KR101045884B1 - 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지시스템의 신뢰성 평가 및 회복방법 - Google Patents
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Abstract
발전소는 발전기와 연결된 전국의 전기 사용량의 변화에 따라 기동과 정지를 반복하게 된다. 발전소가 기동과 정지를 반복하면 배관재료는 피로를 받게 된다. 이 배관재료가 피로를 받게 되면 배관의 허용응력이 감소하게 된다. 또, 발전설비는 고온에서 운전되게 된다. 이 고온에서 장기간 운전되게 될 경우 배관재료는 크립(Creep)의 영향을 받아 배관이 늘어나게 된다. 또, 장기 사용한 발전소는 배관내부에 침식의 영향으로 배관의 두께가 감소하는가 하면 부식의 영향으로 배관의 두께가 증가한다. 여기에 보온재의 습분 함량의 변화에 따라 배관의 단위 길이당 중량이 변화하며, 장기간 사용 중 사이클 효율을 개선하거나 진동 문제등을 해결하기 위하여 밸브와 같은 설비를 변경하기도 한다. 그러므로 발전용 배관은 다음과 같은 항목이 운전기간의 경과되면서 건설당시와 비교하여 달라지게 된다. 예를들면 건설당시에는 5 kg/cm2의 증기를 흘려보내던 배관에 운전한지 5년이 지나면서 15 kg/cm2의 증기를 흘려보낸다던가, 건설당시에는 배관 내부가 깨끗했데 5년이 지난 후에는 배관 안이 두꺼운 스케일이 끼어 있다든지 하는 등 다음과 같은 항목들이 인위적으로 또는 원하지는 않지만 운전의 결과로 사용 기간이 경과하면서 처음 운전을 시작할 때와 상태가 달라지게 되어 배관계 재질의 건전성을 변화시키게 된다.
이에 본 발명에서는 고온고압배관의 장기 사용에 따른 배관지지장치의 지지하중 및 배관계의 거리이동량의 변화가 설비의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하여 설비의 수명을 최대화 즉 설비의 신뢰성을 최대화할 수 있도록 배관지지장치의 하중 및 거리이동량을 조정하는 방법을 개발하였다.
이에 본 발명에서는 고온고압배관의 장기 사용에 따른 배관지지장치의 지지하중 및 배관계의 거리이동량의 변화가 설비의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하여 설비의 수명을 최대화 즉 설비의 신뢰성을 최대화할 수 있도록 배관지지장치의 하중 및 거리이동량을 조정하는 방법을 개발하였다.
Description
본 기술은 고온고압배관 및 지지시스템의 수명 및 신뢰성에 관한 기술이다.
발전소는 발전기와 연결된 전국의 전기 사용량의 변화에 따라 기동과 정지를 반복하게 된다. 발전소가 기동과 정지를 반복하면 배관재료는 피로를 받게 된다. 이 배관재료가 피로를 받게 되면 배관의 허용응력이 감소하게 된다. 또, 발전설비는 고온에서 운전되게 된다. 이 고온에서 장기간 운전되게 될 경우 배관재료는 크립(Creep)의 영향을 받아 배관이 늘어나게 된다. 또, 장기 사용한 발전소는 배관내부에 침식의 영향으로 배관의 두께가 감소하는가 하면 부식의 영향으로 배관의 두께가 증가한다. 여기에 보온재의 습분 함량의 변화에 따라 배관의 단위 길이당 중량이 변화하며, 장기간 사용 중 사이클 효율을 개선하거나 진동문제 등을 해결하기 위하여 밸브와 같은 설비를 변경하기도 한다. 그러므로 발전용 배관은 다음과 같은 항목이 운전기간의 경과되면서 건설당시와 비교하여 달라지게 된다. 예를 들면 건설당시에는 5 kg/cm2의 증기를 흘려보내던 배관에 운전한지 5년이 지나면서 15 kg/cm2의 증기를 흘려보낸다던가, 건설당시에는 배관 내부가 깨끗했는데 5년이 지난 후에는 배관 안이 두꺼운 스케일이 끼어 있다든지 하는 등 다음과 같은 항목들이 인위적으로 또는 원하지는 않지만 운전의 결과로 사용 기간이 경과하면서 처음 운전을 시작할 때와 상태가 달라지게 되어 배관계 재질의 건전성을 변화시키게 된다.
이에 변화된 건전성을 안전한 안전한 운전이 가능하도록 조정 및 정비하는 기술이 선행되었으며(선행기술문헌_특허문헌), 그 기술보다 더 나은 신뢰성회복방안의 착안에 따라 기술이 생성되었다.
없음
배관계 환경이 변화하면 배관계를 지지하고 있는 행거나 지지대 각각의 지지하중이 건설 직후 조건인 시운전 당시와 변화된다. 배관계의 어느 구간은 부식에 의하여 자중이 무거워지고, 어느 구간은 침식에 의하여 가벼워지며, 어느 구간은 설비를 바꾸어 무게가 가벼워지는 등 배관계 환경의 변화로 행거 및 지지대가 설치되어 있는 배관의 구간구간별로 행거나 지지대의 지지하중이 시운전시와 달라지게 된다. 통상 고온고압설비의 운영자들은 배관지지장치를 일정기간마다 점검하여 배관지지장치의 표시하중이 시운전시와 다를 경우, 또는 설계값과 다를 경우 이를 설계값으로 복원시킴으로서 고온고압배관의 상태를 시운전시의 상태, 즉 설비의 건설직후 상태로 복원시키게 된다. 그러나 고온고압배관이 장기간 운전되어 배관계 환경이 바뀔 경우, 즉 어느 부위의 파이프의 무게가 가벼워 졌을 경우에는 당해 배관지지장치가 지지하고 있는 하중도 가벼워져야 파이프 재료내에는 건설당시와 동일한 응력이나 변형율이 작용하게 된다. 이에 본 발명에서는 고온고압배관이 장기간 운전에 의하여 배관계 환경이 바뀔 가능성이 있는 배관계에 대하여 배관계의 하중상태를 건설직후 상태로 복원하여 현재 변형이 되어 있는 배관계의 재료 내부에 응력상태를 더 악화시키는 것을 지양하고, 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계의 구간구간별로 변화된 환경에 맞는 하중을 인가시킴으로서 배관계의 구조재료 내부에 발생하는 응력을 허용값 이내로 복원, 배관계의 수명을 연장시키고자 한다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기술함.
장기 사용한 고온고압배관은 크립, 피로 등 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계 자체가 바뀌고 배관지지장치의 하중이 바뀌면서 배관파이프의 응력상태가 바뀌게 되어 배관계의 신뢰성, 즉 수명이 감소하게 되는데 배관지지장치가 있는 모든 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 각 배관지지점에 작용하는 정확한 하중과 배관계의 정확한 거리 이동량을 산출하고, 이의 정확한 해석을 통하여 배관지지장치의 하중상태 교정량을 분석하고, 실행함으로서 배관계 전체의 변형율이나 응력이 배관계의 운전수명 기간 동안 안전한 범위 내에 있도록 함으로서 발전설비와 같은 고온고압배관 및 지지시스템의 수명을 연장할 수 있는 기틀을 마련하게 되었다.
도 1 은 본 발명이 적용될 발전소의 고온고압배관의 일예
도 2 는 본 발명에 의한 배관계의 거리이동상태와 배관지지장치
도 3 은 본 발명에 의한 배관계 환경변화에 의한 배관계 신뢰성 변화상태
도 4 는 본 발명이 적용될 배관지지장치중 행거의 일예
도 5 는 본 발명에 의한 리지드 행거의 지지각 측정 일 실시예
도 6 은 본 발명에 의한 볼트/너트 체결 순서의 일 실시예
도 7 은 본 발명에 의한 배관계 신뢰성 회복의 일 실시예
* 도면의 주요부분에 대한 설명
g1-g4 : 지지각, delta : 처짐량
도 2 는 본 발명에 의한 배관계의 거리이동상태와 배관지지장치
도 3 은 본 발명에 의한 배관계 환경변화에 의한 배관계 신뢰성 변화상태
도 4 는 본 발명이 적용될 배관지지장치중 행거의 일예
도 5 는 본 발명에 의한 리지드 행거의 지지각 측정 일 실시예
도 6 은 본 발명에 의한 볼트/너트 체결 순서의 일 실시예
도 7 은 본 발명에 의한 배관계 신뢰성 회복의 일 실시예
* 도면의 주요부분에 대한 설명
g1-g4 : 지지각, delta : 처짐량
용어의 정의
배관지지장치 : 고온고압배관을 지지하고 있는 지지장치로서 스프링행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거 및 지지대를 말한다. 통상적으로 지지대라하면 리지드행거를 포함하지만 본 발명에서는 리지드 행거를 제외한 지지대를 지지대라하고, 리지드 행거는 별도로 구분하였다. “모든 배관지지장치”라 하면 고온고압배관에 상기 스프링 행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거 및 지지대가 모두 설치되어 있는 상태에서 이 모든 상기 4가지 지지장치 각각을 말한다.
배관지지점 : 상기 배관지지장치가 상기 고온고압배관을 지지하고 있는 위치를 말한다.
(배관지지장치의) 동작점 : 모든 배관지지장치는 배관의 무게를 지탱하고, 배관의 열변형이나 배관 내부 유체의 유동에 의한 내력이나 풍압등과 같은 외력에 의하여 배관자체가 움직이게 되는 바 모든 배관지지장치가 설치되어 있는 지지점에서의 배관지지장치에 걸려있는 하중(또는 반력)과 상기 지지점에서 배관이 이동하는 이동량중에서 어느 특정한 시점에서의 하중과 이동량을 나타낸다. 예를들어 “콘스탄트 행거 5번의 고온상태에서의 동작점을 측정하였다”라고 함은 “배관계가 고온인 상태에서 콘스탄트 행거 5번의 이동량은 어느 특정시점(일반적으로 저온상태)과 비교하여 얼마의 배관이동량이 있었고, 당시 지지하중은 몇톤이었다”라는 것으로 고온상태에서의 이동량과 지지하중이 산술적으로 측정되었음을 의미한다.
표시하중, 표시 거리 이동량 : 배관지지장치에서 지시하고 있는 하중 및 이동량으로 배관지지장치 자체가 신뢰성이 없을 경우 상기 하중 및 이동량은 정확하지 못하게 된다.
정확한 하중, 정확한 거리 이동량 : 실제 배관계에 걸려있는 정확한 하중 및 정확한 거리이동량이지만 이는 인간의 공업적 수단으로서는 측정이 불가능한 것이어서 본 발명에서는 인간이 구현할 수 있는 최고 수준의 정밀도를 갖는 하중과 거리이동량을 말한다.
실제 하중, 실제 거리이동량 : 본 발명에서는 상기 정확한 하중 및 정확한 거리 이동량과 같은 의미를 갖도록 하기 위하여 배관지지장치 분야에서 최고의 정밀도를 나타내는 배관지지장치 성능평가를 통하여 얻어진 하중과 본 발명에서 개발된 거리이동량 측정수단을 통하여 얻어진 거리이동량을 말한다. 그러므로 실제하중 및 실제 거리이동량은 본 발명에 의하여 개발된 방법으로 얻어진 것으로 현재까지 구현할 수 있는 가장 정확한 하중과 가장 정확한 거리이동량을 말한다.
발명의 상세한 설명
화력발전소는 보일러(B)에서 발생된 증기를 터빈(T)으로 보내어 터빈날개를 회전시킴으로서 발전기를 구동할 수 있는 동력을 얻게 된다. 보일러에서 터빈으로 증기를 보내는 방식은 통상 합금강을 주 재료로 하는 배관내부를 흐르게 된다. [도 1]은 화력 발전소의 보일러(B)와 터빈(T), 이들을 연결하는 배관의 한 사례를 나타내고 있다. 통상 화력발전소는 보일러에서 발생된 증기를 주증기 헤더(MH)에 모아 주증기관(M)을 통하여 터빈으로 보내고, 터빈으로 인입된 증기는 터빈 날개를 돌려 일을 하는 도중 발전효율을 향상시키기 위하여 보일러로 다시 증기를 보내도록 재열증기관(RP)을 통하여 보일러로 다시 보내어져 보일러에서 다시 한번 가열된 증기가 재열증기 헤더(RH)를 거쳐 터빈으로 다시 들어오게 되는 배관형태로 구성된다. 실제 발전소에는 증기의 방향이 터빈에서 보일러로 흐르는 저온(Cold) 재열증기관과 보일러에서 터빈으로 흐르는 고온(Hot) 재열증기관으로 두 개의 배관이 있어 재열증기관(RP)이 두 개로 나타나야 하지만 본 기술적 개념이 본 특허의 실시에 중요한 사항이 아니 되므로 실시자의 이해를 돕기 위하여 하나의 재열증기관으로 표시하였다.
상기 발전용 주증기관은 배관 내부를 흐르는 증기의 온도가 180kg/cm2, 540℃여서 높은 온도와 압력에도 배관이 파열하지 않고 건전한 상태로 20년에서 60년정도를 운전할 수 있도록 두꺼운 합금으로 제조되어 있다. 본 발명은 상기 발전용 주증기관과 같이 높은 온도와 높은 압력의 유체를 수송하는 배관의 건전성을 측정하고, 건전성을 저해하는 인자가 있을 경우 건전성을 회복하는 방법에 관한 것이다. 그러므로, 이제부터는 본 발명에서만 언급할 용어로서 상기와 같이 파이프 안에 높은 온도와 높은 압력의 유체를 수송하는 것을 ‘고온고압배관’이라 하겠다. 상기 높은 온도와 높은 압력에 대한 구체적인 범위를 설정하여 어디까지는 고온이니 이 발명의 적용대상이 되고, 어디까지는 아니다라고 정의하지는 않을 것이지만 본 발명에서 고온이라면 통상적으로 상온을 넘어서는 것을 말하고, 고압이란 통상적으로 대기압을 넘어서는 것을 말한다. 그러나, 상온과 대기압의 배관도 본 발명의 적용에 있어 차이를 나타내는 것은 아니므로 본 발명은 고온고압에만 국한되는 것이 아니고, 전 온도와 압력의 범위에서의 배관에 적용된다고 할 수 있다. 그러나, 고온고압 배관에서는, 그것도 발전소와 같이 높은 온도, 높은 압력에서는 본 발명에 의한 기술의 적용 필요성이 매우 현저하게 나타나므로 좀 더 나은 이해를 위하여 ‘고온고압배관’이란 용어를 사용하고자 한다.
