KR20120021319A - 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법 - Google Patents

Abstract

사용중인 배관의 건전성을 평가함에 있어서 종래의 기술은 배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건과 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하는 기술이 개발되지 않아 배관 계통의 일부 또는 전체 구간에서의 과도한 변형이나 지지장치에 작용하는 하중을 전체적으로 바로잡는 기술의 정확도가 저하될 우려가 있었다.
배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건과 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하는 기술을 개발하기 위해서는 파이핑 시스템이 균질성을 갖는 구간별로 평가하되, 파이핑 시스템의 안쪽의 유체온도와 파이프를 둘러싼 보온재 밖의 온도 구간에 있는 파이프의 두께별 온도 분포에 따른 열팽창량의 벡터합과 파이프의 형상에 따른 물리적 구속등이 반영된 실제 운전중인 파이프 금속의 선팽창계수를 측정하는 방법과 이를 사용한 구조해석 방법이 사용되어야 하고, 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하기 위해서는 현재 상태에서 모든 지지장치에 작용하는 하중조건을 실측하는 기술이 개발되어야 한다.
이에 본 발명에서는 두 온도에서 배관계통의 지지장치의 개별 하중을 측정하고, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 파이핑 시스템의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구고, 그 결과를 두 온도에서 배관계통의 지지장치별 설계 개별하중과 설계 개별 하중의 합을 구하여 배관계통의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구한 것과 비교하여 설계 하중 변화율을 산출하며, 두 온도에서 자유 팽창구간 및 집중검사 구간을 포함한 배관계통의 다수의 위치에서 축방향 및 법선방향의 변위를 취득하여 자유 팽창구간의 이웃한 두 점 사이의 변위로부터 배관 선팽창 계수를 산출한다. 이어, 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영하고, 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영하여 상기 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하한 구조해석 결과와 하중 실측 결과와 변위 실측 결과로부터 취득된 데이터를 구조해석 결과의 데이터와 비교하여 하중교정이 필요한 지지 장치와 변위 구속부를 결정하고, 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하는 정비 작업을 수행하며, 두 온도에서 하중 실측과 변위 실측을 다시한번 실시하여 정비 작업 단계의 타당성을 입증하는 것을 특징으로 한다.

Description

실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법{Pipe Line Evaluation and Repair Methods using Measured Linear Coefficient}

본 발명은 플랜트의 사용 중인 배관계통에 나타나는 파이핑 시스템의 이상 변형 및 지지장치에 나타나는 하중 불균형의 원인을 규명하고 이를 바로 잡는 방법에 관한 것이다.

본 분야 발명의 배경이 되는 기술은 다음과 같이 대한민국 공개특허공보에 개시되어 있다.

- 대한민국 등록특허공보 10-0867557 (2008년11월06일 공고)(배관 설비 관리 시스템 및 그 관리 방법)(이하 "배경 문헌 1"이라 한다) : 배관 도면, 배관에 설치된 장치의 설계 도면, 배관의 설계 변위 및 설계 응력을 포함하는 운영기준을 실제 동작 환경과 비교하여 이력을 관리하고 조정대상을 선정함

- 대한민국 등록특허공보 10-1045884 (2011년07월04일 공고)(운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지시스템의 신뢰성 평가 및 회복방법) (이하 "배경 문헌 2"라 한다): 운전조건이 고온고압인 배관 및 상기 배관의 지지장치에 발생되는 변형을 회복시키기 위한 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지시스템의 신뢰성 평가 및 회복방법에 관한 것으로서, 스프링 행거 및 콘스탄트 행거의 표시하중, 상기 배관계의 표시거리 이동량을 계측하는 행거 동작점 측정단계, 리지드 행거 및 상기 지지대의 위치에서 배관계 표시거리 이동량을 계측하는 리지드 행거 및 지지대의 동작점 측정단계, 배관지지장치 성능평가 단계, 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 신뢰수준을 파악하기 위한 데이터를 만드는 신뢰성 데이타 산출 단계, 배관지지장치 하중 교정값 취득단계, 배관지지장치별 성능특성과 상기 배관지지장치별 하중정비절차에 따라 교정하는 배관지지장치 신뢰성 회복 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전환경을 반영한 고온고압배관 및 지지장치의 신뢰성 평가 및 회복방법

