KR100349722B1 - 배관계 진동흡수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 및 석유화학플랜트 배관계통 설비에 있어서, 상시 진동, 수격(hammering) 및 지진과 같은 외력에 의한 배관계의 진동을 저감 시키기 위한 배관계 진동흡수 장치를 개시한다. 이를 위해 외력에 의한 배관계가 진동하는 방향에 따라 응동하는 배관계 지지장치에 있어서, 실린더 양단에 연결된 지지부와; 상기 실린더 내부 실린더축상에 지지 고정된 코일스프링과; 상기 실린더와 슈 사이에 구비된 라이닝과; 상기 실린더축과 슈가 형성하는 모서리부에 삽설되는 웨지(Wedge); 및 코일스프링의 압축력을 균일화 하기 위한 와셔로 구성된다.

상기와 같은 구성으로, 외력에 의해 배관계에 상시 발생하는 진동을 현저히 저감시킬 수 있어, 배관계통 설비의 안정성을 확보할 수 있고, 진동에 의한 손상으로 배관계를 따로 교체하지 않아도 되는 경제적인 효과가 있다.

Description

배관계 진동흡수 장치{Piping Vibration Absorber}

본 발명은 발전소 및 석유화학 플랜트에 적용되는 배관계통의 설비로서, 더욱 상세하게는 수격(hammering) 및 지진과 같은 외력에 의한 배관계 진동시 이를완충 저감시키기 위한 배관계 진동 흡수장치에 관한 것이다.

일반적으로, 발전소 및 석유화학 설비는 유체를 이동시키거나 고온 고압의 증기를 생성, 이동시켜 에너지를 얻는 설비 특성상 대부분의 요소가 배관계로 이루어져 있다. 이러한 설비 외에도, 보통 대형 건물이나 일반 산업현장에도 용수 이동용 펌프 및 배관계가 지하로부터 시작하여 건물 전체에 설치되어 있다.

배관계를 설치할 경우에는, 배관계의 용도에 따라 여러가지 조건을 고려해야 하는데, 특히 배관계 내부에 고온 고압의 유체 및 기체가 이동할 경우에는 열변형을 비롯한 열응력(Thermal Stress) 뿐만 아니라 진동문제도 고려하여야 한다. 또한, 내부 유체의 온도가 낮을 경우에는 수격(Hammering) 이나 과도한 진동을 고려해야 한다.

한편, 지금까지는 대부분의 배관계 설계시, 배관계의 동적인 특성을 규명하는 동특성 해석은 하지 않고 열변형 및 열응력 해석만을 수행하여 왔다. 또한, 배관계 열응력 해석 프로그램을 통해 배관계 내부에 흐르는 유체, 기체의 온도 및 압력조건과 배관계 지지장치의 특성 및 구속조건만을 고려하여 배관계 열변형 및 열응력을 수행하여 허용응력을 만족시키는 정적인 해석만 수행하였고, 과도한 수격 이나 열변형에 대비하기 위해 유압식완충장치(Hydraulic Snubber)를 사용하여 왔다.

상술한 요인으로 인하여,발전소나 석유화학 플랜트 운영시 배관계에 과도한 진동이 발생하여 배관계의 손상을 유발시키고 있다. 이러한 실례로서, 원자력발전소 1차계통의 안전주입계통 배관계에 설치된 밸브에 균열이 발생한 것을 비롯하여,화력발전소 주증기배관계 및 급수배관계의 손상, 내연발전소 오일배관계의 파손등 많은 사고가 발생하고 있다. 이것은 배관계 초기 설계시, 진동을 고려하여 배관계를 설계하여야 하는데 열변형만 고려하여, 배관계 지지장치 위치설정 오류에 의한 배관계 고유진동수와 배관계 내부에 발생하는 진동주파수가 근접, 공진을 유발하여 진동을 더욱 증폭시키게 되는 것이다.

따라서, 상기 부분적 해석만으로는 결국, 외력에 의한 배관계의 과도한 진동을 저감시키지 못하기 때문에, 결국 배관계의 손상을 유발시키는 결과를 초래하는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배관계에 가해지는 열하중 및 진동 동하중에 응동하여 에너지를 흡수, 진동을 저감시킬 수 있는 배관계 진동흡수 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 배관계 진동흡수 장치의 구성을 나타낸 단면도.

도2는 본 발명의 실시예로서, 댐핑에 의한 에너지 흡수관계를 예시한 도면.

