KR102353866B1 - Displacement and rotation measuring device for high temperature and strain measuring device for high temperature based on IoT and system for evaluating safety of piping using thereof - Google Patents

Displacement and rotation measuring device for high temperature and strain measuring device for high temperature based on IoT and system for evaluating safety of piping using thereof Download PDF

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KR102353866B1
KR102353866B1 KR1020210079873A KR20210079873A KR102353866B1 KR 102353866 B1 KR102353866 B1 KR 102353866B1 KR 1020210079873 A KR1020210079873 A KR 1020210079873A KR 20210079873 A KR20210079873 A KR 20210079873A KR 102353866 B1 KR102353866 B1 KR 102353866B1
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황원식
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(주)에스티에스 엔지니어링
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for evaluating the safety of a pipe, and more specifically, to an IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device, a high-temperature strain rate measurement device, and a pipe safety evaluation system using the same. According to the present invention, in a conventional case, there has been a limitation in that for a pipe applied to the high-temperature environment, a measurement device and a measurement method which are capable of measuring a part-specific displacement of the pipe, caused by thermal deformation of the pipe or subsidence or deformation of the ground or a support device, finding a fragile site, performing maintenance and repairing, and preventing damage to the pipe in advance have not been presented. In order to solve the problems of the conventional measurement device and measurement method for a pipe, displacement sensors for measuring a displacement and rotation and strain sensors for measuring a strain rate are installed at regular intervals on each part of a pipe so as to monitor the occurrence of a displacement caused by thermal deformation due to heat or subsidence of the ground or a support device due to a load, evaluate the safety of the pipe based on the respective measurement values, and determine whether to perform maintenance and repairing according to the evaluation results. Accordingly, the present invention is capable of effectively preventing damages to the pipe and securing the safety of the entire facility.

Description

IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템{Displacement and rotation measuring device for high temperature and strain measuring device for high temperature based on IoT and system for evaluating safety of piping using thereof} Displacement and rotation measuring device for high temperature and strain measuring device for high temperature based on IoT and system for evaluating safety of piping using thereof }

본 발명은 배관의 안전성을 평가하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 적용되는 고온 플랜트 배관은 열로 인한 열변형이 발생하는 데 더하여 배관 자체의 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의해 배관의 변위가 발생하게 되고, 이러한 변형이나 변위가 심해지면 배관의 파손이 발생하여 큰 사고로 이어질 수 있는 위험이 있었던 종래기술의 고온 플랜트 배관의 문제점을 해결하기 위해, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고, 찾아낸 취약부위에 대하여 사전에 유지보수를 행하도록 하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for evaluating the safety of piping, and more specifically, for example, a high-temperature plant piping applied to a high-temperature, high-pressure environment, such as a thermal power plant, causes thermal deformation due to heat. In addition, the displacement of the pipe occurs due to subsidence or deformation of the ground or support device due to the load of the pipe itself, and if this deformation or displacement is severe, the pipe is damaged and there is a risk that it may lead to a major accident. In order to solve the problem of high-temperature plant piping in It relates to an IoT-based displacement and rotation measuring device for high temperature and strain measuring device for high temperature, which are configured to ensure safety, and a piping safety evaluation system using the same.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 하기 위해, 변위 및 회전을 검출하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변위센서와, 변형률을 측정하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 구성되는 변형률센서를 포함하여 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention monitors the overall condition of the pipe as described above to find a vulnerable part where abnormal deformation or abnormal displacement and torsion occurs, and to ensure the safety of the pipe by performing maintenance in advance, A sensor unit for detecting displacement and rotation and an MCU for control are disposed inside and outside each integrally with the insulating material surrounding the pipe, and a displacement sensor consisting of a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT, and measures the strain For IoT-based high temperature, which includes a strain sensor consisting of a sensor unit for controlling Displacement and rotation measuring device, high temperature strain measuring device, and piping safety evaluation system using the same.

아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 각 부위별로 배관의 열변형이나 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내고 유지보수를 행하여 배관의 파손을 사전에 방지할 수 있도록 하기 위한 측정장치 및 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 배관의 각 부위마다 일정 간격으로 변위 및 회전을 측정하기 위한 변위센서와 변형률을 측정하기 위한 변형률센서를 각각 설치하여 열로 인한 열변형이나 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하 등에 의한 변위 발생을 모니터링하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 평가결과에 따라 유지보수 여부를 결정하는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지하고 전체 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention, as described above, by measuring the displacement due to thermal deformation of the pipe or subsidence or deformation of the ground or support device for each part as described above to find the weak spot and perform maintenance to prevent damage to the pipe in advance. In order to solve the problems of the pipe measuring devices and methods of the prior art, which had limitations in which the measuring devices and methods were not presented, the displacement sensors and strains for measuring displacement and rotation at regular intervals for each part of the pipe were measured. Each strain sensor is installed to monitor displacement caused by thermal deformation due to heat or subsidence of the ground or support device due to load, and whether or not maintenance is performed according to the evaluation result by evaluating the safety of the pipe based on each measured value It relates to an IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device and high-temperature strain measuring device, and a pipe safety evaluation system using the same, which are configured to effectively prevent pipe breakage and secure the safety of the entire facility by determining

일반적으로, 화력발전소 등과 같은 설비에 설치되는 고온 압력 배관은 주기적으로 열간과 냉간 상태를 반복하면서 열변형이 발생하며, 예를 들면, 설계치 이상의 열팽창, 배관 지지장치의 고장 및 하중에 의한 불량이나 지반 침하 등과 같이, 배관을 지지하고 있는 배관 지지장치의 문제점들로 인하여 배관의 이상변위가 발생할 수 있고, 이러한 열변형이나 이상변위는 배관의 파손을 야기하여 대형 사고로 이어질 수 있는 위험이 있다. In general, high-temperature pressure piping installed in facilities such as thermal power plants undergoes thermal deformation while periodically repeating hot and cold states, for example, thermal expansion exceeding the design value, failure of the pipe support device, failure due to load, or ground Abnormal displacement of the pipe may occur due to problems of the pipe support device supporting the pipe, such as subsidence, and such thermal deformation or abnormal displacement may cause damage to the pipe and lead to a major accident.

또한, 고온 환경에 장기간 노출된 배관은 크리프(creep) 파손의 위험이 있고, 최초 설계 대비 과도한 변위는 추가적인 파손을 야기할 수 있으므로, 이러한 문제를 사전에 예방하기 위하여 국내의 경우에는 주기적으로 계획예방정비(Over Hole)를 수행하고 있으며, 다양한 수치해석 기법을 통해 배관의 응력을 예측하고 이를 기반으로 정비를 수행하고 있다. In addition, pipes exposed to high temperature environments for a long time have a risk of creep damage, and excessive displacement compared to the initial design may cause additional damage. We are performing over-hole, predicting the stress in the pipe through various numerical analysis techniques, and performing maintenance based on this.

여기서, 상기한 바와 같이 배관의 파손을 방지하기 위하여 배관의 상태를 측정하고 위험여부를 판단하기 위한 장치 및 방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1104891호에 제시된 바와 같은 "리스크정보 활용 배관 가동중 검사부위 선정방법"이 있다. Here, as an example of the prior art for an apparatus and method for measuring the condition of a pipe and determining whether there is a risk in order to prevent damage to the pipe as described above, for example, in Korea Patent Publication No. 10-1104891 As suggested, there is a "method of selecting an inspection site during pipe operation using risk information".

더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1104891호는, 확률론적 안전성 평가모델을 활용하여 정성적으로 관련 배관파손시 사고결말을 평가하고, 배관 재질 및 계통특성을 고려하여 분절화하는 제 1 단계; 배관파손을 조건으로 초기사건발생 및 계통기능상실을 유발할 가능성이 있는 배관인지 확률론적 안전성 평가모델을 활용하여 정성적으로 평가하는 제 2 단계; 배관파손시의 경우와 동일한 피해를 야기할 수 있는 기기를 대체기기로 선정하고, 대체기기의 확률론적 안전성 평가모델을 이용하여 배관파손에 따른 리스크를 정량화하여 배관파손 조건부 리스크를 구하는 제 3 단계; 배관파손시 초기사건발생 및 계통기능상실이 예상되는 배관에 대하여 확률론적 파괴역학 코드를 사용하여 배관파손확률을 구하는 제 4 단계; 배관파손 조건부 리스크와 배관파손 확률을 곱해서 배관부위별 리스크를 노심손상빈도(CDF; Core Damage Frequency) 값으로 계산하고, 배관부위별 리스크를 모두 합해서 배관 전체의 리스크를 계산한 후, 각각의 배관의 리스크가 배관 전체의 리스크에서 차지하는 비율을 계산해서 배관별 리스크 중요도를 RRW(Risk Reduction Worth) 값으로 구하는 제 5 단계; RRW 값이 1005 이상인 배관을 검사대상 배관으로 결정하는 제 6 단계; 및 검사대상 배관 내에서 검사부위를 선정하는 제 7 단계를 포함하여, 분석범위 내의 배관 각 부위별로 발전소 안전성에 미치는 리스크를 평가하여 이에 따라 맞춤식 비파괴검사를 수행함으로써 검사물량을 약 50% 이상 감소시킬 수 있고, 적은 비용으로 중요한 부위에 대한 집중적인 검사를 수행할 수 있도록 구성되는 리스크정보 활용 배관 가동중 검사부위 선정방법에 관한 것이다. More specifically, the above-mentioned Korean Patent Publication No. 10-1104891 uses a probabilistic safety evaluation model to qualitatively evaluate the accidental end in case of a related pipe breakage, and to segment it in consideration of the pipe material and system characteristics. Step 1; a second step of qualitatively evaluating by using a probabilistic safety evaluation model that recognizes a pipe that is likely to cause an initial event and loss of system function under the condition of pipe damage; A third step of selecting a device that can cause the same damage as in the case of pipe breakage as a replacement device, and quantifying the risk due to pipe damage using the probabilistic safety evaluation model of the replacement device to obtain a conditional risk of pipe damage; A fourth step of obtaining the probability of pipe failure by using a probabilistic fracture mechanics code for the pipe in which the occurrence of an initial event and loss of system function are expected when the pipe is damaged; After multiplying the pipe break conditional risk and the pipe breakage probability, the risk for each pipe section is calculated as a Core Damage Frequency (CDF) value, and the risk of each pipe section is summed to calculate the overall risk of the pipe. a fifth step of calculating the ratio of the risk to the overall risk of the pipe and calculating the risk importance for each pipe as an RRW (Risk Reduction Worth) value; a sixth step of determining a pipe having an RRW value of 1005 or more as an inspection target pipe; and the seventh step of selecting an inspection site within the inspection target pipe, by evaluating the risk on the safety of the power plant for each part of the pipe within the analysis range and performing a customized non-destructive inspection accordingly to reduce the quantity of inspection by about 50% or more It relates to a method for selecting an inspection site during pipe operation using risk information that is configured to perform intensive inspection on important parts at low cost.

상기한 바와 같이, 종래, 배관의 상태를 측정하고 파손을 방지하기 위한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, in the prior art, various technical contents for measuring the state of the pipe and preventing damage have been presented, but the contents of the prior art as described above have the following problems.

더 상세하게는, 상기한 바와 같이, 고온 압력 배관의 건전성을 확보하기 위해서는 우선적으로 취약부위를 파악하여 해당 부위에 대한 유지보수가 수행되어야 하며, 이러한 취약부위는 전체 배관 계통에 대한 수치해석을 통해 고응력 부위를 찾아내어 취약부위로 선정할 수 있고, 취약부위에 대한 정확한 국부응력을 계산하여 크리프 및 피로수명을 평가할 수 있다. More specifically, as described above, in order to secure the soundness of the high-temperature pressure pipe, it is necessary to first identify the vulnerable part and perform maintenance on the corresponding part. It is possible to find a high-stress area and select it as a vulnerable area, and to evaluate the creep and fatigue life by calculating the exact local stress on the vulnerable area.