장기 사용 중인 배관계통은 파이핑 시스템의 소성변형, 파이핑 시스템의 설비 개선등에 의한 외력의 변화 및 파이핑 시스템의 두께 및 형태적인 구속에 의하여 이론적으로 산출된 선팽창 계수에 의하여서는 파이핑 시스템의 정상 변위 및 지지장치의 정상 하중을 산출하기가 어렵다. 그러므로 각 지지장치에 나타나는 하중의 차이는 쉽게 조정할 수 있어도, 도 3과 같이 각 지지장치별로 나타나는 변형량의 차이에 대하여 각 지지장치의 하중을 변화시키거나 지지장치의 형식을 바꾸는 방향으로 대책을 수립하여 오고 있었다.

이를 바로 잡기 위해서는 배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건과 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형 및 현재 상태에서 지지장치 자체의 건전성을 확보할 필요가 있다.

파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건을 알려면 배관계통을 구속하지 않으면 어떤지를 알아야 하는데 이는 파이프의 안쪽의 유체온도와 파이프를 둘러싼 보온재 밖의 온도 구간에 있는 파이프의 두께별 온도 분포에 따른 열팽창량의 벡터합과 파이프의 형상에 따른 물리적 구속등이 반영된 실제 파이프 금속의 선팽창계수를 파악하여야 하지만 배경 문헌 1과 배경 문헌 2 모두에서 알 수 있듯이 종래의 기술로는 현재까지 이를 측정하는 방법도 개발되지 못했고, 계산적으로 산출하는 방법도 개발되지 않았다.

지지장치에 작용하는 현재 하중의 불평형을 알기 위해서는 설계조건으로부터 현재까지 이루어진 소성변형등이 반영된 힘의 균형을 파악해야 하는 데 설계조건 이후의 조건을 파악하는 기술이 배경 문헌 1과 배경 문헌 2에서 알 수 있듯이 종래의 기술로는 설계 조건이나 이론 선팽창 계수에 의한 구조해석을 수행하는 정도로 그치고 있어 이 분야 기술이 개발되지 못하였다.

현재 상태에서의 지지장치 자체의 건전성을 평가하는 기술은 다양한 기술이 개발되어 있다.

이에 종래의 기술에서는 파이프의 금속 온도를 평균하고 이론 선팽창계수를 반영하여 산출하는 설계기법을 채택하였고, 이러한 설계 조건과 현재의 실측 변위와 실측하중을 다음과 같이 비교하고 있다.

- 배경 문헌 1 : 배관의 설계 변위 및 설계 응력을 포함하는 운영기준을 실제 동작 환경인 실측 변위와 실측 하중과 비교

- 배경 문헌 2 : 실측 변위와 실측 하중을 바탕으로 이론 선팽창계수를 포함한 변형율이나 응력을 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 평가하여 배관계 전체에 대한 최적 변형율과 응력이 되도록 조정

종합적으로 배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건과 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하는 기술이 개발되지 않아 배관 계통의 일부 또는 전체 구간에서의 과도한 변형이나 지지장치에 작용하는 하중을 전체적으로 바로잡는 기술의 정확도가 저하될 우려가 있으므로 이를 개발할 필요가 있다.

배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 현재 조건과 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하는 기술을 개발하기 위해서는 파이프의 안쪽의 유체온도와 파이프를 둘러싼 보온재 밖의 온도 구간에 있는 파이프의 두께별 온도 분포에 따른 열팽창량의 벡터합과 파이프의 형상에 따른 물리적 구속등이 반영된 실제 운전중인 파이프 금속의 선팽창계수를 측정하는 방법과 이를 사용한 구조해석 방법이 사용되어야 하고, 배관계통의 소성변형등이 반영된 상태에서의 현재 하중의 불평형을 평가하기 위해서는 현재 상태에서 모든 지지장치에 작용하는 하중조건을 실측하는 기술이 개발되어야 한다.