도3은 본 발명의 실시예로서, 공진영역에서 댐핑크기에 따른 진동저감의 관계를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 베어링 15 : 실린더

20 : 지지부 30 : 슈(Shoe)

35 : 라이닝(Lining) 40 : 실린더축

45 : 헤드 50 : 코일스프링

60 : 와셔(Washer) 65 : 시트(Seat)

70 : 웨지(Wedge)

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 다음과 같이 구성된다. 즉, 본 발명은 배관계를 지지하며, 외력에 의해 배관계에 발생되는 진동을 저감시키기 위한 진동흡수 장치에 있어서, 실린더 양단에 위치하여 배관을 지지하며, 내부에 전방향으로 360도 회전이 가능하도록 베어링이 구비되어 있는 지지부와; 탄성을 가지며, 가해지는 외력에 응동하도록 실린더축 상에 구비된 코일스프링과; 슈와 결합되어 실린더 내부면상에서 직선 왕복운동을 하며, 마찰에 의한 댐핑을 생성하는 라이닝과; 상기 라이닝과 실린더와의 접촉력을 증대 시키며, 댐핑의 크기를 일정하게유지시키도록, 실린더축과 슈가 이루는 모서리 부분에 삽설된 웨지; 및 코일스프링의 압축력을 균일화 하기 위하여, 상기 코일스프링의 단부 및 슈 사이에 내설된 와셔로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도1은 본 발명에 따른 배관계 진동흡수 장치의 단면구조를 나타낸 도면이다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배관계 진동흡수 장치는 실린더(15)를 중심으로 그 양단에 배관(미도시)에 직접 지지 및 고정되는 지지부(20)가 형성되어 있다. 여기서 상기 지지부(20)는 일측이 실린더(15)와 결합 혹은 일체로 되어있고, 다른 일측은 실린더축(40)과 결합되어 있는데, 양측 지지부(20)의 내부에는 전방향으로 360도 회전 가능한 베어링(10)이 내장되어 있어, 외력에 의한 임의의 방향의 진동에도 실린더 본체에 그 하중을 전달할 수 있게 되어있다.

한편, 실린더축(40)에 있어서는 헤드(Head)(45)와 맞물려 도면에서와 같은 단면형태를 가지는 슈(Shoe)(30)가 형성되어 있는데, 그 외주면은 상기 실린더(15) 내주면과 일정거리 이격 되어 근접해 있다.

슈(30)와 실린더(15) 사이의 이격공간에는 상기 슈(30)와 결합된 라이닝(35)이 구비되어 있다. 여기서, 상기 라이닝(35)은 본 발명에서 중요한 역할을 담당하게 되는데, 실린더(15)와의 마찰에 의한 댐핑을 생성하며 재질은 내마모성, 내부식성 및 계속적인 외부와의 마찰에서도 그 내구성을 유지할 수 있도록 되어있다. 또한, 마찰에 의한 댐핑의 크기를 비교할 때, 오일에 의해 생성되는 점성(Viscosity)보다 댐핑의 크기가 훨씬 크다.

한편, 헤드(45) 반대편으로 슈(30)와 실린더축(40)이 이루는 모서리부에는 상기 헤드(45)에 슈(30)가 밀착 및 고정되도록 웨지(Wedge)(70)가 삽설되어 있다. 이때, 상기 웨지(70)는 실린더축(40)이 직선 왕복운동시, 라이닝(35)과 실린더(15) 내부면과의 접촉력을 지속적으로 증대시키며, 또한 댐핑의 크기를 일정하게 유지하여 주는 기능을 담당한다.

또 한편, 실린더축(40)상에는 일측이 직선 왕복운동을 하는 지지부(20)상의 단부에 지지되고, 다른 일측은 와셔(Washer)(60)에 의해 상기 웨지(70)에 탄성에 의한 압력을 가하도록 형성된 코일스프링(50)이 구비되어 있다. 여기서, 상기 코일스프링(50)은 배관에 작용하게 되는 열하중 및 진동 동하중의 크기에 따라 그 규격을 결정할 수 있기 때문에, 설치장소를 고려하여 코일스프링(50)에 가해지는 하중의 크기를 원하는 대로 조정할 수 있으며, 과도한 외력이 작용할 경우에는 외력의 크기에 비례하여 자동적으로 조절되게 되어있다.

그리고, 상기 와셔(60)는 상기 코일스프링(50)의 탄성에 의한 압축력을 균일화 하여, 슈(30)에 전달하는 역할을 담당하게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 배관에 지지된 지지부(20) 양단에 외력에 의한 진동발생시, 이와 연결된 실린더축(40)상의 코일스프링(50)에 압력이 가해져 슈(30)를 이동시키게 된다. 이와는 반대로 인장력 작용시, 지지부(20)에 연결된실린더축(40)이 이동함에 따라 헤드(45)에 밀착된 슈(30)가 이동하게 된다.

이와 같이, 실린더축(40)의 움직임에 응동하여 슈(20)가 실린더(15) 내부를 직선 왕복운동 함에 따라, 상기 슈(30)와 결합된 라이닝(35)의 실린더(15)와의 마찰에 의해 댐핑이 이루어져 진동이 감쇠되어 지는 것이다.

참고로, 도2는 배관에 가해지는 외력과 실린더축(40)이 직선 왕복운동 함에 따라 이동된 거리간의 관계를 나타낸 것인데, 도면에서 보는 바와 같이, 선도는 싸이클을 이루고 있으며, 상기 선도에 둘러싸인 부분의 내부면적이 에너지 흡수량을 나타내고 있다.

