KR20120012843A - 사용중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법 - Google Patents

Abstract

유체 온도와 배관 밖의 대기의 온도 사이에서 유지되는 배관 두께에 따르는 온도차이등의 실제 배관 온도와 구조해석 입력자료의 온도의 차이, 장기 사용에 의한 배관 재질의 특성 변화와 배관 형상에 따른 부피 팽창시 발생되는 구속등 운전상태에서의 변형량을 해석하는데 따르는 불확실성 부분은 해석상의 문제인 것이고, 실제 발생되는 변형량은 이 모든 상황이 고려되어 나타나는 것인만큼 본 발명에서는 실제의 열 변형량을 측정하여 이를 구조해석의 기초자료로 삼고자 하였다. 그러나, 이런한 열변형량의 실측도 배관의 간섭이 있는 곳에서는 정확히 발생되어야 할 열 변형량이 나타나지 않으므로 자유로운 열챙창이 나타나는 곳, 그것도 최적구간을 찾아 그곳의 열팽창계수를 산출하여 동일 시스템이 적용되는 전 배관계에서 평가할 수 있도록 자유 열팽창 부위에 열팽창량을 산출하는 방법과 그 결과를 사용하여 건전성 평가에 이르는 과정을 제시하고자 하였다.
이를 위하여 배관의 상태를 자유 팽창부와 구속부로 구분하는 단계와 자유 팽창부의 최적 구간에 있는 상기 배관으로서 일정한 거리(L)를 두고 있는 두 곳에 삼차원 변위계를 설치하는 단계와 고온과 저온에서 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 읽는 단계와 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 상기 거리로 나누어 선팽창 계수(al)를 구하는 단계와 상기 선팽창 계수(al)를 입력하여 배관 전체의 열변형 구조해석을 수행하는 단계와 상기 배관의 각 점에서의 실제 변형량과 상기 구조해석 결과 나타난 상기 배관 각 점에서의 해석 변형량을 비교하는 단계로서 배관의 건전성을 평가하고 조정하는 것을 특징으로 하는 사용중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법에 관한 것이다.

Description

사용중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법{Evaluation Method of Piping Thermal Expansion}

본 발명은 발전소나 중화학 플랜트, 제철등 대형 기계와 화학장치를 운용하는 곳에 있는 고온 고압 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법에 관한 기술이다.

본 분야 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 10-0867557(2008년11월06일)(배관설비 관리시스템 및 그 관리방법)에 배관 변형량의 설계값 대비 운전값의 관리방법이 개시되어 있고, 10-0655925(2006년12월08일)(고온고압 배관의 3차원 변위측정기 및 이를 이용한 감시방법)에 삼차원 변위측정기를 통해 데이터 유한해석 결과비교 프로그램을 통해 실시간으로 배관의 평가를 수행하여 응급상황에 대한 경고등을 관리자에게 인식시킬 수 있도록 하는 것이 개시되어 있으며, 10-1045884(2011년07월04일)(운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지시스템의 신뢰성 평가 및 회복방법)에 배관계의 재질에 따른 열팽창계수 및 탄성계수를 포함하는 물리적 상수와 상기 각각의 배관 지지점에서의 실제 하중과 실제 거리 이동량을 바탕으로 재료역학적 연속보 해석방법이 개시되어 있다.