이에 본 발명에서는 두 온도에서 배관계통의 지지장치의 개별 하중을 측정하고, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 배관계통의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구고, 그 결과를 두 온도에서 배관계통의 지지장치별 설계 개별하중과 설계 개별 하중의 합과 설계 외력을 구하여 배관계통의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구한 것과 비교하여 설계 하중 변화율을 산출하며, 두 온도에서 자유 팽창구간 및 집중검사 구간을 포함한 배관계통의 다수의 위치에서 축방향 및 법선방향의 변위를 취득하여 자유 팽창구간의 이웃한 두 점 사이의 변위로부터 배관 선팽창 계수를 산출한다. 이어, 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영하고, 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영하여 상기 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하한 구조해석 결과와 하중 실측 결과와 변위 실측 결과로부터 취득된 데이터를 구조해석 결과의 데이터와 비교하여 하중교정이 필요한 지지 장치와 변위 구속부를 결정하고, 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하는 정비 작업을 수행하며, 두 온도에서 하중 실측과 변위 실측을 다시 한번 실시하여 정비 작업 단계의 타당성을 입증하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여 종래에 사용중인 배관계통에 나타나는 파이핑 시스템의 이상 변위와 지지장치의 하중 불균형의 원인을 종래의 설계 자료로부터 도출하지 않고, 장기 사용에 의하여 파이핑 시스템에 발생된 소성변형등이 반영된 현재 상태의 선팽창계수와 현재 상태의 실제 하중에 기인한 원인 규명이 가능해 짐으로서 배관계통의 비정상 상태를 정상적인 상태로 회복할 수 있게 됨으로서 이상 변위와 이상 하중을 바로잡는 정확도를 획기적으로 향상시켜 플랜트 설비의 수명연장과 이로 인한 경영개선에 크게 이바지 할 수 있게 되었다.

도 1은 종래의 기술(배경 문헌 1)에 의한 배관 관리 블록도
도 2는 본 발명에 의한 배관 계통 건전성 평가 및 정비 작업 블록도
도 3은 본 발명과 관련된 파이핑 시스템의 이상 변위 현황표
도 4는 본 발명과 관련된 배관계통의 변형 특성도
도 5는 본 발명과 관련된 이상이 있는 배관계통의 변형 특성도
도 6은 본 발명에 의한 배관계통의 축방향, 반경방향의 개념도
도 7은 본 발명에 의한 배관계통의 지지장치 설치 개념도

용어의 설명 : 본 발명과 관련된 용어를 정의하면 다음과 같다.

- 열유체 기기 : 보일러나 증기발생기, 열교환기 및 펌프등을 말한다

- 파이핑 시스템(Piping System) : 발전소나 중화학 공장등과 같이 고온 고압의 유체를 순환시키면서 일을 하는 시스템에서는 두 개의 열유체 기기 사이에 양단이 연결된 긴 파이프(Pipe)와 위 파이프의 중간을 절단하고 양단을 연결한 밸브(Valve) 및 스트레이나(Strainer)등의 파이프 보조기기, 파이프와 파이프 보조기기를 둘러싸고 있는 보온재로 구성되는 일련의 기계장치를 말한다.

- 지지장치 : 파이핑 시스템을 지지하는 스프링 행거(Spring Hanger), 콘스탄트 행거(Constant Hanger), 리지드 행거(Ligid Hanger) 및 써포트(Support)와 노즐부(Nozzle部)등의 앵커지점(Anchor支點)등을 총칭한다.

- 배관계통 : 화력 발전소, 원자력 발전소, 지역난방 발전소 및 석유화학 플랜트, 제철소등 고온 고압의 유체를 사용하는 곳에 설치된 파이핑 시스템과 이를 지지하는 지지장치를 총괄한다.