여기서, 고온 압력 배관의 안전성에 있어서 실제 배관의 거동을 예측하기 위한 수치해석의 정확성이 중요하나, 제한된 현장 배관정보를 기반으로 정확한 국부응력을 계산하는 것은 어렵다. Here, the accuracy of numerical analysis for predicting actual piping behavior is important in the safety of high-temperature pressure piping, but it is difficult to accurately calculate local stress based on limited field piping information.

즉, 장기간 운전중인 배관계통인 경우에는 배관의 개보수 및 배관 지지장치의 증설로 인하여 초기 설계상태와 변경된 구속 지지조건을 모두 포함하여 고려해야 하나, 일반적인 고온 압력 배관에 대한 기존의 수치해석 방법들은 단순히 설계 치수를 기반으로 배관계통 전체 또는 구속 지지점 사이를 대상으로 수행됨으로 인해 실제 고온 압력 배관의 거동을 정확히 모사하기 어렵다는 문제가 있다. That is, in the case of a piping system in operation for a long period of time, it is necessary to consider both the initial design state and the changed restraint support conditions due to the renovation of the piping and the expansion of the piping support device. There is a problem in that it is difficult to accurately simulate the behavior of an actual high-temperature pressure pipe because it is performed for the entire piping system or between the restraining points based on the dimensions.

또한, 기존의 수치해석 기법들은 빔요소를 기반으로 하여 전체 배관라인을 대상으로 하고 있으므로, 위험지점에서의 국부응력 예측이 어렵다는 단점도 있었다. In addition, since the existing numerical analysis methods target the entire piping line based on the beam element, there is a disadvantage in that it is difficult to predict the local stress at the dangerous point.

더 상세하게는, 기동방식에 따라 점화 후 운전을 지속하는 석탄 화력발전소의 크리티컬(Critical) 배관의 경우에는 고온 고압 환경에 지속적으로 노출되므로 크리프 현상이 발생하며, DSS(Daily Start Stop), WSS(Weekly Start Stop) 방식의 잦은 기동을 하는 복합 화력발전소의 크리티컬(Critical) 배관은 피로파손에 대한 위험이 있다. More specifically, in the case of a critical pipe of a coal-fired power plant that continues to operate after ignition according to a starting method, creep occurs because it is continuously exposed to a high-temperature and high-pressure environment, and DSS (Daily Start Stop) and WSS (Daily Start Stop) The critical piping of the combined cycle power plant that frequently starts the Weekly Start Stop method has a risk of fatigue damage.

아울러, 크리프 및 피로파손 수명을 정확하게 평가하기 위해서는 평가위치의 배관에서 발생하는 국부적인 최대응력과 변형률을 계산해야 하며, 이를 위해서는 현재 기동중인 배관의 기하학적 형상정보(변위 및 비틀림)를 기반으로 수치해석을 수행해야 하나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들에는 이와 같이 배관 전체에 걸쳐 변위 및 변형을 측정하여 특정 위치의 취약지점을 찾아내고 유지보수를 수행할 수 있도록 하기 위한 기술내용에 대하여는 제시된 바 없었다. In addition, in order to accurately evaluate the life of creep and fatigue failure, it is necessary to calculate the local maximum stress and strain occurring in the piping at the evaluation location. However, in the contents of the prior art as described above, as described above, by measuring displacement and deformation over the entire pipe, the technical content for finding a weak point in a specific location and performing maintenance is presented. there was no

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 현재 가동 및 비가동 상태에 대한 배관의 변위 및 비틀림(회전)을 각각 정확하게 측정하고, 측정된 정보를 이용하여 수치해석을 통해 배관의 안전성을 평가하고 유지보수를 수행하는 것에 의해 효과적으로 배관의 파손 및 사고발생을 미연에 방지할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 배관 안전성 평가시스템을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, in order to solve the problems of the prior art as described above, the displacement and torsion (rotation) of the pipe for the current operating and non-operating state are accurately measured, respectively, with a relatively simple configuration and low cost, and the measured information is used to It is desirable to present a piping safety evaluation system of a new configuration that is configured to effectively prevent pipe damage and accidents in advance by evaluating the safety of the piping through numerical analysis and performing maintenance. There is no device or method that satisfies all of the requirements.

한국 등록특허공보 제10-1104891호 (2012.01.04.)Korean Patent Publication No. 10-1104891 (2012.01.04.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 적용되는 고온 플랜트 배관은 열로 인한 열변형 및 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위가 발생하여 파손의 위험이 있으나, 이러한 배관의 변형이나 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못했던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법의 문제점을 해결하기 위해, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고, 찾아낸 취약부위에 대하여 사전에 유지보수를 행하도록 하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템을 제시하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore, an object of the present invention is, for example, a high-temperature plant pipe applied to a high-temperature, high-pressure environment such as a thermal power plant, and There is a risk of damage due to displacement due to subsidence or deformation of the ground or support device due to load. In order to solve the problems of the pipe measuring device and method of the prior art, which were not presented, by monitoring the overall condition of the pipe, finding the vulnerable part where abnormal deformation or abnormal displacement and torsion occurred, and maintaining the found vulnerable part in advance This is to present an IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device and high-temperature strain measurement device and a piping safety evaluation system using the same, which are configured to ensure the safety of piping by performing

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 하기 위해, 변위 및 회전을 검출하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변위센서와, 변형률을 측정하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 구성되는 변형률센서를 포함하여 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템을 제시하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to monitor the overall condition of the pipe as described above to find a vulnerable part where abnormal deformation or abnormal displacement and torsion occurred, and to secure the safety of the pipe by performing maintenance in advance. In order to do this, a sensor unit for detecting displacement and rotation and an MCU for control are disposed inside and outside each integrally with the insulating material surrounding the pipe, and a displacement sensor consisting of a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT; IoT consisting of a strain sensor consisting of a sensor unit for measuring strain and a distributed sensor that transmits/receives various data based on IoT, where the MCU for control is placed inside and outside in one piece with the insulation surrounding the pipe This is to present a displacement and rotation measuring device for high temperature base, a strain measuring device for high temperature and a piping safety evaluation system using the same.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 각 부위별로 배관의 열변형이나 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내고 유지보수를 행하여 배관의 파손을 사전에 방지할 수 있도록 하기 위한 측정장치 및 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 배관의 각 부위마다 일정 간격으로 변위 및 회전을 측정하기 위한 변위센서와 변형률을 측정하기 위한 변형률센서를 각각 설치하여 열로 인한 열변형이나 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하 등에 의한 변위 발생을 모니터링하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 평가결과에 따라 유지보수 여부를 결정하는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지하고 전체 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템을 제시하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention, as described above, by measuring the displacement due to the thermal deformation of the pipe or subsidence or deformation of the ground or support device for each part as described above to find the weak part and perform maintenance to prevent the damage of the pipe in advance Displacement sensor for measuring displacement and rotation at regular intervals for each part of the pipe in order to solve the problems of the pipe measuring device and method of the prior art, which had a limitation that a measuring device and method for preventing By installing strain sensors to measure the strain and strain, respectively, the occurrence of displacement due to thermal deformation due to heat or subsidence of the ground or support device due to load is monitored. IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device and high-temperature strain measuring device and piping safety evaluation system that are configured to effectively prevent pipe damage and secure the safety of the entire facility by deciding whether to maintain or not that you want to present.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 배관 안전성 평가시스템에 있어서, 배관의 변위 및 회전(비틀림)을 측정하기 위한 변위측정부; 배관의 변형률(strain)을 측정하기 위한 변형률측정부; 유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 다른 평가시스템이나 외부기기와 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 통신부; 및 상기 변위측정부와 상기 변형률측정부 및 상기 통신부의 동작을 각각 제어하고, 상기 변위측정부와 상기 변형률측정부의 각각의 측정센서로 측정된 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하고 유지보수 여부를 결정하며, 유지보수 필요시나 배관의 파손을 포함하는 사고 및 위험발생시 미리 정해진 설정에 따라 담당자나 관계기관에 해당 사실에 대한 알림이나 경고를 보내는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템이 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, in the pipe safety evaluation system, a displacement measuring unit for measuring the displacement and rotation (torsion) of the pipe; Strain measuring unit for measuring the strain (strain) of the pipe; a communication unit for transmitting and receiving various data including measurement values with another evaluation system or an external device through at least one of wired or wireless communication; and controlling the operation of the displacement measuring unit, the strain measuring unit, and the communication unit, respectively, evaluating the safety of the pipe based on the measurement values measured by the respective measuring sensors of the displacement measuring unit and the strain measuring unit, and whether to perform maintenance and a control unit configured to perform a process of sending a notification or warning to a person in charge or a related organization according to a predetermined setting when maintenance is required or an accident or danger including pipe breakage occurs A piping safety evaluation system is provided.

여기서, 상기 변위측정부는, 미리 정해진 위치 또는 미리 정해진 간격으로 배관에 설치되는 복수의 변위센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the displacement measuring unit is characterized in that it is configured to include a plurality of displacement sensors installed in the pipe at a predetermined position or a predetermined interval.

또한, 상기 변위센서는, 배관의 변위 및 회전(비틀림)을 각각 검출하기 위해 가속도계 및 자이로 센서를 이용하여 6자유도(Degrees Of Freedom ; DOF) 센서로 구성되며, 배관의 외부를 둘러싸는 보온재의 내부에 측정을 위한 센서부가 설치되고, 상기 보온재의 외부에 제어를 위한 MCU(microcontroller unit)가 각각 배치되어 사물인터넷(Internet of Things ; IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하도록 이루어지는 분산형 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the displacement sensor is composed of a 6 degree of freedom (DOF) sensor using an accelerometer and a gyro sensor to detect displacement and rotation (torsion) of the pipe, respectively, and A sensor unit for measurement is installed inside, and a microcontroller unit (MCU) for control is respectively disposed outside the insulation to transmit and receive measurement values and various data based on the Internet of Things (IoT). It is characterized in that it is composed of

아울러, 상기 변형률측정부는, 미리 정해진 위치 또는 미리 정해진 간격으로 배관에 설치되는 복수의 변형률센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the strain measuring unit is characterized in that it is configured to include a plurality of strain sensors installed in the pipe at a predetermined position or at a predetermined interval.

더욱이, 상기 변형률센서는, 배관의 변형률(strain)을 측정하기 위한 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서로 구성되고, 배관의 외부를 둘러싸는 보온재의 내부에 측정을 위한 센서부가 설치되고, 상기 보온재의 외부에 제어를 위한 MCU(microcontroller unit)가 각각 배치되어 사물인터넷(Internet of Things ; IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하도록 이루어지는 분산형 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the strain sensor is composed of a fiber bragg grating (FBG) sensor for measuring strain of the pipe, and a sensor unit for measurement is installed inside the insulating material surrounding the outside of the pipe, and the outside of the insulating material Each microcontroller unit (MCU) for control is arranged in the Internet of Things (IoT)-based, characterized in that it is composed of a distributed sensor configured to transmit and receive measurement values and various data.

또한, 상기 제어부는, 상기 변위측정부 및 상기 변형률측정부를 통해 실시간으로 측정되는 측정값들을 수신하여 별도의 저장수단에 저장하고, 디지털 트윈(digital twin) 기술에 기반하여, 각각의 측정값들에 근거하여 유한요소해석(Finite Element Analysis ; FEA)을 수행하는 것에 의해 배관 전체에 대한 현재상태 및 이상변위나 이상변형 발생을 모니터링하며, 모니터링 결과가 미리 정해진 기준값이나 허용범위를 벗어나는 경우 배관의 파손을 포함하는 이상발생이나 유지보수가 필요한 것으로 판단하고, 미리 정해진 설정에 따라 지정된 연락처에 해당 사실을 전달하여 대응하도록 하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the control unit receives the measured values measured in real time through the displacement measuring unit and the strain measuring unit and storing them in a separate storage means, and based on digital twin technology, each of the measured values is Based on the finite element analysis (FEA), the current state of the entire pipe and the occurrence of abnormal displacement or abnormal deformation are monitored. It is characterized in that it is characterized in that it is determined that an abnormal occurrence or maintenance is required, and a process of delivering the corresponding fact to a designated contact according to a predetermined setting to respond is automatically performed.

