KR101779453B1 - 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법 - Google Patents

재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101779453B1
KR101779453B1 KR1020170017595A KR20170017595A KR101779453B1 KR 101779453 B1 KR101779453 B1 KR 101779453B1 KR 1020170017595 A KR1020170017595 A KR 1020170017595A KR 20170017595 A KR20170017595 A KR 20170017595A KR 101779453 B1 KR101779453 B1 KR 101779453B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
jacket structure
stress
evaluating
joint
durability
Prior art date
Application number
KR1020170017595A
Other languages
English (en)
Inventor
경갑수
박진은
이성진
Original Assignee
한국해양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국해양대학교 산학협력단 filed Critical 한국해양대학교 산학협력단
Priority to KR1020170017595A priority Critical patent/KR101779453B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101779453B1 publication Critical patent/KR101779453B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0025—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10—Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

설계 공용년수를 경과한 자켓 구조물의 재활용을 위하여 자켓 구조물의 내구성 추정에 대한 가이드라인을 제시하고, 주부재 및 2차부재로 이루어진 자켓 구조물의 복잡한 형상을 가진 용접 이음부에 대한 피로수명을 평가하여 내구성을 정확하게 평가함으로써 비용 절감과 환경적인 측면에서 자켓 구조물을 용이하게 재활용할 수 있고, 또한, 자켓 구조물의 재활용을 위하여 강재의 가장 취약한 부분인 용접 이음부에 대한 유한요소해석을 통해 부식 두께를 고려한 피로를 용이하게 검토할 수 있는, 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법이 제공된다.

Description

재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법 {METHOD FOR ASSESSING DURABILITY OF JACKET STRUCTURE FOR RECYCLING}
본 발명은 재활용 자켓 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 설계 공용년수가 경과된 해양 구조물로부터 해체되는 자켓 구조물을 재활용할 수 있도록 내구성을 평가하는, 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해양의 석유, 가스 등의 시추 및 생산을 위한 작업에는 해양 구조물이 사용된다. 이러한 해양 구조물은 해상 또는 해저에 설치되는 구조물로서, 수심에 따라 고정식, 반잠수식, 부유식 등으로 분류되며, 주로 석유 또는 천연가스 등의 에너지원 탐사 및 채취와 같은 해상 작업에 이용되고 있다. 이러한 해양 구조물은 시추 장비 등을 탑재하며, 해저 유전 등을 개발하는데 이용되고 있다.
이러한 해양 구조물은 해상에 노출되도록 설치되는 상부 구조물, 대부분 해수면 아래에 있는 하부 구조물 및 해저의 지면에 고정 설치되는 기초 구조물로 이루어지며, 고하중의 구조물을 안정적으로 지지할 수 있어야 한다. 예를 들면, 이러한 해양 구조물은 안정적인 지지를 위해 자켓 타입(jacket type), 모노 파일 타입(mono pile type), 트라이 포드 타입(tripod type) 등 다양한 형식으로 해양에 설치된다. 특히, 최근에는 해양 구조물이 지탱해야 하는 구조물의 하중이 점차 증가하고 있고, 해양 구조물이 설치되는 해양의 수심도 깊어지고 있기 때문에, 특히, 자켓 타입의 해양 구조물이 많이 설치되고 있는 추세이다.
고정식 기초구조물 중에서 대표적인 해양플랜트 구조물인 자켓 구조물은 완전 해체 또는 부분 해체가 이루어지고 있다. 자켓 구조물이나 상부설비(Topside) 구조물의 경우, 재활용이나 리모델링 등을 통해서 다른 광구에서 재사용하거나, 해상호텔, 해상감옥, 해상풍력, LNG 터미널, 양식장 등 다른 용도로 사용되기도 한다.
이렇게 해체된 자켓 구조물을 재활용하는 경우, 안전성 및 내구성은 매우 중요한 문제이다. 국내 일부 연구에서는 진동 특성을 이용하여 손상 위치를 파악하고, 자켓 구조물의 수치적 모델을 통해 손상을 모사한 후, 모드형상을 통한 손상 위치를 추정하는 연구가 이루어졌으나, 자켓 구조물의 대부분의 손상은 외력이나 파력 또는 부식에 의한 단면 손실에 의해 가장 취약부인 용접 이음부 등의 국부적인 부분에서 발생하며, 공용년수가 경과한 자켓 구조물의 피로평가 방법에 대한 연구 및 가이드라인은 아직까지 제시되어 있지 않은 실정이다.
또한, 공용수명을 초과한 해양 구조물, 예를 들면, 자켓 구조물의 재활용 문제는 비용 절감과 환경적인 측면에서 대단히 중요하다. 하지만 공용년수를 초과한 자켓 구조물에 대해 재활용에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 그 가이드라인 또한 명확하게 제시되어 있지 않은 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-1408355호(출원일: 2012년 6월 11일), 발명의 명칭: "자켓타입 해상 지지구조물의 전이부" 대한민국 공개특허번호 제2016-36303호(공개일: 2016년 4월 4일), 발명의 명칭: "자켓 타입 해양 구조물"
고정식 자켓 구조물 용접 이음부 응력집중계수 평가, 2011 한국구조물진단학회 학술발표회논문집, pp.121~124 고정식 자켓 구조물에서 부식손상에 따른 응력평가, 2012 한국강구조학회 학술발표대회 논문집, pp.7~8 공용년수 경과에 따른 자켓 구조물의 재활용을 위한 내구성 추정에 관한 기준 제안, 2016 대한토목학회 정기학술대회논문집, pp.59~60
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 설계 공용년수를 경과한 자켓 구조물의 재활용을 위하여 내구성 추정에 대한 가이드라인을 제시하고, 주부재 및 2차부재로 이루어진 자켓 구조물의 복잡한 형상을 가진 용접 이음부에 대한 피로수명을 평가하여 내구성을 평가할 수 있는, 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 자켓 구조물의 재활용을 위하여 강재의 가장 취약한 부분인 용접 이음부에 대한 유한요소해석을 통해 부식 두께를 고려한 피로를 검토할 수 있는, 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법은, 해양 구조물로부터 해체되는 자켓 구조물을 재활용할 수 있도록 내구성을 평가하는 방법에 있어서, a) 주부재 및 2차부재로 이루어지며, 다수의 소정 형상의 이음부를 갖는 재활용할 자켓 구조물을 선정하는 단계; b) 비파괴시험을 통해 상기 자켓 구조물의 건전도를 평가하는 단계; c) 상기 자켓 구조물이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하는지 여부를 확인하는 단계; d) 상기 자켓 구조물이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하지 않는 경우, 상기 자켓 구조물의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한지 여부를 확인하는 단계; 및 e) 상기 자켓 구조물의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한 경우, 상기 자켓 구조물의 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하는 단계를 포함하되, 상기 e) 단계에서, 공용년수를 경과한 해양 구조물인 자켓 구조물을 대상으로 강재의 취약부 중 하나인 용접 이음부의 피로에 대해 부식에 따른 단면 감소를 고려한 유한요소 해석을 실시하고, 그 응력 분포 및 응력 변화를 조사하여 상기 용접 이음부의 잔존 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하되; 상기 e) 단계는, e-1) 상기 자켓 구조물의 피로수명 평가를 위해 상기 자켓 구조물의 유한요소 응력해석 결과를 평가하는 단계; e-2) 유한요소(FE) 응력해석을 통한 핫스팟 응력(HSS)을 평가하는 단계; e-3) 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS)을 계산하는 단계; e-4) 상기 자켓 구조물의 용접 이음부 형상에 따라 응력집중계수(SCF)를 산정하는 단계; 및 e-5) 핫스팟 응력과 피로수명과의 관계를 이용하여 상기 자켓 구조물의 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 a) 단계의 자켓 구조물은 좌굴이나 비틀림에 대한 강한 강성을 가지며, 유동장에서의 항력계수가 작고, 충격하중에 대하여 영향을 적게 받으며, 최소한의 도장면적을 가지는 원형 강관이 사용되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 자켓 구조물의 이음부 종류는 상기 주부재와 상기 2차부재의 연결 형태에 따라 X형 이음부, T형 이음부, K형 이음부, Y형 이음부, N형 이음부 또는 TK형 이음부로 분류되며, 상기 이음부의 정적강도 및 응력집중계수와 같은 구조적 거동은 기하학적 치수들을 무차원화한 계수들과 이음부의 종류에 따라 표현되는 것을 특징으로 한다.