- 두 온도 : 고온 고압의 유체를 사용하는 공장에의 배관계통의 금속온도는 낮은 온도구간과 높은 온도 구간을 갖고 운전되게 된다. 발전소를 예로들어 설명하면 발전소가 정지하면 배관계통의 금속온도가 통상의 온도인 대기온도로서 상온(常溫)이 되고, 정상운전중일 때는 섭씨 500도가 넘는 온도가 된다. 여기서 두 온도라 함은 상온과 섭씨 500도를 의미한다. 그러나, 본 발명에서는 반드시 상온과 정상온도만을 의미하지 않으며, 배관계통을 점검하고자 하는 다른 두 온도, 예를 들어 상온에서 섭씨 500도까지 사용하는 범위의 공장이라 할지라도 섭씨 200도에서 섭씨 300도 사이의 배관계통의 거동을 파악하고자 한다면 섭씨 200도와 300도를 두 온도라 한다.

- 플랜트(Plant) : 화력 및 원자력 발전소, 지역난방 발전소, 중화학 설비, 제철, 제지 산업등 크고 작은 많은 기계들이 서로 복합적으로 운용되어 제품을 생산하는 공장

- 현재의 정상 변위와 정상 하중 : 배관이 장기 사용에 의하여 소성변형이 발생하는 등 일부 설계 조건과 것이 있는 상태에서 운전되는 두 온도 구간에서 배관계통을 자연스럽게 놔두었을 때 지지장치 이외에는 어떤 구속이 없이 정상적으로 팽창이 되는 현 상태의 배관계통에서 발생되는 파이핑 시스템의 변위와 개별 지지장치가 설계대로 설치되었다고 가정할 때 작용되어야 할 하중을 의미한다.

- 현재의 측정 변위와 측정 하중 : 두 온도 구간에서 실측된 파이핑 시스템의 변위와 지지장치의 하중

- 축방향(AR1) : 배관의 축방향과 지지장치의 축방향이 일치할 때의 변형이나 하중의 작용 벡터선도의 방향

- 법선방향(AR2) : 배관의 법선방향과 지지장치의 축방향이 일치할 때의 변형이나 하중의 작용 벡터선도의 방향

이상과 같이 본 발명에서만 사용할 용어를 정리하고, 본 발명의 실시를 위하여 구체적이고 상세하게 본 발명의 내용을 설명하고자 한다.

화력, 원자력등의 대형 플랜트는 고온에서 운전되는 열유체 기기와 배관계통으로 구성되어 있다. 배관계통은 파이프 자체의 무게와 파이프 안으로 흐르는 유체의 무게, 파이프를 둘러싼 보온재 및 파이프에 연결되어 있는 밸브, 스트레이너와 같은 파이프 보조기기로 구성되는 파이핑 시스템의 무게가 열유체 기기와의 연결점을 노즐점으로 하여 고정되면서, 이 파이핑 시스템의 각 점에 있는 지지장치에 파이핑 시스템의 무게가 지지되는 구조로 되어 있다. 열유체 기기에 비하여 상대적으로 단면이 가늘고 길이가 긴 구조로 되어 있으면서도 다양하게 분기(分岐)가 되어 있는 배관계통은 풍력등과 같은 외력을 포함하여 자중에 의한 처짐과 고온에서의 열팽창과 저온 또는 상온에서의 수축의 반복에 의한 파이핑 시스템 금속재료의 피로등의 문제가 발생한다.

이렇게 길고 복잡한 배관계통에 발생되는 문제점을 사전에 방지하고 발생된 문제점의 원인을 파악하여 대책을 수립하고 재발되지 않도록 정비하는 일은 플랜트 사업자에게는 매우 중요한 일이 되어 있다.

배관계통에 발생하는 문제점은 운전 중인 배관에 균열이 발생하거나 과도한 변위가 발생하는 것으로 나타난다. 이러한 문제점은 플랜트의 안정된 운전을 저해하여 플랜트 사업자의 경영효율을 현저히 저하시키는 요인이 되어, 이러한 문제점을 사전에 도출하여 대책을 수립, 조치하는 것이 가장 좋은 일이고, 차선책으로는 발생된 문제점의 원인을 파악하여 재발 방지대책을 수립하고 조치하는 것이다.