아울러, 상기 제어부는, 상기 변위측정부 및 상기 변형률측정부의 각각의 센서들로부터 전송되는 측정값을 각각 수신하여 데이터베이스의 형태로 별도의 저장수단에 저장하고, 수신된 측정값들에 근거하여, 상기 배관의 변위값에 대하여 유한요소해석(FEA)을 통해 국부응력을 산출하고 응력해석을 수행하며, 상기 배관의 변위값에 대한 응력해석 결과 및 수신된 측정값들에 근거하여, 상기 배관의 회전값에 대하여 유한요소해석(FEA)을 통해 국부응력을 산출하고 응력해석을 수행하며, 수신된 측정값들에 근거하여, 상기 배관의 변형률값에 대하여 유한요소해석(FEA)을 통해 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하여 상기 배관의 변위값 및 회전값에 대한 응력해석 결과와 비교하여 검증하며, 각각의 응력해석 결과에 근거하여, 미리 정해진 기준에 따라 배관의 이상 유무 및 유지보수 필요 여부를 판단하고 판단결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 동시에, 이상이 있는 것으로 판단되면 미리 설정된 내용에 따라 지정된 연락처에 해당 사실에 대한 알림을 전달하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the control unit receives the measurement values transmitted from the respective sensors of the displacement measurement unit and the strain measurement unit, respectively, and stores them in a separate storage means in the form of a database, and based on the received measurement values, the The local stress is calculated through finite element analysis (FEA) for the displacement value of the pipe and a stress analysis is performed. Based on the result of the stress analysis for the displacement value of the pipe and the received measured values, the rotation value of the pipe Calculating the local stress through finite element analysis (FEA) and performing stress analysis for Stress analysis is performed and verified by comparing it with the stress analysis results for the displacement and rotation values of the pipe. It is characterized in that the result is output through a separate display means, and when it is determined that there is an abnormality, a process of delivering a notification of the corresponding fact to the designated contact according to preset contents is performed.

더욱이, 상기 제어부는, 각각의 측정값 및 분석결과를 수집하고 각각의 측정값에 따른 배관의 상태를 연관지어 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 배관의 모니터링 결과에 대한 데이터베이스를 구축하며, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 상기 데이터베이스의 내용을 학습하고, 학습결과 및 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)을 이용한 회귀분석을 통해 배관의 상태에 대한 분석 및 안전성을 평가하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the control unit collects each measurement value and analysis result, and establishes a database for the monitoring result of the pipe by correlating the state of the pipe according to each measured value and storing it in a database form, and deep learning (Deep Learning) Learning) or machine learning (Machine Learning) using an artificial intelligence learning algorithm to learn the contents of the database, and through regression analysis using the learning result and artificial neural network (ANN) It is characterized in that the process for evaluating the analysis and safety is configured to be performed automatically.

또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 배관 안전성 평가시스템을 이용한 배관 안전성 평가방법에 있어서, 상기 배관 안전성 평가시스템의 제어부를 통하여, 배관에 설치된 각각의 변위센서 및 변형률센서들로부터 전송되는 측정값을 각각 수신하고 데이터베이스의 형태로 별도의 저장수단에 저장하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계; 상기 제어부를 통하여, 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 변위값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 배관의 변위에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 변위해석단계; 상기 제어부를 통하여, 상기 변위해석단계의 해석결과 및 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 회전값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 회전(비틀림)에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 회전해석단계; 상기 제어부를 통하여, 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 변형률값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 변형률에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하여 상기 변위해석단계 및 상기 회전해석단계의 해석결와 비교하여 검증하는 처리가 수행되는 검증단계; 상기 제어부를 통하여, 각각의 해석결과에 근거하여 미리 정해진 기준에 따라 배관의 이상 유무 및 유지보수 필요 여부를 판단하는 처리가 수행되는 안전성 평가단계; 및 상기 제어부를 통하여, 상기 안전성 평가단계의 평가결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 동시에, 이상이 있는 것으로 판단되면 미리 설정된 내용에 따라 미리 정해진 연락처에 해당 사실에 대한 알림을 전달하는 처리가 수행되는 알림단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the pipe safety evaluation method using the pipe safety evaluation system described above, the measured value transmitted from each displacement sensor and strain sensor installed in the pipe through the control unit of the pipe safety evaluation system a data collection step in which each receiving and storing in a separate storage means in the form of a database is performed; a displacement analysis step in which, through the control unit, a process of calculating a local stress according to the displacement of the pipe through finite element analysis (FEA) based on the displacement value of the pipe received in the data collection step and performing a stress analysis is performed; Through the control unit, on the basis of the analysis result of the displacement analysis step and the rotation value of the pipe received in the data collection step, the local stress according to rotation (torsion) is calculated through FEA, and the stress analysis is performed. a rotation analysis step in which processing is performed; Through the control unit, based on the strain value of the pipe received in the data collection step, local stress according to strain is calculated through FEA through finite element analysis (FEA) and stress analysis is performed to analyze the displacement analysis step and the rotation analysis step a verification step in which a verification process by comparison with a result is performed; a safety evaluation step in which, through the control unit, a process of determining whether there is an abnormality in the pipe and whether maintenance is required is performed according to a predetermined standard based on each analysis result; And, through the control unit, the evaluation result of the safety evaluation step is output through a separate display means, and when it is determined that there is an abnormality, a process of delivering a notification about the fact to a predetermined contact information according to preset contents is performed There is provided a piping safety evaluation method, characterized in that the processing including the notification step is configured to be performed.

여기서, 상기 방법은, 상기 제어부를 통하여, 각각의 측정값 및 분석결과를 수집하고 각각의 측정값에 따른 배관의 상태를 연관지어 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 배관의 모니터링 결과에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계; 상기 제어부를 통하여, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 상기 데이터베이스의 내용을 학습하는 처리가 수행되는 학습단계; 및 상기 제어부를 통하여, 상기 학습단계의 학습내용에 근거하여 인공신경망(ANN)을 이용한 회귀분석을 통해 배관의 상태 및 안전성에 대한 평가가 이루어지는 안전성 평가단계를 포함하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, in the method, through the control unit, each measurement value and analysis result are collected and the state of the pipe according to each measurement value is correlated and stored in a database form to build a database for the monitoring result of the pipe. database building step in which processing is performed; a learning step in which, through the control unit, a process of learning the contents of the database is performed using an artificial intelligence learning algorithm including deep learning or machine learning; And through the control unit, based on the learning contents of the learning step, through a regression analysis using an artificial neural network (ANN) to evaluate the condition and safety of the pipe through the safety evaluation step is configured to be automatically performed characterized in that

아울러, 본 발명에 따르면, 배관 모니터링 시스템에 있어서, 각각의 지역이나 시설마다 설치되는 복수의 배관 안전성 평가시스템; 각각의 상기 배관 안전성 평가시스템과 각종 데이터를 송수신하고 모니터링 정보를 수집하여 배관의 상태에 대한 빅데이터를 구축하고, 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 구성되는 관제서버; 및 각각의 사용자가 상기 관제서버와 통신하여 원하는 정보를 요청하고 제공받기 위한 사용자 단말기를 포함하여 구성되고, 상기 배관 안전성 평가시스템은, 상기에 기재된 배관 안전성 평가시스템을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 모니터링 시스템이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the pipe monitoring system, a plurality of pipe safety evaluation system installed for each area or facility; A control configured to transmit and receive various data with each of the pipe safety evaluation systems, collect monitoring information, build big data on the status of pipes, and perform a process of providing various types of information customized according to a user's request server; and a user terminal for each user to communicate with the control server to request and receive desired information, wherein the pipe safety evaluation system is configured using the pipe safety evaluation system described above A piping monitoring system is provided.

여기서, 상기 사용자 단말기는, PC를 포함하는 단말장치를 이용하여 구성되거나, 또는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인 휴대용 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하는 것에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the user terminal is configured using a terminal device including a PC, or is configured by installing a dedicated application on a personal portable information communication terminal including a smart phone, tablet PC, or notebook computer. do.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 변위 및 회전을 검출하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변위센서와, 변형률을 측정하기 위한 센서와 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변형률센서를 포함하여 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있다. As described above, according to the present invention, a sensor unit for detecting displacement and rotation and an MCU for control are disposed inside and outside in one piece with the insulation surrounding the pipe to transmit/receive various data based on IoT. Displacement sensor composed of a sensor, a sensor for measuring strain, and a strain sensor composed of a distributed sensor in which the MCU is placed inside and outside as one piece with the insulation surrounding the pipe and transmits and receives various data based on IoT By providing an IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device, a high-temperature strain measuring device, and a piping safety evaluation system using the same, it monitors the overall condition of the pipe to find vulnerable areas where abnormal deformation or abnormal displacement or torsion occurs The safety of piping can be ensured by performing maintenance.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 배관의 각 부위마다 일정 간격으로 변위 및 회전을 측정하기 위한 변위센서와 변형률을 측정하기 위한 변형률 센서를 각각 설치하여 열로 인한 열변형이나 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하 등에 의한 변위 발생을 모니터링하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 평가결과에 따라 유지보수 여부를 결정하는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지하고 전체 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 적용되는 고온 플랜트 배관에 대하여 각 부위별로 열로 인한 열변형 및 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내고 유지보수를 행하는 것에 의해 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 배관의 파손을 효과적으로 방지할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, by installing a displacement sensor for measuring displacement and rotation at regular intervals for each part of the pipe and a strain sensor for measuring the strain, respectively, thermal deformation due to heat or load due to ground or By monitoring the occurrence of displacement due to subsidence of the support device, evaluating the safety of the pipe based on each measured value, and deciding whether to maintain or not according to the evaluation result, it effectively prevents damage to the pipe and secures the safety of the entire facility. By providing an IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device, a high-temperature strain measurement device, and a piping safety evaluation system using the same, a high-temperature plant applied to a high-temperature, high-pressure environment, such as a thermal power plant, for example By measuring the displacement due to subsidence or deformation of the ground or support device due to heat and load due to heat for each part of the pipe, it is possible to find vulnerable parts and perform maintenance to prevent damage to the pipe with relatively simple construction and low cost. can be effectively prevented.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고, 찾아낸 취약부위에 대하여 사전에 유지보수를 행하도록 하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 배관의 열변형 및 변위가 발생한 취약부위를 찾아내어 파손을 방지할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못했던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, by monitoring the overall condition of the pipe to find the vulnerable part where abnormal deformation or abnormal displacement and torsion occurred, and to perform maintenance on the found vulnerable part in advance, the pipe By providing an IoT-based displacement and rotation measuring device for high temperature, a strain measuring device for high temperature, and a pipe safety evaluation system using the same, which are configured to ensure safety, it is possible to find vulnerable areas where thermal deformation and displacement of the pipe have occurred and prevent damage It is possible to solve the problems of the prior art pipe measuring devices and methods that have not been presented with an apparatus or method capable of doing so.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템의 변위측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템의 변위측정부 및 변형률측정부의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5는 배관의 소성변형 및 잔류응력을 고려하기 위한 하중 및 온도조건을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 6은 종래기술의 방법에서 직관 배관에 대하여 일반적인 국부 해석시 사용되는 수치해석 기법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 7은 T형 배관에 대하여 국부응력 해석시 적용되는 변위 및 비틀림(회전) 정보 및 종속조건 적용에 대한 정보를 각각 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에 적용된 직관에 대하여 유한요소해석을 위한 경계조건을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에 적용된 직관에 대한 정보와 하중 및 경계조건을 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에서의 유한요소해석 결과로서 원주방향의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에서의 유한요소해석 결과로서 길이방향의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 각 해석단계별 배관 끝단면의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 배관의 안전성 평가방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 14는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템을 이용하여 구성되는 배관 모니터링 시스템의 구성예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a piping safety evaluation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a specific configuration of a displacement measuring unit of the piping safety evaluation system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .
3 is a diagram schematically showing the overall configuration of a displacement measuring unit and a strain measuring unit of the piping safety evaluation system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .
4 is a conceptual diagram schematically showing the overall configuration of a piping safety evaluation system according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically showing the load and temperature conditions for considering the plastic deformation and residual stress of the pipe.
6 is a diagram schematically illustrating a numerical analysis technique used in a general local analysis for a straight pipe in a method of the prior art.
7 is a diagram showing information on displacement and torsion (rotation) information and dependent condition application applied in a local stress analysis for a T-type pipe, respectively.
8 is a diagram illustrating boundary conditions for finite element analysis with respect to intuition applied to a performance test for verifying reliability of a finite element analysis method according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing information about intuition applied to a performance test for verifying the reliability of the finite element analysis method according to an embodiment of the present invention, loads, and boundary conditions, respectively, in a table.
10 is a view showing a stress distribution in a circumferential direction as a result of a finite element analysis in a performance test for verifying the reliability of the finite element analysis method according to an embodiment of the present invention.
11 is a view showing the stress distribution in the longitudinal direction as a result of a finite element analysis in a performance test for verifying the reliability of the finite element analysis method according to an embodiment of the present invention.
12 is a view showing the stress distribution of the pipe end section for each analysis step.
13 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a method for evaluating the safety of a pipe according to an embodiment of the present invention.
14 is a block diagram schematically illustrating a configuration example of a pipe monitoring system configured using the pipe safety evaluation system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific embodiment of the IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device and high-temperature strain measurement device and the piping safety evaluation system using the same according to the present invention will be described.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the content described below is only one embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the content of the embodiment described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In addition, in the following description of the embodiments of the present invention, for parts that are the same as or similar to those of the prior art, or that can be easily understood and implemented at the level of those skilled in the art, the detailed description is provided for the sake of brevity. It should be noted that , has been omitted.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 적용되는 고온 플랜트 배관은 열로 인한 열변형이 발생하는 데 더하여 배관 자체의 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의해 배관의 변위가 발생하게 되고, 이러한 변형이나 변위가 심해지면 배관의 파손이 발생하여 큰 사고로 이어질 수 있는 위험이 있었던 종래기술의 고온 플랜트 배관의 문제점을 해결하기 위해, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고, 찾아낸 취약부위에 대하여 사전에 유지보수를 행하도록 하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. That is, the present invention, as will be described later, for example, a high-temperature plant pipe applied to a high-temperature, high-pressure environment, such as a thermal power plant, in addition to thermal deformation due to heat, the ground or support due to the load of the pipe itself In order to solve the problem of high-temperature plant piping in the prior art, in which the displacement of the piping occurs due to subsidence or deformation of the device, and when such deformation or displacement becomes severe, the piping is damaged and there is a risk that it may lead to a major accident, IoT-based high temperature configured to ensure the safety of the pipe by monitoring the overall condition of the pipe to find the vulnerable part where abnormal deformation, abnormal displacement, and torsion occurred, and to perform maintenance on the found vulnerable part in advance Displacement and rotation measuring device for high temperature, strain measuring device for high temperature, and piping safety evaluation system using the same.