상기 고온고압배관은 배관계의 무게를 지탱하고 배관계의 외력에 의한 변형을 흡수할 수 있도록 행거(Hanger) 및 지지대(Support), 리지드 행거(Rigid Hanger)와 같은 배관지지 장치에 의하여 보호되고 있다. 상기 ‘배관계’란 파이프로 구성된 배관, 보온을 위하여 상기 파이프를 감싼 보온재, 상기 배관에 연결된 밸브 및 제어장치, 배관내 흐르는 유체의 특성을 균일화하기 위한 스팀트랩이나 스트레이나등 유체를 수송하기 위하여 구성된 파이프와 파이프 부속장치 일체를 말하는 것으로 고온고압배관의 최초 설계시 배관에 용접이나 볼트와 같은 체결기구에 의하여 일체화된 것들로 펌프나 열교환기와 같은 대형설비를 제외한 부분을 지칭한다. 상기 배관계는 대형 기기와 다른 대형 기기를 연결하는 기능을 하게 되는 데 펌프에서 나와 열교환기까지 연결되어 있는 배관계라거나, 열교환기에서 보일러에 이르는 배관계라든가 하는 식으로 표현되고 있다.
이러한 배관계는 배관계 양단이 대형 기계설비와 연결되게 되어 있는데 이 대형설비와 배관계 끝을 연결하는 접합부가 지표면 또는 건물바닥보다 높아 상기 배관계는 공중에 위치하게 된다. 발전소와 같은 대형 플랜트는 상기 대형 기계설비들 간의 간격이 수 m에 이르는 경우가 많아 상기 배관계를 공중에 놔 둘 경우 배관계는 배관계 자중에 의하여 심한 처짐현상을 경험하게 된다. 이 처짐은 상기 배관계에 굽힘응력을 유발시켜 설비 신뢰성을 현저히 저하시키므로 상기 배관계에 처짐이 발생하지 않도록 하기 위하여 상기 배관계의 적절한 거리마다 배관지지 장치를 설치하여 상기 배관계가 일정한 위치를 유지에서 고정되도록 하고 있다.
상기 배관계를 일정한 위치마다 고정하는 장치를 ‘배관지지 장치’라 하는데 이는 행거(Hanger) 또는 지지대(Support)로 대별된다. 행거는 파이프를 지지하는 고정점이 파이프의 상부에 있는 것을 말하고, 지지대는 파이프를 지지하는 고정점이 파이프의 하부에 있는 것을 말한다. 그러나, 본 발명에서는 배관계의 이동에 따라 배관지지장치에서 당해 이동량이 직접 표시되는 등 동작특성이 유사한 스프링행거와 콘스턴트 행거는 ‘행거’로 표시한다. 배관계의 이동에 따라 배관지지장치에서 당해 이동량이 직접 표시되지는 않는 종래의 리지드 행거는 본 발명에서도 리지드 행거라 하고, 종래의 기술에서 통상 써포트로 분류하는 지지대중 리지드 행거를 제외한 것을 ‘지지대’로 호칭하겠다. 그러므로 통상의 기술자들은 배관계의 지지장치를 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대(리지드 행거가 포함됨)로 분류하나, 본 발명에서는 배관계를 지지하고 있는 지지장치를 스프링행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거(Rigid Hanger) 및 지지대로 분류한다. 본 발명에서는 배관지지장치가 배관계 파이프를 지지하는 고정점을 ‘배관 지지점’이라 하겠다. 그러므로, 배관 지지점은 행거나 지지대가 배관위에 설치되어 있는 위치로서 행거나 지지대의 배관 축방향 중심점을 의미한다. 이러한 행거나 지지대도 운전기간의 경과에 따라 재료의 열화등의 요인으로 스프링특성이 변화하거나 부품간의 동작 링크기구의 손상, 침식과 부식등에 의하여 동작특성이 변화한다. 스프링을 사용하는 행거의 경우 스프링이 열화되거나 균열등이 발생하면 행거의 하중-길이 특성이 달라져 이동지시자(P)가 나타내는 하중과 이동거리가 실제와 달라지게 된다. 이렇게 행거나 지지대가 실제 하중과 실제 이동량과 차이가 나도록 지시되는 경우는 배관지지장치가 배관계에 미치는 힘과 변위의 정확한 평가가 불가능해지므로 배관지지장치의 정확한 성능특성이 확인되어야 비로소 배관계에 미치는 힘과 변위를 정확히 산출할 수가 있다. 여기서, 배관지지장치가 사용된지 오래되어 배관지지장치의 성능특성이 재 확인되지 않은 상태에서 나타난 이동지시자(P)의 위치는 신뢰성이 결여된 상태의 값이므로 이를 단지 표시되는 값이라는 의미의 ‘표시하중, 표시거리 이동량’이라하고, 배관지지장치의 성능이 재확인되어 정확한 하중과 정확한 거리 이동량으로 산출되었을 경우에는 ‘행거로드 하중, 실제 거리이동량’이라 구분하여 표현하겠다. 기타 상기 행거나 지지대와 같은 배관지지 장치는 배관기술자라면 누구나 알 수 있는 일반적인 설비이므로 그 구조등에 대하여서는 본 발명에서 더 이상 설명하지 않겠다.
상기 배관계는 파이프를 구성하는 합금성분의 무게, 파이프 안에 가득찬 유체의 무게를 포함한 상기 배관계를 구성하는 모든 구성품마다 자중이 있다. 이러한 배관계 구성품 전체의 자중을 ‘배관계 자중’이라 하겠다.
그러므로, 상기 배관지지 장치는 상기 배관계 자중을 배관계의 전 길이에 걸쳐 일정한 간격으로 떠받치고 있는 설비라 할 수 있는데 이 배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관 안의 유체 온도에 의한 열팽창과 배관안의 압력이나 배관 밖의 풍압이나 적설등 ‘배관계 환경’에 의한 배관의 직경변화와 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.
배관지지 장치 간의 간격은 두 개의 인접한 지지장치 사이에서 배관이 내압, 自重 및 외력에 의하여 발생되는 조합응력이 발전소의 수명기간내에 연속운전을 할수 있는 허용응력의 범위 내에 있도록 하는 양 지지점 사의의 처짐량 또는 지지점에서의 굽힘량으로 제한하고 있다. 배관의 처짐량 또는 굽힘량은 구조 재료의 변위가 발생되었음을 의미하며 이는 하중, 변위, 응력의 상관관계에 의한 기계공학의 재료역학 이론에 따라 배관 재료 내부에 응력 발생을 유발하게 된다. 이 응력이 적절한 범위 내에 있으면 좋지만 일점 범위를 넘어서면 결국 재료는 파괴하게 되므로 이 처짐량이 일정 범위를 넘어서면 배관은 균열이 발생되거나 팽윤등에 의하여 파괴되게 된다.
배관계의 건전성만을 고려한다면 배관지지장치간의 간격을 영(0)으로 할 경우 배관계의 파이프에 굽힘이 발생하지 않아 굽힘응력이 영(0)이 되어 가장 높은 신뢰성을 얻게 된다. 하지만, 이 경우 배관지지장치 건설비가 높아 경제성이 없어진다. 그러므로, 배관지지장치간의 간격을 늘려 지지장치의 수를 줄임으로서 파이프에 작용하는 굽힘응력이 배관계의 수명기간을 운전할 수 있는 허용응력범위가 되는 경제적인 설비가 되도록 정하게 된다. 이는 배관 지지장치간의 간격을 적절히 유지하여 배관의 어느 위치에서도 각 점에 인가되는 조합응력이 설비의 수명기간 내에 파괴의 범위를 넘어서지 않도록 하는 것으로 이는 배관계가 건전성을 확보하고 있다고 평가하는 것이다.
재료의 파괴는 조합응력이 일정 범위를 넘어서면서 발생된다. 응력은 변위의 함수이므로 발전용 배관의 경우 재료의 파괴는 변위가 일정 범위를 넘어서면 파괴된다고 할 수 있다. 그래서 발전용 배관의 기술규격인 ANSI B31.1(Power Piping)에서는 배관의 건전성을 굽힘응력을 일정범위 내에 제한하거나 배관의 처짐을 일정 범위 내에 두도록 하고 있다.
발전소는 통상적으로 고온의 증기나 물, 고온가스등을 파이프 안으로 흘려보내게 되는 데 발전소의 운전기간이 경과하면서 고온고압배관은 뜨거운 온도와 높은 압력이 계속해서 인가되거나, 높은 온도와 높은 압력이 작용하다가 상온, 대기압으로 떨어지기도 하고, 어떤 경우는 고온고압에서 상온 대기압이 되었다가 다시 고온고압이 되는 등 온도와 압력이 사이클 변화를 하게 되는 경우가 있다.
발전소는 발전기와 연결된 전국의 전기 사용량의 변화에 따라 기동과 정지를 반복하게 된다. 발전소가 기동과 정지를 반복하면 배관재료는 피로를 받게 된다. 이 배관재료가 피로를 받게 되면 배관의 허용응력이 감소하게 된다. 또, 발전설비는 고온에서 운전되게 된다. 이 고온에서 장기간 운전되게 될 경우 배관재료는 크립(Creep)의 영향을 받아 배관이 늘어나게 된다. 또, 장기 사용한 발전소는 배관내부에 침식의 영향으로 배관의 두께가 감소하는가 하면 부식의 영향으로 배관의 두께가 증가한다. 여기에 보온재의 습분 함량의 변화에 따라 배관의 단위 길이당 중량이 변화하며, 장기간 사용 중 사이클 효율을 개선하거나 진동 문제등을 해결하기 위하여 밸브와 같은 설비를 변경하기도 한다. 그러므로 발전용 배관은 다음과 같은 항목이 운전기간의 경과되면서 건설당시와 비교하여 달라지게 된다. 예를들면 건설당시에는 5 kg/cm2의 증기를 흘려보내던 배관에 운전한지 5년이 지나면서 15 kg/cm2의 증기를 흘려보낸다던가, 건설당시에는 배관 내부가 깨끗했는데 5년이 지난 후에는 배관 안이 두꺼운 스케일이 끼어 있다든지 하는 등 다음과 같은 항목들이 인위적으로 또는 원하지는 않지만 운전의 결과로 사용 기간이 경과하면서 처음 운전을 시작할 때와 상태가 달라지게 되어 배관계 재질의 건전성을 변화시키게 된다.
- 유체 자체
- 유체의 내압
- 유체의 온도
- 침식, 부식, 또는 스케일(Sacle)의 부착, 탈락
- 피로
- 크립
- 보온재의 습분함량
- 설비개선등을 통한 배관의 길이나 두께, 밸브 특성이 다른 것으로의 변경등을 통한 자중
- 정상적인 유체의 유동에 의하여 유체가 배관계 내부에 미치는 힘과 햄머링과 같이 비정상적으로 유체가 배관계 내부에 미치는 힘 및 적설이나 풍압과 같이 배관계 외부에 미치는 힘을 총칭하는 외력
- 행거 특성 변화 또는 고장
위와 같이 배관계의 파이프 안팎으로 설비의 운전과 관련하여 파이프의 건전성에 영향을 미치는 인자들을 종합하여 본 발명에서는 ‘배관계 환경’이라 지칭하고자 한다. 그러므로, 앞서 표현한 “배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관 안의 유체 온도에 의한 열팽창과 배관안의 압력이나 배관 밖의 풍압이나 적설등 ‘배관계 환경’에 의한 배관의 직경변화와 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.”는 말은 “배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관계 환경에 의한 열팽창, 배관의 직경변화, 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.”로 대치할 수 있다.
일반적으로 고온고압배관은 설비의 기동정지에 따라 배관계의 온도가 상온에서 고온으로 변화하면서 파이프의 길이가 [도 2]에 나타난 바와 같이 팽창하게 된다. [도 2]의 (1),(2)에 있는 상부 수평선은 배관지지 장치가 고정되어 있는 H-빔이나 건축물의 보와 같은 것을 의미하고, 하부 굵은 선은 왼쪽이 고정된 파이프를 나타내는 것으로, [도 2]의 (1)에 있는 하부 굵은 선의 상온상태의 파이프가 고온이 되면서 [도 2]의 (2)의 하부 굵은 선의 고온 상태 파이프로 늘어나면서 EXT만큼 팽창한 것을 나타낸다. 이 팽창량 EXT는 상온과 고온사이의 단기적 운전조건에 따른 열팽창량과 크립에 의한 장기적 팽창량과 외력에 의한 탄소성 팽창량을 합한 량이 된다. 발전소가 운전을 하다가 정지하게 되면 발전소는 상온 상태가 되는 데 이 경우에는 열팽창량은 없어져 영(0)이 되고, 크립에 의한 팽창량은 그대로 남아 있으며, 외력에 의한 탄소성 팽창량은 기동전후의 변화량에 따라 잔존하게 된다. [도 2]의 (1)은 상온상태를, (2)는 고온 상태를 나타내며, 1,2,3,4는 배관지지장치를, a,b,c,d는 상온에서 상기 배관지지장치 1,2,3,4의 하부가 배관계와 일체화된 위치를 나타낸다. a',b',c',d'는 고온에서 상기 배관지지장치 1,2,3,4의 하부가 높은 온도에 의하여 팽창된 배관계와 일체화된 위치를 나타내는 것으로서 [도 2]의 (1)의 a,b,c,d점이 파이프의 팽창과 함께 이동한 것이다.
[도 2]에서 보이는 바와 같이 배관계 환경의 변화에 따라 배관계의 길이가 변화하면 상기 배관계의 배관지지 장치의 지지각(支持角, 통상적으로 배관지지 장치의 상부고정점에서 내린 수직선과 행거로드(Hanger Rod)축(軸) 선사이의 각도)도 g1,g2,g3,g4와 같이 변화하게 된다. 배관지지 장치의 지지각이 변화하면 배관계 무게에 변화가 없어 배관지지 장치의 지지하중은 동일하다 하여도 행거의 지지하중은 각도가 변화한 벡터의 합력 또는 분해에 따라 지지하중량이 달라지게 된다. 이는 배관계의 자중은 아무런 변화가 없어도 배관계의 길이가 달라지면 이 배관계를 지지하고 있는 배관지지장치의 지지하중 값은 달라짐을 나타낸다.