삭제
여기서, 상기 b) 단계의 비파괴 검사는 외관조사(VT), 초음파 테스트(UT), 자분테스트(MPI), 방사선투과 테스트(RT) 및 액체침투탐상 테스트(PT) 중에서 어느 하나가 선택되며, 상기 비파괴 검사 방법에서 상기 자켓 구조물의 건전도를 보증할 수 없는 경우, 응력시험, 경도시험 또는 금속조직시험의 파괴 검사 방법을 사용하여 상기 자켓 구조물의 강도를 검사하는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
여기서, 상기 e-1) 단계에서, 구조적 핫스팟 응력의 진폭을 구할 수 있도록 적어도 두 개 이상의 최대 및 최소 하중조건에 대하여 핫스팟을 판 두께의 크기로 요소 분할하여 유한요소 응력해석을 실시할 수 있다.
여기서, 상기 e-2) 단계에서, 덜 조밀한 모델을 사용한 해석에 기초하여 응력 집중부위를 파악한 후, 상기 파악된 응력 집중부위를 서브모델링하고, 서브모델의 경계에 절점의 변위 또는 절점의 하중을 하중조건으로 하여 상세유한요소 해석을 수행하거나, 초기의 덜 조밀한 모델의 응력 집중부위의 요소를 작게 요소 분할하여 유한요소 해석을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 e-3) 단계에서, 상대적으로 덜 조밀한 요소를 사용할 수 있는 경우, 및 상대적으로 조밀한 요소를 사용하는 경우로 구분하여 요소를 선택하고 핫스팟 응력을 계산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 설계 공용년수를 경과한 자켓 구조물의 재활용을 위하여 자켓 구조물의 내구성 추정에 대한 가이드라인을 제시하고, 주부재 및 2차부재로 이루어진 자켓 구조물의 복잡한 형상을 가진 용접 이음부에 대한 피로수명을 평가하여 내구성을 정확하게 평가함으로써 비용 절감과 환경적인 측면에서 자켓 구조물을 용이하게 재활용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자켓 구조물의 재활용을 위하여 강재의 가장 취약한 부분인 용접 이음부에 대한 유한요소해석을 통해 부식 두께를 고려한 피로를 용이하게 검토할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법의 동작흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 피로수명 평가 단계를 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법이 적용되는 자켓 구조물을 예시하는 도면이다.
도 4는 대표적인 K형 이음부의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 주부재 및 2차부재의 형상에 따른 관이음부의 분류를 예시하는 도면이다.
도 6은 기하학적 무차원 형상비를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 판재 표면에 작용하는 막응력과 굽힘응력의 합을 예시하는 도면이다.
도 8은 국부 노치에 의한 판재 두께방향으로 비선형적인 응력분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 S-N선도를 예시하는 도면이다.
도 10은 핫스팟 응력(HSS) 계산을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 핫스팟 응력(HSS)과 피로수명과의 관계를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법]
한편, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법의 동작흐름도이고, 도 2는 도 1에 도시된 피로수명 평가 단계를 구체적으로 나타내는 동작흐름도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법이 적용되는 자켓 구조물을 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법은, 먼저, 재활용할 자켓 구조물(100)을 선정한다(S110). 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법이 적용되는 자켓 구조물(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 보통 4개의 주부재(110)와 각 주부재(110)를 연결하는 2차부재(120)로 구성된다.
구체적으로, 자켓 구조물(100)과 같은 해양 구조물의 경우, 좌굴이나 비틀림에 대한 강한 강성을 가지며, 유동장에서의 항력계수가 작고, 충격하중에 대하여 영향을 적게 받으며, 최소한의 도장면적을 가지는 원형 강관이 사용되며, 각 원형강관의 연결부를 관이음부(Tubular joint)라고 한다. 이러한 관이음부는, 도 3에 서 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 두 개 이상의 부재가 교차되는 구조물의 일부분으로서, 구조부재의 연결 시스템이다.
관이음부의 대표적인 형상은, 도 3에 도시된 바와 같이, 주부재(110)와 2차부재(120)로 구성된다. 이때, 상기 주부재(110)를 코드(Chord)라고도 하며 자켓 구조물(100)에서 레그(Leg)로 주로 사용되며, 또한, 상기 2차부재(120)는 하중이 재하되거나 상기 주부재(110)로 하중을 전달하는 역할을 하며, 브레이스(Brace)로 사용된다.