또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 하기 위해, 변위 및 회전을 검출하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변위센서와, 변형률을 측정하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 구성되는 변형률센서를 포함하여 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention, as will be described later, to monitor the overall condition of the pipe to find the vulnerable part where abnormal deformation or abnormal displacement and torsion occurred, and to ensure the safety of the pipe by performing maintenance in advance. , a displacement sensor consisting of a sensor unit for detecting displacement and rotation, and a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT, where the MCU for control is integrated with the insulation surrounding the pipe, inside and outside, and the strain rate IoT-based high temperature consisting of a sensor unit for measurement and a strain sensor composed of a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT, where the sensor unit for measurement and the MCU for control are placed inside and outside in one piece with the insulation surrounding the pipe Displacement and rotation measuring device for high temperature, strain measuring device for high temperature, and piping safety evaluation system using the same.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 각 부위별로 배관의 열변형이나 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내고 유지보수를 행하여 배관의 파손을 사전에 방지할 수 있도록 하기 위한 측정장치 및 방법이 제시되지 못한 한계가 있었던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 배관의 각 부위마다 일정 간격으로 변위 및 회전을 측정하기 위한 변위센서와 변형률을 측정하기 위한 변형률 센서를 각각 설치하여 열로 인한 열변형이나 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하 등에 의한 변위 발생을 모니터링하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 평가결과에 따라 유지보수 여부를 결정하는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지하고 전체 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention, as will be described later, by measuring the displacement due to the thermal deformation of the pipe or subsidence or deformation of the ground or support device for each part, find the weak spot and perform maintenance to prevent damage to the pipe in advance. In order to solve the problems of the pipe measuring devices and methods of the prior art, which had limitations in which the measuring device and method for making the Each strain sensor for measurement is installed to monitor the occurrence of displacement due to thermal deformation due to heat or subsidence of the ground or support device due to load. It relates to an IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device and high-temperature strain measuring device, and a pipe safety evaluation system using the same, which are configured to effectively prevent pipe damage and secure the safety of the entire facility by determining whether or not to do so.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Then, with reference to the drawings, the IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device and high-temperature strain measuring device according to the present invention, and the details of the piping safety evaluation system using the same will be described.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.First, referring to FIG. 1 , FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a pipe safety evaluation system 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)은, 크게 나누어, 배관상에 미리 정해진 특정 위치 또는 일정 간격으로 설치되는 복수의 변위 측정센서를 포함하여 이루어지는 변위측정부(11)와, 배관상에 미리 정해진 특정 위치 또는 일정 간격으로 설치되는 복수의 변형률 측정센서를 포함하여 이루어지는 변형률측정부(12)와, 유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 다른 평가시스템(10)이나 외부기기와 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 통신부(13) 및 상기한 변위측정부(11)와 변형률측정부(12) 및 통신부(13)의 각각의 동작을 제어하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 유지보수 여부를 결정하며, 유지보수 필요시나 배관의 파손 등의 사고 및 위험발생시 담당자나 관계기관 등에 해당 사실에 대한 알림이나 경고를 보내는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부(14)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in Fig. 1, the pipe safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention is largely divided, and displacement measurement comprising a plurality of displacement measuring sensors installed at predetermined specific positions or at regular intervals on the pipe. A strain measuring unit 12 comprising a unit 11 and a plurality of strain measuring sensors installed at predetermined specific positions or at regular intervals on a pipe, and another evaluation system ( 10) or the communication unit 13 for transmitting and receiving various data including measurement values with an external device and controlling the respective operations of the displacement measuring unit 11 and the strain measuring unit 12 and the communication unit 13 described above, Based on each measurement value, the safety of the pipe is evaluated and maintenance is decided, and when maintenance is required or an accident or danger such as pipe damage occurs, a notification or warning is sent to the person in charge or related organizations. It may be configured to include a control unit 14 made to be possible.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)은, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 설치되는 배관에 대하여 각각의 위치에 다수의 변위센서 및 변형률센서를 각각 설치하고, 각각의 센서를 통해 배관의 각 위치마다 변위와 회전각도 및 변형률에 대한 정보를 각각 측정하여 국부응력을 산출하며, 이러한 응력의 변화를 후술하는 바와 같은 수치해석 기법을 이용하여 분석하는 것에 의해 실시간으로 배관의 안전성을 평가하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. That is, the piping safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention, for example, a plurality of displacement sensors and strain sensors at each location for piping installed in a high temperature, high pressure environment, such as a thermal power plant. Each is installed, and information on displacement, rotation angle, and strain is measured at each location of the pipe through each sensor to calculate the local stress, and the change in stress is analyzed using a numerical analysis technique as described below. This may be configured to perform a process for evaluating the safety of the pipe in real time.

여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)이 화력발전소의 배관에 설치되는 경우를 예로 하여 본발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 화력발전소 이외에 다른 시설에 설치되는 배관에도 적용될 수 있는 등, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 필요에 따라 당업자에 의해 적절하게 변경 및 수정하여 적용 가능한 것임에 유념해야 한다. Here, in the embodiment of the present invention to be described below, the present invention has been described by taking as an example a case in which the piping safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention is installed in the piping of a thermal power plant, but the present invention is not necessarily in this case That is, the present invention is not limited to, that is, the present invention can be applied to piping installed in other facilities other than the above-described thermal power plant, etc., as needed within the scope without departing from the spirit and essence of the present invention, appropriately changed by those skilled in the art and it should be noted that it is applicable by modification.

또한, 상기한 변위측정부(11)는 배관상의 각각의 위치에 대하여 배관의 변위 및 회전각도를 측정하기 위한 복수의 변위센서(20)를 포함하여 구성되고, 상기한 변형률측정부(12)는 배관상의 각각의 위치에 대하여 배관의 변형률을 측정하기 위한 복수의 변형률센서(30)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 각각의 센서는 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 외부 기기나 서로간에 데이터를 주고받을 수 있도록 구성될 수 있다. In addition, the displacement measuring unit 11 is configured to include a plurality of displacement sensors 20 for measuring the displacement and rotation angle of the pipe with respect to each position on the pipe, and the strain measuring unit 12 is It may be configured to include a plurality of strain sensors 30 for measuring the strain rate of the pipe for each position on the pipe, wherein each sensor is connected to an external device or to each other through at least one of wired or wireless communication. It may be configured to send and receive data.

더 상세하게는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)에 적용되는 변위센서(20)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)에 적용되는 변위센서(20) 및 변형률센서(30)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. In more detail, referring to FIGS. 2 and 3 , FIG. 2 is a view schematically showing a specific configuration of the displacement sensor 20 applied to the piping safety evaluation system 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram schematically showing the overall configuration of the displacement sensor 20 and the strain sensor 30 applied to the piping safety evaluation system 10 according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 변위센서(20)는, 해당 위치에서 배관의 변위 및 회전을 검출하기 위해 가속도계 및 자이로 센서를 이용하여 6자유도(Degrees Of Freedom ; DOF) 센서로 구성될 수 있으며, 이에 더하여, 레이저 변위센서 및 Wi-SUN(Wireless Smart Utility Network) 모듈과 함께 단일의 기판(PCB)에 일체로 형성될 수 있다. As shown in FIG. 2 , the displacement sensor 20 may be configured as a 6 Degrees of Freedom (DOF) sensor using an accelerometer and a gyro sensor to detect the displacement and rotation of the pipe at the corresponding position. In addition, the laser displacement sensor and the Wi-SUN (Wireless Smart Utility Network) module can be integrally formed on a single substrate (PCB).

이때, 측정을 위한 센서부(21)와 제어를 위한 MCU(22)가 분리형으로 구성될 수 있으며, 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 배관의 외부를 둘러싸는 보온재 내부(약 600℃)에 센서부(21)가 설치되고 외부(약 100℃)에 MCU(22)가 배치되어 사물인터넷(Internet of Things ; IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 구성될 수 있다. At this time, the sensor unit 21 for measurement and the MCU 22 for control may be configured as a separate type, that is, as shown in FIG. The unit 21 is installed and the MCU 22 is disposed outside (about 100° C.), and may be configured as a distributed sensor that transmits and receives measurement values and various data based on the Internet of Things (IoT).

또한, 상기한 변형률센서(30)는, 해당 위치에서 배관의 변형률(strain)을 검출하기 위해 FBG(Fiber Bragg Grating) 변형률(strain) 센서를 이용하여 구성될 수 있다. In addition, the strain sensor 30 may be configured using a Fiber Bragg Grating (FBG) strain sensor to detect strain in the pipe at the corresponding position.

아울러, 변형률센서(30)도 상기한 변위센서(20)와 마찬가지로 측정을 위한 센서부(31)와 제어를 위한 MCU(32)가 분리형으로 구성될 수 있으며, 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 배관의 외부를 둘러싸는 보온재 내부(약 600℃)에 센서부(31)가 설치되고 외부(약 100℃)에 MCU(32)가 배치되어 사물인터넷(IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 구성될 수 있다. In addition, the strain sensor 30 may also be configured as a separate type in which the sensor unit 31 for measurement and the MCU 32 for control, like the displacement sensor 20 described above, are separated, that is, as shown in FIG. 3 , The sensor unit 31 is installed inside the insulating material (about 600°C) surrounding the outside of the pipe, and the MCU 32 is placed outside (about 100°C) to transmit and receive measurement values and various data based on the Internet of Things (IoT). It can be configured as a distributed sensor that

상기한 바와 같은 구성으로부터, 기존의 변형률 센서가 최대 350℃까지 변형률 측정이 가능한 반면, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 변형률센서(30)는 FBG 센서로 최대 600℃까지 변형률 측정이 가능한 장점을 가지는 것이다. From the configuration as described above, while the conventional strain sensor can measure strain up to 350° C., the strain sensor 30 according to the embodiment of the present invention configured as described above is an FBG sensor for strain measurement up to 600° C. This is a possible advantage.

