KR20100031898A - 운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 내지는 각종 산업 플랜트의 현장에서 배관을 지지하고 있는 원형막대 형태의 리지드 행거(Rigid hanger)에 가해지는 지지하중을 측정하는 계측방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 진동 테스트를 통해 현장에서 배관을 지지하는 리지드 행거의 지지하중을 간편하게 구할 수 있는 운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 발전소 또는 산업플랜트에 설치된 배관을 지지하는 리지드 행거(1)의 양단에 걸리는 지지하중을 계측하는 방법에 있어서, 상기 배관(2)을 지지하는 리지드 행거(1)의 적당위치에 고유진동수를 얻기 위해 가속도 센서(5)를 부착하고, 이 리지드 행거(1)에 해머(6)와 같은 충격가진수단을 이용하여 충격가진하여 상기 가속도 센서(5)로부터 입력되는 신호를 통해 주파수 분석기(7)로 1차 고유진동수를 구하며, 이 리지드 행거(1)의 하중·고유진동수의 관계에서 측정한 1차 고유진동수로부터 하중(P)을 얻도록 되어 있다.

Description

운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법{Measurement method of load applied to rigid hanger during operation}

본 발명은 발전소 내지는 각종 산업 플랜트의 현장에서 배관을 지지하고 있는 원형막대 형태의 리지드 행거(Rigid hanger)에 가해지는 지지하중을 측정하는 계측방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 진동 테스트를 통해 현장에서 배관을 지지하는 리지드 행거의 지지하중을 간편하게 구할 수 있는 운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법에 관한 것이다.

발전소 또는 각종 산업 플랜트에는 많은 배관들이 설치되어 있으며, 이 배관들을 지지하기 위해 여러 가지 배관 지지 구조체들이 사용되고 있다.

통상적으로 배관의 중량을 지지하는 행거(Hanger)는 배관의 열팽창의 크기 및 위치에 따라 콘스탄트 스프링 행거(Constant spring hanger), 가변 스프링 행거(Variable spring hanger) 및, 리지드 행거로 나눌 수 있는데, 이중 콘스탄트 스프링 행거나 가변 스프링 행거의 경우 행거명판(Hanger nameplate)에 변위 및 하중 지시계가 있어 실제 운전시 하중을 알 수 있으나, 리지드 행거는 하중 표시계가 없어 원형막대의 로드(Rod)에 의해서만 매달려 있어 실제 지지하중을 알 수가 없다.

즉, 상기 리지드 행거(1)는 도 3 (A)와 (B)에 도시된 바와 같이 배관(2)을 지지하기 위해 로드형의 리지드 행거(1)가 설치되어 배관(2)을 지지하도록 되어 있다.

한편, 화력발전소에 설치되는 증기배관의 경우 보일러에서 터빈으로 가는 수십 미터의 수직배관에 리지드 행거들이 설치되어 수십 톤의 하중을 지지하고 있으며, 급수배관과 같이 열팽창이 작은 배관에도 리지드 행거들이 설치되어 배관을 지지하고 있는 바, 수 톤에서 수십 톤에 이르는 리지드 행거의 배관 지지하중은 전체 배관하중 중 큰 하중을 지지하고 있으나, 설치 시 지지하중의 셋팅 오류 내지는 장기 사용 시 하중변화에 따른 지지하중의 불균형, 과대 혹은 과소하중 등이 발생되어 배관 시스템 전체의 열팽창 변위에 영향을 미치거나 터빈 등 연결구조에 과도한 하중을 유발시키기도 하기 때문에 설비 정지 시 또는 운전 시 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중을 파악하는 것이 매우 중요하게 대두되어 왔다.

일반적으로 리지드 행거의 지지하중 측정방법은 발전소 또는 산업플랜트 정지기간 중 리지드 행거의 연결부위에 로드셀(Load cell)을 장착하고 유압장치를 이용하여 미소변위에 따른 지지하중의 변화를 측정하는 방법이 한정적으로 적용되고 있으나, 이러한 종래 측정방법은 발전소 또는 산업플랜트 운전 중 실제 하중을 측정하기에 한계가 있으며, 운전 중 로드셀을 장착하는 것도 사실상 불가능하였다.