플랜트의 사용 중인 배관계통에 나타나는 파이핑 시스템의 이상 변형 및 지지장치에 나타나는 비정상 하중의 원인을 규명하기 위해서는 장기 사용 중인 배관계통은 파이핑 시스템의 소성변형, 파이핑 시스템의 설비 개선등에 의한 외력의 변화 및 파이핑 시스템의 두께 및 형태적인 구속에 의하여 이론적으로 산출된 선팽창 계수에 의하여서는 파이핑 시스템의 정상 변위 및 지지장치의 정상 하중을 산출하기가 어렵다. 그러므로 각 지지장치에 나타나는 하중의 차이는 쉽게 조정할 수 있어도, 도 3과 같이 각 지지장치별로 나타나는 변형량의 차이에 대하여 각 지지장치의 하중을 변화시키거나 지지장치의 형식을 바꾸는 방향으로 대책을 수립하여 오고 있었다. 그러나, 이를 바로 잡기 위해서는 배관계통의 파이핑 시스템을 구속하고 있는 조건과 하중의 불평형 및 지지장치 자체의 건전성을 확보할 필요가 있다.

본 발명은 운전중인 플랜트의 파이핑 시스템에 발생되는 균열과 이상 변위 및 지지장치에 작용하는 이상 하중을 사전에 예측하고, 발생된 균열과 이상 변위 및 이상 하중의 원인을 규명하고 이를 정상상태로 돌려 놓는 방법에 관한 것이다. 이를 위해서는 우선 현재의 상태가 정상상태를 얼마나 벗어나 있느냐를 규명하는 것이 제일 중요하다. 이렇게 정상상태로부터 벗어난 정도를 측정하는 것은 지금까지는 설계상태, 즉 당초의 설계조건들을 정상상태로 규명하여 왔었다. 그러나, 본 발명에서는 파이핑 시스템이 장기 사용에 의하여 소성 변형등에 의하여 당초 설계조건과 드른 변위와 지지장치의 하중 지지상태를 갖고 있으므로 변화된 상태에서의 정상 조건을 찾고, 이로부터 멀어진 이상 상태를 찾아 교정방법을 찾는 것을 기본 목적으로 하고 있다.

이에 본 발명에서는 두 온도에서 배관계통의 지지장치의 개별 하중을 측정하고, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 배관계통의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구하고, 그 결과를 두 온도에서 배관계통의 지지장치별 설계 개별하중과 설계 개별 하중의 합과 외력을 구하여 파이핑 시스템의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구한 것과 비교하여 설계 하중 변화율을 산출하며, 두 온도에서 자유 팽창구간 및 집중검사 구간을 포함한 배관계통의 다수의 위치에서 축방향 및 법선방향의 변위를 취득하여 자유 팽창구간의 이웃한 두 점 사이의 변위로부터 배관 선팽창 계수를 산출한다. 이어, 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영하고, 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영하여 상기 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하한 구조해석 결과와 하중 실측 결과와 변위 실측 결과로부터 취득된 데이터를 구조해석 결과의 데이터와 비교하여 하중교정이 필요한 지지 장치와 변위 구속부를 결정하고, 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하는 정비 작업을 수행하며, 두 온도에서 하중 실측과 변위 실측을 다시 한번 실시하여 정비 작업의 타당성을 입증하는 것을 특징으로 하여 각 단계별로 실시하는 방법을 제공하도록 되어 있다.