더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다. More specifically, referring to FIG. 4 , FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing the overall configuration of the piping safety evaluation system 10 according to an embodiment of the present invention.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)은, 상기한 바와 같이 분산형 센서로 구성되는 변위센서(20) 및 변형률센서(30)를 배관의 각각의 위치에 설치하고 각각의 센서들로부터 측정되는 측정값들을 주기적으로 수신하여 배관의 상태변화에 대한 데이터베이스를 구축하고, 디지털 트윈(digital twin) 기술에 기반하여 배관에 대한 응력해석과 국부응력 해석을 수행하며, 머신러닝(Machine Learning) 등과 같은 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 해석결과를 학습하고 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)을 통해 회귀분석을 행하여 안전성을 평가하는 일련의 처리과정이 수행되도록 구성됨으로써, 배관 전체에 대한 현재상태 및 이상변위나 이상변형 발생을 효과적으로 모니터링할 수 있도록 구성될 수 있다. As shown in Figure 4, the pipe safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention, the displacement sensor 20 and the strain sensor 30 composed of the distributed sensor as described above, respectively, the position of the pipe It is installed in the system and periodically receives the measurement values measured from each sensor to build a database on changes in the condition of the pipe, and performs stress analysis and local stress analysis on the pipe based on digital twin technology. By learning the analysis result using an artificial intelligence learning algorithm such as , machine learning, etc., and performing regression analysis through an artificial neural network (ANN), a series of processing processes to evaluate safety are performed. It can be configured to effectively monitor the current state of the entire pipe and the occurrence of abnormal displacement or deformation.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 변위센서(20) 및 변형률센서(30)를 통해 측정된 측정값들에 근거하여 배관의 안전성을 평가하는 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Subsequently, a detailed description will be given of a method for evaluating the safety of a pipe based on measured values measured through the displacement sensor 20 and the strain sensor 30 configured as described above.

여기서, 배관의 안전성을 평가하기 위하여는 먼저 배관의 국부응력을 계산하여야 하며, 이를 위해, 배관의 열간 및 냉간 상태의 3차원 변위 및 비틀림(회전) 정보를 획득하고, 이를 기반으로 수치해석을 통해 배관의 응력 분석을 수행하며, 이러한 과정을 통해 설계상 허용범위를 초과하는 이상변위로 인한 배관의 소성변형을 계산 가능하고, 배관의 잔류응력을 고려하여 분석할 수 있다. Here, in order to evaluate the safety of the pipe, it is first necessary to calculate the local stress of the pipe. The stress analysis of the pipe is performed, and through this process, it is possible to calculate the plastic deformation of the pipe due to an abnormal displacement that exceeds the design allowable range, and it can be analyzed considering the residual stress of the pipe.

즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 배관의 소성변형 및 잔류응력을 고려하기 위한 하중 및 온도조건을 도식화하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 5, FIG. 5 is a diagram schematically illustrating load and temperature conditions in consideration of plastic deformation and residual stress of the pipe.

도 5에 나타낸 바와 같이, 전체 해석은 자중 상태만 고려한 설치단계(또는 Over Haul), 고온고압 상태의 운전단계, 오버홀(Over Haul) 단계의 총 3단계로 분류되며, 각 단계별 변위와 비틀림(회전) 정보를 기반으로 실제 배관에 작용하는 응력을 모사할 수 있다. As shown in Fig. 5, the entire analysis is divided into a total of three stages: an installation stage (or over haul), a high-temperature and high-pressure operation stage, and an over haul stage considering only the self-weight state, and each stage displacement and torsion (rotation) ) information, it is possible to simulate the stress acting on the actual pipe.

더 상세하게는, 종래, 실제 운전중인 고온 고압 배관의 응력을 예측하기 위하여 일반적으로 배관라인 전체를 빔요소로 모델링하여 유한요소해석(Finite Element Analysis ; FEA)을 수행하였고, 유한요소해석의 결과는 ASME B31.1과 ASME B31.3 등과 같은 표준규격에 제시된 허용응력을 기준으로 평가되며, 배관의 설계단계에서 수행된다. More specifically, in order to predict the stress of high-temperature and high-pressure piping in actual operation, in general, finite element analysis (FEA) was performed by modeling the entire piping line as a beam element, and the results of the finite element analysis were It is evaluated based on the allowable stress presented in standard standards such as ASME B31.1 and ASME B31.3, and it is performed at the design stage of the pipe.

그러나 이러한 방법은, 예를 들면, T형 배관과 같이, 분기되는 라인에서의 국부적인 응력계산에 있어서 보수적으로 평가될 수 있고, 이를 보완하기 위해, 종래에는 솔리드 요소로 배관을 부분적으로 모델링하여 평가하여 왔으나, 이는 경계조건 설정에 있어서 추가적인 설정이 필요하다는 단점이 있다. However, this method can be evaluated conservatively in the calculation of local stress in a branching line, for example, T-shaped piping, and in order to compensate for this, conventionally, the piping is partially modeled with solid elements and evaluated. However, this has the disadvantage that additional settings are required in setting the boundary conditions.

즉, 배관을 부분적으로 모델링하여 해석하기 위해서는 부분 모델링의 끝단 설정이 중요하고, 이에, 종래에는, 내압조건 상태를 모사하기 위해 배관 끝단에 압력 형태로 추가적인 하중을 설정하거나, 배관 끝단 부분에 직관을 연결한 방법을 사용하였다. That is, in order to partially model and analyze a pipe, it is important to set the end of the partial modeling, and thus, in the prior art, an additional load in the form of pressure is set at the end of the pipe to simulate the withstand pressure condition, or a straight pipe is installed at the end of the pipe. The connected method was used.

더 상세하게는, 도 6을 참조하면, 도 6은 종래기술의 방법에서 직관 배관에 대하여 일반적인 국부 해석시 사용되는 수치해석 기법을 도식화하여 나타낸 도면이다. In more detail, referring to FIG. 6 , FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a numerical analysis technique used in a general local analysis for straight pipe in the prior art method.

도 6에 나타낸 바와 같이, 배관의 내압 PI에 해당하는 추가적인 하중 F를 배관 끝단에 설정함으로써 연결된 배관을 모사할 수 있으며, 이는 이하의 [수학식 1]과 같이 수식으로 나타낼 수 있다. As shown in FIG. 6 , the connected pipe can be simulated by setting an additional load F corresponding to the internal pressure P I of the pipe to the end of the pipe, which can be expressed by a formula as shown in [Equation 1] below.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112021070951795-pat00001
Figure 112021070951795-pat00001

여기서, AI는 배관 끝단의 내측 면적을 의미한다. Here, A I means the inner area of the pipe end.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 수치해석 기법은 한정된 경우에만 적용 가능하며, 예를 들면, T형 배관의 경우 배관 끝단에 연결된 배관을 모사하기 어려운 데 더하여, 이러한 기존의 수치해석 기법은 배관의 변위 및 비틀림을 구현하기가 어려우므로 실제 운전중인 배관의 거동을 모사할 수 없다는 한계도 있었다. Therefore, the numerical analysis technique of the prior art as described above is applicable only to a limited case, for example, in the case of a T-type pipe, it is difficult to simulate the pipe connected to the end of the pipe. And since it is difficult to implement torsion, there is also a limitation that the behavior of the pipe in actual operation cannot be simulated.

이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 변위 및 비틀림(회전) 정보를 활용하여 배관 계통 전체뿐만 아니라 국부 배관에 대한 해석이 가능하도록 구성되는 새로운 수치해석 기법을 제안하였다. Accordingly, in the present invention, in order to solve the problems of the prior art as described above, a new numerical analysis technique is proposed that is configured to enable analysis of the entire piping system as well as local piping by utilizing displacement and torsion (rotation) information. did

더 상세하게는, 도 7을 참조하면, 도 7은 T형 배관에 대하여 국부응력 해석시 적용되는 변위 및 비틀림(회전) 정보 및 종속조건(coupling constraint) 적용에 대한 정보를 각각 나타내는 도면이다. More specifically, referring to FIG. 7 , FIG. 7 is a view showing information on displacement and torsion (rotation) information and coupling constraint application applied during a local stress analysis for a T-type pipe, respectively.

여기서, 도 7에 있어서, Δxi, Δyi, Δzi는 배관 끝단의 3차원 변위이며, ΔMxi, ΔMyi, ΔMzi는 배관 끝단의 모멘트를 각각 나타낸다. Here, in FIG. 7 , Δx i , Δy i , and Δz i are the three-dimensional displacements of the pipe end, and ΔMx i , ΔMy i , ΔMz i are the moments of the pipe end, respectively.

또한, 수치해석시 모멘트는 회전 각도로 적용되고, 배관 끝단 중심에 참조점(Reference node)을 기반으로 배관 끝단면의 자유도를 종속시킨다. In addition, in the numerical analysis, the moment is applied as a rotation angle, and the degree of freedom of the pipe end face is subordinated based on a reference node at the center of the pipe end.

이때, 종속 타입(Coupling type)은 변위와 회전 경계조건에 따라 다르게 적용되며, 도 7의 표에 나타낸 바와 같이, 변위 경계조건에서 내압효과를 적용하기 위해서는 Load 타입으로 설정해야 하고, 회전 경계조건시에는 Displacement 타입으로 설정해야 한다. At this time, the coupling type is applied differently depending on the displacement and rotation boundary conditions. must be set as the Displacement type.

따라서 고온 고압 배관의 경우에는 내압조건 하에서 변위 및 회전 경계조건을 적용시켜야 하므로 각각의 경우에 대하여 해석이 두번 수행되며, 즉, 첫번째 해석에서는 내압조건하에서 배관 끝단에 변위만을 경계조건으로 설정하고, 두번째 해석에서는 내압하의 변위조건 해석결과를 기반으로 응력 및 변형률을 맵핑하여 회전 경계조건을 적용하여 해석이 이루어지도록 구성될 수 있다. Therefore, in the case of high-temperature and high-pressure piping, displacement and rotation boundary conditions must be applied under internal pressure conditions, so the analysis is performed twice for each case. In the analysis, based on the analysis result of the displacement condition under internal pressure, the stress and strain are mapped and the analysis can be configured to apply the rotational boundary condition.

계속해서, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 실제 성능을 검증한 실험결과에 대하여 설명한다. Next, with reference to FIGS. 8 to 12, the experimental results verifying the actual performance of the finite element analysis method according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described.

먼저, 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에 적용된 직관(straight pipe)에 대하여 유한요소해석을 위한 경계조건(boundary condition)을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 방법의 신뢰성을 검증하기 위한 성능실험에 적용된 직관에 대한 정보와 하중(load) 및 경계조건을 각각 표로 정리하여 나타낸 도면이다. First, referring to FIGS. 8 and 9, FIG. 8 is a boundary condition ( boundary condition), and FIG. 9 is a table showing information about intuition applied to a performance test for verifying the reliability of the finite element analysis method according to an embodiment of the present invention, load, and boundary condition, respectively. It is a drawing.

즉, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 따라 변위와 회전 데이터를 활용한 유한요소해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해, 도 8에 나타낸 바와 같이 하여, 직관에 대하여 내압조건 하에서 변위와 회전 조건에 대해 각각 수치해석을 수행하였다. That is, in order to verify the reliability of the finite element analysis results using displacement and rotation data according to an embodiment of the present invention, the present inventors, as shown in FIG. Numerical analysis was performed for each.