다음으로, 도 1을 다시 참조하면, 비파괴시험을 통해 상기 자켓 구조물(100)의 건전도를 평가한다(S120). 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법은, 공용년수가 경과된 해양 구조물인 자켓 구조물의 재사용이 고려되면, 먼저 건전도 평가를 실시한다. 자켓 구조물은 공용년수 동안 부식, 마모, 침식 또는 다른 손상 등이 발생할 수 있으며, 특히 시설의 노후화에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 다양한 기법들을 통하여 자켓 구조물에 대한 건전도 평가를 실시해야 하며, 가장 일반적인 방법으로서, 외관조사, 초음파 검사, 자분탐상 검사, 방사선 투과 검사, 액체침투탐상 검사 또는 수압과 압력 테스트 등의 일반적인 비파괴 검사를 적용할 수 있다.
전술한 건전도 평가가 완료되면, 기술적 및 경제적인 평가를 실시해야 한다. 이때, 기술적인 평가는 재활용을 적합성 및 요구되는 수명동안 작동가능성 등을 평가해야 한다. 이를 만족하지 않을 경우, 요구되는 수준 이상까지 적절한 보수 및 보강을 통해 수정 조치를 취해야 한다. 이후, 경제적인 평가는 상기 수정 조치에 따른 경제성과 해체 비용간의 상호비교를 통하여 적합한지 여부에 대한 평가를 실시해야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법은, 공용년수를 경과한 해양 구조물인 자켓 구조물(100)을 대상으로 강재의 취약부 중 하나인 용접 이음부의 피로에 대해 부식에 따른 단면 감소를 고려한 유한요소 해석을 실시하고, 그 응력 분포 및 응력 변화를 조사하여 용접 이음부의 잔존 피로수명을 평가한다.
다음으로, 도 1을 다시 참조하면, 상기 자켓 구조물(100)이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하는지 여부를 확인한다(S130). 이때, 상기 자켓 구조물(100)이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하는 경우, 후술하는 바와 같이 상기 자켓 구조물(100)을 재활용할 수 있다(S170).
다음으로, 상기 자켓 구조물(100)이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하지 않는 경우, 상기 자켓 구조물(100)의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한지 여부를 확인한다(S140).
다음으로, 상기 자켓 구조물(100)의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한 경우, 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명을 평가한다(S150). 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명 평가는, 도 2에 도시된 바와 같이, 1) 유한요소(FE) 응력해석 결과 평가(S151), 2) 유한요소(FE) 응력해석을 통한 핫스팟 응력(HSS)의 평가(S152), 3) 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS) 계산(S153), 4) 응력집중계수(Stress Concentration Factor: SCF) 산정(S154) 및 5) 피로수명 평가(S155)의 과정으로 이루어지며, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
다음으로, 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명을 평가한 후, 상기 자켓 구조물(100)에 대한 경제성 평가를 만족하는지 여부를 확인한다(S160). 예를 들면, 상기 자켓 구조물(100)을 재활용을 위해 상기 자켓 구조물(100)에 대한 비용 절감 또는 환경 측면에서 경제성을 평가한다.
다음으로, 상기 경제성 평가를 만족하는 경우, 상기 자켓 구조물(100)을 재활용한다(S170).
본 발명에 따르면, 설계 공용년수를 경과한 자켓 구조물의 재활용을 위하여 내구성 추정 방법에 대한 가이드라인을 제시하고, 복잡한 형상을 가진 용접 이음부에 대한 피로수명을 평가하여 내구성을 정확하게 평가할 수 있다.
한편, 도 4는 대표적인 K형 이음부의 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 주부재 및 2차부재의 형상에 따른 관이음부의 분류를 예시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 자켓 구조물(100)의 대표적인 이음부로서 K형 이음부를 나타내며, 여기서, D는 주부재(110)의 직경을 나타내고, T는 주부재 벽 두께를 나타내며, d1 및 d2는 2차부재(120) 직경을 나타내고, t1 및 t2는 2차부재 벽 두께를 나타내며, θ는 주부재 및 2차부재 축들 사이의 각도를 나타내고, g는 2차부재 사이의 간격(Critical gap)을 나타내며, e는 편심(Eccentricity)을 나타내고, L은 주부재(110)의 길이를 각각 나타낸다.
이러한 자켓 구조물(100)의 이음부 종류는 주부재(110)와 2차부재(120)의 연결 형태에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, X형 이음부, T형 이음부, K형 이음부, Y형 이음부, N형 이음부 또는 TK형 이음부로 분류될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 자켓 구조물(100)의 이음부는 주부재(110)의 축과 2차부재(120)의 축이 동일 평면상에 있으면 평면 이음부(uni-planar joint)라고 하고, 부재축들이 한 개의 평면이 아닌 다수의 면 사이에서 존재하면 다평면 이음부(multi-planar joint)라고 한다. 또한, 자켓 구조물(100)의 이음부는 T형 이음부, Y형 이음부 또는 K형 이음부와 같이 2차부재(120)가 주부재(110)의 한 면에 연결되어 있는 단일 이음부(Single joint), X형 이음부와 같이 2차부재(120)가 양면에 연결되어 있는 이중 이음부(Double joint)로도 분류할 수 있다. 이러한 분류에 따라 X형 이음부를 DT(Double T)형 이음부라고도 한다.
도 6은 기하학적 무차원 형상비를 설명하기 위한 도면이다.
관이음부에서 정적강도 및 응력집중계수와 같은 구조적 거동은, 도 6에 도시된 바와 같이, 기하학적 치수들을 무차원화한 계수들과 이음부의 종류에 따라 표현된다. 구체적으로, 이러한 이음부의 기하학적 무차원 계수는, 주부재(110)의 길이계수(
Figure 112017013237985-pat00001
), 직경비(
Figure 112017013237985-pat00002
), 반경-두께비(
Figure 112017013237985-pat00003
), 두께비(
Figure 112017013237985-pat00004
), 2차부재(120)의 간격계수(
Figure 112017013237985-pat00005
) 등이 있다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 주부재(110)의 길이계수(
Figure 112017013237985-pat00006
)는 주부재(110)의 길이(L)와 반경(D/2)의 비(Ratio)로서 2L/D로 주어지며, 이음부 종류에 따라 각각 상이한 특성을 갖는다. 예를 들면, T형 이음부의 경우, 상기 주부재(110)의 굽힘(Bending) 특성과 관련이 있고, 상기 주부재(110)의 단부 변형을 구속하기 위해 설치되는 격막(Diaphragm)의 배치 위치에 대한 기준이 된다. 또한, 상기 주부재의 길이계수(
Figure 112017013237985-pat00007
)는 이음부에 대한 모형실험을 수행할 경우, 지점 사이의 거리를 결정하는 지표가 된다. 그러나 설계 과정에 있어서 상기 주부재의 길이계수(
Figure 112017013237985-pat00008
)를 고려하는 것은 상당히 어렵기 때문에 부재의 전체 굽힘 특성은 이음부의 국부적인 강도 및 응력 특성과는 별도로 취급하는 경우가 많다.
