[논문]배관에 의한 구조진동 진단 및 해결 사례

이정환; 구동식; 최병근

배관에 의한 구조진동 진단 및 해결 사례
A diagnosis and solution case of structural vibration caused by pipe 원문보기

이정환 (국립 경상대학교 대학원 정밀기계공학과) , 구동식 (국립 경상대학교 대학원 정밀기계공학과) , 최병근 (국립 경상대학교 기계항공공학부)

A few intake stations have vibration problems caused by pipes. The vibration transffered from pipes excites building severely. Therefore, the crack is generated on building wall and people who work at intake station are damaged. In this paper, the vibration is measured and analysis is carried out for pipes at intake station in order to identify the usefulness and effectiveness of the solution proposed for pipe resonance avoidance. According to the result of analysis, bellows is reduced the vibration of pipes.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 대상이 되는 취수장의 전반적인 시스템 진동의 정밀 측정, 펌프 구조계의 진동 측정 및 분석을 하였고, 가진원을 분석하여 펌프 및 전동기로부터의 진동전달 경로를 파악하여, 공진회피에 대한 대책 방안 제시 및 구조물의 피해방지 방안을 수립하였던 자료⁽⁴⁾를 바탕으로 제시되었던 대책 방안의 일부를 시공한 후, 각 배관라인의 진동 경향을 대책 방안의 시공 전과 비교하여 대책 방안의 유용성 및 효율성을 검토하여 보았다.

제안 방법

(6) 가동 중인 펌프를 정지하여 펌프로 부터의 어떠한 가진도 없는 조건에서 실시하여야 순수 배관만의 고유 특성을 파악할 수 있으나, 작동중인 펌프를 정지할 수 없기에 가동 중에 타격시험을 실시하였다.
공진회피에 대한 대책 방안중의 하나로 제시 하였던 밸로우즈를 시공한 후에 배관라인의 진동경향을 알아보기 위해 밸로우즈 시공 전과 후의 배관라인 진동 값을 측정하여 비교해 보았다.
1과 같으며, 밸로우즈가 설치되어 있기 때문에 밸로우즈 설치 전에 측정위치 와는 다소 차이가 있다. 그리고 각 지점에 대해서 3방향(축(A)방향, 수직(V)방향, 수평(H)방향)을 측정하였다. 단 펌프 케이싱은 수직(V)방향만 측정하였다.
주 배관의 고유 진동수 측정은 주요 가진 원인 펌프의 깃통과 주파수(Vane passing frequency, VPF)와 의 공진 여부를 확인하기 위해, 충격 해머(Impact hammer)를 이용하여 주관의 여러 개소에서 타격 시험(Impact test)을 실시하였다.⁽⁶⁾ 가동 중인 펌프를 정지하여 펌프로 부터의 어떠한 가진도 없는 조건에서 실시하여야 순수 배관만의 고유 특성을 파악할 수 있으나, 작동중인 펌프를 정지할 수 없기에 가동 중에 타격시험을 실시하였다.
측정기준⁽⁵⁾은 Overall 치는 10Hz ~ 1000Hz, mm/s, rms로 하였으며, 스펙트럼은 0 ~ 5kHz, 1600line 이상, Hanning, Averaging 4회 이상으로 하였다.

대상 데이터

본 연구는 2단계 BK21 사업단, 첨단기계산업 기술 혁신 인력양성 사업단(NURI) 및 산업자원부의 지역 혁신 인력양성사업의 지원으로 수행되었다.
측정 장비로는 Pulse3560(B&K SV)을 사용하였고, 사용된 센서로는 가속도계가 사용되었다.

성능/효과

또한, 수직 및 수평과 축 방향 모두 밸로우즈 시공 후 펌프 측 배관 및 casing의 진동속도가 시공 이전에 비하여 약간 증가한 것을 알 수 있다. 이는 이전과 같이 배관라인이 강 결합인 경우 펌프에서 발생한 진동 에너지가 배관라인을 따라 전달이 되어 이동해가지만 밸로우즈가 연결된 유연결합의 경우 펌프에서 발생한 진동에너지가 밸로우즈에서 감쇠 및 절연이 되어 전달되지 않고 펌프 측으로 반사되어 펌프 측 배관 및 casing의 진동속도가 증가한 것으로 사료된다.
이는 펌프 케이싱에서 발생한 진동이 Pump의 배관라인을 따라 전달되면서 감소하다가 건물의 벽면을 통과 후 증가하여 최대가 되고 주 배관에서 다시 감소함을 알 수 있다. 벽면통과 후 진동의 증가는 주 배관으로의 연결 곡관의 고유진동수가 깃 통과 주파수(Vane passing frequency, VPF)부근에(공진영역)에 존재하여 진동이 증가되는 것을 Impact test를 통하여 확인하였다. 이러한 배관 라인의 진동 증가가 건물로 전달되어 건물을 가진 하는 것으로 사료된다.
취수장 건물의 공진회피 대안 중 하나 였던 밸로우즈 시공은 제시하였던 위치와는 상이하게 밸로우즈가 설치되었으나, 배관라인을 따라 전달되던 진동이 밸로우즈로 인하여 수직방향과 수평방향 모두 벽면통과 후의 진동 값이 약 1mm/s 이하의 진동 값으로 감소됨을 확인할 수 있었다. 이로써 배관라인을 통하여 건물로 전달되던 진동 역시 감소가 되고 있음을 예측할 수 있다.
그리고 수평 및 수직 방향에서 벽면통과 후 진동의 증가는 연결 곡관에서의 공진여부가 의심된다. 하지만 밸로우즈 시공 후의 결과를 보면 수평방향 역시 수직방향과 동일하게 밸로우즈를 기점으로 진동진폭이 현저히 감소되고, 벽면통과 직후 그 진동 측정값이 모두 1mm/s 이하의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.

후속연구

그러나 축 방향에 대해서는 벽면통과 후의 진폭 값의 변화가 거의 없으며, 밸로우즈 시공 전의 측정 시와는 달리 펌프 측의 진동 값이 약간 상승되어 있어, 축 방향에 대해서는 밸로우즈의 영향이 크게 미치지 않는 것으로 사료된다. 그리고 밸로우즈가 펌프에서 발생되는 진동 에너지를 대부분 흡수하고 있는 역할을 하고 있으므로, 밸로우즈가 그 에너지를 얼마나 오랜 기간 동안 흡수를 할 수 있는지에 대한 평가 또한 이루어져야 할 것이다.
또한, 밸로우즈 설치 전에 비해 수평과 수직방향 진동이 벽면통화 후 진동은 감소하였으나 연결 곡관과의 공진에 의해 서서히 진동이 증가하는 경향을 여전히 보이고 있어, 추후 연결 곡관 부분의 공진 회피를 위하여 강성보강 또는 질량부여 등의 조치가 필요한 것으로 사료된다.

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