이때, 배관 끝단의 연결된 효과를 모사하기 위하여 상기한 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이 배관 끝단에 내압에 해당하는 하중을 설정하지 않고, 내압 5MPa에 대응하는 변위 0.4531mm를 적용하였다. At this time, in order to simulate the effect of connecting the end of the pipe, a displacement of 0.4531 mm corresponding to the inner pressure of 5 MPa was applied without setting a load corresponding to the internal pressure at the end of the pipe as shown in [Equation 1] above.

또한, 본 실시예에서 수행된 수치해석은 8절점 고체 요소로 두께에 대해 3개의 층으로 구성되었으며, 탄성 영역만을 고려하였고, 상용 해석 프로그램인 Abaqus v2019를 사용하여 해석이 수행되었으며, 수치해석 결과는 해석적 해(Analytical solution)와 비교 검증되었고, 변위와 회전조건 해석결과에 대한 배관 끝단 형상을 확인하였다. In addition, the numerical analysis performed in this example was composed of three layers with respect to the thickness of an 8-node solid element, only the elastic region was considered, and the analysis was performed using Abaqus v2019, a commercial analysis program, and the numerical analysis results were It was verified by comparison with the analytical solution, and the shape of the pipe end was confirmed for the analysis results of displacement and rotation conditions.

더 상세하게는, 도 10 및 도 11을 참조하면, 도 10 및 도 11은 상기한 바와 같이 하여 수행된 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 결과를 나타낸 도면으로, 원주방향의 응력분포와 길이방향의 응력분포를 각각 나타내고 있다. More specifically, referring to FIGS. 10 and 11 , FIGS. 10 and 11 are views showing the results of the finite element analysis according to the embodiment of the present invention performed as described above, and the stress distribution and length in the circumferential direction The stress distribution in each direction is shown.

도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 유한요소해석의 결과를 내압조건하에서의 변위해석과 변위해석 결과를 기반으로 수행된 회전해석으로 구분하여 각각 나타내었으며, 내압조건하에서 변위만 적용했을 경우의 원주방향 응력은 약 49.9MPa, 길이방향 응력은 약 23.82 MPa로 나타났다. As shown in FIGS. 10 and 11, the present inventors divided the results of the finite element analysis into displacement analysis under pressure condition and rotation analysis performed based on the results of displacement analysis, respectively, and only displacement under pressure condition would have been applied. In this case, the circumferential stress was about 49.9 MPa and the longitudinal stress was about 23.82 MPa.

한편, 해석적 해의 경우는 이하의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 하여 계산될 수 있으며, 본 실시예의 경우, 원주방향 응력 σH는 50MPa, 길이방향 응력 σL은 23.81MPa로 계산되었다. On the other hand, in the case of an analytical solution, it can be calculated as in [Equation 2] and [Equation 3] below, and in this embodiment, the circumferential stress σ H is 50 MPa, and the longitudinal stress σ L is 23.81 MPa was calculated as

[수학식 2] [Equation 2]

Figure 112021070951795-pat00002
Figure 112021070951795-pat00002

[수학식 3] [Equation 3]

Figure 112021070951795-pat00003
Figure 112021070951795-pat00003

여기서, PI는 내압, DI는 배관내경, t는 배관두께를 각각 나타낸다. Here, P I is the internal pressure, D I is the inner diameter of the pipe, and t is the pipe thickness.

비교결과, 내압조건하에서의 변위해석은 연결된 배관효과를 나타내는 것으로 확인하였고, 회전 변위조건 해석시는 내압과 변위가 유지된 상태에서 정해진 각도만큼 회전하였는지를 확인하였다. As a result of comparison, it was confirmed that the displacement stress under the internal pressure condition showed the effect of the connected piping, and it was confirmed that the rotational displacement condition was rotated by a predetermined angle while the internal pressure and displacement were maintained.

즉, 도 12를 참조하면, 도 12는 각 해석단계별 배관 끝단면의 응력분포를 나타낸 도면으로, 내압조건하의 변위를 유지한 채 정해진 각도만큼 회전된 것을 확인할 수 있다. That is, referring to FIG. 12 , FIG. 12 is a view showing the stress distribution of the end surface of the pipe for each analysis step, and it can be confirmed that it is rotated by a predetermined angle while maintaining the displacement under the withstand pressure condition.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 현재 운전중인 배관의 국부응력을 예측하기 위하여 변위 및 비틀림(회전) 정보를 활용한 수치해석 기법을 제시하였고, 직관에 대하여 그 타당성을 확인하였으며, 따라서 본 발명에 따르면, 개선된 수치해석 기법을 통해 다양한 고온 플랜트 압력 배관의 안전성 평가와 정확한 국부응력 평가로 크리프 및 피로수명 평가가 가능하며, 이를 활용하여 잔류응력을 고려한 해석이 가능하므로 신뢰성 높은 해석결과를 확보할 수 있을 것으로 기대된다. As described above, in the present invention, a numerical analysis technique using displacement and torsion (rotation) information was presented to predict the local stress of the pipe currently in operation, and the validity of the intuition was confirmed, therefore, in the present invention According to this, it is possible to evaluate the creep and fatigue life by using the improved numerical analysis technique to evaluate the safety of various high-temperature plant pressure pipes and to accurately evaluate the local stress. it is expected that it will be possible

더 상세하게는, 도 13을 참조하면, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 배관의 안전성 평가방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다. More specifically, referring to FIG. 13 , FIG. 13 is a flowchart schematically showing the overall configuration of a method for evaluating the safety of a pipe according to an embodiment of the present invention.

도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배관의 안전성 평가방법은, 크게 나누어, 먼저, 배관에 설치된 각각의 변위센서 및 변형률센서들로부터 전송되는 측정값을 각각 수신하고 데이터베이스의 형태로 별도의 저장수단에 저장하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계(S10)와, 데이터 수집단계(S10)에서 수신된 배관의 변위값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 배관의 변위에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 변위해석단계(S20)와, 변위해석단계(S20)의 해석결과 및 데이터 수집단계(S10)에서 수신된 배관의 회전값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 회전(비틀림)에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 회전해석단계(S30)와, 데이터 수집단계(S10)에서 수신된 배관의 변형률값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 변형률에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하여 변위해석단계(S20) 및 회전해석단계(S30)의 해석결와 비교하여 검증하는 처리가 수행되는 검증단계(S40)와, 각각의 해석결과에 근거하여 미리 정해진 기준에 따라 배관의 이상 유무 및 유지보수 필요 여부를 판단하는 처리가 수행되는 안전성 평가단계(S50) 및 안전성 평가단계(S50)의 평가결과를 모니터와 같은 별도의 표시수단을 통해 출력하는 동시에, 이상이 있는 것으로 판단되면 담당자나 당당부서 등과 같이 미리 설정된 내용에 따라 지정된 연락처에 해당 사실에 대한 알림을 전달하는 처리가 수행되는 알림단계(S60)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in Figure 13, the safety evaluation method of the pipe according to the embodiment of the present invention is largely divided, first, each of the measured values transmitted from the displacement sensors and strain sensors installed in the pipe are received, respectively, in the form of a database. Local stress according to the displacement of the pipe through the finite element analysis (FEA) based on the data collection step (S10) in which the processing to be stored in a separate storage means is performed, and the displacement value of the pipe received in the data collection step (S10) Based on the analysis result of the displacement analysis step (S20) and the displacement analysis step (S20) and the rotation value of the pipe received in the data collection step (S10), finite element analysis (FEA) ) through the rotation analysis step (S30), in which the processing of calculating the local stress according to rotation (torsion) and performing the stress analysis is performed, and the finite element analysis ( Through FEA), a verification step (S40) in which local stress according to strain is calculated and stress analysis is performed to compare and verify with the analysis results of the displacement analysis step (S20) and the rotational analysis step (S30), and each analysis A separate display means such as monitoring the evaluation results of the safety evaluation step (S50) and the safety evaluation step (S50), in which the process of determining whether there is an abnormality in the pipe and whether maintenance is required according to a predetermined standard based on the result is performed At the same time, if it is determined that there is an abnormality, it may be configured to include a notification step (S60) in which a process of delivering a notification of the corresponding fact to a designated contact according to preset contents such as a person in charge or a relevant department is performed.

즉, 상기한 제어부(14)는, 도 13에 나타낸 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 배관의 안전성 평가방법이 수행되도록 구성되는 것에 의해, 디지털 트윈(digital twin) 기술에 기반하여 배관의 안전성을 평가하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성될 수 있다. That is, the control unit 14 is configured to perform the method for evaluating the safety of piping according to the embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 13 , and based on the digital twin technology, the piping It may be configured to automatically perform a process for evaluating the safety of

더 상세하게는, 디지털 트윈(digital twin)은, 실제 물리적인 사물 대신에 소프트웨어로 가상화된 사물에 대한 디지털 모델을 구축하여 모의실험(시뮬레이션)을 행함으로써 실제 사물의 특성(현재상태, 생산성, 동작 시나리오, 등)에 대한 정확한 정보를 얻는 기술을 의미하며, 최근, 에너지, 항공, 헬스케어, 자동차, 국방 등 여러 산업분야에서 설계부터 제조, 서비스에 이르는 모든 과정의 효율성을 향상을 위해 이러한 디지털 트윈 기술이 널리 적용되고 있다. More specifically, the digital twin builds a digital model of a virtualized thing with software instead of an actual physical thing and conducts a simulation (simulation) to conduct a simulation (simulation) of the characteristics of a real thing (current state, productivity, operation). Scenario, etc.) refers to a technology that obtains accurate information about The technology is widely applied.

따라서 상기한 제어부(14)는, 이러한 디지털 트윈 기술에 기반하여, 각각의 변위센서(20) 및 변형률센서(30)를 통해 실시간으로 측정되는 값들을 수신하고, 수신된 값들에 근거하여 각각의 위치에 대한 국부응력을 산출하여 안전성을 평가하며, 배관의 파손 등과 같은 이상발생이나 미리 정해진 허용범위를 초과하여 유지보수가 필요한 것으로 판단되면 해당 사실을 담당자나 담당부서 및 관계기관 등과 같은 미리 정해진 연락처에 전달하여 대응하도록 하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 별도의 인력을 통해 배관을 점검할 필요 없이 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전체 배관에 대한 안전성을 확보하고 적절한 시기에 유지보수가 가능하여 배관의 유지 및 관리에 대한 비용을 절감할 수 있으며, 파손 등의 이상발생시에도 신속하게 대처하여 대형 사고로 번지는 것을 미연에 방지할 수 있다. Accordingly, the control unit 14 receives values measured in real time through each of the displacement sensor 20 and the strain sensor 30 based on this digital twin technology, and based on the received values, each position The safety is evaluated by calculating the local stress on the By configuring the processing to be delivered and responded to automatically, it is possible to secure the safety of the entire pipe with a relatively simple configuration and low cost without the need to inspect the pipe through a separate manpower, and to perform maintenance in a timely manner. The cost of maintenance and management can be reduced, and even when an abnormality such as damage occurs, it can be quickly dealt with to prevent the spread of a large-scale accident in advance.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10) 및 방법은, 상기한 바와 같이 하여 얻어지는 각각의 측정값 및 분석결과를 수집하고 각각의 측정값에 따른 배관의 상태를 연관지어 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 배관의 모니터링 결과에 대한 데이터베이스를 구축하고, 예를 들면, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning) 등과 같은 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 이러한 데이터베이스의 내용을 학습하도록 하는 것에 의해, 학습결과 및 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)을 이용한 회귀분석을 통해 배관의 상태 및 안전성을 평가하는 처리가 자동으로 이루어도록 구성될 수 있다. In addition, the piping safety evaluation system 10 and method according to an embodiment of the present invention collects each measured value and analysis result obtained as described above, and correlates the state of the pipe according to each measured value to form a database To build a database for monitoring results of piping by storing as Accordingly, it may be configured to automatically perform a process of evaluating the condition and safety of a pipe through a regression analysis using a learning result and an artificial neural network (ANN).

