[논문]전기저항 용접강관의 홈부식에 미치는 유동 해석

김용; 장혁; 류덕희; 김재성; 이보영; 부준홍

전기저항 용접강관의 홈부식에 미치는 유동 해석
Analysis of Flow on Grooving Corrosion at the Weld of a Carbon Steel pipe made by Electrical Resistance Welding 원문보기

김용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 장혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 류덕희 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 김재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 이보영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 부준홍 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Lots of researches were gone already about grooving corrosion mechanism of ERW carbon steel pipe. But there is seldom study for water hammer happened by fluid and acceleration of corrosion rate by incresed flow velocity. Therefore, in this study carried out the analysis based on hydrodynamic and fracture mechanics. Analyzed stress that act on a pipe using ANSYS as a program, and also FLUENT and STAR-CD were used for flow phenomenon confirmation. As the result, fatigue failure is happened by water hammer and corrosion rate was increased because of turbulent flow.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 부식이 발생되지 않은 건전한 강관과 부식이 진행된 강관과의 유체 흐름을 비교해석하여 홈부식으로 인한 경계층 두께의 변화 및 침식부식 현상을 확인하고자 하였다. 해석 값에 대한 신뢰도를 명확히 하기 위하여 실제 손상된 배관을 참조하였으며, 상용 열유체해석프로그램인 STAR-CD 3.
따라서 본 연구에서는 실제 누수에 의해 손상된 아파트 수도용 탄소강관을 분석하여 전기저항용접 강관의 홈부식에 미치는 유동현상에 대한 유체해석 및 수격현상으로 발생하는 응력에 대해 유한요소해석을 실시하였다. 정확한 해석을 위해 실측 모델링을 하였으며 부식의 진행 정도에 따른 유동 변화 및 폰미제스 응력의 정도를 확인하였다.
본 연구에서는 ERW 방법으로 제작된 탄소강관의 홈부식이 발생한 후에 유동의 영향으로 인한 홈부식률의 증가와 함께 수격현상에 따른 파이프의 파손응력을 이론적으로 해석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

0을 사용하여 해석하였다. 해석을 위해 내경 44mm, 길이 1m의 강관에 수돗물이 가득 찬 상태에서 1.8m/sec 의 속도로 흐르고 있다고 가정하였다.

제안 방법

2 (b)와 같이 부식이 진행되면 수압이 동일하더라도 파이프가 받게 되는 부식 부위의 응력집중은 커지게 된다. 따라서 이를 고려하여 수격현상으로 인한 수압 및 그에 따른 응력 변화를 해석하였다.
따라서 점성저층 두께가 얇을수록 용존산소의 확산은 쉽게 일어날 것이라는 유체역학의 이론적 배경을 바탕으로 유속에 따른 경계층 두께 변화를 해석하였다.
5mm로 실제 용접부 전체가 부식되었으며 부식 진행 깊이만 변화되고 있는 것을 관찰하였다. 이를 참고로 폭은 0.5mm 로 일정하게 하고 깊이만 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 및 2.5mm로 달리하여 파손에 영향을 주는 폰미제스 응력의 변화를 해석하였다. 해석은 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS 5.
실시하였다. 정확한 해석을 위해 실측 모델링을 하였으며 부식의 진행 정도에 따른 유동 변화 및 폰미제스 응력의 정도를 확인하였다.
사용되었다. 해석결과는 KS D 3507에 제시된 배관용 탄소강관의 규격 값과 비교되었으며, 실제 배관에 걸리는 원주방향 응력 (O real) 을 안 전율을 고려 했을 때의 배 관의 허 용응력(0 allow) 값과 비교하여 사용중 수압으로 인한 균열 발생 가능성을 검토하였다.

데이터처리

5mm로 달리하여 파손에 영향을 주는 폰미제스 응력의 변화를 해석하였다. 해석은 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS 5.6을 이용하였으며, 실제 부식은 "U" 형상을 띠지만 단순 해석을 위하여 V-노치 형상으로 모델링 하였다.
해석 값에 대한 신뢰도를 명확히 하기 위하여 실제 손상된 배관을 참조하였으며, 상용 열유체해석프로그램인 STAR-CD 3.0을 사용하여 해석하였다. 해석을 위해 내경 44mm, 길이 1m의 강관에 수돗물이 가득 찬 상태에서 1.

성능/효과

(1) 홈부식이 일단 발생하게 되면, 부식 틈새에서 유체는 마찰손실을 유발한다. 따라서 홈 부식의 영향으로 인한 침식은 아주 미세한 크기의 부식 틈새에서도 충분히 발생할 수 있다.
(2) 일반적으로 수격현상으로 인해 파이프에 순간적으로 걸리는 압력은 약 88MPa 정도지만, 부식이 파이프 두께의 절반 이상 진행된 후부터는 그 압력이 급격히 증가하여 결국은 수압으로 인한 파손으로 이어질 가능성이 충분하다.
(3) 배관을 흐르는 유체의 속도는 곧 경계층 두께의 감소로 이어지며 이는 용존산소의 확산이 쉬워져 금속면과의 부식작용이 더욱 원활하게 이루어진다는 사실을 말한다. 따라서 부식을 억제하기 위해서는 배관 시스템 설계시, 한계 유속의 제한이 필수적이라 할 수 있다.
실제 홈부식이 일어난 여러 종의 강관을 살펴본 결과, Fig. 2와 같이 부식 폭은 약 0.5mm로 실제 용접부 전체가 부식되었으며 부식 진행 깊이만 변화되고 있는 것을 관찰하였다. 이를 참고로 폭은 0.
3m/s 이하로 감소된 결과를 보여준다. 홈부식이 발생되지않은 매끄러운 강관에서 1.8m/s 의 속도로 흐르는 유체의 속도를 해석한 결과, 금속면과 인접한 부위에서 그 속도가 약 0.8m/s로 나타났는데, 이는홈부식 틈새에서 마찰손실로 인한 영향이 어느 정도인지 잘 나타내주는 단적인 결과이다. Fig.

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