그런데, 배관계에 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계 자중이 변화할 경우에는 배관계 파이프의 처짐량이 [도 3]과 같이 변화한다. 간단한 예로 [도 3]의 배관계에 배관지지장치 2,3 사이 파이프에 WT만큼의 자중이 늘어났다면 이 자중으로 배관은 wp 위치에서 delta만큼 처지게 되고, 이 처짐량은 이 처짐이 발생한 파이프구간의 양단을 지지하고 있는 b', c' 위치에서 파이프의 굽힘을 유발하여 굽힘응력을 발생시킨다. 이렇게 자중이 증가할 경우 당연히 이 자중이 증가된 구간을 지지하는 배관지지 장치(여기서는 2,3)에 인가되는 지지하중은 상대적으로 늘어난다. 이러한 상태에서 배관지지장치의 상태표시점인 하중표시점을 보면설계하중보다 하중이 증가되어 있으므로 이 증가된 만큼의 하중을 감소시키는 작업을 하는 것이 종래의 기술이었다. 그러나, [도 3]의 배관지지장치 2,3번에 걸려있는 하중을 감소시키면 이는 곧바로 주변 배관지지장치 1,4 또는 1,4번에 이웃한 배관지지장치로 하중이 전이되게 된다. 이 경우 하중이 전이된 배관지지장치의 지지점이 있는 배관계 파이프 재료는 지지하중이 늘어난 만큼 반력이 늘어 파이프의 굽힘변형이 늘고, 이는 굽힘응력을 증가시킨다. 이는 배관계 환경변화가 배관계 파이프에 추가적 응력을 걸리게 하여 앞서 2,3번에 하중을 감소시키기 전과 유사한 신뢰성, 즉 시운전시보다 배관계 환경의 변화로 인하여 신뢰성이 낮아지게 된다.
고온고압배관이 장기간 운전될 경우 부식, 침식, 크립, 피로등 배관계 환경에 의하여 처음 시운전시 건전하던 상태가 균열이 발생한다거나 팽윤, 팽출등 문제점이 발생한다. 이런 문제점은 갑자기 발생하는 것이 아니라 배관계 환경에 따른 시간의 경과와 함께 점진적으로 나타나므로 운전 중인 배관계의 상태를 평가할 경우 현재의 상태가 사고가 날 상태에 얼마나 접근해 있는지를 알 수 있게 된다. 이렇게 사고가 날 상태에의 접근성을 배관의 신뢰성이라 하며, 장기 운전에 따르는 배관게 환경의 변화로 인하여 재료가 파괴되는 사고가 나버릴 경우 배관의 수명이 다했다고 한다.
고온고압배관은 운전기간이 경과하면서 배관계 환경이 바뀌게 되어 크립, 피로등에 의한 파이프 재질의 내성이 감소하게 되는 데, 설비를 운영하면서 배관계의 외부를 육안으로 점검하는 것 만으로서는 배관계의 재료내부 상태를 알 수가 없다. 배관계의 재료 내부는 외부에서 작용하는 모든 배관계 환경에 따라 최종적으로는 배관계 재료 내부에 변형율이 커지게되고, 이 변형율은 응력의 변화에 의하여 발생되며, 이 응력은 외부임이 인가되어 발생된다. 결국 배관계에 변형율을 유발시키는 것은 배관계 환경이다. 그러나, 설비의 가동에 따라 배관계 환경은 변화하지만 이를 육안으로서는 알 수가 없다. 따라서, 배관계 환경이 배관계의 파이프등에 미치는 재료내부의 영향력, 즉 재료내부의 변형율이나 응력상태를 알기 위해서는 배관계에 인가되는 외력, 즉 힘의 정도를 알면 된다.
이 힘은 배관지지장치에 걸려 있는 행거나 지지대에 걸려있는 하중, 즉 행거나 지지대에 걸려있는 힘의 량으로 종합된다. 그러므로, 배관계 환경이 변화하면 배관계를 지지하고 있는 행거나 지지대 각각의 지지하중이 건설 직후 조건인 시운전 당시와 달라지게 된다. 배관계의 어느 구간은 부식에 의하여 자중이 무거워지고, 어느 구간은 침식에 의하여 가벼워지고, 어느 구간은 설비를 바꾸어 무게가 가벼워지는 등 배관계 환경의 변화로 행거 및 지지대가 설치되어 있는 배관의 구간구간별로 행거나 지지대의 지지하중이 시운전시와 달라지게 된다. 통상 고온고압설비의 운영자들은 배관지지장치를 일정기간마다 점검하여 배관지지장치의 표시하중이 시운전시와 다를 경우, 또는 설계값과 다를 경우 이를 설계값으로 복원시킴으로서 고온고압배관의 상태를 시운전시의 상태, 즉 설비의 건설직후 상태로 복원시키게 된다. 그러나, 고온고압배관이 장기간 운전되어 배관계 환경이 바뀔 경우, 즉 어느 부위의 파이프의 무게가 가벼워 졌을 경우에는 당해 배관지지장치가 지지하고 있는 하중도 가벼워져야 파이프 재료내에는 건설당시와 동일한 응력이나 변형율이 작용하게 된다. 이에 본 발명에서는 고온고압배관이 장기간 운전에 의하여 배관계 환경이 바뀔가능성이 있는 배관계에 대하여 배관계의 하중상태를 건설직후 상태로 복원하여 현재 변형이 되어 있는 배관계의 재료 내부에 응력상태를 더 악화시키는 것을 지양하고, 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계의 구간구간별로 변화된 환경에 맞는 하중을 인가시킴으로서 배관계의 구조재료 내부에 발생하는 응력을 허용값 이내로 복원, 배관계의 수명을 연장시키고자 한다.
이를 고온고압배관에 대하여 구체적으로 실현하기 위해서 고온고압배관의 두 관심시점, 즉 설비의 기동전인 저온상태나 설비가 정상출력에 이른 고온상태등의 두 관심시점별로 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 육안으로 읽고, 만일 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 육안으로 측정할 수 없는 경우에는 이를 평가하도록 함으로서,
현재 운전 중인 고온고압배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내줄 수 있는 계기들의 상태 값(포시하중과 거리이동량)을 읽는 작업을 수행하고
또 고온고압 배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내 줄 수 있는 계기들이 지시하고 있는 상태값이 정확한지를 평가하기 위하여 배관지지장치의 개별 성능을 평가하고,
개별성능 평가결과를 반영한 배관지지장치별 지지하중과 거리이동량을 정확히 산출함으로서 배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내 줄 수 있는 계기들이 지시하고 있는 상태값이 정확하지 못할 경우에는 이를 교정하여 정확한 상태값으로 나타내고,
이 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 건설직후의 상태값 또는 설계값이 되도록 수정하는 것이 아니라 정확히 수정 산출된 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량이 유발하는 배관재료 내부의 응력이나 변형율을 허용치 이하로 낮추도록 하기 위하여
상기 배관지지점을 기준으로 한 배관재료 내부의 응력이나 변형율과 허용 응력이나 변형율의 차이값에 해당하는 배관지지장치의 하중과 거리이동량을 조정하도록 함으로서
고온고압배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타낸 정확한 상태값을 근거로 현재 상태에서의 고온고압배관 및 지지장치의 관심있는 전체 부위에 대한 신뢰성을 평가하도록 한다.
고온고압 배관의 신뢰성은 재료내부에 작용하는 응력이나 변형율이 정해진 값 이내로서 차이가 많을 경우에는 신뢰성이 높고, 정해진 값과 가까우면 재료는 곧 파괴될 것을 의미하게 되어 신뢰성이 없다고 한다.
이에 본 발명은 발전소와 같이 운전조건이 고온고압인 배관을 장기간 사용할 경우 배관 및 지지장치에 변형이 발생되는 바 이의 건전성을 회복하기 위하여
현장에 설치되어 있는 상기 스프링 행거에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 스프링행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 상기 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 콘스탄트 행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고
현장에 설치되어 있는 스프링 행거에 대하여는 상기 스프링 행거 몸체에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 하중관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 스프링행거 표시하중으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 콘스탄트 행거는 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 사용자가 육안으로 측정한 값을 콘스탄트 행거 표시하중으로 정하는 방법을,
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 스프링 행거와 상기 콘스탄트 행거의 표시하중과 상기 스프링행거 및 상기 콘스탄트 행거의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 스프링행거 및 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계와,
지지대(리지드 행거를 제외)에 대하여는 상기 고온고압배관이 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 상기 지지대로부터 상기 고온고압배관의 파이프에 상기 고온고압배관의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 상기 고온고압배관의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 사용자가 육안으로 측정한 값을 지지대 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
상기 리지드 행거에 대하여는 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 사용자가 육안으로 측정하여 리지드 행거 위치에서의 배관계의 표시 거리이동량으로 정함으로서
지지대 및 리지드행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하거나,
상기 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대, 리지드행거(이하 “모든 배관지지장치”라 한다) 각각의 위치에서 각각의 배관계 표시거리 이동량을 측정하는 대신 모든 배관지지장치와 고온고압배관 사이에 상업용 거리측정 수단을 설치하여 상기 상업용 거리측정수단에 나타난 이동량을 산출하여 상기 배관지지장치가 있는 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 표시거리 이동량을 산출하도록 하여 상기 모든 배관지지장치 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하도록하고,
리지드 행거 및 지지대에 대하여는 하기 ‘배관지지장치 성능평가 단계’를 통하여 하중-변위 선도를 측정하고, 하중-변위선도의 불연속선이 나타나는 구간에서의 하중을 작용하중으로 정하여 이를 리지드 행거 및 지지대의 표시하중으로 정하여
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중과 상기 리지드 행거와 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계와,
각 배관지지점에 작용하는 실제 하중과 상기 배관지지장치의 성능변화 여부를 파악하기 위하여 현장에 설치되어 있는 배관지지장치에 유압을 인가하여 각 배관지지장치별로 하중-변위 선도를 측정하여 나타난 하중-변위 선도의 불연속점을 작용하중으로 정하고, 하중-변위의 변화곡선을 배관지지장치의 성능특성으로 평가하는 배관지지장치 성능평가 단계와
상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고
상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며,
상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 하여,
상기 배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타와 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 상기 실제 하중과 상기 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출단계와
배관계 환경과 배관계 재질에 따르는 허용 변형율이나 허용 응력에서 상기 신뢰성 데이터 산출단계에서 각각의 배관지지점별로 계산된 변형율이나 응력값을 빼낸 값이 마이너스(-)인 것을 추출하고, 이 마이너스 부분 만큼의 변형율이나 응력을 감소시키는데 필요한 배관지지점에서의 하중변화필요량을 실제하중으로부터 상기 신뢰성 데이터 산출단계의 역순으로 컴퓨터를 이용하여 계산, 취득하는 배관지지장치 교정값 취득단계와
상기 배관지지점에서의 실제하중과 하중변화 필요량을 상기 배관지지장치별 성능특성과 상기 배관지지장치별 하중정비절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계를 특징으로 하는 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지장치의 신뢰성 평가 및 회복방법에 관한 발명이다.
이에 본 발명은 배관계 환경의 변화에 따라 배관지지장치의 지지하중 및 배관계의 거리이동에 따르는 배관계 반력의 변화로 인하여 배관계의 신뢰성이 떨어진 것을 배관계 수명을 연장하기 위한 배관계의 신뢰성을 증대시키기 위한 것이다.
이에 본 발명을 실시하기 위한 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
현장에 설치되어 있는 상기 스프링 행거에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 스프링행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 상기 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 콘스탄트 행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고
현장에 설치되어 있는 스프링 행거에 대하여는 상기 스프링 행거 몸체에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 하중관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 스프링행거 표시하중으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 콘스탄트 행거는 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 사용자가 육안으로 측정한 값을 콘스탄트 행거 표시하중으로 정하는 방법을,
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 스프링 행거와 상기 콘스탄트 행거의 표시하중과 상기 스프링행거 및 상기 콘스탄트 행거의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 스프링행거 및 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시한다.
스프링 행거와 콘스탄트 행거가 설치된 위치에서 배관계의 표시거리 이동량을 파악하여 배관계가 상온인 상태와 고온인 상태에서 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시하중과 배관계의 표시거리 이동량을 측정하는 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시할 수 있다.
스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 운전 중인 발전설비와 같이 고온고압배관을 지지하고 있는 모든 배관지지장치 중 스프링 행거의 경우 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 위치에서 하중관련 눈금을, 콘스탄트 행거의 경우 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 읽어 행거에 작용하는 표시하중을 파악하고, 동시에 스프링 행거는 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 위치에서 거리관련 눈금을, 콘스탄트 행거의 경우도 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 읽어 행거위치에서 배관계의 표시거리 이동량을 파악하는 것을 특징으로 한다. 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계은 배관계의 정밀평가를 하기 위한 첫 단계로서 배관계 환경 변화를 겪은 현재 시점에서 고온상태와 저온상태에서의 각각의 표시하중을 산출하고, 또 고온상태와 저온상태간의 배관계 표시거리 이동량을 산출하기위하여 조사한다. 표시하중 측정시 읽어야 할 이동지시자는 [도 4]의 (1)부터 (3)까지에 있는 대표적인 배관지지 장치 도면에서 P로 표시되어 있으므로 누구라도 알 수 있을 것이다. [도 4}의 (1)은 스프링 행거, (2)와 (3)은 대표적인 콘스탄트 행거를 표시한다.
지지대(리지드 행거를 제외)에 대하여는 상기 고온고압배관이 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 상기 지지대로부터 상기 고온고압배관의 파이프에 상기 고온고압배관의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 상기 고온고압배관의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 사용자가 육안으로 측정한 값을 지지대 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
상기 리지드 행거에 대하여는 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 사용자가 육안으로 측정하여 리지드 행거 위치에서의 배관계의 표시 거리이동량으로 정함으로서
지지대 및 리지드행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하거나,
상기 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대, 리지드행거(이하 “모든 배관지지장치”라 한다) 각각의 위치에서 각각의 배관계 표시거리 이동량을 측정하는 대신 모든 배관지지장치와 고온고압배관 사이에 상업용 거리측정 수단을 설치하여 상기 상업용 거리측정수단에 나타난 이동량을 산출하여 상기 배관지지장치가 있는 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 표시거리 이동량을 산출하도록 하여 상기 모든 배관지지장치 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하도록하고,
리지드 행거 및 지지대에 대하여는 하기 ‘배관지지장치 성능평가 단계’를 통하여 하중-변위 선도를 측정하고, 하중-변위선도의 불연속선이 나타나는 구간에서의 하중을 작용하중으로 정하여 이를 리지드 행거 및 지지대의 표시하중으로 정하여
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중과 상기 리지드 행거와 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시한다.
배관계가 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 지지대로부터 일정 거리를 둔 배관계의 파이프에 배관계의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 배관계의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 측정하는 지지대 배관계의 표시거리 이동량 산출단계와 리지드 행거에 대하여 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 측정하여 배관계의 거리이동량을 측정하여 리지드 행거의 표시거리 이동량을 산출한다.