도 1에 도시된 발전소와 같은 고온 고압 유체를 사용하는 배관은 저온과 고온의 사이클 운전에 따른 배관의 열변형이 매우 중요한 신뢰성 관리 인자가 되어 있다. 이러한 신뢰성 평가 또는 수명 평가 방법은 설계값 대비 운전값을 비교하여 얼마나 현재의 운전 상태가 설계값을 벗어나 있는지를 평가하여 설계범위에 가까우면 수명이 많이 남아 있다 평가하는 것이고, 그렇지 못한 경우에는 수명이 얼마 남아 있지 못하므로 교체를 하거나 교정을 하여야 하는 결론에 이른다. 전술한 배경 기술들은 이러한 분야에 대한 기술들이다. 실제 발전소와 같은 고온 고압 배관은 도 2에 도시된 바와 같이 설계 변형량대 실제 변형량이 큰 차이를 보이고 있는 곳도 있다. 이러한 변형량의 건전성을 평가함에 있어 유체 온도와 배관 밖의 대기의 온도 사이에서 유지되는 배관 두께에 따르는 온도차이등의 실제 배관 온도와 구조해석 입력자료의 온도의 차이, 장기 사용에 의한 배관 재질의 특성 변화와 배관 형상에 따른 부피 팽창시 발생되는 구속등 운전상태에서의 불확실성 부분에 따라 배관의 실제 열 변형량과 이론 열변형량에 차이가 있어 설계값 대비 실제값이 다른 부분에 대하여는 해결 방안이 없다. 전술한 배경 기술들도 이 분야에 대한 해결방안이 없다. 이에 본 발명에서는 실제 배관의 상태에 따른 실제 변형량과 운전상태에 따른 불확실성 인자가 유발하는 이론 변형량의 차이를 규명하여, 운전중인 값이 참값과 얼마나 차이가 있는지를 규명하고자 한다. 결론적으로 말하면, 본 발명은 배관의 온도라 함은 통상적으로 증기의 온도를 기준으로 이야기 하지만 증기로부터 배관에 전달되는 열이 100% 배관에 흡수되어 증기와 배관의 온도가 동일하지 못하고, 또 배관의 두께에 따른 배관 금속부의 온도와 배관 보온재의 상태등에 따라 배관의 금속온도를 설계상의 온도와 동일하게 정의하기 어려움에 따라 이런 차이로부터 오는 배관의 열팽창의 차이를 실제 상황에 맞게 재평가하여 배관의 건전성을 평가하는 기준을 설정하고자 한다.

유체 온도와 배관 밖의 대기의 온도 사이에서 유지되는 배관 두께에 따르는 온도차이등의 실제 배관 온도와 구조해석 입력자료의 온도의 차이, 장기 사용에 의한 배관 재질의 특성 변화와 배관 형상에 따른 부피 팽창시 발생되는 구속등 운전상태에서의 변형량을 해석하는데 따르는 불확실성 부분은 해석상의 문제인 것이고, 실제 발생되는 변형량은 이 모든 상황이 고려되어 나타나는 것인만큼 본 발명에서는 실제의 열 변형량을 측정하여 이를 구조해석의 기초자료로 삼고자 하였다. 그러나, 이런한 열변형량의 실측도 배관의 간섭이 있는 곳에서는 정확히 발생되어야 할 열 변형량이 나타나지 않으므로 자유로운 열챙창이 나타나는 곳, 그것도 최적구간을 찾아 그곳의 열팽창계수를 산출하여 동일 시스템이 적용되는 전 배관계에서 평가할 수 있도록 자유 열팽창 부위에 열팽창량을 산출하는 방법과 그 결과를 사용하여 건전성 평가에 이르는 과정을 제시하고자 하였다.

이렇게 함으로서 사용중인 고온고압 배관의 정확한 열변형량을 산출하고, 이를 통하여 현재의 운전특성에 따른 배관의 열변형 상태를 전 배관시스템에 확대 적용하면서 배관계 전체의 각 지점의 상태가 적정한지 아닌지를 평가할 수 있으며, 또한 설계값과 다른 배관의 열변형이 정상인지 아닌지를 평가할 수 있게되어 배관계의 건전성 평가 정밀도가 가일층 향상되게 되었다.

도 1 은 본 발명과 관련되는 배관의 상황을 나타내는 도면
도 2 는 본 발명과 관련되는 배관 지지장치에서의 실제 변형량과 설계 변형량의 차이
도 3 은 본 발명과 관련되는 배관의 상태도
도 4 는 본 발명에 의한 열팽창 평가방법의 일 실시 블록도

본 발명은 도 1에 도시된 발전소와 같이 보일러와 터빈으로 대별되는 기기 사이를 보일러는 노즐부(NB)가 연결되고, 터빈은 노즐부(NT)가 연결되어 그 사이를 다수의 굴곡부(A,B)와 연결부등으로 이어진 배관이 고온과 저온 사이에서 사이클 운전을 하고 있는 경우에, 배관의 상태를 자유 팽창부와 구속부로 구분하는 단계와 자유 팽창부의 최적 구간에 있는 상기 배관으로서 일정한 거리(L)를 두고 있는 두 곳에 삼차원 변위계를 설치하는 단계와 고온과 저온에서 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 읽는 단계와 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 상기 거리로 나누어 선팽창 계수(al)를 구하는 단계와 상기 선팽창 계수(al)를 입력하여 배관 전체의 열변형 구조해석을 수행하는 단계와 상기 배관의 각 점에서의 실제 변형량과 상기 구조해석 결과 나타난 상기 배관 각 점에서의 해석 변형량을 비교하는 단계로서 배관의 건전성을 평가하고 조정하는 것을 특징으로 하는 사용중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법에 관한 것이다.