여기서, 상기한 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning) 등과 같이, 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 학습을 수행하고 학습결과에 근거하여 입력되는 데이터에 대한 분석이나 평가 또는 예측 등을 수행하는 동작이나 처리과정에 대한 보다 구체적인 내용에 대하여는 종래기술의 내용을 참조하여 당업자가 적절히 구현할 수 있는 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. Here, learning is performed using an artificial intelligence learning algorithm, such as the deep learning or machine learning described above, and analysis, evaluation, or prediction of input data is performed based on the learning result. For more specific details on operations and processing, those skilled in the art can appropriately implement them with reference to the contents of the prior art. Therefore, it should be noted that the detailed description of the content that can be easily understood and implemented by those skilled in the art has been omitted.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)은, 각각의 지역이나 시설마다 상기한 바와 같이 하여 구성되는 배관 안전성 평가시스템(10)을 설치하여 두고, 각각의 배관 안전성 평가시스템(10)과 각종 데이터를 송수신하는 서버(14) 및 사용자의 요청에 따라 맞춤형으로 각종 정보를 제공하기 위한 사용자 단말기(15)를 더 포함하여, 단일의 시설뿐만 아니라 광범위한 지역의 복수의 시설에 대한 모니터링 및 사용자 요청에 따른 정보제공이 가능한 통합적 관리시스템으로 구성될 수 있다. Furthermore, the piping safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention installs the piping safety evaluation system 10 configured as described above for each area or facility, and each piping safety evaluation system ( 10) and a server 14 for transmitting and receiving various data and a user terminal 15 for providing various information customized according to a user's request, monitoring not only a single facility but also a plurality of facilities in a wide area and an integrated management system capable of providing information according to user requests.

즉, 도 14를 참조하면, 도 14는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 배관 안전성 평가시스템(10)을 이용하여 구성되는 배관 모니터링 시스템(40)의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 14 , FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration example of the pipe monitoring system 40 configured using the pipe safety evaluation system 10 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .

도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배관 모니터링 시스템(40)은, 크게 나누어, 예를 들면, 각 지역의 화력발전소 등과 같이, 각 지역이나 시설마다 설치되는 복수의 배관 안전성 평가시스템(10)과, 각각의 배관 안전성 평가시스템(10)과 각종 데이터를 송수신하여 모니터링 정보를 수집하고 배관의 상태에 대한 빅데이터를 구축하고 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 구성되는 관제서버(41) 및 각각의 사용자가 관제서버(41)와 통신하여 원하는 정보를 요청하고 제공받기 위한 사용자 단말기(42)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 14, the pipe monitoring system 40 according to the embodiment of the present invention is largely divided, for example, a plurality of pipe safety evaluation systems installed in each region or facility, such as a thermal power plant in each region. Process of collecting monitoring information by transmitting and receiving various data to and from each pipe safety evaluation system 10, constructing big data about the state of the pipe, and providing various types of information tailored to the user's request may be configured to include a control server 41 configured to be performed, and a user terminal 42 for each user to communicate with the control server 41 to request and receive desired information.

여기서, 상기한 사용자 단말기(42)는, 예를 들면, PC와 같은 단말장치를 이용하여 구성될 수 있고, 바람직하게는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같이, 개인이 휴대 가능한 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하여 구성될 수도 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다. Here, the user terminal 42, for example, may be configured using a terminal device such as a PC, preferably, a smart phone, a tablet PC, or a laptop computer, such as a personal portable information communication terminal. It may be configured by installing a dedicated application, but the present invention is not necessarily limited to this configuration, that is, the present invention is variously modified as needed by those skilled in the art without departing from the spirit and essence of the present invention. And it should be noted that it can be configured by changing.

따라서 상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각각의 지역이나 시설별로 복수의 배관 안전성 평가시스템(10)을 설치하여 두고, 각각의 배관 안전성 평가시스템(10)들이 서로 통신하여 각종 데이터를 주고받도록 하는 동시에, 관제서버(41)의 요청에 따라, 또는, 미리 정해진 설정에 따라 주기적으로 모니터링 데이터를 관제서버(41)로 각각 전송하도록 구성됨으로써, 예를 들면, 전국 단위의 광범위한 지역에 대하여도 각각의 시설에 대한 배관 상태를 모니터링 하기 위한 대규모의 배관 모니터링 시스템(40)을 용이하게 구축할 수 있다. Therefore, as described above, according to the present invention, a plurality of pipe safety evaluation systems 10 are installed for each region or facility, and each pipe safety evaluation system 10 communicates with each other to exchange various data. At the same time, according to the request of the control server 41, or according to a predetermined setting, it is configured to periodically transmit the monitoring data to the control server 41, respectively, so that, for example, each It is possible to easily build a large-scale pipe monitoring system 40 for monitoring the pipe condition for the facility.

따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 변위 및 회전을 검출하기 위한 센서부와 제어를 위한 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변위센서와, 변형률을 측정하기 위한 센서와 MCU가 배관을 둘러싸는 보온재와 일체형으로 내부 및 외부에 각각 배치되어 IoT 기반으로 각종 데이터를 송수신하는 분산형 센서로 이루어지는 변형률센서를 포함하여 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있다. Therefore, as described above, the IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device and high-temperature strain measurement device and the piping safety evaluation system using the same can be implemented according to the embodiment of the present invention, whereby, according to the present invention, displacement And a displacement sensor consisting of a sensor unit for detecting rotation and a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT, in which the MCU for control is disposed inside and outside in one piece with the insulation surrounding the pipe, and to measure the strain An IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device, which includes a strain sensor and a distributed sensor that transmits and receives various data based on IoT and is placed inside and outside in one piece with the insulating material surrounding the pipe. By providing a high-temperature strain measuring device and a piping safety evaluation system using the same, the overall piping condition is monitored to find vulnerable areas where abnormal deformation, abnormal displacement, and torsion occurred, and maintenance of the piping is performed in advance to ensure the safety of the piping. can do.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 배관의 각 부위마다 일정 간격으로 변위 및 회전을 측정하기 위한 변위센서와 변형률을 측정하기 위한 변형률 센서를 각각 설치하여 열로 인한 열변형이나 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하 등에 의한 변위 발생을 모니터링하고, 각각의 측정값에 근거하여 배관의 안전성을 평가하여 평가결과에 따라 유지보수 여부를 결정하는 것에 의해 배관의 파손을 효과적으로 방지하고 전체 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 예를 들면, 화력발전소 등과 같이, 고온, 고압의 환경에 적용되는 고온 플랜트 배관에 대하여 각 부위별로 열로 인한 열변형 및 하중으로 인한 지반 또는 지지장치의 침하나 변형 등에 의한 변위를 측정하여 취약부위를 찾아내고 유지보수를 행하는 것에 의해 비교적 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 배관의 파손을 효과적으로 방지할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, by installing a displacement sensor for measuring displacement and rotation at regular intervals for each part of the pipe and a strain sensor for measuring the strain, respectively, thermal deformation due to heat or load due to ground or By monitoring the occurrence of displacement due to subsidence of the support device, evaluating the safety of the pipe based on each measured value, and deciding whether to maintain or not according to the evaluation result, it effectively prevents damage to the pipe and secures the safety of the entire facility. By providing an IoT-based high-temperature displacement and rotation measurement device, a high-temperature strain measurement device, and a piping safety evaluation system using the same, a high-temperature plant applied to a high-temperature, high-pressure environment, such as a thermal power plant, for example By measuring the displacement due to subsidence or deformation of the ground or support device due to heat and load due to heat for each part of the pipe, it is possible to find vulnerable parts and perform maintenance to prevent damage to the pipe with relatively simple construction and low cost. can be effectively prevented.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전체적인 배관의 상태를 모니터링하여 이상변형이나 이상변위 및 비틀림이 발생한 취약부위를 찾아내고 사전에 유지보수를 행하는 것에 의해 배관의 안전성을 확보할 수 있도록 구성되는 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템이 제공됨으로써, 배관의 열변형 및 변위가 발생한 취약부위를 찾아내어 파손을 방지할 수 있는 장치나 방법이 제시되지 못했던 종래기술의 배관 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, by monitoring the overall condition of the pipe, finding a vulnerable part where abnormal deformation, abnormal displacement, and torsion occur, and performing maintenance in advance to ensure the safety of the pipe. By providing an IoT-based high-temperature displacement and rotation measuring device, a high-temperature strain measuring device, and a piping safety evaluation system using the same, a device or method that can prevent damage by locating vulnerable areas where thermal deformation and displacement of the pipe has occurred is proposed It is possible to solve the problems of the pipe measuring apparatus and methods of the prior art that were not possible.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 IoT 기반 고온용 변위 및 회전 측정장치와 고온용 변형률 측정장치 및 이를 이용한 배관 안전성 평가시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. As described above, through the embodiment of the present invention as described above, the IoT-based high temperature displacement and rotation measuring device and high temperature strain measuring device and the detailed content of the piping safety evaluation system using the same have been described, but the present invention It is not limited only to the contents described in the above embodiment, and therefore, the present invention is variously modified, changed, combined according to design needs and other various factors by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. and substitutions are possible.

10. 배관 안전성 평가시스템 11. 변위측정부
12. 변형률측정부 13. 통신부
14. 제어부 20. 변위센서
21. 센서부 22. MCU
30. 변형률센서 31. 센서부
32. MCU 40. 배관 모니터링 시스템
41. 서버 42. 사용자 단말기
10. Pipe safety evaluation system 11. Displacement measuring unit
12. Strain measuring unit 13. Communication unit
14. Control unit 20. Displacement sensor
21. Sensor unit 22. MCU
30. Strain sensor 31. Sensor part
32. MCU 40. Pipe monitoring system
41. Server 42. User Terminal

Claims (12)

