KR100777595B1

KR100777595B1 - 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 연결구조

Info

Publication number: KR100777595B1
Application number: KR1020030085453A
Authority: KR
Inventors: 신상백; 박상민; 박성근; 박두삼
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2007-11-20
Also published as: KR20050051802A

Abstract

본 발명은 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 연결구조에 관한 것이며, 그 목적은 저온유체를 이송하는 파이프가 일반 스틸 구조물을 통과하도록 설치될 때 파이프와 스틸 구조물의 사이에 저온에 강한 강도를 갖는 스테인레스 플레이트를 설치하여 저온유체의 냉기가 그대로 스틸 구조물에 전달되지 않도록 함으로써 스틸 구조물의 파손을 방지함과 동시에 파이프와 스틸 구조물의 사이에서 완충작용을 장기간 지속적으로 할 수 있는 저온 파이프와 일반 스틸 구조물의 연결구조를 제공함에 있다.

본 발명은 LNG와 LPG와 같은 저온유체를 이송하며, 외기에 노출된 상태로서 일반 스틸 구조물을 통과하여 내부로 들어가는 저온 파이프와 스틸 구조물의 연결구조에 있어서, 상기 파이프와 스틸 구조물의 사이에 파이프를 둘러싸는 환형의 스테인레스 플레이트를 설치하여 구성된 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 연결구조에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

저온유체, 파이프, 스테인레스 플레이트, 스틸 구조물, 열응력

Description

일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 연결구조{Structure of Connecting mild steel and low-temperature pipe}

도 1 은 본 발명의 구성을 나타낸 단면 예시도

도 2 는 본 발명의 스테인레스 플레이트의 적정크기를 결정하기 위한 원통 좌표계의 에너지 평형상태를 나타낸 예시도

도 3 은 여러 H 값에 대하여 (T-T_a)/(T_a-T_b) 와 r/r₀ 의 관계를 나타낸 그래프

도 4 는 도 3으로부터 LNG 용 스테인레스 플레이트에 대한 무차원화된 직경 (r/r₀)을 구하여, 각각의 H에 대한 r/r₀을 도시한 후, 최소자승법으로 fitting 식을 얻어낸 그래프

도 5 는 도 3으로부터 LPG 용 스테인레스 플레이트에 대한 무차원화된 직경(r/r₀)을 구하여, 각각의 H에 대한 r/r₀을 도시한 후, 최소자승법으로 fitting 식을 얻어낸 그래프

도 6 은 LNG 저온 유체의 경우 스테인레스 플레이트와 마일드 스틸에 작용하는 열응력을 나타낸 그래프

도 7 는 LPG 저온 유체의 경우 스테인레스 플레이트와 마일드 스틸에 작용하는 열응력을 나타낸 그래프

도 8,9 는 종래의 러버 씰을 이용한 관통 구조를 나타낸 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 저온 유체

(2) : 파이프

(3) : 스테인레스 플레이트

(4) : 스틸 구조물

(5) : 러버 씰(Rubber Seal)

(6) : 우드(Wood)

본 발명은 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 연결구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반 스틸 구조물을 관통하도록 설치된 저온 파이프의 내부로 이송되는 LPG나 LNG와 같은 저온유체의 냉기에 의한 스틸 구조물의 파손을 방지하기 위해 스틸 구조물과 저온 파이프 사이에 완충작용을 하는 스테인레스 플레이트가 설치되어 스틸 구조물의 파손을 방지하는 저온 파이프와 일반 스틸 구조물의 연결구조에 관한 것이다.

일반적으로 LNG의 온도는 -163℃이고, LPG의 온도는 -50℃로서, 이와 같은 저온유체가 이송되는 저온 파이프가 일반 스틸 재질의 구조물을 관통하도록 설치될 경우, 일반 스틸의 저온 한계는 -29℃로서 저온 파이프 내로 이송되는 저온유체에 의해 스틸 구조물의 파손이 발생되게 되며, 종래에는 이를 방지하기 위해 저온 파이프와 스틸 구조물의 사이에 러버 씰(Rubber Seal)을 설치하여 스틸 구조물의 재질 파손을 발생시키는 온도 이상으로 스틸 구조물의 온도가 유지될 수 있도록 하고 있다.