고온과 저온 사이에서 사이클 운전을 하고 있는 배관이라 함은 발전소와 같이 상온에서 주증기 온도까지 변화하는 것으로, 기동 전에는 상온이고 운전중에는 증기온도가 되는 고온 이 되는 경우이다.

배관의 상태를 자유 팽창부와 구속부로 구분하는 단계는 배관의 상태를 그 현재 외관으로 나타나는 모양으로 분류하여 배관이 휘어 있는 굴곡부(屈曲部)와 연결부(連結部, 티<T>자와 같이 배관의 중간에서 분기되어 나가는 배관이 있는 곳)와 노즐부(Nozzle 部, 큰 기계에 파이프가 결합되어 있는 것으로 대형 열교환기로 들어가거나 나오는 배관)를 찾아내어 굴곡부로 이어지는 직선부 배관을 자유 팽창부로 구분하고, 연결부와 노즐부를 구속부로 분류한다. 이를 도 3에 예시된 바와 같은 배관에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 노즐부(NU, ND, NM, NR)는 보일러나 터빈, 급수 가열기와 같은 열기기로서 건축물이나 지면에 기초가 확고히 고정되어 있어 기기의 위치가 변화하지 못하게 한 것과 연결된 것을 의미한다. 굴곡부(C, D, E, F, G)는 배관이 연속되어 가다가 방향이 바뀌는 곳으로 90도 이상 바뀌는 곳을 의미한다. 연결부(RA, RB)는 배관이 분기(分岐)하여 나가는 곳을 의미한다. 밸브류(V1, V2)는 배관에 포함되어 있는 밸브(Valve), 스트레이너(Strainer), 증기 트랩(Trap)등으로 열기기이지만 배관의 크기에 비하여 기기의 크기가 상대적으로 작고, 기기의 몸체가 건물이나 지면과 연결되지 않고 오직 배관에만 연결되어 있는 것을 말한다. 이러한 배관의 열팽창은 기초가 외부에 굳건히 고정된 노즐부에서는 배관이 더 이상 팽창하지 못하며, 굴곡부에서는 굴곡부의 휘어진 역방향으로 배관이 팽창할 수 있고, 연결부에서는 연결된 배관의 상태에 따라 자유롭게 팽창할 수도 있고 아니할 수도 있으며, 밸브류등은 배관처럼 팽창하지만, 재질과 형태에 따라 배관과 팽창량이 다르므로 배관과 열팽창이 같다 할 수는 없다.

자유 팽창부의 최적 구간에 있는 상기 배관으로서 일정한 거리(L)를 두고 있는 두 곳에 삼차원 변위계를 설치하는 단계는 다음과 같이 실시할 수 있다. 자유 팽창부의 최적구간이라 함은 열팽창이 아주 자연스러운 구간을 의미하는 것으로 일단이 고정되고 타단이 대기에 연결된 것과 같이 자유로운 곳을 의미한다. 그러나 모든 기기와 연결된 중화학 공장등의 배관은 일단이 공기에 노출되는 곳은 벤트(Vent)라인등 극소수에 불과하고 이는 정상운전중에는 사용되지 않기 때문에 이렇게 극도로 자유 팽창이 가능한 배관은 찾기가 어렵다. 이에 본 발명에서는 정상 운전중에 상대적으로 다른 배관보다 자유스러운 열팽창이 가능한 곳을 자유 팽창부라 한다. 이는 굴곡부가 해당하는 데, 굴곡부도 이어지는 배관의 형상에 따라 더 열팽창이 자유로운 곳이 있다. 열팽창의 자유로운 정도는 굴곡부의 전후단에 구속부가 있으면 덜 자유로운 굴곡부이고, 굴곡부의 전후단에 굴곡부가 연속되어 있으면 자유로움이 상대적으로 높다. 그러므로 자유 팽창부의 최적 구간이라 함은 굴곡부가 이어지는 회수의 크기에 따라 계속해서 굴곡부가 나타나면 이러한 곳이 최적구간이고, 굴곡부가 연속되는 회수가 상대적으로 적으면 최적의 정도가 적다. 그러므로 본 발명에서는 굴곡부의 연속되는 회수가 가장 큰 곳의 배관 직선부를 최적구간이라 한다. 도 3의 경우 굴곡부 C는 노즐부 NU와 연결부 RA에 이어져 있어 1회 굴곡하는 곳이며, 굴곡부 D는 연결부 RA와 굴곡부 D에 이어져 있어 2회 굴곡하는 곳이고, 굴곡부 E는 굴곡부 D와 굴곡부 F에 이어져 2회 굴곡하지만 DEFG로 굴곡부가 이어져 4회 굴곡하는 곳이다. 굴곡부 F는 DEFG로 이어져 역시 4회 굴곡하는 것이며, 굴곡부 G는 굴곡부 F와 연결부 RB에 이어져 있어 2회 굴곡하는 곳이다. 그러므로 도 3에서는 4회 굴곡하는 곳 E와 F가 가장 큰 굴곡회수 이므로 E와 F에 이어지는 배관이 최적 구간이 된다. 그러므로 이 최적구간인 E와 F에 이어지는 D-E, E-F, F-G중에서 가장 긴 라인을 선택하여 삼차원 변위계(P1, P2)를 설치하는 것이 가장 좋다.