일반적으로, 도 5에 도시된 X형 이음부의 경우, 길이계수(
Figure 112017013237985-pat00009
)가 이음부 강도에 영향을 미치므로 강도에 영향을 주지 않도록 주부재(110)의 길이를 적정 길이 이상으로 설정함으로써 주부재(110)의 단부 영향을 최소화할 필요가 있다. 또한, 도 5에 도시된 K형 이음부의 경우, 경사 2차부재(120)에 작용된 하중이 주부재(110)나 또는 이웃하는 2차부재를 경유하여 외부로 전달되기 때문에 주부재(110)의 길이 효과는 고려할 필요가 없다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 직경비(
Figure 112017013237985-pat00010
)는 2차부재(120)와 주부재(110)의 직경비로서 d/D로 주어지며, 이음부의 조밀도(compactness)를 나타내고, 2차부재(120) 하중의 집중도에 대한 기준이 된다. 이러한 직경비(
Figure 112017013237985-pat00011
)는 이음부 강도에 큰 영향을 미치기 때문에 2차부재(120)의 직경(d)을 전체적으로 또는 이음부 근처에서 증가시킬 경우 이음부 강도를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 일반적으로 직경비(
Figure 112017013237985-pat00012
)가 작을 경우 펀칭전단 파손(punching shear failure)이 일어나기 쉽고, 직경비(
Figure 112017013237985-pat00013
)가 0.8 이상인 경우 주부재(110)의 붕괴 파손(collapse failure)이 발생하기 쉽다. 또한, 이러한 직경비(
Figure 112017013237985-pat00014
)는 이음부의 응력분포에 영향을 미치므로 2차부재(120) 하중이 주부재(110)에 전달되는 과정과 관련이 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 축하중을 받는 T형 이음부에서 직경비(
Figure 112017013237985-pat00015
)가 작은 경우, 하중의 대부분이 2차부재(120)와의 교차부에서 가장 낮은 점(Saddle point)을 통하여 상기 주부재(110)로 전달되지만, 상기 직경비(
Figure 112017013237985-pat00016
)가 1에 근접하는 경우 교차부의 응력분포가 점차 균일하게 된다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 반경-두께비(
Figure 112017013237985-pat00017
)는 주부재의 반경(D/2)에 대한 주부재의 벽두께(T)의 비(Ratio)로서 D/2T로 주어지며, 주부재(110)의 원주 방향 강성도의 기준이 되고, 일정 범위까지는 이음부의 강도에 영향을 주기 때문에 상기 주부재(110)의 두께(T)를 증가시키면 이음부의 강도는 증가한다. 또한, 도 5에 도시된 압축하중을 받는 T형 이음부의 경우, 반경-두께비(
Figure 112017013237985-pat00018
)가 증가함에 따라 응력집중계수는 감소한다. 예를 들면, 상기 반경-두께비(
Figure 112017013237985-pat00019
)의 값이 큰 것은 주부재(110)가 더 유연하고 약하다는 것을 의미한다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 두께비(
Figure 112017013237985-pat00020
)는 2차부재 벽두께(t)와 주부재의 벽두께(T)의 비(Ratio)로서 t/T로 주어지며, 상기 2차부재(120) 단면이 파손될 때, 상기 주부재(110)의 벽 파손 여부에 대한 기준이 된다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 간격계수(
Figure 112017013237985-pat00021
)는 2차부재들 사이의 간격(g)과 주부재 직경(D)의 비(Ratio)로서 g/D로 주어지며, 한 개 이상의 2차부재(120)로 구성된 이음부에서 해당 2차부재에서 다른 2차부재까지의 인접도를 나타낸다. 또한, 이음부의 형상으로 보면, 도 4에 도시된 K형 이음부 또는 KT형 이음부에 해당하며, 두 개의 2차부재(120)가 접근될 경우, 부가적인 강도증가 효과의 기준이 된다. 이러한 간격계수(
Figure 112017013237985-pat00022
)가 0.2보다 클 경우 파손하중은 간격과 무관한 반면에 두 2차부재(120)가 중첩될 경우 이음부의 강도가 현저히 증가된다. 또한, 이러한 간격계수(
Figure 112017013237985-pat00023
)는 하나의 2차부재에서 다른 2차부재로의 하중전달 과정을 나타내는데, 간격 부위에서 국부적인 주부재(110)의 벽 굽힘에 대한 척도가 된다. 결국, 상기 2차부재(120) 간격이 매우 큰 값일 때, 전술한 도 5에 도시된 K형 이음부를 2개의 독립된 이음부로 간주할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법에서, 전술한 건전도 평가 방법(S120)은 비파괴 검사 방법 및 파괴 검사 방법으로 이루어지며, 구체적으로, 비파괴 검사 방법은 외관조사(VT), 초음파 테스트(UT), 자분테스트(MPI), 방사선투과 테스트(RT) 및 액체침투탐상 테스트(PT)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 외관조사(VT)는 시설을 지정된 점검자에 의해 우선적으로 건전도를 평가하기 위해 시각적으로 조사하는 것이며, 상세 평가를 위해 요구되는 추가적인 비파괴 검사의 유형을 결정한다. 초음파 테스트(UT)는 재료의 잔존두께를 측정하고, 내부결함, 라미네이션, 내부부식, 침식 정보들을 모니터링하기 위해 실시하며, 이때 측정된 두께는 시설의 잔존강도를 계산하기 위해 사용된다. 자분테스트(MPI)는 재료의 표면에서 또는 표면 아래에서 결함을 감지하기 위해 자기장을 사용하여 검사를 실시하며, 강재금속에서만 적용되며 결함이나 수정조치가 요구되는 것을 결정하기 위해 사용된다. 방사선투과 테스트(RT)는 재료의 잔존두께 및 내부결함, 내부부식, 침식 정보 등을 모니터링하기 위해 방사선(x-ray 또는
Figure 112017055415406-pat00024
-ray)을 사용하여 실시한다. 또한, 액체침투탐상 테스트(PT)는 재료의 표면에 결함이 있는지 감지하기 위하여 재료 표면에 염료를 사용하여 검사를 실시한다.