LPG의 경우로 종래에 적용되고 있는 연결구조는 도 8과 같이 저온 파이프(2)의 절연여부에 따라 파이프 외부에 우드(Wood)(6)를 설치하는 정도가 달라지며, 이 우드와 스틸 구조물(4)의 연결부위에 러버 씰(5)이 설치되어 구성되고, LNG의 경우에는 도 9와 같이 서로 분리되어 있는 파이프와 스틸 구조물 사이에 러버 씰이 설치되어 구성되고 있다.

한편, 이러한 종래의 연결구조는 LPG/LNG 선박 또는 산업용 플랜트에 적용되고 있으나, 기후 변화에 따른 파이프의 수축과 팽창, 콤프레서(Compressor) 및 펌프와 같은 다른 장치의 진동에 의해 러버 씰의 파손이 발생되어 일정기간 후에는 교체해 주어야 하며, 통상 LPG/LNG 선박의 경우 1년을 교체주기로 하여 교체해 줌으로써 한척당 대략 1,200만원 정도가 소요되므로 매우 비경제적이며, 또한 그 작업 또한 매우 번거로운 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 저온유체를 이송하는 파이프가 일반 스틸 구조물을 통과하도록 설치될 때 파이프와 스틸 구조물의 사이에 저온에 강한 강도를 갖는 스테인레스 플레이트를 설치하여 저온유체의 냉기가 그대로 스틸 구조물에 전달되지 않도록 함으로써 스틸 구조물의 파손을 방지함과 동시에 파이프와 스틸 구조물의 사이에서 완충작용을 장기간 지속적으로 할 수 있는 저온 파이프와 일반 스틸 구조물의 연결구조를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 LNG와 LPG와 같은 저온유체를 이송하며, 외기에 노출된 상태로서 일반 스틸 구조물을 통과하여 내부로 들어가는 저온 파이프와 스틸 구조물의 연결구조에 있어서, 상기 파이프와 스틸 구조물의 사이에 파이프를 둘러싸는 환형의 스테인레스 플레이트를 설치하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 구성을 나타낸 단면 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 저온유체(1)의 종류 및 온도, 파이프(2)의 재질에 의한 제한을 받지 않으며, 또한 일반적인 유체 이송용 파이프가 원관이기 때문에 파이프를 둘러싸는 스테인레스 플레이트(3)는 환형이 가장 바람직하며, 파이프의 형상에 따라 다양한 모양으로 형성할 수 있음은 물론이다.

한편, 스테인레스 플레이트의 크기는 유체의 온도와 파이프의 직경에 따라 적정 크기(Optimum size)를 결정할 필요가 있으며, 이는 이 적정 크기를 벗어나 더 큰 스테인레스 플레이트를 파이프에 적용하여도 추가적인 이점이 없으며 설치비용만 증가되기 때문에, 일반 스틸의 저온 한계인 -29℃ 이상을 유지할 수 있는 크기의 스테인레스 플레이트를 적용시키면 된다. 여기서 스테인레스 플레이트의 크기는 환형모양의 외부직경이다.

일반적인 마일드 스틸(Mild steel)과 스테인레스의 기계적 성질을 살펴보면 다음과 같다.

	(kg/m³)	C_P(J/kg·K)	k(W/m·K)
마일드 스틸	7801	473	43(k is at 0℃)
스테인레스	7900	477	아래 표 1-1

Temp.(℃)	k(W/m·K)
-163	9.3
-130	10.3
-100	11.1
-50	12.5
0	13.9
25	14.7
표 1-1

	마일드 스틸		스테인레스
Young's modulus [GPa]	-163	350	-163	350
	-120	330	-120	330
	-80	300	-80	300
	20	200	20	210
Poisson's ratio	0.29		0.3

Coeff. of thermal expansion		스테인레스	마일드 스틸
	Temp.(℃)	(K^-1)	(K^-1)
	-200	-9.7×10^-6	-9.5×10^-6
	-150	-9.9×10^-6	-9.7×10^-6
	-100	-10.1×10^-6	-9.9×10^-6
	-50	-10.4×10^-6	-10.2×10^-6
	20	17.3×10^-6	11.1×10^-6

Temperature(℃)	Yield strength(MPa)
20	307
-80	497
-120	507.5
-163	550

한편 스테인레스 플레이트의 적정 크기 결정은 다음과 같은 과정에 의해 결정된다.

도 2로부터

T : Local Flange Temp

Ta : Air Temp

t : Thickness of Flange

qr : Conductive H.T.

qh : Conductive H.T.

T : Local Flange Temp

T_a: Air Temp

T_b : Pipe Temp

r₀ : Pipe radius

무차원 변수

, R, H 를 정의하면,

위 식을 차분하면,

양변에

을 곱하면,

Boundary conditions :

위의 행렬에서 H는 무차원화된 ro의 함수이다.