행거로드의 지지각을 측정하는 방법은 [도 5]에 그 일 실시예를 표시하였다. 배관지지장치 지지각은 [도 5]에 나타난 바와 같이 수평계(22)를 행거로드(21)의 일정 점에 접촉시키고, 수직으로 세운 후 각도기(23)를 상기 수평계와 비 각부분이 접촉하도록 하여 상기 행거로드의 축중심선과 상기 각도기가 만나는 위치를 읽어 행거로드가 수평면과 이루는 수직으로부터 얼마나 꺾여 있는지를 측정함으로서 알 수 있고, 행거로드의 길이(HRL)는 배관지지 장치의 상부 힌지점(24)과 파이프 중심점(25)와의 직선거리를 측정하는 것으로서 HRL로 표시된 부분의 거리를 측정한다. 스프링 행거, 콘스탄트 행거 및 리지드(Rigid) 행거가 아닌 것은 지지대 위치에서 지지대와 배관을 배관의 축방향에 법선방향으로 일직선을 그어 놓고, 배관계 환경이 변화한 뒤 상기 일직선의 어긋난 길이를 파이프 축방향으로 측정하면 배관계와 지지대의 상대적 거리이동량을 알 수 있다.
상업용 거리측정 수단을 배관지지장치가 있는 모든 점에 설치하여 배관계의 고온과 상온상태에서의 배관계의 각 배관지지점에 작용하는 표시거리 이동량을 산출하는 배관지지점 배관계 표시거리 이동량 산출단계는 기 스프링 행거와 콘스탄트 행거동작점 취득단계에서 취득한 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시거리 이동량, 상기 지지대 배관계 표시거리 이동량 산출단계의 지지대 배관계 표시거리 이동량, 상기 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량 산출단계에서 취득한 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량을 대신하는 배관계 표시거리 이동량 산출방법으로 대치할 수 있다.
각 배관지지점에 작용하는 실제 하중과 상기 배관지지장치의 성능변화 여부를 파악하기 위하여 현장에 설치되어 있는 배관지지장치에 유압을 인가하여 각 배관지지장치별로 하중-변위 선도를 측정하여 나타난 하중-변위 선도의 불연속점을 작용하중으로 정하고, 하중-변위의 변화곡선을 배관지지장치의 성능특성으로 평가하는 배관지지장치 성능평가 단계는 다음과 같이 실시한다.
본 배관지지장치 성능평가 단계는 스프링 행거와 콘스탄트 행거가 현장에 설치되어 있는 상태에서 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 스프링 행거와 콘스탄트 행거 성능특성 취득 단계이다.
장기 운전의 결과 필수적으로 수반되는 재료의 열화와 고장등에 의한 배관지지장치의 성능변화여부를 파악하기 위하여 상기 배관지지장치가 현장에 설치되어 있는 상태에서 상기 지지 장치의 성능을 평가하는 성능특성 취득 단계는 특허 10-0290553 (2001년03월03일, 배관에 설치된 상태에서의 행거 하중측정 및 건전성 평가 장치 및 방법)을 따라 하중-행거로드 변위를 주요 측정인자로 하여 실시하며 배관지지장치에 유압장치와 거리측정장치를 주 측정장치로 만든 상기 특허에 따라 배관지지장치에 작용하는 하중과 변위 곡선을 그리고, 상기 하중-변위 곡선이 직선화되지 않는 불연속점에 하중선도를 직선으로 그려 나타난 값을 작용하중으로 본다. 배관지지장치의 하중-변위 특성곡선은 배관지지장치의 성능을 나타내는 것으로서 배관지지장치 성능특성 곡선을 나타낸다. 본 분야는 이미 상업화되어 있는 기술이므로 이 분야 통상의 기술을 소유한 엔지니어는 누구나 실시할 수 있으므로 더 이상 설명하지 않는다.
현장에 설치된 지지대와 리지드 행거에 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 방법을 적용하여 지지대와 리지드 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 지지대와 리지드 행거의 성능 특성 취득단계는 다음과 같이 실시한다.
상기 배관지지장치가 상기 고온고압배관를 지탱하고 있는 지지대 하중 및 리지드 행거 하중을 평가하는 단계(하중 평가단계)는 행거 성능특성 취득단계와 동일한 표현으로 또한 상기 특허 10-0290553 (2001년03월03일, 배관에 설치된 상태에서의 행거 하중측정 및 건전성 평가 장치 및 방법)인 행거하중 측정방법을 따라 실시하면 된다.
상기 특허 10-0290553는 배관지지장치가 배관계의 자중을 지지하고 있는 상태에서 배관지지 장치에 추가적인 하중을 인가하고 그에 따른 배관지지장치의 스프링과 같은 탄성체의 길이의 변화를 측정하여 행거로드 하중-실제 길이변화를 기록, 측정된 배관지지장치에 현재 작용하고 있는 실제 하중과 측정된 배관지지장치의 행거로드 하중-실제 길이 변화특성표를 만들게 됨으로서 결국 측정된 배관지지장치의 성능표를 얻게되어, 배관지지 장치가 운전한지 10년, 20년과 같은 장기간의 운전결과로 열화 또는 다른 요인에 의하여 동작특성이 변화하였어도 해당 배관지지 장치에 작용하는 행거로드 하중과 향후 발생할 하중-길이변화 특성을 보여주게 된다. 본 발명에서는 반드시 상기 특허만을 본 배관지지장치의 성능평가 방법으로 제한하지는 아니하지만, 본 발명에서 일 실시예로 거론 한 이유는 현재까지 상기 방법이 본 발명을 구현할 수 있는 유일하게 상업화 되어있는 방법이기 때문이다. 앞으로 어떤 방법을 사용하든지 설치되어 운영중인 배관계를 지지하고 있는 배관지지장치의 현재 실제 작용 하중과 하중-행거로드 변위 특성을 나타낼 수 있는 방법이면 본 발명을 실시하는 데 배관지지장치의 성능평가 방법으로 사용할 수 있다.
상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고
상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며,
상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 하여,
상기 배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타와 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 상기 실제 하중과 상기 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출단계는 다음과 같이 실시한다.
본 발명의 서두에 정의된 용어의 설명에서 나타난 바와 같이 실제하중은 행거에작용하는 실제 하중이므로 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고, 상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며, 상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 한다.
배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타등과 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함한 구조해석용 물리적 상수와, 상기 스프링행거와 콘스탄트 행거 성능특성 취득단계에서 취득한 하중과 상기 지지대와 리지드 행거의 성능특성 취득단계에서 취득한 하중과, 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거동작점 취득단계에서 취득한 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시거리 이동량, 상기 지지대 배관계 표시거리 이동량 산출단계의 지지대 배관계 표시거리 이동량, 상기 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량 산출단계에서 취득한 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량을 입력으로 하여 재료역학적 연속보 해석방법으로 모든 배관 지지점과 모든 배관지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 계산한다.
상기 배관지지장치의 성능평가 단계를 이행하고 나면 배관지지 장치의 이동 지시자가 표시하는 하중이 열화등에 의하여 착오 표시되는 것을 수정하여 실제 하중으로 나타내게 되고, 리지드 행거나 지지대와 같이 하중을 표시할 수 있는 이동지시자가 없는 배관지지장치에도 작용하는 하중을 알수 있게 되어 관심있는 배관계에 설치된 모든 배관 지지점에 작용하는 하중을 정확히 알게된다. 여기에다 각 배관 지지점에 작용하는 두 관심 시점(상온 운전시작 시점과 고온 운전상태에 이른 시점 또는 발전소 시운전 시점과 발전소 운전 5년후 시점등)에서의 배관 지지점에 걸리는 하중과 상기 배관 지지점의 상대적 이동량(파이프와 배관지지장치 사이의 이동량)을 정확히 알 수 있게 된다. 이 두 관심 시점에서의 배관 지지점의 실제 하중과 실제 거리 이동량은 다음 배관계 신뢰성 데이터 산출단계의 입력자료가 된다.
배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타등과 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수등의 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 행거로드 하중과 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 모든 배관지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 평가하는 신뢰성 데이타 산출단계는 배관계의 신뢰성 평가를 위한 신뢰성 평가지표를 배관계 전체에 대하여 산출함으로서 배관계의 어느 점이, 어느 배관지지장치가 있는 곳이 손상 또는 사고의 위험이 가장 높으며, 배관계 전체의 평균 신뢰성은 얼마나 되는지를 알수있도록 하기 위함이다.
상기 재료역학적 연속보 해석방법은 배관지지장치의 성능평가단계에서 구해진 배관 지지점별 행거로드 작용하중 및 실제 거리 이동량을 기본 입력자료로 하고, 배관계의 형상을 3차원 아이소메트릭 도면(Isometric Drawing)으로부터 형상입력을 하면서 배관의 재질, 내경, 외경, 탄성계수 및 열변형율등을 추가로 입력하여 재료의 이동과 하중의 상관관계를 기초로 배관계를 유한요소로 나눈 모델에 대하여 배관 지지점을 포함한 배관계 전체에 대하여 반력 및 처짐량, 즉, 응력 및 변형율을 구한다.
상세한 반력 및 처짐량의 계산 방법은 다음과 같이 수행할 수 있다. 파이프에 자중과 외력이 작용할 때 파이프 재료에 미치는 반력을 계산하기 위해서 배관지지점
로 지지된 임의의 두 인접 스팬을 분석할 때 두 스팬의 길이들을 
이라 하고, 세 지점에 걸리는 3개의 과잉 굽힘 모멘트를 각각
이라 하고, .왼쪽 파이프의 
지점 에서의 접선이 회전하는 각을 
, 오른쪽 파이프의 지점 
에서의 접선이 회전하는 각을 
이라 하고, 모멘트 
의 방향과 일치하는 회전각을 (+)로 생각하면서 적합방정식을 구하면
를 각 스팬에 작용하는 외부하중과 양단모멘트의 항으로 표시하고 모멘트 면적법을 사용하여 정리하면 다음과 같다.
또 배관계 n에서 변형량
은 다음과 같이 구할 수 있다.
각 지지점에 걸리는 반력은 위에서 구한 자중, 외력에 의한 지지점에서의 반력과 앞으로 각 구속 조건에 대해 열영향등을 고려한 지지점에서의 반력을 중첩시켜서 구할 수 있으며, 이는 통상적으로 상업용 구조해석프로그램이나 유한요소법을 이용한 배관계 구조해석을 통하여 구할 수 있다.
배관계 환경과 배관계 재질에 따르는 허용 변형율이나 허용 응력에서 상기 신뢰성 데이터 산출단계에서 각각의 배관지지점별로 계산된 변형율이나 응력값을 빼낸 값이 마이너스(-)인 것을 추출하고, 이 마이너스 부분 만큼의 변형율이나 응력을 감소시키는데 필요한 배관지지점에서의 하중변화량을 상기 신뢰성 데이터 산출단계의 역순으로 컴퓨터를 이용하여 계산, 취득하는 배관지지장치 교정값 취득단계는 다음과 같이 실시한다.
이 배관지지장치 교정값 취득단계는 신뢰성이 낮은 배관지지점을 찾아내되 신뢰성 지표인 변형율이나 응력은 배관지지장치에 어떤 영향을 미치는 지를 나타내는 항목이 아니기 때문에 배관지지장치를 수리하거나 교정할 수 있는 항목으로 표시하기 위하여 배관지지장치에 인가된 하중이나 거리이동량을 바탕으로 응력과 변형율이 나왔던 것인만큼 이를 역으로 계산하여 조정할 응력이나 변형율이 얼마라면 이에 대응하는 하중이 얼마라는 것을 산출할 수 있으므로 이를 수학적으로 해석하는 단계이다.
배관의 신뢰성 데이터를 산출한다는 것은 배관의 신뢰성을 평가한다는 것과 같은 의미로 배관이 파괴에 이르는 시점에 비하여 얼마나 멀어져 있는지를 계량화하는 작업이다. 배관지지 장치가 위치해 있는 모든 배관 지지점에서의 조합응력이나 처짐/굽힘량을 산출하고 이를 상기 배관계가 파괴에 이를 시점에서의 조합응력이나 처짐/굽힘량과 비교하여 그 차이가 크면 클수로 배관계는 신뢰할 만 한 것이고, 그 차이가 적으면 적을수록 배관계는 건전성을 상실해 간다고 할 수 있다. 허용응력이나 허용변형율이란 재료가 파괴에 이를 시점에서의 응력이나 변형율을 어느정도의 안전도를 고려하여 여유있게 설정한 값이다.
상기 허용응력이나 상기 허용변형율은 재료의 조건을 고려하여 이미 산업계에 잘 알려지 ANSI B31,1 Power Piping에 나타난 배관재료의 허용응력이나 재료의 파괴 기준인 Tresca 응력이나 Von-Mises 응력등에 해석하고자 하는 대상의 크립이나 피로특성등이 감안된 운전이나 수명조건등을 고려하여 적절한 여유를 두어 결정한다. 이렇게 하여 정해진 허용응력이나 허용 변형율을 상기 유한 요소상의 각 배관 지지점에서의 산출 응력 및 변형율과 비교함으로서 허용 응력 대비 산출응력의 차이가 크면 건전성이 높고, 허용응력대비 산출응력의 차이가 작으면 건전성이 낮다고 평가할 수 있으며, 같은 논리가 변형율에도 적용된다.
허용응력이나 허용변형율과 같은 허용치와 배관지점별로 계산된 응력이나 변형율인 산출치 사이의 간격이 큰 것을 배관계 전체에 대하여 균일하게 함이 배관계의 신뢰성에 좋으므로 신뢰성이 낮은 것을 낮은 순서대로 배열하여 신뢰성을 높혀 주어야 한다. 신뢰성이 매우 낮은 것부터 신뢰성을 높이기 위한 계수적 평가를 하여야 하는 데 신뢰성이 낮은 것을 어느정도 높일 수 있는가는 전체 배관지지 장치가 전체 배관계의 무게 또는 하중을 얼마나 감당하여야 하는 가로 결정할 수 있다.
배관계 전체의 신뢰성 측면에서는 전체 배관계 배관 지지점에 작용하는 응력레벨이 전체 배관 하중을 전체 배관 지지점으로 나누어 나오는 응력 레벨로 할 수 있도록 할 경우 전체 배관계의 신뢰성, 즉 수명을 최 장기화 시킬 수 있다. 이렇게 배관의 전체 수명을 연장시킬 수 있도록 응력레벨의 분산을 최소화 시킬 수 있도록 범위를 정하여 각 배관 지지점에서의 응력에 대응하는 하중이 되도록 하중을 증가시키거나 감소시키도록 하중 조정량을 결정한다.