“운전 중인 상기 배관계통을 평가할 동일 직경과 두께를 갖는 구간과 높고 낮은 두 온도를 정하는 점검 대상 분류 단계”는 플랜트의 점검 대상을 균질성을 갖는 구간을 블록화하여 본 발명을 각 블록별로 적용할 구간을 정하는 것과, 점검할 두 온도 구간을 정하는 것이다. 본 발명은 다양한 직경과 두께의 배관이 하나의 배관에서 분기되고 다시 만나는 복합적인 환경에 있는 배관계통에 대하여 적용하는 것이므로, 이들을 동일 특성을 갖는 그룹으로 분류하여 각 그룹별로 본 발명을 적용할 필요가 있다. 그러므로 본 발명을 적용할 대상은 배관계통의 시작점인 노즐부와 종결점인 연결부 또는 노즐부 범위내에서 직경과 두께, 재질이 같은 균질성을 나타내는 구간으로 분류하여 적용하여야 한다. 여기서 연결부는 파이핑 시스템의 분기점인 티 조인트(Tee Joint)를 말한다. 두 온도는 플랜트의 파이핑 시스템이 운전 정지하고 있을 때와 운전될 때, 그것도 운전될 때도 정격용량의 몇 % 부하에서 운전되고 있느냐에 따라 다르므로, 배관계통을 평가하고자 할 때 실현 가능한 파이핑 시스템의 내부를 흐르는 유체나 파이핑 시스템의 측정 가능한 금속온도를 기준으로 하여 낮은 온도와 높은 온도를 정하는 것을 말한다.

“상기 두 온도에서 배관계통의 지지장치별 개별 하중을 측정하고, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 파이핑 시스템의 무게와 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구하는 하중 실측 단계”는 배관계통의 지지장치별 개별 하중을 측정하는 것과, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 배관계통의 무게를 구하는 것과, 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구하는 것으로 이루어 진다. 배관계통의 지지장치별 개별 하중을 측정하는 것은 배관계통의 지지장치에 각각 작용하는 하중을 측정하는 것으로 다음과 같은 기술을 적용하여 실시할 수 있다.

- 스프링계 행거 : (스프링 지지대의 성능시험 방법 및 장치)

- 리지드 행거 : 대한민국 공개특허 공보 10-2010-0117213 (2010년 11월 03일 공개) (리지드 행거 하중 평가 및 하중 조정 방법)

- 써포트 : 대한민국 등록특허 공보 등록번호 10-1074569 (2011년 10월 17일) (배관 지지대의 하중측정 장치 및 방법)

측정된 개별 하중의 합을 구하여 파이핑 시스템의 무게를 구하는 것은 단순이 배관계통에 있는 모든 지지장치에 걸려있는 하중의 합을 구하는 것으로 이는 파이핑 시스템의 무게를 구하는 것이다.

“상기 하중 실측 단계의 결과를 상기 두 온도에서 상기 배관계통의 상기 지지장치별 설계 개별하중을 구하여 산출한 상기 설계 개별 하중의 합에다가 설계 외력을 합한 것과 비교하는 설계 하중 변화율 산출 단계”는 배관계통의 지지장치별 설계 개별하중을 구하고, 설계 개별 하중의 합과 설계 외력을 구하며, 이 결과를 배관계통에 작용하는 측정 외력의 합을 구한 것과 비교하여 설계 하중 변화율을 산출한다. 여기서 설계하중 변화율은 다음과 같이 구할 수 있다.

설계하중 변화율 =(측정된 개별 지지장치별 하중의 합+외력) /(설계 개별 지지장치별 하중의 합 + 설계 외력)