한편, 상기 식으로부터 파이프 규격별 H 값은 아래 표와 같이 나타낼 수 있다.

Nominal dia.	H
750A	8.522
650A	6.401
550A	4.583
450A	3.068
350A	1.856
250A	0.947
150A	0.341
65A	0.064

상기 표로부터 도 3과 도 4,5와 같은 그래프를 구할 수 있으며, 도 4와 도 5로부터 LNG와 LPG로 나누어 여러 파이프의 직경에 대한 플랜지 직경의 관계식을 아래와 같이 도출할 수 있다.

LNG,

LPG,

도 6은 65A, 350A, 750A LNG 파이프에 본 발명을 적용할 경우, 얻어지는 열응력 해석 결과를 도시한 것으로, 본 해석은 응력해석 프로그램인 ANSYS프로그램을 이용하였으며, 입력조건으로 저온유체 -163℃ 스테인레스 플레이트의 크기는 상기한 수치해석 방법에서 얻어진 크기를 사용하였다. X축은 파이프 벽면으로부터 온도 변화를 나타내며, Y축은 그 위치에서의 열응력(Von mises stress)을 나타내고 있다. 이 그래프에서 파이프 벽면 부근에서 열응력이 스테인레스의 항복강도까지 상승하는 것을 볼 수 있지만, 그 한계를 넘지 않으며 벽면에서 멀어질수록 급속하게 열응력이 감소되는 것을 볼 수 있다.

	Max. Von Mises stress[MPa]	Avg. Deformation[mm]
750A	535.07	0.004888
350A	540.07	0.004297
65A	543.21	0.004208

또한, 도 6을 수치화한 위의 표에서 볼 수 있듯이 파이프 및 플랜지에 걸리는 열응력은 각 온도에서의 최대 항복강도 보다 낮으며, 변형 정도도 매우 작은 것을 알 수 있다.

도 7은 65A, 350A, 750A LPG 파이프에 본 발명을 적용할 경우 얻어지는 열응력 해석 결과를 도시한 것으로, 입력조건 및 X,Y축은 LNG 파이프와 동일하며, 이 그래프에서 볼 수 있듯이 LPG의 경우는 온도가 -60℃로 LNG의 경우보다는 온도가 높지 않기 때문에 작용하는 열응력이 매우 작으므로 문제가 발생되지 않음을 알 수 있다.

아래의 표는 도 7을 수치화하여 나타낸 것이며, LNG와 동일하게 열응력이 항복강도 보다 낮으며, 변형 정도도 매우 작은 것을 알 수 있다.

	Max. Von Mises stress[MPa]	Avg. Deformation[mm]
750A	111.27	0.004093
350A	117.25	0.004102
65A	119.52	0.004

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 LPG나 LNG와 같은 저온유체를 이송하는 파이프가 일반 스틸 구조물을 통과하도록 설치될 때 저온유체의 냉기에 의해 스틸 구조물이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 파이프와 스틸 구조물 사이에 스테인레스 플레이트를 설치하여 종래의 러버 스틸과 같이 주기적으로 교체할 필요가 없어 그 비용을 절감할 수 있으며, 또한 교체를 위한 선박이나 플랜트의 보수 기간을 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims

LNG와 LPG와 같은 저온유체를 이송하며, 외기에 노출된 상태로서 일반 스틸 구조물을 통과하여 내부로 들어가는 저온 파이프와 스틸 구조물의 연결구조에 있어서,

상기 파이프와 스틸 구조물의 사이에 파이프를 둘러싸는 환형의 스테인레스 플레이트를 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 설치구조.
제 1 항에 있어서,

상기 스테인레스 플레이트의 외경은, 저온 파이프의 내부로 이송되는 유체가 LNG일 때,
관계식에 의해 결정되고,

저온 파이프의 내부로 이송되는 유체가 LPG일 때,
관계식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 일반 스틸 구조물을 관통하는 저온 파이프의 설치구조.

(단, R은 스테인레스 플레이트의 외경이며, 상기 H는 무차원화된 r₀의 함수로서, 저온 파이프의 규격이 750A일때 8.522, 650A일때 6.401, 550A일때 4.583, 450A일때 3.068, 350A일때 1.856, 250A일때 0.947, 150A일때 0.341, 65A일때 0.064 의 값을 갖는 것임.)