상기 배관지지점에서의 하중변화량을 각 배관지지장치별 하중교정절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계는 다음과 같이 실시한다.
상기 배관지지장치 신뢰성 회복 단계는 조정할 하중량 만큼 배관지지장치의 상태를 변경하여 주는 것으로 스프링행거의 경우 스프링 전체길이를 조정하고, 콘스턴트 행거의 경우 링크기구를 조정하고, 리지드 행거의 경우 행거로드의 길이를 조정하며, 기타 지지대의 경우에는 지지대의 높이를 조절하는 방법이 기본이나 각 배관지지장치의 제조회사별로 약간씩의 차이가 있는 바 이는 배관지지장치 제작자가 만든 사용자 지침서를 따라야 한다.
이상과 같이 배관계의 배관지지 장치에 작용하는 하중을 조정한 후 배관계가 다시 운전조건이 되면 다시한번 배관지지장치의 동작점을 다시한번 측정하여 표시하중과 표시거리 이동량을 조사하고 모든 배관지지장치가 정상 가동중에 있는지를 확인하여야 한다.
이렇게 함으로서 [도 6]의 (1)과 같이 배관이 굽고 처진 상태를 [도 6]의 (2)와 같이 바르게 함으로서 배관계 전체에 작용하는 하중이나 응력을 골고루 퍼지게 하여 배관계의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
배관지지장치 : 고온고압배관을 지지하고 있는 지지장치로서 스프링행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거 및 지지대를 말한다. 통상적으로 지지대라하면 리지드행거를 포함하지만 본 발명에서는 리지드 행거를 제외한 지지대를 지지대라하고, 리지드 행거는 별도로 구분하였다. “모든 배관지지장치”라 하면 고온고압배관에 상기 스프링 행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거 및 지지대가 모두 설치되어 있는 상태에서 이 모든 상기 4가지 지지장치 각각을 말한다.
배관지지점 : 상기 배관지지장치가 상기 고온고압배관을 지지하고 있는 위치를 말한다.
(배관지지장치의) 동작점 : 모든 배관지지장치는 배관의 무게를 지탱하고, 배관의 열변형이나 배관 내부 유체의 유동에 의한 내력이나 풍압등과 같은 외력에 의하여 배관자체가 움직이게 되는 바 모든 배관지지장치가 설치되어 있는 지지점에서의 배관지지장치에 걸려있는 하중(또는 반력)과 상기 지지점에서 배관이 이동하는 이동량중에서 어느 특정한 시점에서의 하중과 이동량을 나타낸다. 예를들어 “콘스탄트 행거 5번의 고온상태에서의 동작점을 측정하였다”라고 함은 “배관계가 고온인 상태에서 콘스탄트 행거 5번의 이동량은 어느 특정시점(일반적으로 저온상태)과 비교하여 얼마의 배관이동량이 있었고, 당시 지지하중은 몇톤이었다”라는 것으로 고온상태에서의 이동량과 지지하중이 산술적으로 측정되었음을 의미한다.
표시하중, 표시 거리 이동량 : 배관지지장치에서 지시하고 있는 하중 및 이동량으로 배관지지장치 자체가 신뢰성이 없을 경우 상기 하중 및 이동량은 정확하지 못하게 된다.
정확한 하중, 정확한 거리 이동량 : 실제 배관계에 걸려있는 정확한 하중 및 정확한 거리이동량이지만 이는 인간의 공업적 수단으로서는 측정이 불가능한 것이어서 본 발명에서는 인간이 구현할 수 있는 최고 수준의 정밀도를 갖는 하중과 거리이동량을 말한다.
실제 하중, 실제 거리이동량 : 본 발명에서는 상기 정확한 하중 및 정확한 거리 이동량과 같은 의미를 갖도록 하기 위하여 배관지지장치 분야에서 최고의 정밀도를 나타내는 배관지지장치 성능평가를 통하여 얻어진 하중과 본 발명에서 개발된 거리이동량 측정수단을 통하여 얻어진 거리이동량을 말한다. 그러므로 실제하중 및 실제 거리이동량은 본 발명에 의하여 개발된 방법으로 얻어진 것으로 현재까지 구현할 수 있는 가장 정확한 하중과 가장 정확한 거리이동량을 말한다.
발명의 상세한 설명
화력발전소는 보일러(B)에서 발생된 증기를 터빈(T)으로 보내어 터빈날개를 회전시킴으로서 발전기를 구동할 수 있는 동력을 얻게 된다. 보일러에서 터빈으로 증기를 보내는 방식은 통상 합금강을 주 재료로 하는 배관내부를 흐르게 된다. [도 1]은 화력 발전소의 보일러(B)와 터빈(T), 이들을 연결하는 배관의 한 사례를 나타내고 있다. 통상 화력발전소는 보일러에서 발생된 증기를 주증기 헤더(MH)에 모아 주증기관(M)을 통하여 터빈으로 보내고, 터빈으로 인입된 증기는 터빈 날개를 돌려 일을 하는 도중 발전효율을 향상시키기 위하여 보일러로 다시 증기를 보내도록 재열증기관(RP)을 통하여 보일러로 다시 보내어져 보일러에서 다시 한번 가열된 증기가 재열증기 헤더(RH)를 거쳐 터빈으로 다시 들어오게 되는 배관형태로 구성된다. 실제 발전소에는 증기의 방향이 터빈에서 보일러로 흐르는 저온(Cold) 재열증기관과 보일러에서 터빈으로 흐르는 고온(Hot) 재열증기관으로 두 개의 배관이 있어 재열증기관(RP)이 두 개로 나타나야 하지만 본 기술적 개념이 본 특허의 실시에 중요한 사항이 아니 되므로 실시자의 이해를 돕기 위하여 하나의 재열증기관으로 표시하였다.
상기 발전용 주증기관은 배관 내부를 흐르는 증기의 온도가 180kg/cm2, 540℃여서 높은 온도와 압력에도 배관이 파열하지 않고 건전한 상태로 20년에서 60년정도를 운전할 수 있도록 두꺼운 합금으로 제조되어 있다. 본 발명은 상기 발전용 주증기관과 같이 높은 온도와 높은 압력의 유체를 수송하는 배관의 건전성을 측정하고, 건전성을 저해하는 인자가 있을 경우 건전성을 회복하는 방법에 관한 것이다. 그러므로, 이제부터는 본 발명에서만 언급할 용어로서 상기와 같이 파이프 안에 높은 온도와 높은 압력의 유체를 수송하는 것을 ‘고온고압배관’이라 하겠다. 상기 높은 온도와 높은 압력에 대한 구체적인 범위를 설정하여 어디까지는 고온이니 이 발명의 적용대상이 되고, 어디까지는 아니다라고 정의하지는 않을 것이지만 본 발명에서 고온이라면 통상적으로 상온을 넘어서는 것을 말하고, 고압이란 통상적으로 대기압을 넘어서는 것을 말한다. 그러나, 상온과 대기압의 배관도 본 발명의 적용에 있어 차이를 나타내는 것은 아니므로 본 발명은 고온고압에만 국한되는 것이 아니고, 전 온도와 압력의 범위에서의 배관에 적용된다고 할 수 있다. 그러나, 고온고압 배관에서는, 그것도 발전소와 같이 높은 온도, 높은 압력에서는 본 발명에 의한 기술의 적용 필요성이 매우 현저하게 나타나므로 좀 더 나은 이해를 위하여 ‘고온고압배관’이란 용어를 사용하고자 한다.
상기 고온고압배관은 배관계의 무게를 지탱하고 배관계의 외력에 의한 변형을 흡수할 수 있도록 행거(Hanger) 및 지지대(Support), 리지드 행거(Rigid Hanger)와 같은 배관지지 장치에 의하여 보호되고 있다. 상기 ‘배관계’란 파이프로 구성된 배관, 보온을 위하여 상기 파이프를 감싼 보온재, 상기 배관에 연결된 밸브 및 제어장치, 배관내 흐르는 유체의 특성을 균일화하기 위한 스팀트랩이나 스트레이나등 유체를 수송하기 위하여 구성된 파이프와 파이프 부속장치 일체를 말하는 것으로 고온고압배관의 최초 설계시 배관에 용접이나 볼트와 같은 체결기구에 의하여 일체화된 것들로 펌프나 열교환기와 같은 대형설비를 제외한 부분을 지칭한다. 상기 배관계는 대형 기기와 다른 대형 기기를 연결하는 기능을 하게 되는 데 펌프에서 나와 열교환기까지 연결되어 있는 배관계라거나, 열교환기에서 보일러에 이르는 배관계라든가 하는 식으로 표현되고 있다.
이러한 배관계는 배관계 양단이 대형 기계설비와 연결되게 되어 있는데 이 대형설비와 배관계 끝을 연결하는 접합부가 지표면 또는 건물바닥보다 높아 상기 배관계는 공중에 위치하게 된다. 발전소와 같은 대형 플랜트는 상기 대형 기계설비들 간의 간격이 수 m에 이르는 경우가 많아 상기 배관계를 공중에 놔 둘 경우 배관계는 배관계 자중에 의하여 심한 처짐현상을 경험하게 된다. 이 처짐은 상기 배관계에 굽힘응력을 유발시켜 설비 신뢰성을 현저히 저하시키므로 상기 배관계에 처짐이 발생하지 않도록 하기 위하여 상기 배관계의 적절한 거리마다 배관지지 장치를 설치하여 상기 배관계가 일정한 위치를 유지에서 고정되도록 하고 있다.
상기 배관계를 일정한 위치마다 고정하는 장치를 ‘배관지지 장치’라 하는데 이는 행거(Hanger) 또는 지지대(Support)로 대별된다. 행거는 파이프를 지지하는 고정점이 파이프의 상부에 있는 것을 말하고, 지지대는 파이프를 지지하는 고정점이 파이프의 하부에 있는 것을 말한다. 그러나, 본 발명에서는 배관계의 이동에 따라 배관지지장치에서 당해 이동량이 직접 표시되는 등 동작특성이 유사한 스프링행거와 콘스턴트 행거는 ‘행거’로 표시한다. 배관계의 이동에 따라 배관지지장치에서 당해 이동량이 직접 표시되지는 않는 종래의 리지드 행거는 본 발명에서도 리지드 행거라 하고, 종래의 기술에서 통상 써포트로 분류하는 지지대중 리지드 행거를 제외한 것을 ‘지지대’로 호칭하겠다. 그러므로 통상의 기술자들은 배관계의 지지장치를 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대(리지드 행거가 포함됨)로 분류하나, 본 발명에서는 배관계를 지지하고 있는 지지장치를 스프링행거, 콘스탄트 행거, 리지드 행거(Rigid Hanger) 및 지지대로 분류한다. 본 발명에서는 배관지지장치가 배관계 파이프를 지지하는 고정점을 ‘배관 지지점’이라 하겠다. 그러므로, 배관 지지점은 행거나 지지대가 배관위에 설치되어 있는 위치로서 행거나 지지대의 배관 축방향 중심점을 의미한다. 이러한 행거나 지지대도 운전기간의 경과에 따라 재료의 열화등의 요인으로 스프링특성이 변화하거나 부품간의 동작 링크기구의 손상, 침식과 부식등에 의하여 동작특성이 변화한다. 스프링을 사용하는 행거의 경우 스프링이 열화되거나 균열등이 발생하면 행거의 하중-길이 특성이 달라져 이동지시자(P)가 나타내는 하중과 이동거리가 실제와 달라지게 된다. 이렇게 행거나 지지대가 실제 하중과 실제 이동량과 차이가 나도록 지시되는 경우는 배관지지장치가 배관계에 미치는 힘과 변위의 정확한 평가가 불가능해지므로 배관지지장치의 정확한 성능특성이 확인되어야 비로소 배관계에 미치는 힘과 변위를 정확히 산출할 수가 있다. 여기서, 배관지지장치가 사용된지 오래되어 배관지지장치의 성능특성이 재 확인되지 않은 상태에서 나타난 이동지시자(P)의 위치는 신뢰성이 결여된 상태의 값이므로 이를 단지 표시되는 값이라는 의미의 ‘표시하중, 표시거리 이동량’이라하고, 배관지지장치의 성능이 재확인되어 정확한 하중과 정확한 거리 이동량으로 산출되었을 경우에는 ‘행거로드 하중, 실제 거리이동량’이라 구분하여 표현하겠다. 기타 상기 행거나 지지대와 같은 배관지지 장치는 배관기술자라면 누구나 알 수 있는 일반적인 설비이므로 그 구조등에 대하여서는 본 발명에서 더 이상 설명하지 않겠다.
상기 배관계는 파이프를 구성하는 합금성분의 무게, 파이프 안에 가득찬 유체의 무게를 포함한 상기 배관계를 구성하는 모든 구성품마다 자중이 있다. 이러한 배관계 구성품 전체의 자중을 ‘배관계 자중’이라 하겠다.
그러므로, 상기 배관지지 장치는 상기 배관계 자중을 배관계의 전 길이에 걸쳐 일정한 간격으로 떠받치고 있는 설비라 할 수 있는데 이 배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관 안의 유체 온도에 의한 열팽창과 배관안의 압력이나 배관 밖의 풍압이나 적설등 ‘배관계 환경’에 의한 배관의 직경변화와 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.
배관지지 장치 간의 간격은 두 개의 인접한 지지장치 사이에서 배관이 내압, 自重 및 외력에 의하여 발생되는 조합응력이 발전소의 수명기간내에 연속운전을 할수 있는 허용응력의 범위 내에 있도록 하는 양 지지점 사의의 처짐량 또는 지지점에서의 굽힘량으로 제한하고 있다. 배관의 처짐량 또는 굽힘량은 구조 재료의 변위가 발생되었음을 의미하며 이는 하중, 변위, 응력의 상관관계에 의한 기계공학의 재료역학 이론에 따라 배관 재료 내부에 응력 발생을 유발하게 된다. 이 응력이 적절한 범위 내에 있으면 좋지만 일점 범위를 넘어서면 결국 재료는 파괴하게 되므로 이 처짐량이 일정 범위를 넘어서면 배관은 균열이 발생되거나 팽윤등에 의하여 파괴되게 된다.