“상기 두 온도에서 자유 팽창구간 및 집중검사 구간을 포함한 배관계통의 다수의 위치에서 축방향 및 법선방향의 변위를 취득하는 변위 실측 단계”는 배관계통의 다수의 위치에 삼차원 변위계를 설치하고 두 온도에서 나타난 삼차원 변위를 배관계통의 축방향 및 법선방향의 변위로 구분하여 기록하는 것을 말한다. 본 발명에 의하여 배관계통을 평가할 대표적인 형상이 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 (1)은 본 발명을 적용할 플랜트의 배관계통을 대표적으로 단순화한 것으로 2와 5에 파이핑 시스템의 자중을 지지하고 있는 지지장치(S1, S2)가 있고, 1-3-4-6-1에서 직각으로 휘어져 사각형의 폐루프(Loop)를 이루는 배관계통으로 두 온도중 낮은 온도 상태에서의 상황이다. 이러한 배관계통이 높은 온도가 되면 도 4의 (2)와 같이 11-13-14-16-11의 다각형 모양으로 변화하며, 이는 정상적인 변위가 발생할 때의 상황으로 자유팽창 구간인 1,3,4,6이 아무런 구속없이 자유롭게 팽창한 경우이다. 그러나, 도 4의 (1)의 배관 계통의 1,6구간이 도 5의 21,26구간과 같이 S3, S4에 의하여 구속을 받고 있으면 1,6구간의 직선부는 자유 팽창을 하지 못하고 21, 26구간처럼 일부 팽창하고 일부 구속되게 된다. 여기서 나타나는 변형은 반드시 온도에 의하여 발생하는 것만을 의미하지는 않으며 배관계통에 작용하는 모든 외력을 합산하여야 한다. 이런 구속이 장기간 계속되면 배관계통의 구속을 받는 곳에서는 정상적인 탄성 변형과 정상적인 열팽창 외에 균열이나 과도한 변형이 발생되게 되므로, 이러한 구간을 집중 검사 구간이라 한다. 다시말하면, 집중 검사 구간은 파이핑 시스템에 균열이 발생하였거나 변형이 많거나 지지장치에 과도한 하중이 실려있는 것으로 나타나는 곳으로서 설비의 안전운전을 위하여 대책 수립이 필요한 곳을 의미한다. 자유 팽창구간이라 함은 파이핑 시스템이 구속을 받지 않고 열팽창이 가능한 구간을 의미하며 이는 다음과 같은 선행기술을 참고하면 상세히 알 수 있다.

- 대한민국 공개특허 공보 : (사용중인 배관의 열변형에 대한 건전성 평가 방법)

배관계통의 축방향 및 법선방향이라 함은 도 6에 예시된 바와 같이 배관의 길이 방향을 축방향(AR1)이라 하고, 법선 방향(AR2)이라 함은 상기 축방향과 직각으로 만나는 방향으로 이 또한 도 6에 잘 예시되어 있다. 배관계통이나 파이핑 시스템의 축방향 및 법선방향 변위라 함은 임의의 위치에서 두 온도차이와 외력에 의하여 발생되는 변위를 축방향 및 법선 방향으로 분해한 결과, 또는 3차원 변위계에서 각 방향으로 나타난 변위를 의미한다. 또한, 도 6에 도시된 지지장치중 VW1은 배관과 법선방향으로 설치된 지지장치, VW2는 배관과 축방향으로 설치된 지지장치라 하며, 이 경우 지지장치 VW1의 변위는 파이핑 시스템의 법선방향 변위를 나타내고, 지지장치 VW2의 변위는 파이핑 시스템의 축방향 변위를 나타내게 된다.

“상기 두 온도에서 취득된 상기 자유 팽창구간의 이웃한 두 점 사이의 변위로부터 배관 선팽창 계수를 산출하는 단계”는 이웃한 두 점에서의 변위를 각각 구하고, 이들의 차를 이웃한 두점간의 거리로 나누면 두 온도에서의 선팽창 계수가 된다.

“상기 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영하고, 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영하여 상기 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하는 구조해석 단계”는 다음과 같이 실시한다. 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영한다 함은 배관의 전체 자중이 파이핑 시스템 전체의 측정하중 합계와 일치하도록 배관의 두께나 보온재의 밀도를 조절하는 것을 말하며, 이는 장기 운전에 의한 현재 상태에서의 정상적인 지지장치의 개별 하중을 의미한다. 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영한다 함은 배관계의 해석에 필요한 온도, 금속재료 밀도, 탄성계수, 프와송비등 통상의 구조해석을 수기로 하든 컴퓨터를 이용하여 수행하든 재료역학적 배관의 구조해석을 수행하여 하여 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하는 것을 말한다. 그러므로 본 구조해석 단계에서 얻어지는 지지장치의 현재 상황이 반영되어 조정되어 나타난 개별하중과 동일한 반력 및 변위는 장기간 운전에 의하여 변화된 배관계통의 상태를 반영하여 현재상태에서 가장 최적의 반력과 변위를 의미하게 된다.