전술한 비파괴 검사 방법에서 해양 구조물, 즉, 자켓 구조물(100)의 건전도를 보증할 수 없는 경우, 파괴 검사 방법을 사용하여 자켓 구조물의 강도를 검사할 수 있다. 이러한 파괴 검사 방법은 재료의 표본에 대한 절삭(Cutting)이 요구된다. 예를 들면, 이러한 파괴 검사 방법으로는 응력시험, 경도시험 또는 금속조직시험 등이 있다. 구체적으로, 응력시험은 파괴점까지의 재료에 힘을 가하여 응력을 측정하며, 경도시험은 형태 변형에의 저항성을 테스트하기 위해 재료에 힘을 가하여 측정하고, 금속조직시험은 재료 또는 합금의 구조적인 특징을 검사한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법에서, 전술한 피로수명 평가 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
기존의 용접 구조물에 대한 피로해석은 공칭응력(Nominal stress)을 기준으로 하는 조인트 형상별 분류기준을 바탕으로 실시되었다. 이러한 공칭응력을 이용한 접근 방법은 특정 구조물의 실제 치수영향을 고려하지 못하는 단점이 있으며, 이음부 형상이 복잡한 경우 공칭응력을 평가하기가 거의 불가능하고, 응력해석을 실시하더라도 결과의 해석에 많은 어려움이 존재한다.
전술한 이유에 따라, 응력평가 기준위치로서 균열발생 예상 취약 부위(Hot Spot, 이하 "핫스팟")를 이용하는 방법이 대두되었는데, 이러한 방법의 특징은 용접 이음부의 치수 및 형상을 고려한 응력 평가가 가능하다는 것이며, 핫스팟의 응력을 비교적 체계적으로 평가할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 핫스팟 방법은 해양구조물에 사용되는 관형 구조물의 용접부 피로해석을 위해 처음 개발되었으며, 미국석유협회(American Petroleum Institute: API), 미국용접학회(American Welding Society: AWS), 프랑스 선급협회(Bureau Veritas: BV) 등에 의해 피로설계 규정이 만들어졌고, 그 후 모든 종류의 판재 구조물까지 확대 적용되었다.
구체적으로, 핫스팟(Hot Spot)이란 피로균열의 발생이 예상되는 용접 토우 등의 취약부를 말하며, 이러한 핫스팟을 이용한 방법은 핫스팟에서의 구조적 응력(Hot Spot Stress: HSS), 즉, 구조적 핫스팟 응력(HSS)의 진폭을 기준으로 한다.
도 7은 판재 표면에 작용하는 막응력과 굽힘응력의 합을 예시하는 도면이고, 도 8은 국부 노치에 의한 판재 두께방향으로 비선형적인 응력분포를 나타내는 도면이며, 도 9는 S-N선도를 예시하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 구조적 응력(
Figure 112017013237985-pat00025
)은 판재 표면에 작용하는 막응력(
Figure 112017013237985-pat00026
)과 판재 굽힘응력(
Figure 112017013237985-pat00027
)의 합이다.
그러나 도 8에 도시된 바와 같이, 용접부 선단에는 용접 토우와 같은 국부 노치(Notch)에 의하여 판재 두께방향으로 비선형적인 응력분포가 형성된다. 기본적으로 핫스팟 방법은 설계자가 실제 용접 토우의 형상을 알 수 없기 때문에, 비선형적인 응력(
Figure 112017013237985-pat00028
)를 제외한 구조적 응력이며, 노치의 영향은 실험에 의해 구해진 핫스팟 S-N 선도에 포함되어 있다.
이러한 S-N선도는 y축에 응력진폭, x축에 파단까지의 반복수를 취한 피로시험결과를 그래프로 나타낸 것으로, 일반적으로 많은 시험결과를 기초로 하기 때문에 많은 점들의 집합이나 산포로 이루어져 있지만, 이러한 점들의 분포 중심을 선으로 그었을 때, 도 9에 도시된 바와 같은 곡선이 S-N선도가 된다. 여기서, 소정 범위의 반복수를 기준으로 그 이상의 횟수를 가하더라도 판단까지 달하지 않는 응력 진폭치가 존재하며, 이 값을 피로한도라고 하며, 예를 들면, 강도 측면에서 높은 신뢰성이 요구되는 경우 발생하는 응력진폭을 이러한 피로한도 이하로 낮추는 것이 설계의 기본이 된다.
본 발명의 실시예에 따른 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법에서, 전술한 피로수명 평가 방법(S150)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 1) 유한요소(FE) 응력해석 결과 평가(S151), 2) 유한요소(FE) 응력해석을 통한 핫스팟 응력(HSS)의 평가(S152), 3) 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS) 계산(S153), 4) 응력집중계수(Stress Concentration Factor: SCF) 산정(S154) 및 5) 피로수명 평가(S155)의 과정으로 이루어진다.
먼저, 도 2를 다시 참조하면, 유한요소(Finite Element: FE) 응력해석 결과를 평가한다(S151).
구체적으로, 구조물의 설계 단계에서 구조적 핫스팟 응력(HSS)을 결정하기 위한 유한요소 응력해석은 아주 유용한 도구로 사용되며, 용접 토우(Welding Toe)에 수직 또는
Figure 112017013237985-pat00029
45˚내의 판재 표면의 주응력을 이용하여 구조적 핫스팟 응력(HSS)을 계산할 수 있다. 이 경우, 핫스팟 응력(HSS)의 진폭이 재료 항복강도의 2배를 초과하지 않아야 하기 때문에 재료가 탄성거동 하는 것으로 가정하여 해석을 수행한다.
구체적으로, 이러한 유한요소 응력해석은 구조적 핫스팟 응력(HSS)의 진폭을 구하는 것을 목적으로 하기 때문에 적어도 두 개 이상의 최대 및 최소 하중조건에 대하여 해석을 실시하여야 하며, 예를 들면, 쉘(shell)과 솔리드(solid)의 두 가지 요소가 사용된다. 이때, 이러한 유한요소 응력해석의 결과를 평가할 경우, 오류를 피하기 위해 다음과 같은 사항을 주의하여야 한다.
일반적인 유한요소 응력해석 후처리 프로그램은 용접 토우에 인접한 두 요소의 평균값을 절점 기준으로 출력하여 보여주기 때문에 해석 대상에 대한 요소의 결과값을 읽어야 한다.