배관계의 건전성만을 고려한다면 배관지지장치간의 간격을 영(0)으로 할 경우 배관계의 파이프에 굽힘이 발생하지 않아 굽힘응력이 영(0)이 되어 가장 높은 신뢰성을 얻게 된다. 하지만, 이 경우 배관지지장치 건설비가 높아 경제성이 없어진다. 그러므로, 배관지지장치간의 간격을 늘려 지지장치의 수를 줄임으로서 파이프에 작용하는 굽힘응력이 배관계의 수명기간을 운전할 수 있는 허용응력범위가 되는 경제적인 설비가 되도록 정하게 된다. 이는 배관 지지장치간의 간격을 적절히 유지하여 배관의 어느 위치에서도 각 점에 인가되는 조합응력이 설비의 수명기간 내에 파괴의 범위를 넘어서지 않도록 하는 것으로 이는 배관계가 건전성을 확보하고 있다고 평가하는 것이다.
재료의 파괴는 조합응력이 일정 범위를 넘어서면서 발생된다. 응력은 변위의 함수이므로 발전용 배관의 경우 재료의 파괴는 변위가 일정 범위를 넘어서면 파괴된다고 할 수 있다. 그래서 발전용 배관의 기술규격인 ANSI B31.1(Power Piping)에서는 배관의 건전성을 굽힘응력을 일정범위 내에 제한하거나 배관의 처짐을 일정 범위 내에 두도록 하고 있다.
발전소는 통상적으로 고온의 증기나 물, 고온가스등을 파이프 안으로 흘려보내게 되는 데 발전소의 운전기간이 경과하면서 고온고압배관은 뜨거운 온도와 높은 압력이 계속해서 인가되거나, 높은 온도와 높은 압력이 작용하다가 상온, 대기압으로 떨어지기도 하고, 어떤 경우는 고온고압에서 상온 대기압이 되었다가 다시 고온고압이 되는 등 온도와 압력이 사이클 변화를 하게 되는 경우가 있다.
발전소는 발전기와 연결된 전국의 전기 사용량의 변화에 따라 기동과 정지를 반복하게 된다. 발전소가 기동과 정지를 반복하면 배관재료는 피로를 받게 된다. 이 배관재료가 피로를 받게 되면 배관의 허용응력이 감소하게 된다. 또, 발전설비는 고온에서 운전되게 된다. 이 고온에서 장기간 운전되게 될 경우 배관재료는 크립(Creep)의 영향을 받아 배관이 늘어나게 된다. 또, 장기 사용한 발전소는 배관내부에 침식의 영향으로 배관의 두께가 감소하는가 하면 부식의 영향으로 배관의 두께가 증가한다. 여기에 보온재의 습분 함량의 변화에 따라 배관의 단위 길이당 중량이 변화하며, 장기간 사용 중 사이클 효율을 개선하거나 진동 문제등을 해결하기 위하여 밸브와 같은 설비를 변경하기도 한다. 그러므로 발전용 배관은 다음과 같은 항목이 운전기간의 경과되면서 건설당시와 비교하여 달라지게 된다. 예를들면 건설당시에는 5 kg/cm2의 증기를 흘려보내던 배관에 운전한지 5년이 지나면서 15 kg/cm2의 증기를 흘려보낸다던가, 건설당시에는 배관 내부가 깨끗했는데 5년이 지난 후에는 배관 안이 두꺼운 스케일이 끼어 있다든지 하는 등 다음과 같은 항목들이 인위적으로 또는 원하지는 않지만 운전의 결과로 사용 기간이 경과하면서 처음 운전을 시작할 때와 상태가 달라지게 되어 배관계 재질의 건전성을 변화시키게 된다.
- 유체 자체
- 유체의 내압
- 유체의 온도
- 침식, 부식, 또는 스케일(Sacle)의 부착, 탈락
- 피로
- 크립
- 보온재의 습분함량
- 설비개선등을 통한 배관의 길이나 두께, 밸브 특성이 다른 것으로의 변경등을 통한 자중
- 정상적인 유체의 유동에 의하여 유체가 배관계 내부에 미치는 힘과 햄머링과 같이 비정상적으로 유체가 배관계 내부에 미치는 힘 및 적설이나 풍압과 같이 배관계 외부에 미치는 힘을 총칭하는 외력
- 행거 특성 변화 또는 고장
위와 같이 배관계의 파이프 안팎으로 설비의 운전과 관련하여 파이프의 건전성에 영향을 미치는 인자들을 종합하여 본 발명에서는 ‘배관계 환경’이라 지칭하고자 한다. 그러므로, 앞서 표현한 “배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관 안의 유체 온도에 의한 열팽창과 배관안의 압력이나 배관 밖의 풍압이나 적설등 ‘배관계 환경’에 의한 배관의 직경변화와 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.”는 말은 “배관계에는 배관계 자중에 의한 배관의 처짐과 굽힘이 발생하고, 배관계 환경에 의한 열팽창, 배관의 직경변화, 배관의 길이 변화, 이웃하는 배관 지지점과 배관 지지점 사이에서의 굽힘 등이 발생한다.”로 대치할 수 있다.
일반적으로 고온고압배관은 설비의 기동정지에 따라 배관계의 온도가 상온에서 고온으로 변화하면서 파이프의 길이가 [도 2]에 나타난 바와 같이 팽창하게 된다. [도 2]의 (1),(2)에 있는 상부 수평선은 배관지지 장치가 고정되어 있는 H-빔이나 건축물의 보와 같은 것을 의미하고, 하부 굵은 선은 왼쪽이 고정된 파이프를 나타내는 것으로, [도 2]의 (1)에 있는 하부 굵은 선의 상온상태의 파이프가 고온이 되면서 [도 2]의 (2)의 하부 굵은 선의 고온 상태 파이프로 늘어나면서 EXT만큼 팽창한 것을 나타낸다. 이 팽창량 EXT는 상온과 고온사이의 단기적 운전조건에 따른 열팽창량과 크립에 의한 장기적 팽창량과 외력에 의한 탄소성 팽창량을 합한 량이 된다. 발전소가 운전을 하다가 정지하게 되면 발전소는 상온 상태가 되는 데 이 경우에는 열팽창량은 없어져 영(0)이 되고, 크립에 의한 팽창량은 그대로 남아 있으며, 외력에 의한 탄소성 팽창량은 기동전후의 변화량에 따라 잔존하게 된다. [도 2]의 (1)은 상온상태를, (2)는 고온 상태를 나타내며, 1,2,3,4는 배관지지장치를, a,b,c,d는 상온에서 상기 배관지지장치 1,2,3,4의 하부가 배관계와 일체화된 위치를 나타낸다. a',b',c',d'는 고온에서 상기 배관지지장치 1,2,3,4의 하부가 높은 온도에 의하여 팽창된 배관계와 일체화된 위치를 나타내는 것으로서 [도 2]의 (1)의 a,b,c,d점이 파이프의 팽창과 함께 이동한 것이다.
[도 2]에서 보이는 바와 같이 배관계 환경의 변화에 따라 배관계의 길이가 변화하면 상기 배관계의 배관지지 장치의 지지각(支持角, 통상적으로 배관지지 장치의 상부고정점에서 내린 수직선과 행거로드(Hanger Rod)축(軸) 선사이의 각도)도 g1,g2,g3,g4와 같이 변화하게 된다. 배관지지 장치의 지지각이 변화하면 배관계 무게에 변화가 없어 배관지지 장치의 지지하중은 동일하다 하여도 행거의 지지하중은 각도가 변화한 벡터의 합력 또는 분해에 따라 지지하중량이 달라지게 된다. 이는 배관계의 자중은 아무런 변화가 없어도 배관계의 길이가 달라지면 이 배관계를 지지하고 있는 배관지지장치의 지지하중 값은 달라짐을 나타낸다.
그런데, 배관계에 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계 자중이 변화할 경우에는 배관계 파이프의 처짐량이 [도 3]과 같이 변화한다. 간단한 예로 [도 3]의 배관계에 배관지지장치 2,3 사이 파이프에 WT만큼의 자중이 늘어났다면 이 자중으로 배관은 wp 위치에서 delta만큼 처지게 되고, 이 처짐량은 이 처짐이 발생한 파이프구간의 양단을 지지하고 있는 b', c' 위치에서 파이프의 굽힘을 유발하여 굽힘응력을 발생시킨다. 이렇게 자중이 증가할 경우 당연히 이 자중이 증가된 구간을 지지하는 배관지지 장치(여기서는 2,3)에 인가되는 지지하중은 상대적으로 늘어난다. 이러한 상태에서 배관지지장치의 상태표시점인 하중표시점을 보면설계하중보다 하중이 증가되어 있으므로 이 증가된 만큼의 하중을 감소시키는 작업을 하는 것이 종래의 기술이었다. 그러나, [도 3]의 배관지지장치 2,3번에 걸려있는 하중을 감소시키면 이는 곧바로 주변 배관지지장치 1,4 또는 1,4번에 이웃한 배관지지장치로 하중이 전이되게 된다. 이 경우 하중이 전이된 배관지지장치의 지지점이 있는 배관계 파이프 재료는 지지하중이 늘어난 만큼 반력이 늘어 파이프의 굽힘변형이 늘고, 이는 굽힘응력을 증가시킨다. 이는 배관계 환경변화가 배관계 파이프에 추가적 응력을 걸리게 하여 앞서 2,3번에 하중을 감소시키기 전과 유사한 신뢰성, 즉 시운전시보다 배관계 환경의 변화로 인하여 신뢰성이 낮아지게 된다.
고온고압배관이 장기간 운전될 경우 부식, 침식, 크립, 피로등 배관계 환경에 의하여 처음 시운전시 건전하던 상태가 균열이 발생한다거나 팽윤, 팽출등 문제점이 발생한다. 이런 문제점은 갑자기 발생하는 것이 아니라 배관계 환경에 따른 시간의 경과와 함께 점진적으로 나타나므로 운전 중인 배관계의 상태를 평가할 경우 현재의 상태가 사고가 날 상태에 얼마나 접근해 있는지를 알 수 있게 된다. 이렇게 사고가 날 상태에의 접근성을 배관의 신뢰성이라 하며, 장기 운전에 따르는 배관게 환경의 변화로 인하여 재료가 파괴되는 사고가 나버릴 경우 배관의 수명이 다했다고 한다.
고온고압배관은 운전기간이 경과하면서 배관계 환경이 바뀌게 되어 크립, 피로등에 의한 파이프 재질의 내성이 감소하게 되는 데, 설비를 운영하면서 배관계의 외부를 육안으로 점검하는 것 만으로서는 배관계의 재료내부 상태를 알 수가 없다. 배관계의 재료 내부는 외부에서 작용하는 모든 배관계 환경에 따라 최종적으로는 배관계 재료 내부에 변형율이 커지게되고, 이 변형율은 응력의 변화에 의하여 발생되며, 이 응력은 외부임이 인가되어 발생된다. 결국 배관계에 변형율을 유발시키는 것은 배관계 환경이다. 그러나, 설비의 가동에 따라 배관계 환경은 변화하지만 이를 육안으로서는 알 수가 없다. 따라서, 배관계 환경이 배관계의 파이프등에 미치는 재료내부의 영향력, 즉 재료내부의 변형율이나 응력상태를 알기 위해서는 배관계에 인가되는 외력, 즉 힘의 정도를 알면 된다.
이 힘은 배관지지장치에 걸려 있는 행거나 지지대에 걸려있는 하중, 즉 행거나 지지대에 걸려있는 힘의 량으로 종합된다. 그러므로, 배관계 환경이 변화하면 배관계를 지지하고 있는 행거나 지지대 각각의 지지하중이 건설 직후 조건인 시운전 당시와 달라지게 된다. 배관계의 어느 구간은 부식에 의하여 자중이 무거워지고, 어느 구간은 침식에 의하여 가벼워지고, 어느 구간은 설비를 바꾸어 무게가 가벼워지는 등 배관계 환경의 변화로 행거 및 지지대가 설치되어 있는 배관의 구간구간별로 행거나 지지대의 지지하중이 시운전시와 달라지게 된다. 통상 고온고압설비의 운영자들은 배관지지장치를 일정기간마다 점검하여 배관지지장치의 표시하중이 시운전시와 다를 경우, 또는 설계값과 다를 경우 이를 설계값으로 복원시킴으로서 고온고압배관의 상태를 시운전시의 상태, 즉 설비의 건설직후 상태로 복원시키게 된다. 그러나, 고온고압배관이 장기간 운전되어 배관계 환경이 바뀔 경우, 즉 어느 부위의 파이프의 무게가 가벼워 졌을 경우에는 당해 배관지지장치가 지지하고 있는 하중도 가벼워져야 파이프 재료내에는 건설당시와 동일한 응력이나 변형율이 작용하게 된다. 이에 본 발명에서는 고온고압배관이 장기간 운전에 의하여 배관계 환경이 바뀔가능성이 있는 배관계에 대하여 배관계의 하중상태를 건설직후 상태로 복원하여 현재 변형이 되어 있는 배관계의 재료 내부에 응력상태를 더 악화시키는 것을 지양하고, 배관계 환경의 변화에 의하여 배관계의 구간구간별로 변화된 환경에 맞는 하중을 인가시킴으로서 배관계의 구조재료 내부에 발생하는 응력을 허용값 이내로 복원, 배관계의 수명을 연장시키고자 한다.
이를 고온고압배관에 대하여 구체적으로 실현하기 위해서 고온고압배관의 두 관심시점, 즉 설비의 기동전인 저온상태나 설비가 정상출력에 이른 고온상태등의 두 관심시점별로 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 육안으로 읽고, 만일 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 육안으로 측정할 수 없는 경우에는 이를 평가하도록 함으로서,
현재 운전 중인 고온고압배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내줄 수 있는 계기들의 상태 값(포시하중과 거리이동량)을 읽는 작업을 수행하고
또 고온고압 배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내 줄 수 있는 계기들이 지시하고 있는 상태값이 정확한지를 평가하기 위하여 배관지지장치의 개별 성능을 평가하고,
개별성능 평가결과를 반영한 배관지지장치별 지지하중과 거리이동량을 정확히 산출함으로서 배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타내 줄 수 있는 계기들이 지시하고 있는 상태값이 정확하지 못할 경우에는 이를 교정하여 정확한 상태값으로 나타내고,
이 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량을 건설직후의 상태값 또는 설계값이 되도록 수정하는 것이 아니라 정확히 수정 산출된 배관지지장치의 표시하중과 거리이동량이 유발하는 배관재료 내부의 응력이나 변형율을 허용치 이하로 낮추도록 하기 위하여
상기 배관지지점을 기준으로 한 배관재료 내부의 응력이나 변형율과 허용 응력이나 변형율의 차이값에 해당하는 배관지지장치의 하중과 거리이동량을 조정하도록 함으로서
고온고압배관의 신뢰성과 관련한 상태를 나타낸 정확한 상태값을 근거로 현재 상태에서의 고온고압배관 및 지지장치의 관심있는 전체 부위에 대한 신뢰성을 평가하도록 한다.