삼차원 변위계를 설치하는 방법은 최적구간의 직선부에 두 삼차원 변위계간의 거리를 가장 길게하여 설치한다.

고온과 저온에서 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 읽는 단계에서는 삼차원 변위계의 눈금을 건축물을 기준으로 배관의 축방향과 법선방향으로 읽는다.

상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 상기 거리(L)로 나누어 선팽창 계수(al)를 구하는 단계는 다음과 같다.

al = dL / L

상기 선팽창 계수(al)를 입력하여 배관 전체의 열변형 구조해석을 수행하는 단계는 컴퓨터를 이용한 구조해석을 수행하든 아니면 손으로 계산을 하든 열팽창을 삼차원적으로 해석함에 있어 이론상 선팽창 계수를 사용하지 않고, 본 발명에 의하여 실제 취득한 선팽창 계수(al)를 입력자료로 사용하는 것이다.

상기 배관의 각 점에서의 실제 변형량과 상기 구조해석 결과 나타난 상기 배관 각 점에서의 해석 변형량을 비교하는 단계는 배관의 각 지점, 즉 행거(Hanger)나 지지대(Support)등이 있거나 컴퓨터를 이용한 구조해석의 각 노드(Node)점에서의 실제 변형량과 해석상의 변형량을 비교하는 것을 말하는 것으로 이때 차이가 나타나는 곳은 어딘가 구속되어 있다든지 배관의 형상이 특이하다든지 배관 지지장치에 인가되는 하중이 설계값과 다르게 되어 있을 것이므로 이를 찾아 차이점을 교정하는 단계로 들어가야 하는 것을 의미하나 이는 본 발명과는 별도의 문제이어서 여기서는 더 이상 취급하지 않는다.

A, B : 굴곡부
NB, NT : 노즐부
P1, P2 : 삼차원 변위계
L : 거리

Claims (2)

1. 고온과 저온 사이에서 사이클 운전을 하고 있는 배관에 있어서,
   
   배관의 상태를 자유 팽창부와 구속부로 구분하는 단계;
   자유 팽창부의 최적 구간에 있는 상기 배관으로서 일정한 거리(L)를 두고 있는 두 곳에 삼차원 변위계를 설치하는 단계;
   고온과 저온에서 상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 읽는 단계;
   상기 삼차원 변위계의 변형량(dL)을 상기 거리로 나누어 선팽창 계수(al)를 구하는 단계;
   상기 선팽창 계수(al)를 입력하여 배관 전체의 열변형 구조해석을 수행하는 단계;
   상기 배관의 각 점에서의 실제 변형량과 상기 구조해석 결과 나타난 상기 배관 각 점에서의 해석 변형량을 비교하는 단계;를
   
   포함하는 것을 특징으로 하여 배관의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 하여 사용 중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법
2. 제 1 항에 있어서, 상기 최적 구간은 상기 배관의 상태를 굴곡부(屈曲部)와 연결부(連結部)와 노즐부(Nozzle 部)로 구분하고, 상기 굴곡부로 이어지는 직선부 배관을 상기 자유 팽창부로 하며, 상기 연결부와 상기 노즐부를 상기 구속부로 하고, 상기 굴곡부의 연속되는 회수가 가장 큰 곳의 배관 직선부를 상기 최적구간으로 하는 것;을
   
   특징으로 하여 사용 중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법
   

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