또한, 비선형 피크(peak) 응력을 제외한 값을 사용해야 하며, 두께를 8절점 입체요소 또는 감차적분(reduced integration) 20절점 요소를 사용하여 한 층으로 모델링한 경우, 두께 방향으로 선형의 응력 분포가 얻어진다. 또한, 이러한 두께를 다층으로 요소 분할한 경우 응력해석 결과는 다소 정확한 비선형 응력분포 결과를 얻을 수 있으며, 이것으로부터 응력이 선형 분포하는 부분 또는 구조적 핫스팟 응력(HSS)을, 도 7에 도시된 바와 같이 3부분으로 나누어 구할 수 있다. 예를 들면, 선박 등의 대형 구조물의 경우, 용접 토우에 대한 정확한 해석 결과를 얻기 위해 상세요소 분할을 이용하여 전체 구조를 유한요소 응력해석을 실시하는 것은 비실용적이다.
이에 따라 현실적인 적용 가능 방법으로는 핫스팟(Hot Spot)을 판 두께의 크기로 요소 분할하는 것이 적당하다. 즉, 용접 토우를 예리한 노치(Notch)로 모델링하면 해(Solution)의 특이성(Singularity) 영향에 의하여 노치 선단의 첫 번째 요소의 응력이 다소 과장되는데, 이것은 상대적으로 떨어진 외삽 위치의 값을 이용하는 외삽법의 오차에 의해 상쇄된다.
다음으로, 도 2를 다시 참조하면, 유한요소(FE) 응력해석을 통한 핫스팟 응력(HSS)을 평가한다(S152).
구체적으로, 다수의 응력 집중부위를 갖는 대형 구조물의 응력 해석은 두 단계로 나누어 해석을 수행할 수 있다. 첫 번째 단계로, 덜 조밀한(Coarse) 모델을 사용한 해석에 기초하여 응력 집중부위를 파악한다. 다음 두 번째 단계로, 상기 파악된 응력 집중부위를 서브모델링(sub-modeling)하고, 서브모델(sub-model)의 경계에 절점의 변위(boundary displacement) 또는 절점의 하중(nodal force)을 하중조건으로 하여 상세유한요소 해석을 수행하거나, 초기의 덜 조밀한(Coarse) 모델의 응력 집중부위의 요소를 작게 요소 분할하여 유한요소 해석을 수행한다.
여기서, 일반적으로 응력해석 결과로서 후처리 프로그램을 통해 얻는 응력 집중부위의 응력은 엄밀해가 아니기 때문에, 응력 집중부위 주변요소의 수치적분점의 응력 또는 응력 집중부위로부터 일정거리 떨어진 절점의 응력을 이용해야 하며, 이때, 응력 집중부위의 응력 및 응력구배가 높은 정확성을 가질 수 있도록 요소의 크기를 세분화해야 한다.
다음으로, 도 2를 다시 참조하면, 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS)을 계산한다(S153). 이때, 1) 상대적으로 덜 조밀한 요소를 사용할 수 있는 경우, 및 2) 상대적으로 조밀한 요소(Finite Element)를 사용하는 경우로 구분하여 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS)을 계산한다.
도 10은 핫스팟 응력(HSS) 계산을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 상대적으로 덜 조밀한 요소를 사용할 수 있는 경우로서, 전술한 바와 같은 일반적인 주의가 지켜진다면, 다음과 같은 경우에 대해서는 상대적으로 덜 조밀한(coarse) 요소를 사용할 수 있다. 즉, 주변에 심한 불연속부가 없는 경우, 응력 집중처의 응력 구배가 심하지 않은 경우, 8-노드 쉘 요소 20-노드 쉘 요소가 사용되는 경우, 요소의 중간 절점(mid-point 또는 mid-side node)의 응력값이 사용된 경우, 또는 부재의 두께가 30㎜ 이하인 경우에 상대적으로 덜 조밀한(coarse) 요소를 사용할 수 있다.
또한, 0.5t와 1.5t 절점위치를 이용한 선형 외삽법(Linear Extrapolation)에서 핫스팟 응력값(
Figure 112017013237985-pat00030
)은 다음의 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00031
또한, 0.5t, 1.5t 및 2.5t 절점위치를 이용한 2차 외삽법(Quadratic extrapolation)에서 핫스팟 응력값(
Figure 112017013237985-pat00032
)는 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00033
여기서, 외삽시 절점의 위치는 솔리드(solid) 모델의 경우, 용접 토우로부터의 거리이며, 쉘(shell) 모델의 경우 교차점으로부터의 거리이다. 이때, 외삽식을 사용하는 경우, 솔리드 요소를 사용한 경우, 하중 방향으로 길이 1.0t인 솔리드 요소의 중간 절점(mid-point)의 응력값을 사용하며, 쉘 요소를 사용한 경우, 역시 요소의 중간 절점의 응력값을 사용하여야 한다. 이때, 외삽식은 미세 요소 분할한 경우, 핫스팟 응력(HSS) 값을 작게 평가하기 때문에 사용하지 말아야 하며, 요소 크기에 민감하기 때문에 규정된 크기의 요소를 사용하는 것이 중요하다.
다음으로, 상대적으로 조밀한 요소(Finite Element)를 사용하는 경우로서, 다음과 같은 경우에 조밀한 요소(Finite Element)를 사용한다. 즉, 1) 인접 불연속부 사이인 경우, 2) 응력 집중부에 근접하여 높은 응력 구배를 갖는 이음부의 경우, 3) 4-노드 쉘 요소 및 8-노드 쉘 요소를 사용하는 경우, 4) 두꺼운 판재로 된 구조물을 해석하는 경우 및 5)시편의 응력 집중부를 해석하는 경우에 필요한 요소의 크기는 사용하는 외삽 방법에 따라 달라질 수 있다.
전술한 모델링 기법을 채용한 경우 외삽 규칙은 다음과 같다. 즉, 0.4t와 1.0t 절점 위치를 이용한 선형 외삽법에 따른 핫스팟 응력값(
Figure 112017013237985-pat00034
)은 다음의 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00035
또한, 0.4t, 0.9t 및 1.4t 절점 위치를 이용한 2차 외삽법에 따른 핫스팟 응력값(
Figure 112017013237985-pat00036
)은 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00037
여기서, 외삽법은 절점의 응력을 직접 읽는 것이 바람직하며, 하중방향으로 첫 번째 요소의 경우 길이 0.4t, 두 번째 요소의 경우 길이 0.6t이어야 하며, 수학식 4의 경우, 1, 2, 3번째 요소의 길이가 0.4t, 0.5t, 0.5t를 넘지 않아야 한다. 또한, 불연속부에 근접한 경우, 4-노드 쉘 요소 및 8-노드 쉘 요소를 사용하는 경우 조밀한 요소 분할이 필요하다.