<실시예>

본 발명에 따른 실시예로서, 북제주 화력건설처 급수펌프 흡입측 배관계에 설치된 배관 진동흡수 장치의 실증실험을 예시한다.

먼저, 상기 설치 실험대상의 급수계통은 급수저장탱크, 급수펌프, 급수 흡입측 배관계, 급수 토출측 배관계, 제어밸브(Minimum Control Valve) 등으로 구성되어 있다.

여기서, 급수저장탱크에 저장되어 있는 급수는 급수펌프를 통해 보일러로 보내져, 가열 후 증기가 되어 터빈을 통해 전력을 생산하게 되는데, 이때 기동직후에는 100%의 유량이 보일러에 필요 없으므로 펌프에서 토출되는 유량 가운데 출력이 1/4부하까지는 일정량이 보일러로 송출되고, 나머지 일정량은 제어밸브를 통해 급수저장탱크로 순환시키게 된다.

일반적으로, 흡입배관 내부 유체의 특성은 발전설비의 용량에 따라 다르나여기서는 온도가 130℃이고 압력은 3㎏/㎠, 설계유량은 120T/H이다.

먼저, 설비의 시운전을 행한 결과, 배관계에는 최대 3000㎛pp의 진동이 발생되었고, 이러한 수치로 볼 때 배관계의 안정성이 심하게 저해되고 있다는 것을 알 수 있었다.

또한, 일반적으로 보일러로 보내어지는 급수량을 조절하기 위하여 흡입측 배관계에는 유량계(Flow Meter)가 설치되는데, 시운전을 행한 결과, 상기 유량계가 심하게 난조(Hunting) 되고, 급수조절 또한 되지않아 시운전 자체가 불가능하였다.

이러한, 배관계에 발생되는 진동특성을 분석한 결과, 고진동 원인은 급수 배관계의 고유진동수(수평방향은 8.98Hz, 상하방향은 12.89Hz)과 배관내부 유동에 의한 가진 주파수(12.5Hz, 6.25Hz, 7.8Hz, 9.3Hz)의 근접에 의한 공진이었음을 알 수 있었다.

상기 배관계에 발생되는 공진을 해소할 수 있는 하나의 방법으로, 배관계 구조해석을 시도하였으나, 배관계 형상의 특성상 그 해석이 불가능하기 때문에, 배관계 고유진동수를 최대한 변화시키고 배관계에 본 발명의 배관 진동흡수 장치를 설치하여 댐핑을 증대 시키도록 하였다.

이번 실험에서는, 가속도계(BK 4381), 진동신호 증폭기(change amplifier, BK 2635), 신호전달용 케이블 및 진동신호 분석용 진동측정기(BK 4381)를 배관계에 설치하고 측정하였다.

측정결과, 배관계의 댐핑은 0.01에서 0.25로 증가되었다. 그리고, 진동크기는 아래 표1과 같이 최대 3000㎛pp에서 250㎛pp로 92% 저감되었다,

참고로, 도3은 본 발명에 의한 공진영역에서 댐핑크기에 따른 진동저감의 효과를 나타낸 것이다. 이로써, 본 검증실험을 통해 배관계의 안정성이 크게 증대되었음을 알 수 있다.

교정전 진동 크기	교정후 진동 크기	진동 저감 효율
3000㎛pp	250㎛pp	92%

(표1) 진동 저감 효과

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 댐핑에 의한 에너지 흡수효과를 높일 수 있고, 배관계의 형상 및 크기를 변경하지 않고도 진동을 저감시킬 수 있을 뿐 아니라, 외력 및 열하중의 크기에 따라 자동적으로 하중의 크기를 조절할 수 있기 때문에, 배관계의 안정성을 높일 수 있고, 배관계를 교체하지 않아 경제적인 효과를 도모할 수 있다.

Claims (1)

1. 배관계를 지지하며, 외력에 의해 배관계에 발생되는 진동을 저감시키기 위한 진동흡수 장치에 있어서,

   실린더(15) 양단에 위치하여 배관을 지지하며, 내부에 전방향으로 360도 회전이 가능하도록 베어링(10)이 구비되어 있는 지지부(20)와;

   탄성을 가지며, 가해지는 외력에 응동하도록 실린더축(40) 상에 구비된 코일스프링(50)과;

   슈(30)와 결합되어 실린더(15) 내부면상에서 직선 왕복운동을 하며, 마찰에 의한 댐핑을 생성하는 라이닝(35)과;

   상기 라이닝(35)과 실린더와의 접촉력을 증대 시키며, 댐핑의 크기를 일정하게 유지시키도록, 실린더축(40)과 슈(30)가 이루는 모서리 부분에 삽설된 웨지(70); 및

   코일스프링(50)의 압축력을 균일화 하기 위하여, 상기 코일스프링(50)의 단부 및 슈(30) 사이에 내설된 와셔(60)로 구성되는 것을 특징으로 하는 배관계 진동흡수 장치.