또한 정지기간 중에 하중을 측정한다고 하더라고 리지드 행거를 분리하기 위하여 매달려 있는 배관에 보조행거를 새로이 장착하고 로드셀을 연결하는 일련의 작업과정이 복잡할 뿐만 아니라, 작업량이 매우 많아 효율성이 떨어지는 문제점도 있었다.

상기와 같은 로드셀을 이용한 배관의 지지하중을 리지드 행거와 측정하는 방식은 국내등록특허 제290,553호로 알려져 왔다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 발전소 또는 산업플랜트 현장에서 설비 정지 중뿐만 아니라 운전 중에도 배관을 리지드 행거의 지지하중을 간편하게 측정하여 배관의 유지보수에 도움을 주는 운전중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 리지드 행거의 양끝 단에 걸리는 지지하중의 변화에 따라 횡진동의 모드별 진동수가 변한다는 원리에 기초를 둔 것으로, 즉 리지드 행거의 진동특성을 파악하고 이 리지드 행거의 양끝 단에 걸리는 하중에 따른 고유진동수 변화특성을 해석적 방법과 이론적 방법, 또는 실험적 방법을 통하여 규명한 다음, 진동시험을 통해 얻어진 고유진동수를 이용하여 상기 리지드 행거에 가해진 하중을 측정할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 본 발명은 사전작업 없이 정지 및 운전 중인 설비에서 배관을 지지하는 리지드 행거의 지지하중 측정이 가속도 센서와 주파수 분석기 또는 휴대용 컴퓨터만을 이용한 간단한 시스템에 의해 손쉽게 구현됨에 따라 배관의 유지보수에 편의성과 경쟁성을 부여할 수 있으며, 더욱이 산업 플랜트에서 배관뿐만 아니라, 다른 지지물의 지지 장치가 받고 있는 하중을 실측할 때에도 적용할 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 측정방법을 설명하는 구성도이고, 도 2는 하중과 고유진동수 데이터로부터 회귀측정을 하는 그래프이다.

앞서 설명한 바와 같이 리지드 행거(1)는 로드 형태로 양끝 단에 핀 체결구멍(3a,3b)들이 있으며, 배관(2)을 지지할 때 도 3 (A)와 같이 배관에 직접 설치되거나, 도 3 (B)와 같이 지지 브라켓트(4)를 이용하여 배관(2)을 지지하도록 되어 있다.

본 발명은 배관(2)을 지지하는 리지드 행거(1)의 적당위치에 고유진동수를 얻기 위해 가속도 센서(5)를 부착하고, 이 리지드 행거(1)에 해머(6)와 같은 충격가진수단을 이용하여 충격 가진하여 상기 가속도 센서(5)로부터 입력되는 신호를 통해 주파수 분석기(7)로 1차 고유진동수를 구하며, 이 리지드 행거(1)의 하중·고유진동수의 관계에서 측정한 1차 고유진동수로부터 하중(P)을 얻도록 되어 있다.

본 발명에 따른 리지드 행거(1)의 지지하중 계측방법은 가속도센서(5)와 주파수 분석기(7) 및 계산기 및 휴대용 컴퓨터로 구성되는데, DAQ보드와 같은 휴대용 컴퓨터에 삽입되는 카드와 프로그래밍을 통해 가속도와 휴대용 컴퓨터만으로도 간단하게 구현할 수 있으며, 공지의 주파수 분석기능을 내장하고 고유주파수로부터 하중을 계산하는 프로그램 모듈과 하중-진동수 관계 데이터베이스를 내장한 모듈화된 휴대용 시스템으로 구현할 수 있다.

한편, 상기 하중-고유진동수 관계는 다음과 같은 방식으로 얻어진다.

리지드 행거(1)의 종횡비(slenderness ratio ; 직경대비 길이 비)가 큰 로드(rod)에 대한 횡진동에 관한 지배방정식(Euler-Bernoulli beam model)은 ①식과 같다.

·ω(x,t) : 시간 t, 로드 끝단으로부터의 좌표 x에 따른 로드변위인 고유진동수

·m : 로드의 단위 길이당 질량

·E : 로드의 탄성계수

·I : 단면 관성모멘트

·P : 로드 양끝단의 인장 혹은 압축 하중

·f : 로드 길이방향에 따른 횡방향 분포하중

·L : 로드의 길이

여기서 배관(2)에 설치되는 리지드 행거의 양 끝단 핀-핀 고정에 대한 경계조건은 양단 끝의 변위와 굽힘모멘트가 없으므로 식 ②와 같다.

