KR102428723B1 - 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법 - Google Patents

가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법에 관한 것이다. 본 발명은 발전소 내에서 가스연료를 공급하는 가스연료 공급계통의 파손확률을 평가하는 방법에 있어서, 상기 가스연료 공급계통을 구성하는 설비의 분류체계를 구성하는 단계; 및 상기 가스연료 공급계통의 파손확률을 하기 [수학식 1]에 의하여 결정하여 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020072655483-pat00057

(gff: 기본 파손빈도(Generic Failure Frequency), Df-total(t): 손상인자(Damage Factor), FMS: 관리시스템 인자(Management Systems Factor))

Description

가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법{A METHOD OF ASSESSMENT OF PROBABILITY OF FAILURE FOR GAS FUEL SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 가스연료 공급계통에 대한 파손확률(POF, Probability of failure) 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스터빈 발전을 위해 설치되어 있는 가스연료 공급계통의 배관과 부대설비의 건전성 확보 및 유지보수 계획의 효과적인 수립이 가능하게 하는 설비의 위험도 기반 검사에 필요한 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법에 관한 것이다.
최근 국내 발전분야에서 국가의 친환경정책과 발전효율을 고려하여 복합화력발전소 및 가스터빈 열병합발전소의 운용 및 신규 건설이 확대되고 있다. 복합화력발전소의 경우 천연가스 등의 연료와 압축된 공기를 혼합하여 연소실에서 연소된 고온·고압의 연소가스를 이용하는 1차 발전(가스터빈 발전)과 가스터빈에서 배출된 배기가스의 잔열을 이용하여 배열회수 보일러에서 발생된 고온·고압 증기를 이용하는 2차 발전(증기터빈 발전)으로 이루어져 전기를 효율적으로 생산한다.
천연가스는 정압기지로부터 2~3MPa 수준의 비교적 고압으로 공급되며, 발전소 내에서 압축기 및 가열기(열교환기)를 통해 4~5MPa, 200℃ 정도까지 각각 승압과 승온이 이루어진 후 1차 발전에 사용된다. 기존의 화력발전소에서는 보일러, 고온·고압의 증기배관 및 터빈 등 주기기 위주의 검사 및 계획예방정비가 이루어지고 있다. 따라서, 누출사고 발생 시 화재 및 폭발에 의해 사고 피해가 대형화 될 수 있는 가스터빈발전의 가스연료 공급계통에 대한 차별화된 설비 안전운용 방법이 필요하다.
정유플랜트 및 석유화학플랜트 등 공정플랜트에 주로 적용되는 미국석유협회의 위험도기반 검사기술인 American Petroleum Institute RP 581 Risk-Based Inspection Technology 코드(이하 'API RBI 코드'라 함)를 가스연료 공급계통에 적용함에 있어서 코드 상에 제시된 주요 손상기구를 파손확률 평가에 사용할 수 있다. 하지만, 배관의 위치 별로 다른 시스템 응력(system stress)과 가스터빈 발전의 잦은 가동/정지 등 파손확률에 영향을 줄 수 있는 인자들을 평가에 반영할 수 없는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0034071호(2018.04.04)
본 발명은 가스터빈발전을 위해 설치되어 있는 가스연료공급계통의 배관과 부대설비의 건전성 확보 및 유지보수 계획의 효과적인 수립이 가능하고, 보다 정확한 설비 위험도의 평가가 가능한 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 발전소 내에서 가스연료를 공급하는 가스연료 공급계통의 파손확률을 평가하는 방법에 있어서, 상기 가스연료 공급계통을 구성하는 설비의 분류체계를 구성하는 단계; 및 상기 가스연료 공급계통의 파손확률을 하기 [수학식 1]에 의하여 결정하여 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020072655483-pat00001
(gff: 기본 파손빈도(Generic Failure Frequency), Df-total(t): 손상인자(Damage Factor), FMS: 관리시스템 인자(Management Systems Factor))
상기 손상인자는 하기 [수학식 4]에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020072655483-pat00002
(Fsr: 응력비 인자(Stress Ratio Factor), Df thin: 두께 감육(Thinning) 인자, Df extd: 외부 손상(External Damage) 인자, Df mfat: 기계적 피로(Mechanical Fatigue) 인자, Df lcf: 저주기 피로(Low-Cycle Fatigue) 인자)
상기 응력비 인자를 결정하기 위한 응력비(Stress Ratio)는 하기 [수학식 21] 및 [수학식 20]에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 21]
Figure 112020072655483-pat00003
(σYS: 배관 재료의 운전 온도에서의 항복강도)
[수학식 20]
Figure 112020072655483-pat00004
(Sh: 원주방향의 응력(circumferential stress), SL: 길이방향의 응력(longitudinal stress), St: 비틀림에 의한 전단응력(torsional shear stress))
상기 응력비 인자는, 응력비 > 1 이면 1000, 2/3 < 응력비 ≤ 1 이면 100, 1/3 < 응력비 ≤ 2/3 이면 10, 응력비 ≤ 1/3 이면 1 일 수 있다.