배관 안전성 평가시스템에 있어서,
배관의 변위 및 회전(비틀림)을 측정하기 위한 변위측정부;
배관의 변형률(strain)을 측정하기 위한 변형률측정부;
유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 다른 평가시스템이나 외부기기와 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 통신부; 및
상기 변위측정부와 상기 변형률측정부 및 상기 통신부의 동작을 각각 제어하는 동시에, 상기 변위측정부 및 상기 변형률측정부를 통해 실시간으로 측정되는 측정값들을 수신하여 별도의 저장수단에 저장하고, 디지털 트윈(digital twin) 기술에 기반하여 각각의 측정값들에 근거하여 유한요소해석(Finite Element Analysis ; FEA)을 수행하는 것에 의해 배관 전체에 대한 현재상태 및 이상변위나 이상변형 발생을 모니터링하며, 모니터링 결과가 미리 정해진 기준값이나 허용범위를 벗어나는 경우 배관의 파손을 포함하는 이상발생이나 유지보수가 필요한 것으로 판단하고, 미리 정해진 설정에 따라 지정된 연락처에 해당 사실을 알리는 알림이나 경고를 전달하여 대응하도록 하는 처리가 수행되도록 이루어지는 제어부를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는,
상기 변위측정부 및 상기 변형률측정부의 각각의 센서들로부터 전송되는 측정값을 각각 수신하여 데이터베이스의 형태로 별도의 저장수단에 저장하고,
상기 변위측정부에 의해 측정된 배관의 변위값에 근거하여, 유한요소해석(FEA)을 통해 상기 배관의 변위에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 수행하며,
상기 배관의 변위에 따른 응력해석 결과 및 상기 변위측정부에 의해 측정된 배관의 회전값에 근거하여, 유한요소해석(FEA)을 통해 상기 배관의 회전(비틀림)에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 수행하며,
상기 변형률측정부를 통해 측정된 배관의 변형률값에 근거하여, 유한요소해석(FEA)을 통해 상기 배관의 변형률에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 수행하며,
미리 정해진 기준에 따라 상기 배관의 변위, 회전 및 변형률에 대한 응력해석 결과를 각각 비교하여 배관 전체에 대한 현재상태 및 이상변위나 이상변형 발생을 모니터링하고 안전성을 평가하여 유지보수의 필요 여부를 판단하며,
각각의 처리과정에서 얻어지는 측정값과 응력해석 결과 및 모니터링 결과를 포함하는 각종 데이터를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 동시에, 모니터링 결과가 미리 정해진 기준값이나 허용범위를 벗어나는 경우 배관의 파손을 포함하는 이상발생이나 유지보수가 필요한 것으로 판단하고, 미리 정해진 설정에 따라 지정된 연락처에 해당 사실에 대한 알림을 전달하여 대응하도록 하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
In the piping safety evaluation system,
Displacement measuring unit for measuring displacement and rotation (torsion) of the pipe;
Strain measuring unit for measuring the strain (strain) of the pipe;
a communication unit for transmitting and receiving various data including measurement values with another evaluation system or an external device through at least one of wired or wireless communication; and
While controlling the operations of the displacement measuring unit, the strain measuring unit, and the communication unit, respectively, the measured values measured in real time through the displacement measuring unit and the strain measuring unit are received and stored in a separate storage means, and a digital twin ( Based on digital twin) technology, by performing Finite Element Analysis (FEA) based on each measurement value, the current state of the entire pipe and occurrence of abnormal displacement or abnormal deformation is monitored, and the monitoring result is If it is out of the predetermined standard value or allowable range, it is judged that an abnormality including pipe damage or maintenance is required, and a notification or warning is sent to the designated contact according to the predetermined setting to respond. It is configured to include a control unit made to be
The control unit is
Each of the measured values transmitted from the respective sensors of the displacement measuring unit and the strain measuring unit are received and stored in a separate storage means in the form of a database,
Based on the displacement value of the pipe measured by the displacement measuring unit, the local stress according to the displacement of the pipe is calculated through finite element analysis (FEA) and a stress analysis is performed,
Based on the results of the stress analysis according to the displacement of the pipe and the rotation value of the pipe measured by the displacement measuring unit, the local stress according to the rotation (torsion) of the pipe is calculated through FEA and stress analysis do,
Based on the strain value of the pipe measured through the strain measuring unit, the local stress according to the strain of the pipe is calculated through finite element analysis (FEA) and stress analysis is performed,
By comparing the stress analysis results for the displacement, rotation, and strain of the pipe according to a predetermined standard, the current state of the entire pipe and the occurrence of abnormal displacement or abnormal deformation are monitored, and the safety is evaluated to determine whether maintenance is required. ,
Various data including measurement values, stress analysis results, and monitoring results obtained in each process are output through a separate display means, and at the same time, when the monitoring results are outside the predetermined reference values or allowable ranges, abnormalities including pipe damage Plumbing safety evaluation system, characterized in that the process of determining that occurrence or maintenance is necessary, and responding to the fact by delivering a notification to the designated contact according to a predetermined setting is automatically performed.
제 1항에 있어서,
상기 변위측정부는,
미리 정해진 위치 또는 미리 정해진 간격으로 배관에 설치되는 복수의 변위센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
The method of claim 1,
The displacement measuring unit,
Pipe safety evaluation system, characterized in that it comprises a plurality of displacement sensors installed in the pipe at a predetermined position or at a predetermined interval.
제 2항에 있어서,
상기 변위센서는,
배관의 변위 및 회전(비틀림)을 각각 검출하기 위해 가속도계 및 자이로 센서를 이용하여 6자유도(Degrees Of Freedom ; DOF) 센서로 구성되며,
배관의 외부를 둘러싸는 보온재의 내부에 측정을 위한 센서부가 설치되고, 상기 보온재의 외부에 제어를 위한 MCU(microcontroller unit)가 각각 배치되어 사물인터넷(Internet of Things ; IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하도록 이루어지는 분산형 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
3. The method of claim 2,
The displacement sensor is
It consists of 6 Degrees of Freedom (DOF) sensor using accelerometer and gyro sensor to detect displacement and rotation (torsion) of the pipe, respectively.
A sensor unit for measurement is installed inside the insulating material surrounding the outside of the pipe, and a microcontroller unit (MCU) for control is respectively disposed on the outside of the insulating material. A piping safety evaluation system comprising a distributed sensor configured to transmit and receive data.
제 1항에 있어서,
상기 변형률측정부는,
미리 정해진 위치 또는 미리 정해진 간격으로 배관에 설치되는 복수의 변형률센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
The method of claim 1,
The strain measuring unit,
Pipe safety evaluation system, characterized in that it comprises a plurality of strain sensors installed in the pipe at a predetermined position or at a predetermined interval.
제 4항에 있어서,
상기 변형률센서는,
배관의 변형률(strain)을 측정하기 위한 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서로 구성되고,
배관의 외부를 둘러싸는 보온재의 내부에 측정을 위한 센서부가 설치되고, 상기 보온재의 외부에 제어를 위한 MCU(microcontroller unit)가 각각 배치되어 사물인터넷(Internet of Things ; IoT) 기반으로 측정값 및 각종 데이터를 송수신하도록 이루어지는 분산형 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
5. The method of claim 4,
The strain sensor is
It consists of a FBG (Fiber Bragg Grating) sensor for measuring the strain of the pipe,
A sensor unit for measurement is installed inside the insulating material surrounding the outside of the pipe, and a microcontroller unit (MCU) for control is respectively disposed on the outside of the insulating material. A piping safety evaluation system comprising a distributed sensor configured to transmit and receive data.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
각각의 측정값 및 분석결과를 수집하고 각각의 측정값에 따른 배관의 상태를 연관지어 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 배관의 모니터링 결과에 대한 데이터베이스를 구축하며,
딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 상기 데이터베이스의 내용을 학습하고, 학습결과 및 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)을 이용한 회귀분석을 통해 배관의 상태에 대한 분석 및 안전성을 평가하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가시스템.
The method of claim 1,
The control unit is
Builds a database for monitoring results of piping by collecting each measurement value and analysis result and correlating the state of the piping according to each measurement value and storing it in a database form,
It learns the contents of the database using an artificial intelligence learning algorithm including deep learning or machine learning, and piping through regression analysis using the learning result and artificial neural network (ANN) Pipe safety evaluation system, characterized in that the analysis on the condition of the pipe and the process for evaluating the safety are configured to be automatically performed.
청구항 1항 내지 청구항 5항 및 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 배관 안전성 평가시스템을 이용한 배관 안전성 평가방법에 있어서,
상기 배관 안전성 평가시스템의 제어부를 통하여, 배관에 설치된 각각의 변위센서 및 변형률센서들로부터 전송되는 측정값을 각각 수신하고 데이터베이스의 형태로 별도의 저장수단에 저장하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계;
상기 제어부를 통하여, 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 변위값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 배관의 변위에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 변위해석단계;
상기 제어부를 통하여, 상기 변위해석단계의 해석결과 및 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 회전값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 회전(비틀림)에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하는 처리가 수행되는 회전해석단계;
상기 제어부를 통하여, 상기 데이터 수집단계에서 수신된 배관의 변형률값에 근거하여 유한요소해석(FEA)을 통해 변형률에 따른 국부응력을 산출하고 응력해석을 행하여 상기 변위해석단계 및 상기 회전해석단계의 해석결와 비교하여 검증하는 처리가 수행되는 검증단계;
상기 제어부를 통하여, 각각의 해석결과에 근거하여 미리 정해진 기준에 따라 배관의 이상 유무 및 유지보수 필요 여부를 판단하는 처리가 수행되는 안전성 평가단계; 및
상기 제어부를 통하여, 상기 안전성 평가단계의 평가결과를 별도의 표시수단을 통해 출력하는 동시에, 이상이 있는 것으로 판단되면 미리 설정된 내용에 따라 미리 정해진 연락처에 해당 사실에 대한 알림을 전달하는 처리가 수행되는 알림단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가방법.
In the piping safety evaluation method using the piping safety evaluation system according to any one of claims 1 to 5 and 8,
a data collection step of receiving, through the control unit of the pipe safety evaluation system, measured values transmitted from each displacement sensor and strain sensor installed in the pipe, respectively, and storing the measured values in a separate storage means in the form of a database;
a displacement analysis step in which, through the control unit, a process of calculating a local stress according to the displacement of the pipe through finite element analysis (FEA) based on the displacement value of the pipe received in the data collection step and performing a stress analysis is performed;
Through the control unit, on the basis of the analysis result of the displacement analysis step and the rotation value of the pipe received in the data collection step, the local stress according to rotation (torsion) is calculated through FEA, and the stress analysis is performed. a rotation analysis step in which processing is performed;
Through the control unit, the local stress according to the strain is calculated through finite element analysis (FEA) based on the strain value of the pipe received in the data collection step, and the stress analysis is performed to analyze the displacement analysis step and the rotation analysis step a verification step in which a verification process by comparison with a result is performed;
a safety evaluation step in which, through the control unit, a process of determining whether there is an abnormality in the pipe and whether maintenance is required is performed according to a predetermined standard based on each analysis result; and
Through the control unit, the evaluation result of the safety evaluation step is output through a separate display means, and at the same time, when it is determined that there is an abnormality, a process of delivering a notification about the fact to a predetermined contact information according to preset contents is performed Pipe safety evaluation method, characterized in that configured to be carried out processing including the notification step.
제 9항에 있어서,
상기 방법은,
상기 제어부를 통하여, 각각의 측정값 및 분석결과를 수집하고 각각의 측정값에 따른 배관의 상태를 연관지어 데이터베이스 형태로 저장하는 것에 의해 배관의 모니터링 결과에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리가 수행되는 데이터베이스 구축단계;
상기 제어부를 통하여, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 상기 데이터베이스의 내용을 학습하는 처리가 수행되는 학습단계; 및
상기 제어부를 통하여, 상기 학습단계의 학습내용에 근거하여 인공신경망(ANN)을 이용한 회귀분석을 통해 배관의 상태 및 안전성에 대한 평가가 이루어지는 안전성 평가단계를 포함하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 안전성 평가방법.
10. The method of claim 9,
The method is
Through the control unit, each measurement value and analysis result is collected, and the state of the pipe according to each measurement value is correlated and stored in the form of a database, thereby establishing a database for the monitoring result of the pipe. step;
a learning step in which, through the control unit, a process of learning the contents of the database is performed using an artificial intelligence learning algorithm including deep learning or machine learning; and
Through the control unit, based on the learning contents of the learning step, through regression analysis using an artificial neural network (ANN), the process including the safety evaluation step in which the evaluation of the condition and safety of the pipe is performed automatically is configured to be performed Pipe safety evaluation method characterized by.
배관 모니터링 시스템에 있어서,
각각의 지역이나 시설마다 설치되는 복수의 배관 안전성 평가시스템;
각각의 상기 배관 안전성 평가시스템과 각종 데이터를 송수신하고 모니터링 정보를 수집하여 배관의 상태에 대한 빅데이터를 구축하고, 사용자의 요청에 따라 해당하는 각종 정보를 맞춤형으로 제공하는 처리가 수행되도록 구성되는 관제서버; 및
각각의 사용자가 상기 관제서버와 통신하여 원하는 정보를 요청하고 제공받기 위한 사용자 단말기를 포함하여 구성되고,
상기 배관 안전성 평가시스템은,
청구항 1항 내지 청구항 5항 및 청구항 8항 중 어느 한 항에 기재된 배관 안전성 평가시스템을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 모니터링 시스템.
In the pipe monitoring system,
A plurality of piping safety evaluation systems installed for each area or facility;
A control configured to transmit and receive various data with each of the pipe safety evaluation systems, collect monitoring information, build big data on the condition of the pipe, and perform a process of providing various types of information customized according to a user's request server; and
Each user communicates with the control server and is configured to include a user terminal for requesting and receiving desired information,
The pipe safety evaluation system,
A pipe monitoring system, characterized in that it is configured using the pipe safety evaluation system according to any one of claims 1 to 5 and 8.
제 11항에 있어서,
상기 사용자 단말기는,
PC를 포함하는 단말장치를 이용하여 구성되거나,
또는, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북을 포함하는 개인 휴대용 정보통신 단말기에 전용의 어플리케이션을 설치하는 것에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 배관 모니터링 시스템.
12. The method of claim 11,
The user terminal,
It is configured using a terminal device including a PC, or
Or, a pipe monitoring system, characterized in that configured by installing a dedicated application on a personal portable information communication terminal including a smart phone or tablet PC or a notebook computer.
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