로드에 횡방향 분포하중 f가 없고 하중 P가 양단에 가해진 로드형 리지드 행거(1)의 공간영역 해로부터 n번째 고유진동수

와 하중 P와의 관계는 식 ③, ④와 같다.

고유진동수 측정에 있어 1차 고유진동수에 대한 오차가 가장 작으므로 1차 고유진동수

와 양단에 가해지는 하중 P는 식 ⑤와 같이 2차 다항식 관계를 가진다.

따라서 로드의 제작사가 제공하는 제품의 명세서에 따라 재질 및 형상정보, 질량, 탄성계수, 단면 관성모멘트를 알 수 있으므로 m, L, E, I값을 입력하고 1차 고유진동수

를 측정하면 직접적으로 로드형 리지드 행거(1)의 양단에 걸린 하중(P)을 알 수 있다.

한편, 플랜트 현장에서 사용되는 고정식 리지드 행거(1)는 단순한 로드모양의 핀-핀 고정형도 있는 반면, 로드의 길이 조절을 위해 턴버클(turnbuckle)이 있는 경우도 있다.

이러한 형상은 이론적인 해로 유추하기 힘들기 때문에 유한 요소해석을 통하여 주어진 형상을 모델링하여 경계조건(하중)에 따른 고유진동수 변화의 관계를 해석적으로 알 수 있다. 따라서 특정한 행거 모델에 대하여 하중-고유진동수의 관계 를 해석적으로 여러 하중상태에 대하여 고유진동수를 얻고 회귀분석(도 2 그래프 참조)을 통해 수식적 관계를 도출한 다음, 현장에서 해당모델에 대하여 진동수만을 측정함으로써 하중을 구한다.

턴버클이 있는 로드 또는 보다 복잡한 형상의 로드에 대해서 또 다른 방법으로 제작사 현장에서 직접 하중조건에 따른 충격시험을 통하여 얻어진 하중-고유진동수의 관계 데이터들로부터 이론식에서 유추된 식 ⑥과 같은 이차식 관계를 바탕으로 회귀분석하여 계수 A, B를 정할 수 있다.

따라서 해당 모델별로 하중-진동수 관계를 사전에 데이터베이스화하여 현장에서 고유진동수를 측정함으로써 가해진 하중을 바로 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 다른 리지드 행거의 지지하중 측정방법을 나타낸 구성도,

도 2는 하중과 고유진동수 데이터로부터 회귀추정을 하는 그래프,

도 3 (A)와 (B)는 리지드 행거가 배관에 설치되어 이 배관을 지지하는 상태를 보여주는 도면들이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 리지드 행거(Rigid hanger), 2 : 배관,

3a,3b : 핀 체결구멍, 4 : 지지 브라켓트,

5 : 가속도 센서, 6 : 해머,

7 : 주파수 분석기.

Claims (2)

1. 발전소 또는 산업플랜트에 설치된 배관을 지지하는 리지드 행거(1)의 양단에 걸리는 지지하중을 계측하는 방법에 있어서,

   상기 배관(2)을 지지하는 리지드 행거(1)의 적당위치에 고유진동수를 얻기 위해 가속도 센서(5)를 부착하고, 이 리지드 행거(1)에 해머(6)와 같은 충격가진수단을 이용하여 충격가진하여 상기 가속도 센서(5)로부터 입력되는 신호를 통해 주파수 분석기(7)로 1차 고유진동수를 구하며, 이 리지드 행거(1)의 하중·고유진동수의 관계에서 측정한 1차 고유진동수로부터 하중(P)을 얻도록 이루어진 것을 특징으로 하는 운전 중 배관 지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하중-고유진동수 관계에서 하중(P)은 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 운전 중 배관지지용 리지드 행거의 지지하중 계측방법.

   

   여기서 ω(x,t) : 시간 t, 로드 끝단으로부터의 좌표 x에 따른 로드변위인 고유진동수

   m : 로드의 단위 길이당 질량

   E : 로드의 탄성계수

   I : 단면 관성모멘트

   P : 로드 양끝단의 인장 혹은 압축 하중

   f : 로드 길이방향에 따른 횡방향 분포하중

   L : 로드의 길이

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