또한, 부착물 길이에 수직한 방향인 부착물 두께 폭의 평균응력 값을 사용하여 부착물 선단의 실제 응력을 평가할 수 있으며, 선형 외삽의 경우 브래킷 선단의 0.4t 및 1.0t 위치의 평균 응력 값을 이용하면 정확한 평가가 가능하다.
다음으로, 도 2를 다시 참조하면, 응력집중계수(Stress Concentration Factor: SCF)를 산정한다(S154).
구체적으로, 대상 구조물의 용접 이음부 형상에 따라 응력집중계수(SCF)는 다음과 같이 산정하여 피로수명을 판단한다. 즉, 응력집중계수(SCF)는 응력 집중부에 작용하는 최대의 응력과 단면적당의 응력과의 비율을 응력집중계수라고 한다.
용접 이음부 형상에 따른 K형 이음부 또는 T형 이음부의 응력집중계수(SCF)는 1) Balanced axial load(균형 축 부하), 2) Balanced in-plane bending(균형 평면상 휨) 및 3) Balanced out-of-plane bending(균형 면외 방향 휨)으로 구분하여 응력집중계수(SCF)를 산출할 수 있다.
먼저, 1) Balanced axial load(균형 축 부하)인 경우, 주부재(110)에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00038
)는 다음의 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00039
또한, 2차부재(120)에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00040
)는 다음의 수학식 6과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00041
다음으로, 2) Balanced in-plane bending(균형 평면상 휨)인 경우, 주부재(110)에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00042
)는 다음의 수학식 7과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00043
또한, 2차부재(120)에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00044
)는 다음의 수학식 8과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00045
다음으로, 3) Balanced out-of-plane bending(균형 면외 방향 휨)인 경우, 2차부재 A에 인접한 주부재(110)에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00046
)는 다음의 수학식 9와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00047
여기서,
Figure 112017013237985-pat00048
로 주어진다.
또한, 2차부재에 대한 응력집중계수(
Figure 112017013237985-pat00049
)는 다음의 수학식 10과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112017013237985-pat00050
또한, 구조물의 형상이 복잡한 경우, 예를 들면, 용접 이음부 형상이 TK형 이음부인 경우, 상세 해석을 실시하여 응력집중계수(SCF)를 산정할 수 있다.
다음으로, 도 2를 다시 참조하면, 핫스팟 응력(Hot Spot Stress)과 피로수명과의 관계를 이용하여 피로수명을 평가하여 내구성을 평가한다(S155).
도 11은 핫스팟 응력(HSS)과 피로수명과의 관계를 나타내는 도면이다.
원형강관 연결이음부의 피로강도 평가를 위해서, 도 11에 도시된 바와 같이, 핫스팟 응력(Hot Spot Stress)과 피로수명과의 관계를 이용하여 다음의 수학식 11 및 12를 사용하여 피로강도를 평가할 수 있다. 예를 들면, 103<Nf<5x105인 경우, 다음의 수학식 11과 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00051
또한, 5x106<Nf<108인 경우, 다음의 수학식 12와 같이 주어진다.
Figure 112017013237985-pat00052
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 설계 공용년수를 경과한 자켓 구조물의 재활용을 위하여 자켓 구조물의 내구성 추정에 대한 가이드라인을 제시하고, 주부재 및 2차부재로 이루어진 자켓 구조물의 복잡한 형상을 가진 용접 이음부에 대한 피로수명을 평가하여 내구성을 정확하게 평가함으로써 비용 절감과 환경적인 측면에서 자켓 구조물을 용이하게 재활용할 수 있고, 또한, 자켓 구조물의 재활용을 위하여 강재의 가장 취약한 부분인 용접 이음부에 대한 유한요소해석을 통해 부식 두께를 고려한 피로를 용이하게 검토할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 자켓 구조물
110: 주부재
120: 2차부재

Claims (11)

  1. 설계 공용년수가 경과된 해양 구조물로부터 해체되는 자켓 구조물을 재활용할 수 있도록 내구성을 평가하는 방법에 있어서,
    a) 주부재(110) 및 2차부재(120)로 이루어지며, 다수의 소정 형상의 이음부를 갖는 재활용할 자켓 구조물(100)을 선정하는 단계;
    b) 비파괴시험을 통해 상기 자켓 구조물(100)의 건전도를 평가하는 단계;
    c) 상기 자켓 구조물(100)이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하는지 여부를 확인하는 단계;
    d) 상기 자켓 구조물(100)이 재활용 목적에 적합한 요구수명을 만족하지 않는 경우, 상기 자켓 구조물(100)의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한지 여부를 확인하는 단계; 및
    e) 상기 자켓 구조물(100)의 부식 상태에 따른 보수 또는 복원이 필요한 경우, 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하는 단계
    를 포함하되,
    상기 e) 단계에서, 공용년수를 경과한 해양 구조물인 자켓 구조물(100)을 대상으로 강재의 취약부 중 하나인 용접 이음부의 피로에 대해 부식에 따른 단면 감소를 고려한 유한요소 해석을 실시하고, 그 응력 분포 및 응력 변화를 조사하여 상기 용접 이음부의 잔존 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하되;
    상기 e) 단계는, e-1) 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명 평가를 위해 상기 자켓 구조물(100)의 유한요소 응력해석 결과를 평가하는 단계; e-2) 유한요소(FE) 응력해석을 통한 핫스팟 응력(HSS)을 평가하는 단계; e-3) 요소 선택 및 핫스팟 응력(HSS)을 계산하는 단계; e-4) 상기 자켓 구조물(100)의 용접 이음부 형상에 따라 응력집중계수(Stress Concentration Factor: SCF)를 산정하는 단계; 및 e-5) 핫스팟 응력(Hot Spot Stress)과 피로수명과의 관계를 이용하여 상기 자켓 구조물(100)의 피로수명을 평가하여 내구성을 평가하는 단계를 포함하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 자켓 구조물(100)은 좌굴이나 비틀림에 대한 강한 강성을 가지며, 유동장에서의 항력계수가 작고, 충격하중에 대하여 영향을 적게 받으며, 최소한의 도장면적을 가지는 원형 강관이 사용되는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자켓 구조물(100)의 이음부 종류는 상기 주부재(110)와 상기 2차부재(120)의 연결 형태에 따라 X형 이음부, T형 이음부, K형 이음부, Y형 이음부, N형 이음부 또는 TK형 이음부로 분류되며, 상기 이음부의 정적강도 및 응력집중계수와 같은 구조적 거동은 기하학적 치수들을 무차원화한 계수들과 이음부의 종류에 따라 표현되는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 비파괴 검사는 외관조사(VT), 초음파 테스트(UT), 자분테스트(MPI), 방사선투과 테스트(RT) 및 액체침투탐상 테스트(PT) 중에서 어느 하나가 선택되며, 상기 비파괴 검사 방법에서 상기 자켓 구조물(100)의 건전도를 보증할 수 없는 경우, 응력시험, 경도시험 또는 금속조직시험의 파괴 검사 방법을 사용하여 상기 자켓 구조물(100)의 강도를 검사하는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 e-1) 단계에서, 구조적 핫스팟 응력(HSS)의 진폭을 구할 수 있도록 적어도 두 개 이상의 최대 및 최소 하중조건에 대하여 핫스팟(Hot Spot)을 판 두께의 크기로 요소 분할하여 유한요소 응력해석을 실시하는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 e-2) 단계에서, 덜 조밀한(Coarse) 모델을 사용한 해석에 기초하여 응력 집중부위를 파악한 후, 상기 파악된 응력 집중부위를 서브모델링(sub-modeling)하고, 서브모델(sub-model)의 경계에 절점의 변위(boundary displacement) 또는 절점의 하중(nodal force)을 하중조건으로 하여 상세유한요소 해석을 수행하거나, 초기의 덜 조밀한 모델의 응력 집중부위의 요소를 작게 요소 분할하여 유한요소 해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 e-3) 단계에서, 상대적으로 덜 조밀한 요소(Coarse Element)를 사용할 수 있는 경우, 및 상대적으로 조밀한 요소(Finite Element)를 사용하는 경우로 구분하여 요소를 선택하고 핫스팟 응력(HSS)을 계산하는 것을 특징으로 하는 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법.