고온고압 배관의 신뢰성은 재료내부에 작용하는 응력이나 변형율이 정해진 값 이내로서 차이가 많을 경우에는 신뢰성이 높고, 정해진 값과 가까우면 재료는 곧 파괴될 것을 의미하게 되어 신뢰성이 없다고 한다.
이에 본 발명은 발전소와 같이 운전조건이 고온고압인 배관을 장기간 사용할 경우 배관 및 지지장치에 변형이 발생되는 바 이의 건전성을 회복하기 위하여
현장에 설치되어 있는 상기 스프링 행거에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 스프링행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 상기 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 콘스탄트 행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고
현장에 설치되어 있는 스프링 행거에 대하여는 상기 스프링 행거 몸체에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 하중관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 스프링행거 표시하중으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 콘스탄트 행거는 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 사용자가 육안으로 측정한 값을 콘스탄트 행거 표시하중으로 정하는 방법을,
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 스프링 행거와 상기 콘스탄트 행거의 표시하중과 상기 스프링행거 및 상기 콘스탄트 행거의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 스프링행거 및 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계와,
지지대(리지드 행거를 제외)에 대하여는 상기 고온고압배관이 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 상기 지지대로부터 상기 고온고압배관의 파이프에 상기 고온고압배관의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 상기 고온고압배관의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 사용자가 육안으로 측정한 값을 지지대 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
상기 리지드 행거에 대하여는 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 사용자가 육안으로 측정하여 리지드 행거 위치에서의 배관계의 표시 거리이동량으로 정함으로서
지지대 및 리지드행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하거나,
상기 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대, 리지드행거(이하 “모든 배관지지장치”라 한다) 각각의 위치에서 각각의 배관계 표시거리 이동량을 측정하는 대신 모든 배관지지장치와 고온고압배관 사이에 상업용 거리측정 수단을 설치하여 상기 상업용 거리측정수단에 나타난 이동량을 산출하여 상기 배관지지장치가 있는 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 표시거리 이동량을 산출하도록 하여 상기 모든 배관지지장치 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하도록하고,
리지드 행거 및 지지대에 대하여는 하기 ‘배관지지장치 성능평가 단계’를 통하여 하중-변위 선도를 측정하고, 하중-변위선도의 불연속선이 나타나는 구간에서의 하중을 작용하중으로 정하여 이를 리지드 행거 및 지지대의 표시하중으로 정하여
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중과 상기 리지드 행거와 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계와,
각 배관지지점에 작용하는 실제 하중과 상기 배관지지장치의 성능변화 여부를 파악하기 위하여 현장에 설치되어 있는 배관지지장치에 유압을 인가하여 각 배관지지장치별로 하중-변위 선도를 측정하여 나타난 하중-변위 선도의 불연속점을 작용하중으로 정하고, 하중-변위의 변화곡선을 배관지지장치의 성능특성으로 평가하는 배관지지장치 성능평가 단계와
상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고
상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며,
상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 하여,
상기 배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타와 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 상기 실제 하중과 상기 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출단계와
배관계 환경과 배관계 재질에 따르는 허용 변형율이나 허용 응력에서 상기 신뢰성 데이터 산출단계에서 각각의 배관지지점별로 계산된 변형율이나 응력값을 빼낸 값이 마이너스(-)인 것을 추출하고, 이 마이너스 부분 만큼의 변형율이나 응력을 감소시키는데 필요한 배관지지점에서의 하중변화필요량을 실제하중으로부터 상기 신뢰성 데이터 산출단계의 역순으로 컴퓨터를 이용하여 계산, 취득하는 배관지지장치 교정값 취득단계와
상기 배관지지점에서의 실제하중과 하중변화 필요량을 상기 배관지지장치별 성능특성과 상기 배관지지장치별 하중정비절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계를 특징으로 하는 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지장치의 신뢰성 평가 및 회복방법에 관한 발명이다.
이에 본 발명은 배관계 환경의 변화에 따라 배관지지장치의 지지하중 및 배관계의 거리이동에 따르는 배관계 반력의 변화로 인하여 배관계의 신뢰성이 떨어진 것을 배관계 수명을 연장하기 위한 배관계의 신뢰성을 증대시키기 위한 것이다.
이에 본 발명을 실시하기 위한 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
현장에 설치되어 있는 상기 스프링 행거에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 스프링행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 상기 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 상기 콘스탄트 행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고
현장에 설치되어 있는 스프링 행거에 대하여는 상기 스프링 행거 몸체에 부착된 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 하중관련 눈금을 사용자가 육안으로 측정한 값을 스프링행거 표시하중으로 정하고,
현장에 설치되어 있는 콘스탄트 행거는 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 사용자가 육안으로 측정한 값을 콘스탄트 행거 표시하중으로 정하는 방법을,
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 스프링 행거와 상기 콘스탄트 행거의 표시하중과 상기 스프링행거 및 상기 콘스탄트 행거의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 스프링행거 및 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시한다.
스프링 행거와 콘스탄트 행거가 설치된 위치에서 배관계의 표시거리 이동량을 파악하여 배관계가 상온인 상태와 고온인 상태에서 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시하중과 배관계의 표시거리 이동량을 측정하는 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시할 수 있다.
스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계는 운전 중인 발전설비와 같이 고온고압배관을 지지하고 있는 모든 배관지지장치 중 스프링 행거의 경우 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 위치에서 하중관련 눈금을, 콘스탄트 행거의 경우 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 읽어 행거에 작용하는 표시하중을 파악하고, 동시에 스프링 행거는 이동지시자(Travel Indicator)(P)의 위치에서 거리관련 눈금을, 콘스탄트 행거의 경우도 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 읽어 행거위치에서 배관계의 표시거리 이동량을 파악하는 것을 특징으로 한다. 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 동작점 측정단계은 배관계의 정밀평가를 하기 위한 첫 단계로서 배관계 환경 변화를 겪은 현재 시점에서 고온상태와 저온상태에서의 각각의 표시하중을 산출하고, 또 고온상태와 저온상태간의 배관계 표시거리 이동량을 산출하기위하여 조사한다. 표시하중 측정시 읽어야 할 이동지시자는 [도 4]의 (1)부터 (3)까지에 있는 대표적인 배관지지 장치 도면에서 P로 표시되어 있으므로 누구라도 알 수 있을 것이다. [도 4}의 (1)은 스프링 행거, (2)와 (3)은 대표적인 콘스탄트 행거를 표시한다.
지지대(리지드 행거를 제외)에 대하여는 상기 고온고압배관이 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 상기 지지대로부터 상기 고온고압배관의 파이프에 상기 고온고압배관의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 상기 고온고압배관의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 사용자가 육안으로 측정한 값을 지지대 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고,
상기 리지드 행거에 대하여는 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 사용자가 육안으로 측정하여 리지드 행거 위치에서의 배관계의 표시 거리이동량으로 정함으로서
지지대 및 리지드행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하거나,
상기 스프링행거, 콘스탄트 행거, 지지대, 리지드행거(이하 “모든 배관지지장치”라 한다) 각각의 위치에서 각각의 배관계 표시거리 이동량을 측정하는 대신 모든 배관지지장치와 고온고압배관 사이에 상업용 거리측정 수단을 설치하여 상기 상업용 거리측정수단에 나타난 이동량을 산출하여 상기 배관지지장치가 있는 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 표시거리 이동량을 산출하도록 하여 상기 모든 배관지지장치 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하도록하고,
리지드 행거 및 지지대에 대하여는 하기 ‘배관지지장치 성능평가 단계’를 통하여 하중-변위 선도를 측정하고, 하중-변위선도의 불연속선이 나타나는 구간에서의 하중을 작용하중으로 정하여 이를 리지드 행거 및 지지대의 표시하중으로 정하여
상기 고온고압배관이 상온인 상태와 고온인 상태 또는 어떤 특정의 다른 운전모드 상태 각각에서 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중과 상기 리지드 행거와 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계는 다음과 같이 실시한다.
배관계가 상온인 상태 또는 고온인 상태에서 지지대로부터 일정 거리를 둔 배관계의 파이프에 배관계의 축방향으로부터 직각방향으로 일직선을 그어놓고 배관계의 온도상태가 바뀐 시점에서 상기 일직선의 벌어진 축방향 간격을 측정하는 지지대 배관계의 표시거리 이동량 산출단계와 리지드 행거에 대하여 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 측정하여 배관계의 거리이동량을 측정하여 리지드 행거의 표시거리 이동량을 산출한다.
행거로드의 지지각을 측정하는 방법은 [도 5]에 그 일 실시예를 표시하였다. 배관지지장치 지지각은 [도 5]에 나타난 바와 같이 수평계(22)를 행거로드(21)의 일정 점에 접촉시키고, 수직으로 세운 후 각도기(23)를 상기 수평계와 비 각부분이 접촉하도록 하여 상기 행거로드의 축중심선과 상기 각도기가 만나는 위치를 읽어 행거로드가 수평면과 이루는 수직으로부터 얼마나 꺾여 있는지를 측정함으로서 알 수 있고, 행거로드의 길이(HRL)는 배관지지 장치의 상부 힌지점(24)과 파이프 중심점(25)와의 직선거리를 측정하는 것으로서 HRL로 표시된 부분의 거리를 측정한다. 스프링 행거, 콘스탄트 행거 및 리지드(Rigid) 행거가 아닌 것은 지지대 위치에서 지지대와 배관을 배관의 축방향에 법선방향으로 일직선을 그어 놓고, 배관계 환경이 변화한 뒤 상기 일직선의 어긋난 길이를 파이프 축방향으로 측정하면 배관계와 지지대의 상대적 거리이동량을 알 수 있다.
상업용 거리측정 수단을 배관지지장치가 있는 모든 점에 설치하여 배관계의 고온과 상온상태에서의 배관계의 각 배관지지점에 작용하는 표시거리 이동량을 산출하는 배관지지점 배관계 표시거리 이동량 산출단계는 기 스프링 행거와 콘스탄트 행거동작점 취득단계에서 취득한 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시거리 이동량, 상기 지지대 배관계 표시거리 이동량 산출단계의 지지대 배관계 표시거리 이동량, 상기 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량 산출단계에서 취득한 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량을 대신하는 배관계 표시거리 이동량 산출방법으로 대치할 수 있다.
각 배관지지점에 작용하는 실제 하중과 상기 배관지지장치의 성능변화 여부를 파악하기 위하여 현장에 설치되어 있는 배관지지장치에 유압을 인가하여 각 배관지지장치별로 하중-변위 선도를 측정하여 나타난 하중-변위 선도의 불연속점을 작용하중으로 정하고, 하중-변위의 변화곡선을 배관지지장치의 성능특성으로 평가하는 배관지지장치 성능평가 단계는 다음과 같이 실시한다.
본 배관지지장치 성능평가 단계는 스프링 행거와 콘스탄트 행거가 현장에 설치되어 있는 상태에서 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 스프링 행거와 콘스탄트 행거 성능특성 취득 단계이다.
장기 운전의 결과 필수적으로 수반되는 재료의 열화와 고장등에 의한 배관지지장치의 성능변화여부를 파악하기 위하여 상기 배관지지장치가 현장에 설치되어 있는 상태에서 상기 지지 장치의 성능을 평가하는 성능특성 취득 단계는 특허 10-0290553 (2001년03월03일, 배관에 설치된 상태에서의 행거 하중측정 및 건전성 평가 장치 및 방법)을 따라 하중-행거로드 변위를 주요 측정인자로 하여 실시하며 배관지지장치에 유압장치와 거리측정장치를 주 측정장치로 만든 상기 특허에 따라 배관지지장치에 작용하는 하중과 변위 곡선을 그리고, 상기 하중-변위 곡선이 직선화되지 않는 불연속점에 하중선도를 직선으로 그려 나타난 값을 작용하중으로 본다. 배관지지장치의 하중-변위 특성곡선은 배관지지장치의 성능을 나타내는 것으로서 배관지지장치 성능특성 곡선을 나타낸다. 본 분야는 이미 상업화되어 있는 기술이므로 이 분야 통상의 기술을 소유한 엔지니어는 누구나 실시할 수 있으므로 더 이상 설명하지 않는다.
현장에 설치된 지지대와 리지드 행거에 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 방법을 적용하여 지지대와 리지드 행거의 하중-행거로드 변위 관계 특성을 취득하는 지지대와 리지드 행거의 성능 특성 취득단계는 다음과 같이 실시한다.
상기 배관지지장치가 상기 고온고압배관를 지탱하고 있는 지지대 하중 및 리지드 행거 하중을 평가하는 단계(하중 평가단계)는 행거 성능특성 취득단계와 동일한 표현으로 또한 상기 특허 10-0290553 (2001년03월03일, 배관에 설치된 상태에서의 행거 하중측정 및 건전성 평가 장치 및 방법)인 행거하중 측정방법을 따라 실시하면 된다.
상기 특허 10-0290553는 배관지지장치가 배관계의 자중을 지지하고 있는 상태에서 배관지지 장치에 추가적인 하중을 인가하고 그에 따른 배관지지장치의 스프링과 같은 탄성체의 길이의 변화를 측정하여 행거로드 하중-실제 길이변화를 기록, 측정된 배관지지장치에 현재 작용하고 있는 실제 하중과 측정된 배관지지장치의 행거로드 하중-실제 길이 변화특성표를 만들게 됨으로서 결국 측정된 배관지지장치의 성능표를 얻게되어, 배관지지 장치가 운전한지 10년, 20년과 같은 장기간의 운전결과로 열화 또는 다른 요인에 의하여 동작특성이 변화하였어도 해당 배관지지 장치에 작용하는 행거로드 하중과 향후 발생할 하중-길이변화 특성을 보여주게 된다. 본 발명에서는 반드시 상기 특허만을 본 배관지지장치의 성능평가 방법으로 제한하지는 아니하지만, 본 발명에서 일 실시예로 거론 한 이유는 현재까지 상기 방법이 본 발명을 구현할 수 있는 유일하게 상업화 되어있는 방법이기 때문이다. 앞으로 어떤 방법을 사용하든지 설치되어 운영중인 배관계를 지지하고 있는 배관지지장치의 현재 실제 작용 하중과 하중-행거로드 변위 특성을 나타낼 수 있는 방법이면 본 발명을 실시하는 데 배관지지장치의 성능평가 방법으로 사용할 수 있다.