상기 두께 감육 인자(Df thin)는 미국석유협회의 위험도기반 검사기술인 API RBI 코드에 의해 결정될 수 있다.
상기 외부 손상 인자(Df extd) 는 하기 [수학식 2]에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020072655483-pat00005
(Df extcor: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 외부 부식(external corrosion), Df CUIF: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 단열재 하부 부식(CUI, Corrosion Under Insulation), Df ext-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking), Df CUI-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 단열재 하부 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CUI CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking Under Insulation))
상기 페라이트계 설비 재질의 외부 부식(Df extcor) 및 페라이트계 설비 재질의 단열재 하부 부식(Df CUIF)은 미국석유협회의 위험도기반 검사기술인 API RBI 코드에 의해 결정될 수 있다.
상기 저주기 피로 인자(Df lcf)는 하기 [수학식 19]에 의하여 결정될 수 있다.
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[수학식 19]
Figure 112020072655483-pat00012
(N: 기동(start-up) 및 기동정지(shut-down)의 누적 발생 수, 2Nf: 파단 사이클((the number of cycles to failure))
상기 파단 사이클(2Nf)은 하기 [수학식 17]에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112020072655483-pat00013
(Δε: 발생 변형률의 범위(strain range), εf′: 재료의 피로 연성 상수(fatigue ductility coefficient), c: 재료의 피로 연성 지수(fatigue ductility exponent))
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스터빈발전을 위해 설치되어 있는 가스연료공급계통의 배관과 부대설비의 건전성 확보 및 유지보수 계획의 효과적인 수립이 가능하고, 보다 정확한 설비 위험도의 평가가 가능하다.
도 1은 위험도 평가를 위한 가스연료 공급계통의 하위 계통 구분을 보인 도면.
도 2는 위험도 평가를 위한 세그먼트 선택을 예시적으로 보인 도면.
도 3은 위험도 평가를 위한 인벤토리 그룹을 예시적으로 보인 도면.
도 4는 배관응력해석 결과를 예시적으로 보인 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 위험도 평가를 위한 가스연료 공급계통의 하위 계통 구분을 보인 도면이고, 도 2는 위험도 평가를 위한 세그먼트 선택을 예시적으로 보인 도면이며, 도 3은 위험도 평가를 위한 인벤토리 그룹을 예시적으로 보인 도면이고, 도 4는 배관응력해석 결과를 예시적으로 보인 도면이다.
1. 가스연료 공급계통을 구성하는 설비의 분류체계를 구성하는 단계
가스연료 공급계통은 배관류(piping & fittings), 압축기(compressor) 및 연료가스 가열기(fuel gas heater) 등으로 이루어져 있는데, 이에 제한되는 것은 아니고 가스연료의 공급에 필요한 설비라면 어떠한 것이라도 채용될 수 있다. 따라서 도 1과 같이 연료가스의 압축과 승온 과정을 구분하여 여러 개의 하위 계통(sub system)으로 나눈다.
가스연료 공급계통에 대하여 표 1과 같이 플랜트 단계에서 설비 요소(component) 단계까지 설비 분류체계를 구성하고 파손피해 평가를 위해 이 설비 분류체계와 별도로 인벤토리 그룹(inventory group)을 생성한다.
파손확률 평가를 위한 가스연료 공급계통의 분류체계 (Taxonomy hierarchy of fuel gas supply system for POF assessment)
분류 이름 설명
Plant Combined Cycle Power PlantCombined Heat & Power Plant 발전소 명
Gas Turbine Unit Unit #1, Unit #2 등 호기 명
System Fuel Gas Supply System 설비의 주 기능/목적
Sub System Fuel Gas Compress LineFuel Gas Supply Line #1
Fuel Gas Supply Line #2		 System 안에서 세부 기능
Line M1, M2, L12 등 동일한 재질과 동일한 운전조건 하의 배관설비 그룹 또는 개별 장치
Segment Seg. 1, Seg 2, Seg 3 등 유로 분기 및 기계적 관점으로 구분
Component Pipe, Elbow, Tee 등 설비를 구성하는 최소 단위
상기 표 1과 같이 가스연료 공급계통의 하위 계통에서 동일한 재질과 동일한 운전조건 하의 배관설비 그룹 또는 개별 장치를 라인(line)이라 정의한다. 그리고, 각 하위 계통의 라인은 메인(main)과 레터럴(lateral)로 구분한다.
설비의 최소 단위는 설비 요소이지만, 본 실시예에서는 세그먼트(segment)를 위험도 평가의 최소 단위로 설정하고 가스연료의 유로 분기 및 기계적 관점으로 도 2와 같이 구분할 수 있다. 표 1의 설비 요소 중에서 곡관(eblow), 티(tee), 가열기 쉘(heater shell), 가열기 튜브(heater tube), 이경관 이음쇠(reducer), 유량계(flow element) 등은 하나의 세그먼트로 정의하고, 용접으로 이어지는 직관의 경우 직관 조합을 하나의 세그먼트로 정의한다.
다음으로, 누출이 발생한 설비에 유체를 계속해서 공급할 수 있는 설비그룹의 개념으로 인벤토리 그룹이 사용된다. 이 인벤토리 그룹은 공급계통 상의 밸브 위치를 이용하여 도 3과 같이 설정한다. 위험도 파손피해 평가에서 인벤토리 그룹에 포함된 설비 유체의 총 질량은 누출 지속시간 결정의 중요한 인자가 된다.
2. 파손확률 평가식 정의
가스터빈발전 가스연료 공급계통의 파손확률 Pf(t)은 하기 [수학식 1]로부터 계산된다.
Figure 112020072655483-pat00014
(gff: 기본 파손빈도(Generic Failure Frequency), Df-total(t): 손상인자(Damage Factor), FMS: 관리시스템 인자(Management Systems Factor))
상기 3개의 변수 중 기본 파손빈도에 대한 보정은 설비의 손상기구(damage mechanism)와 발전소 간의 설비관리 프로세스 간의 차이점을 이용한다. 다음으로, 손상인자는 설비가 영향을 받는 실제 손상기구에 대한 민감도(susceptibility) 및 손상률(damage rate)을 기반으로 기본 파손빈도를 보정하고, 또한 검사기록과 과거에 실시된 또는 미래에 실시될 검사의 유효성(inspection effectiveness)을 고려한다. 검사 자체는 파손확률 또는 위험을 감소시키지 않지만, 불확실성을 감소시키므로 설비에 존재하는 손상을 보다 정확하게 정량화 할 수 있다. 끝으로, 관리시스템 인자는 시설의 관리시스템이 설비의 기계적 건전성에 미치는 영향을 고려한다. 즉, 손상인자는 개별 설비 및 손상기구에 따라 적용되며, 관리시스템 인자는 평가대상 시설 내의 모든 설비에 동일하게 적용된다.
이하에서는 파손확률 평가식을 구성하는 3개의 변수에 대하여 차례로 살펴보기로 한다.
(1) 기본 파손빈도 (Generic Failure Frequency)
설비 유형별 기본 파손빈도는 각 발전사의 모든 복합발전소, 열병합발전소, 다른 유형의 발전시설, 타 산업계의 다양한 설비, 문헌 자료 및 상업적 신뢰도 데이터베이스의 기록을 사용하여 추정한다. 따라서, 이러한 기본 파손빈도는 상대적으로 양호한 설비 환경에 있는 산업계 설비의 파손빈도를 대표하지만, 특정 손상기구가 적용되는 특정 설비에 대한 실제 파손빈도를 반영하지는 않는다. 각 설비유형에 대한 전반적인 기본 파손빈도는 표 2와 같이 설비의 누출 구멍의 크기(hole size)에 따라 나누어지며, 각 구멍 크기에 대한 기본 파손빈도의 합계는 설비의 총 기본 파손빈도와 동일하다.
가스연료 공급계통 설비유형별로 제안된 기본 파손빈도 (Suggested component generic failure frequencies for equipment type of fuel gas supply system): 해당 설비만 나열함
Equipment Type
(설비유형) 		Component Type
(상세유형)
Figure 112020072655483-pat00015
as a Function of Hole Size (failures/yr)
Figure 112020072655483-pat00016

(failures/yr)
Small
(작은 크기) 		Medium
(중간 크기) 		Large
(큰 크기) 		Rupture
(파열)
Compressor
Heat Exchanger		 COMPC 8.00E-06 2.00E-0.5 2.00E-0.6 0 3.00E-0.5
COMPR 8.00E-06 2.00E-0.5 2.00E-0.6 6.00E-0.7 3.06E-0.5
Pipe
Compressor
Heat Exchanger		 HEXSS 8.00E-06 2.00E-0.5 2.00E-0.6 6.00E-0.7 3.06E-0.5
HEXTS 8.00E-06 2.00E-0.5 2.00E-0.6 6.00E-0.7 3.06E-0.5
HEXTUBE 8.00E-06 2.00E-0.5 2.00E-0.6 6.00E-0.7 3.06E-0.5
Pipe PIPE-1 2.80E-05 0 0 2.60E-0.6 3.06E-0.5
PIPE-2 2.80E-05 0 0 2.60E-0.6 3.06E-0.5
PIPE-4 8.00E-06 2.00E-05 0 2.60E-0.6 3.06E-0.5
PIPE-6 8.00E-06 2.00E-05 0 2.60E-0.6 3.06E-0.5
PIPE-8 8.00E-06 2.00E-05 2.00E-06 6.00E-07 3.06E-0.5
PIPE-10 8.00E-06 2.00E-05 2.00E-06 6.00E-07 3.06E-0.5
PIPE-12 8.00E-06 2.00E-05 2.00E-06 6.00E-07 3.06E-0.5
PIPE-16 8.00E-06 2.00E-05 2.00E-06 6.00E-07 3.06E-0.5
PIPEGT16 8.00E-06 2.00E-05 2.00E-06 6.00E-07 3.06E-0.5
(2) 손상인자(Damage Factor)
가스터빈발전의 가스연료 공급계통의 경우에 API RBI 코드에서 제시된 각 손상기구의 심사기준(screening criteria)을 통해서 '부식률에 대응하는 두께 감육', '재질, 단열재 적용여부, 주변 습도조건 및 운전온도 등에 따른 외부 손상', '진동원(source of cyclic vibration)이 될 수 있는 압축기 주변 배관의 기계적 피로(mechanical fatigue)' 등을 평가할 수 있다.
본 실시예에서는 이와 관련하여 기동/정지가 잦은 가스터빈발전의 기동/정지 빈도를 고려하여, 외부 손상의 개선된 평가 방법과 저주기 피로(low-cycle fatigue) 손상 평가 방법을 제시한다. 저주기 피로의 경우 피로수명이 10,000 사이클 이하로 짧은 경우를 말하며, 각 피로 사이클마다 큰 응력이 발생하여 탄성변형과 약간의 소성변형을 일으킨다. 따라서, 기동/정지 시 설비에 재료의 항복강도 이상까지 응력이 발생되는 경우에 고려된다. 또한, 전체 배관 시스템에 발생되는 응력을 표준화하기 위해 응력비 인자(Stress Ratio Factor)를 제시한다.
- 두께 감육(Thinning) - Df thin: API RBI　코드와 동일
- 외부 손상(External Damage) - Df extd: API RBI 코드 개선
Figure 112020072655483-pat00017
(Df extcor: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 외부 부식(external corrosion), Df CUIF: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 단열재 하부 부식(CUI, Corrosion Under Insulation), Df ext-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking), Df CUI-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 단열재 하부 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CUI CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking Under Insulation)
- 기계적 피로(Mechanical Fatigue) - Df mfat: API RBI　코드와 동일(high-cycle fatigue)
- 저주기 피로(Low-Cycle Fatigue) - Df lcf: API RBI 코드 외 신규로 추가함
- 여러 개의 손상기구에 대한 손상인자들의 조합
하나 이상의 손상기구가 존재하는 경우 API RBI 코드에서 제안하는 수학식 3을 을 참고하여, 수학식 4와 같이 손상인자들과 보정인자를 결합하여 총 손상인자(Df-total)를 결정한다.
Figure 112020072655483-pat00018
Figure 112020072655483-pat00019
(Fsr: 응력비 인자(Stress Ratio Factor))
여기에서 수학식 3 또는 수학식 4를 이용하여 총 손상인자를 결정할 때, 개별 손상인자가 1보다 작거나 같으면 이 손상인자는 합산 시 0으로 설정한다. 총 손상인자가 1보다 작거나 같으면, 총 손상인자는 1로 설정한다.
- 검사 유효성의 범주
손상인자들은 검사의 유효성의 함수로 결정된다. 표 3과 같이 5 가지로 제시된 검사 유효성의 범주는 실제 검사의 유효성을 할당하기 위한 것이다. 모든 검사의 실제 유효성은 검사원의 기술 및 훈련, 검사위치 선택에 사용된 전문지식 수준과 같은 여러 요소에 따라 달라진다. 검사는 손상을 감지하고 손상률을 정확하게 예측할 때, 검사의 기대되는 유효성에 따라 평가된다.
검사 유효성의 범주(Inspection Effectiveness Categories)
검사 유효성 범주 설명
Highly Effective (A) The inspection methods will correctly identify the true damage state in nearly every case (or 80-100% confidence).
Usually Effective (B) The inspection methods will correctly identify the true damage state most of the time (or 60-80% confidence).
Fairly Effective (C) The inspection methods will correctly identify the true damage state about half of the time (or 40-60% confidence).
Poorly Effective (D) The inspection methods will provide little information to correctly identify the true damage state (or 20-40% confidence).
Ineffective (E) The inspection method will provide no or almost no information that will correctly identify the true damage state and are considered ineffective for detecting the specific damage mechanism (less than 20% confidence).
지정된 기간 내에 수행된 각 검사의 유효성은 각 손상기구에 따라 달라진다. 가장 높은 유효성을 갖는 검사 수가 손상인자를 결정하는 데 사용된다. 지정된 기간 동안 더 낮은 유효성을 갖는 여러 검사가 수행된 경우, 표 4의 규칙에 따라 등가의 유효성을 갖는 상위의 검사로 변경할 수 있다. 단, 이러한 규칙은 Ineffective (E) 검사에는 적용되지 않는다.
등가의 상위의 검사 규칙(Equivalent Higher Inspection Rules)
Multiple Inspections of a Lower Effectiveness Equivalent Higher Inspection
2개의 Usually Effective (B) 검사 1개의 Highly Effective (A) 검사, 또는 2B = 1A
2개의 Fairly Effective (C) 검사 1개의 Usually Effective (B) 검사, 또는 2C = 1B
2개의 Poorly Effective (D) 검사 1개의 Fairly Effective (C) 검사, 또는 2D = 1C
(3) 관리시스템 인자(Management Systems Factor)
관리시스템 인자는 모든 설비에 동등하게 적용되므로, 검사 우선순위의 지정을 위해 설비의 위험도 순위를 변경하지 않는다. 이 인자의 목적은 하나의 가동유닛 또는 발전소를 다른 가동유닛 또는 다른 발전소와 비교하는 데에 있다. 관리시스템 평가에서 다루는 목록과 각 목록에 부여 된 점수는 표 5와 같다.
관리시스템 평가 (Management Systems Evaluation)
목록 질문 점수
Leadership and Administration 6 70
Process Safety Information 10 80
Process Hazard Analysis 9 100
Management of Change 6 80
Operating Procedures 7 80
Safe Work Practices 7 85
Training 8 100
Mechanical Integrity 20 120
Pre-Startup Safety Review 5 60
Emergency Response 6 65
Incident Investigation 9 75
Contractors 5 45
Audits 4 40
Total Score 101 1000
관리시스템 평가점수, Score를 관리시스템 인자로 변환하기 위하여 권장되는 척도는 "평균" 시스템이 관리시스템 평가에서 50% (1000점 중 500점)을 얻게 설계하는 것이다. 하기 수학식 5를 이용하여 관리시스템 평가점수를 먼저 0에서 100사이의 백분율로 변환하고, 하기 수학식 6을 이용하여 관리시스템 평가점수에 대한 관리시스템 인자, FMS를 계산한다.
Figure 112020072655483-pat00020
Figure 112020072655483-pat00021
이하에서는 외부 손상의 개선된 평가 방법과 저주기 피로(low-cycle fatigue) 손상 평가 방법에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
3. 손상기구(damage mechanism) 별 손상인자(damage factor) 결정 방법
(1) 두께 감육 손상인자(Thinning Damage Factor) 평가: API RBI 코드와 동일
(2) 외부 손상의 손상인자(External Damage Factor) 평가: 페라이트계(Ferritic) 설비 재질의 외부 부식(external corrosion)과 단열재 하부 부식(CUI, Corrosion Under Insulation): API RBI 코드와 동일
(3) 외부 손상의 손상인자(External Damage Factor) 평가: 오스테나이트계(Austenitic) 설비 재질의 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking)과 단열재 하부 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CUI CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking Under Insulation) : API RBI 코드와 동일
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(4) 배관의 기계적 피로 손상인자(Mechanical Fatigue Damage Factor) 평가: API RBI 코드와 동일
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(5) 배관의 저주기 피로 손상인자(Low-Cycle Fatigue Damage Factor) 평가 (최대 1,000)
API RBI 코드에서는 15.24m(50ft) 반경 안에 진동원(source of cyclic vibration)이 있는 경우, 기계적 고주기 피로(High-Cycle Fatigue) 손상을 고려하게 되어 있다. 그러나, API RBI에서는 기동/정지 빈도에 따른 영향을 고려하고 있지 않다. 가스터빈발전의 특성상 잦은 기동/정지가 있으므로 이 반복 응력에 대하여 저주기 피로(Low-Cycle Fatigue) 손상기구를 반영해야 할 필요가 있으므로 본 실시예에서는 이를 추가적으로 고려하였다.
배관의 발생 응력과 온도에 대한 피로 수명식으로부터 현재까지의 기동/정지 누적횟수를 이용하여 저주기 피로 손상의 정도를 판단할 수 있다. 본 발명에서는 보수적 평가를 위해 [수식 9]의 저주기 피로 관계식(Coffin-Manson equation)을 이용한다.
Figure 112020072655483-pat00030
(Δε: 발생 변형률의 범위(strain range), εf′: 재료의 피로 연성 상수(fatigue ductility coefficient), c: 재료의 피로 연성 지수(fatigue ductility exponent), 2Nf: 파단 사이클(the number of cycles to failure))
발생 변형률 범위는 다음의 수학식 14로 정의된다.
Figure 112020072655483-pat00031
(εoperation: 정상 운전 중에 발생되는 등가 변형률(equivalent strain), εshut-down: 정지 상태에서 발생되는 등가 변형률(equivalent strain))
다음으로 하기 수학식 15 또는 수학식 16을 이용하여 계산할 수 있다. 평가 위치의 3개의 주응력(principle stress) 값을 안다면, 변형률은 von Mises 등가 변형률식(von Mises equivalent strain)을 이용하여 직접 결정할 수도 있다. 배관에 발생하는 등가 응력과 등가 변형률은 배관응력해석(pipe stress analysis) 및 유한요소해석(finite element analysis) 사용 소프트웨어를 이용하여 결정할 수 있다.
Figure 112020072655483-pat00032
Figure 112020072655483-pat00033
(εoperation 및 εshut-down: 해당 온도에서의 재료의 시스템 응력(von Mises 등가 응력), Eoperation 및 Eshut-down: 온도에서의 재료의 탄성계수(modulus of elasticity))
피로 연성 상수 εf′와 피로 연성 지수 c는 사용 재료와 온도에 따라 정해지는 재료 물성이다. 따라서, 발생 변형률 범위 Δε 가 확인되었을 때 구해지는 파단 사이클은 하기 수학식 17을 이용해 결정할 수 있다.
Figure 112020072655483-pat00034
(2Nf: 파단 사이클(Nf 은 파단 리버졀(reversal)에 해당되며 사이클은 2개의 리버졀에 해당)
a) STEP 1 - 배관 재질과 온도에 따른 피로 연성 상수, 피로 연성 지수 및 탄성계수 등 재료 물성을 확인한다.
b) STEP 2 - 배관응력해석(pipe stress analysis) 및 유한요소해석(finite element analysis) 사용 소프트웨어를 이용하여 발생하는 등가 응력과 등가 변형률을 결정한다.
c) STEP 3 - 수학식 17을 이용하여 파단 사이클을 결정한다.
d) STEP 4 - 저주기 피로를 고려한 수명 소비비율은 하기 수학식 18을 이용하여 결정한다.
Figure 112020072655483-pat00035
(N: 기동(start-up) 및 기동정지(shut-down)의 누적 발생 수)
e) STEP 5 - 하기 수학식 19를 이용하여 저주기 피로 손상인자, Df lcf를 결정한다.
Figure 112020072655483-pat00036
4. 응력비 인자(Stress Ratio Factor) 정의와 적용 방법
사용 중인 배관에서는 배관 자체와 내부 유체의 자중, 내압 및 열팽창에 의한 변형 등에 의해 배관계 전체적으로 복잡한 조합응력이 발생이 된다. 배관에 발생되는 조합응력을 하기 수학식 20과 같이 시스템 응력(von Mises 등가 응력)으로 표현한다.
Figure 112020072655483-pat00037
(Sh: 원주방향의 응력(circumferential stress), SL: 길이방향의 응력(longitudinal stress), St: 비틀림에 의한 전단응력(torsional shear stress))
배관응력해석을 위해 AutoPIPE V8i 소프트웨어를 포함한 다양한 상용 솔버가 사용 가능하며, 배관응력해석 결과(도 4는 stress contour로 표현된 이미지)로부터 전체 배관 시스템에 발생되는 응력을 표준화하기 위해 응력비(SR, Stress Ratio) 평가를 수행하였다. 시스템 응력을 구하기 위한 평가 식은 하기 수학식 21과 같다.
Figure 112020072655483-pat00038
(σYS: 배관 재료의 운전 온도에서의 항복강도)
응력비는 배관의 형상, 재질, 배관요소 및 사용 조건을 효과적으로 반영하여 취약부위 선정과 잠재적 파손확률의 보정인자로 제시할 수 있다. 하기 표 11을 이용하여 응력비 인자를 결정한다.
응력비 인자(Stress Ratio Factor)
Stress Ratio Safety Factor Stress Ratio Factor -
Figure 112020072655483-pat00039
 Remarks
Stress Ratio > 1 1 미만 1000 (=
Figure 112020072655483-pat00040
)		 Excessive unstable
2/3 < Stress Ratio ≤ 1 1 이상, 2 미만 100 (=
Figure 112020072655483-pat00041
)		 Unstable
1/3 < Stress Ratio ≤ 2/3 2 이상, 3 미만 10 (=
Figure 112020072655483-pat00042
)		 Slightly unstable
Stress Ratio ≤ 1/3 3 이상 1 (=
Figure 112020072655483-pat00043
)		 Stable (ASME Boiler and Pressure Vessel Code의 기준인 안전계수 3을 충족함)
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 발전소 내에서 가스연료를 공급하는 가스연료 공급계통의 파손확률을 평가하는 방법에 있어서,
    상기 가스연료 공급계통을 구성하는 설비의 분류체계를 구성하는 단계; 및
    상기 가스연료 공급계통의 파손확률을 하기 [수학식 1]에 의하여 결정하여 평가하는 단계를 포함하고,
    [수학식 1]
    Figure 112022501629023-pat00044

    (gff: 기본 파손빈도(Generic Failure Frequency), Df-total(t): 손상인자(Damage Factor), FMS: 관리시스템 인자(Management Systems Factor))
    상기 손상인자는 하기 [수학식 4]에 의하여 결정되며,
    상기 저주기 피로 인자(Df lcf)는 하기 [수학식 19]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112022501629023-pat00045

    (Fsr: 응력비 인자(Stress Ratio Factor), Df thin: 두께 감육(Thinning) 인자, Df extd: 외부 손상(External Damage) 인자, Df mfat: 기계적 피로(Mechanical Fatigue) 인자, Df lcf: 저주기 피로(Low-Cycle Fatigue) 인자)
    [수학식 19]
    Figure 112022501629023-pat00062

    (N: 기동(start-up) 및 기동정지(shut-down)의 누적 발생 수, 2Nf: 파단 사이클(the number of cycles to failure))
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응력비 인자를 결정하기 위한 응력비(Stress Ratio)는 하기 [수학식 21] 및 [수학식 20]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
    [수학식 21]
    Figure 112020072655483-pat00046

    (σYS: 배관 재료의 운전 온도에서의 항복강도)
    [수학식 20]
    Figure 112020072655483-pat00047

    (Sh: 원주방향의 응력(circumferential stress), SL: 길이방향의 응력(longitudinal stress), St: 비틀림에 의한 전단응력(torsional shear stress))
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 응력비 인자는,
    응력비 > 1 이면 1000,
    2/3 < 응력비 ≤ 1 이면 100,
    1/3 < 응력비 ≤ 2/3 이면 10,
    응력비 ≤ 1/3 이면 1 인 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 두께 감육 인자(Df thin)는 미국석유협회의 위험도기반 검사기술인 API RBI 코드에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 손상 인자(Df extd) 는 하기 [수학식 2]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020072655483-pat00048

    (Df extcor: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 외부 부식(external corrosion), Df CUIF: 페라이트계(ferritic) 설비 재질의 단열재 하부 부식(CUI, Corrosion Under Insulation), Df ext-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking), Df CUI-CLSCC: 오스테나이트계(austenitic) 설비 재질의 단열재 하부 외부염화물에 의한 응력부식균열(External CUI CLSCC, External Chloride Stress Corrosion Cracking Under Insulation))
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 페라이트계 설비 재질의 외부 부식(Df extcor) 및 페라이트계 설비 재질의 단열재 하부 부식(Df CUIF)은 미국석유협회의 위험도기반 검사기술인 API RBI 코드에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 파단 사이클(2Nf)은 하기 [수학식 17]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급계통에 대한 파손확률 평가 방법.
    [수학식 17]
    Figure 112022000193067-pat00056

    (Δε: 발생 변형률의 범위(strain range), εf′: 재료의 피로 연성 상수(fatigue ductility coefficient), c: 재료의 피로 연성 지수(fatigue ductility exponent))
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