  11. 삭제
KR1020170017595A 2017-02-08 2017-02-08 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법 KR101779453B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170017595A KR101779453B1 (ko) 2017-02-08 2017-02-08 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170017595A KR101779453B1 (ko) 2017-02-08 2017-02-08 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101779453B1 true KR101779453B1 (ko) 2017-09-18

Family

ID=60034461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170017595A KR101779453B1 (ko) 2017-02-08 2017-02-08 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101779453B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109186820A (zh) * 2018-07-12 2019-01-11 哈尔滨工程大学 一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法
KR20190076206A (ko) 2017-12-22 2019-07-02 동국제강주식회사 변단면을 가지는 후판의 용접 기능성 평가 방법 및 변단면을 가지는 후판의 용접 기능성 평가용 용접 구조체
CN113868911A (zh) * 2021-09-27 2021-12-31 大连理工大学 一种基于结构应力法的焊缝疲劳数字孪生框架
CN114004045A (zh) * 2021-11-25 2022-02-01 大连理工大学 Y型管节点应力集中系数计算方法、装置及可存储介质
CN114004125A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 河海大学 轴力荷载下管节点应力集中系数峰值计算方法及应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003239542A (ja) 2002-02-13 2003-08-27 Sekisui Chem Co Ltd 構造体の再利用方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003239542A (ja) 2002-02-13 2003-08-27 Sekisui Chem Co Ltd 構造体の再利用方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
구조응력기법을 적용한...연구 (대한용접학회 학술대회 개요집, 2005.6.)
핫스팟 응력해석...지침 (대한용접학회지, 2005.12)
해양 철구조물에의 ..적용 (비파괴검사학회지, 1991.5.)
해양플랜트.... 피로강도개선방안 연구 (대한토목학회 정기학술대회, 2010.)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190076206A (ko) 2017-12-22 2019-07-02 동국제강주식회사 변단면을 가지는 후판의 용접 기능성 평가 방법 및 변단면을 가지는 후판의 용접 기능성 평가용 용접 구조체
CN109186820A (zh) * 2018-07-12 2019-01-11 哈尔滨工程大学 一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法
CN113868911A (zh) * 2021-09-27 2021-12-31 大连理工大学 一种基于结构应力法的焊缝疲劳数字孪生框架
CN113868911B (zh) * 2021-09-27 2024-04-12 大连理工大学 一种基于结构应力法的焊缝疲劳数字孪生框架生成方法
CN114004125A (zh) * 2021-11-03 2022-02-01 河海大学 轴力荷载下管节点应力集中系数峰值计算方法及应用
CN114004045A (zh) * 2021-11-25 2022-02-01 大连理工大学 Y型管节点应力集中系数计算方法、装置及可存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101779453B1 (ko) 재활용 자켓 구조물의 내구성 평가 방법
Jayadevan et al. Fracture response of pipelines subjected to large plastic deformation under tension
Pinheiro et al. Fatigue analysis of damaged steel pipelines under cyclic internal pressure
Kudryavtsev et al. Ultrasonic technique and equipment for residual stresses measurement
Zarandi et al. Experimental and numerical study of mooring chain residual stresses and implications for fatigue life
US8229681B2 (en) Method to measure tearing resistance
Zhao et al. Standards and methods for dent assessment and failure prediction of pipelines: A critical review
Bertini et al. Effects of plate stiffness on the fatigue resistance and failure location of pipe-to-plate welded joints under bending
Netto et al. Fatigue performance of pre-strained pipes with girth weld defects: Local deformation mechanisms under bending
Johnston et al. Investigations into the fatigue strength of CRA lined pipe
Lie et al. Static strength of cracked square hollow section T joints under axial loads. I: Experimental
Belachew et al. Strength assessment of a corroded pipeline through the burst test: Case study
Carlucci et al. Crack initiation and growth in bimetallic girth welds
Van den Abeele et al. Non destructive testing techniques for risk based inspection
Li et al. Fatigue life prognosis study of welded tubular joints in signal support structures
Ma et al. FATIGUE DESIGN OF CAST STEEL NODES IN OFFSHORE STRUCTURES BASED ON RESEARCH DATA.
AS Fatigue design of offshore steel structures
Kalyanam et al. Mode mixity in the fracture toughness characterization of HAZ material using SEN (T) testing
Kudryavtsev et al. Measurement of residual stresses in welded elements and structures by ultrasonic method
Papatheocharis et al. Fatigue of welded tubular X-joints in offshore wind platforms
Thibaux et al. Numerical Simulation and Result Interpretation of Large Scale Fatigue Testing of Tubular X-Joint Close to Resonance Frequency
Dai et al. Kalman Filter‐Based Multitype Measurement Data Fusion for Stress Intensity Factor Evaluation in Marine Structures
Tyson Fracture control for northern pipelines
Nikbin Evaluating creep cracking in welded fracture mechanics specimens
Yang Effect of Weld Size on Hot Spot Stress Distribution Along the Weld Toe in Tubular T-Joints

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant