부식 손상부의 형상을 Fig. 1 (b)와 같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며, L2 / Dt ≤ 20인 경우에만 사용할 수 있게 벌징계수를 두 개의 항으로 간략하게 표현하였다.
내압만이 작용하는 가스 수송 배관의 부식 손상부위를 평가하기 위해 가장 널리 사용되는 기준이 1960 년대 초기에 개발된 유효 면적방법이다. 이 방법은 Fig. 1 (a)에서처럼 부식에 의한 배관의 강도 감소는 배관의 축방향을 따라 측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하였다. 결함이 존재하는 배관의 파손압력은 다음 식으로 표현된다².

1 본 연구에서는 근사 과정에서 Δβ 가 0.001 보다 작아질 때까지 과정을 반복하여 신뢰도 지수를 계산하였다.
본 연구에서는 내압이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강관(API 5L X65)에 대하여 부식 평가기준인 B31G 및 MB31G 를 사용하여 외부 부식에 의한 파손확률을 산출하였다. 다음과 같은 결론을 얻었다.
각각의 확률변수에서 하중성분이 저항성분을 넘어서는 경우 재료가 파손되었다고 할 수 있다. 본 연구에서는 파손압력 P_f 를 저항성분으로, 한국 가스공사에서 제시한 천연가스 수송시 배관 내부압력인 작동압력(Operating Pressure)을 하중성분으로 하여 파손확률을 산출하였다. 파손확률에 대한 확률 밀도함수는 식 (7)과 같고, 새 확률변수 U = (Z−μ_Z)/ σ_Z 를 도입하면 식 (8)과 같이 간단하게 표현할 수 있다.
본 연구에서는 파손압력을 산출하는 모든 변수들을 정규분포로 가정하였고, 파손확률의 간접적인 지표인 신뢰도 지수( β , Reliability Index)를 계산하여 표준 정규 확률분포에 적용, 파손확률을 산출하였다.
85 로 변경하였다. 좀 더 정확한 수치적 접근을 위하여 벌징계수를 세 개의 항으로 나누어 표현하였다.

1) 두께방향으로의 부식 깊이 증가에 따라 B31G 는 배관 두께의 약 23%에 해당하는 4mm, MB31G 는 배관 두께의 약 30% 정도에 해당하는 5mm 의 부식 깊이에서 파손확률이 10%에 도달하는 것으로 나타났다.
2) 두께는 일정한 가운데 외경만이 증가하는 경우 파손 확률은 점차 증가하는 것으로 나타났다. 이는 부식 평가기준 파손압력 식에서 외경의 증가가 파손압력을 감소시키기 때문이다.
3) 배관 내 작동압력이 존재하는 경우 두 가지 평가기준 모두 13MPa 이하에서 배관의 파손확률이 0 으로 나타났다. 13MPa 이후에서는 MB31G 부식 평가기준이 더 높은 작동압력을 허용함을 규명하였다.
5MPa 로 선정하였으나, 결과적으로 그 이하에서 배관의 안전성이 유지된다는 것을 알 수 있다. MB31G 평가기준이 허용 작동 압력이 높은 것으로 나타났다.

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