상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고
상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며,
상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 하여,
상기 배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타와 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 상기 실제 하중과 상기 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출단계는 다음과 같이 실시한다.
본 발명의 서두에 정의된 용어의 설명에서 나타난 바와 같이 실제하중은 행거에작용하는 실제 하중이므로 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고, 상기 리지드 행거와 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며, 상기 모든 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거와 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 한다.
배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타등과 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함한 구조해석용 물리적 상수와, 상기 스프링행거와 콘스탄트 행거 성능특성 취득단계에서 취득한 하중과 상기 지지대와 리지드 행거의 성능특성 취득단계에서 취득한 하중과, 상기 스프링 행거와 콘스탄트 행거동작점 취득단계에서 취득한 스프링 행거와 콘스탄트 행거의 표시거리 이동량, 상기 지지대 배관계 표시거리 이동량 산출단계의 지지대 배관계 표시거리 이동량, 상기 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량 산출단계에서 취득한 리지드 행거 배관계 표시거리 이동량을 입력으로 하여 재료역학적 연속보 해석방법으로 모든 배관 지지점과 모든 배관지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 계산한다.
상기 배관지지장치의 성능평가 단계를 이행하고 나면 배관지지 장치의 이동 지시자가 표시하는 하중이 열화등에 의하여 착오 표시되는 것을 수정하여 실제 하중으로 나타내게 되고, 리지드 행거나 지지대와 같이 하중을 표시할 수 있는 이동지시자가 없는 배관지지장치에도 작용하는 하중을 알수 있게 되어 관심있는 배관계에 설치된 모든 배관 지지점에 작용하는 하중을 정확히 알게된다. 여기에다 각 배관 지지점에 작용하는 두 관심 시점(상온 운전시작 시점과 고온 운전상태에 이른 시점 또는 발전소 시운전 시점과 발전소 운전 5년후 시점등)에서의 배관 지지점에 걸리는 하중과 상기 배관 지지점의 상대적 이동량(파이프와 배관지지장치 사이의 이동량)을 정확히 알 수 있게 된다. 이 두 관심 시점에서의 배관 지지점의 실제 하중과 실제 거리 이동량은 다음 배관계 신뢰성 데이터 산출단계의 입력자료가 된다.
배관지지장치와 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타등과 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수등의 물리적 상수와 상기 각각의 배관지지점에서의 행거로드 하중과 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 모든 배관지지점과 배관지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 평가하는 신뢰성 데이타 산출단계는 배관계의 신뢰성 평가를 위한 신뢰성 평가지표를 배관계 전체에 대하여 산출함으로서 배관계의 어느 점이, 어느 배관지지장치가 있는 곳이 손상 또는 사고의 위험이 가장 높으며, 배관계 전체의 평균 신뢰성은 얼마나 되는지를 알수있도록 하기 위함이다.
상기 재료역학적 연속보 해석방법은 배관지지장치의 성능평가단계에서 구해진 배관 지지점별 행거로드 작용하중 및 실제 거리 이동량을 기본 입력자료로 하고, 배관계의 형상을 3차원 아이소메트릭 도면(Isometric Drawing)으로부터 형상입력을 하면서 배관의 재질, 내경, 외경, 탄성계수 및 열변형율등을 추가로 입력하여 재료의 이동과 하중의 상관관계를 기초로 배관계를 유한요소로 나눈 모델에 대하여 배관 지지점을 포함한 배관계 전체에 대하여 반력 및 처짐량, 즉, 응력 및 변형율을 구한다.
상세한 반력 및 처짐량의 계산 방법은 다음과 같이 수행할 수 있다. 파이프에 자중과 외력이 작용할 때 파이프 재료에 미치는 반력을 계산하기 위해서 배관지지점
또 배관계 n에서 변형량
각 지지점에 걸리는 반력은 위에서 구한 자중, 외력에 의한 지지점에서의 반력과 앞으로 각 구속 조건에 대해 열영향등을 고려한 지지점에서의 반력을 중첩시켜서 구할 수 있으며, 이는 통상적으로 상업용 구조해석프로그램이나 유한요소법을 이용한 배관계 구조해석을 통하여 구할 수 있다.
배관계 환경과 배관계 재질에 따르는 허용 변형율이나 허용 응력에서 상기 신뢰성 데이터 산출단계에서 각각의 배관지지점별로 계산된 변형율이나 응력값을 빼낸 값이 마이너스(-)인 것을 추출하고, 이 마이너스 부분 만큼의 변형율이나 응력을 감소시키는데 필요한 배관지지점에서의 하중변화량을 상기 신뢰성 데이터 산출단계의 역순으로 컴퓨터를 이용하여 계산, 취득하는 배관지지장치 교정값 취득단계는 다음과 같이 실시한다.
이 배관지지장치 교정값 취득단계는 신뢰성이 낮은 배관지지점을 찾아내되 신뢰성 지표인 변형율이나 응력은 배관지지장치에 어떤 영향을 미치는 지를 나타내는 항목이 아니기 때문에 배관지지장치를 수리하거나 교정할 수 있는 항목으로 표시하기 위하여 배관지지장치에 인가된 하중이나 거리이동량을 바탕으로 응력과 변형율이 나왔던 것인만큼 이를 역으로 계산하여 조정할 응력이나 변형율이 얼마라면 이에 대응하는 하중이 얼마라는 것을 산출할 수 있으므로 이를 수학적으로 해석하는 단계이다.
배관의 신뢰성 데이터를 산출한다는 것은 배관의 신뢰성을 평가한다는 것과 같은 의미로 배관이 파괴에 이르는 시점에 비하여 얼마나 멀어져 있는지를 계량화하는 작업이다. 배관지지 장치가 위치해 있는 모든 배관 지지점에서의 조합응력이나 처짐/굽힘량을 산출하고 이를 상기 배관계가 파괴에 이를 시점에서의 조합응력이나 처짐/굽힘량과 비교하여 그 차이가 크면 클수로 배관계는 신뢰할 만 한 것이고, 그 차이가 적으면 적을수록 배관계는 건전성을 상실해 간다고 할 수 있다. 허용응력이나 허용변형율이란 재료가 파괴에 이를 시점에서의 응력이나 변형율을 어느정도의 안전도를 고려하여 여유있게 설정한 값이다.
상기 허용응력이나 상기 허용변형율은 재료의 조건을 고려하여 이미 산업계에 잘 알려지 ANSI B31,1 Power Piping에 나타난 배관재료의 허용응력이나 재료의 파괴 기준인 Tresca 응력이나 Von-Mises 응력등에 해석하고자 하는 대상의 크립이나 피로특성등이 감안된 운전이나 수명조건등을 고려하여 적절한 여유를 두어 결정한다. 이렇게 하여 정해진 허용응력이나 허용 변형율을 상기 유한 요소상의 각 배관 지지점에서의 산출 응력 및 변형율과 비교함으로서 허용 응력 대비 산출응력의 차이가 크면 건전성이 높고, 허용응력대비 산출응력의 차이가 작으면 건전성이 낮다고 평가할 수 있으며, 같은 논리가 변형율에도 적용된다.
허용응력이나 허용변형율과 같은 허용치와 배관지점별로 계산된 응력이나 변형율인 산출치 사이의 간격이 큰 것을 배관계 전체에 대하여 균일하게 함이 배관계의 신뢰성에 좋으므로 신뢰성이 낮은 것을 낮은 순서대로 배열하여 신뢰성을 높혀 주어야 한다. 신뢰성이 매우 낮은 것부터 신뢰성을 높이기 위한 계수적 평가를 하여야 하는 데 신뢰성이 낮은 것을 어느정도 높일 수 있는가는 전체 배관지지 장치가 전체 배관계의 무게 또는 하중을 얼마나 감당하여야 하는 가로 결정할 수 있다.
배관계 전체의 신뢰성 측면에서는 전체 배관계 배관 지지점에 작용하는 응력레벨이 전체 배관 하중을 전체 배관 지지점으로 나누어 나오는 응력 레벨로 할 수 있도록 할 경우 전체 배관계의 신뢰성, 즉 수명을 최 장기화 시킬 수 있다. 이렇게 배관의 전체 수명을 연장시킬 수 있도록 응력레벨의 분산을 최소화 시킬 수 있도록 범위를 정하여 각 배관 지지점에서의 응력에 대응하는 하중이 되도록 하중을 증가시키거나 감소시키도록 하중 조정량을 결정한다.
상기 배관지지점에서의 하중변화량을 각 배관지지장치별 하중교정절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계는 다음과 같이 실시한다.
상기 배관지지장치 신뢰성 회복 단계는 조정할 하중량 만큼 배관지지장치의 상태를 변경하여 주는 것으로 스프링행거의 경우 스프링 전체길이를 조정하고, 콘스턴트 행거의 경우 링크기구를 조정하고, 리지드 행거의 경우 행거로드의 길이를 조정하며, 기타 지지대의 경우에는 지지대의 높이를 조절하는 방법이 기본이나 각 배관지지장치의 제조회사별로 약간씩의 차이가 있는 바 이는 배관지지장치 제작자가 만든 사용자 지침서를 따라야 한다.
이상과 같이 배관계의 배관지지 장치에 작용하는 하중을 조정한 후 배관계가 다시 운전조건이 되면 다시한번 배관지지장치의 동작점을 다시한번 측정하여 표시하중과 표시거리 이동량을 조사하고 모든 배관지지장치가 정상 가동중에 있는지를 확인하여야 한다.
이렇게 함으로서 [도 6]의 (1)과 같이 배관이 굽고 처진 상태를 [도 6]의 (2)와 같이 바르게 함으로서 배관계 전체에 작용하는 하중이나 응력을 골고루 퍼지게 하여 배관계의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 발명을 실시하기 위한 구체적 내용에 기술함.
Claims (1)
- 운전조건이 고온고압인 배관 및 상기 배관의 지지장치에 발생되는 변형을 회복시키기 위한 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지시스템의 신뢰성 평가 및 회복방법에 관한 것으로서,
스프링 행거에 부착된 이동지시자(Travel Indicator, P)의 거리관련 눈금을 측정하여 상기 스프링 행거 위치에서의 배관계 표시 거리 이동량을 정하고, 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 거리관련 눈금을 측정하여 상기 콘스탄트 행거 위치에서의 배관계 표시 거리 이동량을 정하며, 상기 스프링 행거 몸체에 부착된 이동지시자의 하준관련 눈금을 측정하여 상기 스프링 행거의 표시하중으로 정하고, 상기 콘스탄트 행거에 부착된 명패의 행거 용량을 측정하여 상기 콘스탄트 행거의 표시하중으로 함으로써, 소정의 상태를 유지하는 배관계에서 스프링 행거 및 콘스탄트 행거의 표시하중, 상기 배관계의 표시거리 이동량을 계측하는 행거 동작점 측정단계;
상기 배관의 축방향으로부터 지지대까지 직각방향으로 일직선을 그어놓고 상기 배관의 온도상태가 바뀐 시점에서 일직선의 벌어진 축방향 간격을 측정하여 상기 지지대 위치에서의 배관계 표시거리 이동량으로 정하고, 상기 배관계의 온도가 변화되기 전과 후의 각각의 시점에서 행거로드의 지지각을 측정하여 리지드 행거 위치에서의 배관계의 표시 거리이동량으로 정하며, 상기 스프링행거, 상기 콘스탄트 행거, 상기 지지대 및 상기 리지드행거와 상기 배관 사이에 상업용 거리측정 수단을 설치하여 상기 상업용 거리측정수단에 나타난 이동량을 산출하여 상기 배관의 지지장치가 있는 점에서 고온과 상온상태에서의 배관계의 표시거리 이동량을 산출하도록 하여 상기 스프링행거, 상기 콘스탄트 행거, 상기 지지대 및 상기 리지드행거 위치에서의 배관계 표시거리 이동량을 측정하도록하고, 상기 리지드 행거 및 상기 지지대에 대하여는 하중-변위 선도를 측정하고, 상기 하중-변위 선도의 불연속선이 나타나는 구간에서의 하중을 작용하중으로 정하여 이를 리지드 행거 및 지지대의 표시하중으로 정하여 소정의 상태를 유지하는 배관계에서 상기 리지드 행거 및 상기 지지대의 표시하중, 상기 리지드 행거 및 상기 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계;
각 배관 지지점에 작용하는 실제 하중과 상기 배관의 지지장치의 성능변화 여부를 파악하기 위하여 현장에 설치되어 있는 상기 배관의 지지장치에 유압을 인가하여 각 배관의 지지장치별로 하중-변위 선도를 측정하여 나타난 하중-변위 선도의 불연속점을 작용하중으로 정하고, 하중-변위의 변화곡선을 배관지지장치의 성능특성으로 평가하는 배관지지장치 성능평가 단계;
상기 스프링 행거 및 상기 콘스탄트 행거에 대하여는 상기 배관지지장치 성능평가단계에서 측정된 작용하중을 실제하중으로 하고, 상기 리지드 행거 및 상기 지지대에 대하여는 상기 리지드 행거와 상기 지지대의 표시하중을 실제하중으로 하며, 상기 배관의 지지장치에 대하여는 상기 스프링 행거 및 상기 리지드 행거의 표시거리 이동량을 실제 거리 이동량으로 하여, 상기 배관의 지지장치 및 상기 배관계가 위치한 삼차원 위치데이타, 파이프 단면데이타와 상기 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관 지지점에서의 상기 실제 하중과 상기 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법을 적용하여 모든 배관 지지점과 배관 지지점 사이의 구간에서 배관계 파이프 내부에 작용하는 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출단계;
배관계 환경과 배관계 재질에 따르는 허용 변형율이나 허용 응력에서 상기 신뢰성 데이터 산출단계에서 각각의 배관지지점별로 계산된 변형율이나 응력값을 빼낸 값이 마이너스(-)인 것을 추출하고, 상기 마이너스 부분 만큼의 변형율이나 응력을 감소시키는데 필요한 배관 지지점에서의 하중변화필요량을 실제하중으로부터 상기 신뢰성 데이터 산출단계의 역순으로 컴퓨터를 이용하여 계산, 취득하는 배관지지장치 교정값 취득단계; 및
상기 배관 지지점에서의 표시하중을 실제하중과 일치시키고, 상기 실제하중에 하중변화 필요량을 가감하기 위한 하중조정을 상기 배관지지장치별 성능특성과 상기 배관지지장치별 하중정비절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지장치의 신뢰성 평가 및 회복방법.
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