배관계통의 다수의 위치에서 변위를 취득하는 것은 당연히 지지장치가 있는 곳에서도 변위를 취득할 수 있는 바 도 7에 도시된 바와 같은 배관의 경우 외력의 작용방향과 배관의 변위의 방향을 축방향과 반경방향으로 구분하여야 하므로 다음 요령을 참고하여 실시하여야 한다. 플랜트의 배관계통은 파이핑 시스템을 지지하는 스프링 행거 및 콘스탄트 행거로 대표되는 스프링 계열 행거(SU1, SU2, SU3)와 리지드 행거 및 써포트로 대별되는 써포트 계열 행거(SU4)가 있으며 노즐부(AN1, AN2)등의 앵커지점이 있다. 이때 지지장치의 설치 상황에 따라서 지지장치가 설치된 위치에서 배관의 변형이 가능한 방향이 있고, 변형이 불가능한 방향이 있으므로 구조해석시 주의하여야 한다.

본 구조해석은 필요시 파이핑 시스템의 지지장치별 설계 하중과 설계 변위에 설계 하중 변화율만을 곱한 것을 약식으로 구조해석 결과라 볼 수도 있다.

“상기 구조해석 결과와 상기 하중 실측 단계와 변위 실측 단계로부터 취득된 데이터를 상기 구조해석 단계의 데이터와 비교하여 하중교정이 필요한 지지 장치와 변위 구속부를 결정하는 데이터 판단 단계”는 다음과 같이 실시한다. 앞서 구조해석 단계에서 언급한 바와 같이 본 발명에 의한 구조해석은 현재 상태에서의 최적 지지장치의 반력 및 파이핑 시스템의 변위를 측정한 곳에서의 변위를 의미하므로, 파이핑 시스템의 변위를 취득한 모든 곳에서의 실제 변위와 동일한 위치에서의 구조해석상 변위를 비교하여 차이가 있는 곳은 어떤 원인에 의하여 구속을 받고 있는 지점이다. 그러므로, 이 차이가 있는 곳을 집중적으로 현장 조사하여 실제 파이핑 시스템을 구속 하고 있는 곳을 찾아 구속 상태를 풀어주도록 하여야 한다. 또한, 지지장치의 실측하중과 구조해석상 지지장치의 반력이 다를 경우에는 하중을 구조해석 결과의 값으로 조정하여 주어야 한다.

“상기 데이터 판단 단계로부터 결정된 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하는 정비 작업 단계”는 하중을 조정하고 변위 구속점을 해결하는 방안에 관한 것으로서 배관계통의 정비의 문제이므로 본 발명에서는 더 이상 논하지 않는다.

“상기 두 온도에서 하중 실측 단계와 변위 실측 단계를 한번 더 실시하여 정비 작업 단계의 타당성을 입증하는 단계”는 앞서 시행한 하중 실측 단계와 변위 실측 단계를 일회 더 실시하여 작업의 결과가 계획한바와 같은지의 여부를 결정하는 것이므로 더 이상 설명하지 않아도 누구나 실시할 수 있어 더 이상 설명하지 않는다.

SU1, SU2, SU3 : 스프링 계열 행거
AN1, AN2 : 노즐부
SU4 : 써포트 계열 행거

Claims (5)

1. 사용 중인 배관계통이 균질성을 나타내는 구간별로 나타나는 파이핑 시스템의 이상 변위와 지지장치의 하중 불균형 원인을 평가하고 대책을 수립함에 있어서,
   
   운전 중인 상기 배관계통을 평가할 동일 직경과 두께를 갖는 구간과 높고 낮은 두 온도를 정하는 점검 대상 분류 단계;
   상기 두 온도에서 배관계통의 하중을 측정하고, 외력을 합하여 설계조건과 비교하는 설계 하중 변화율 산출 단계;
   상기 두 온도에서 파이핑 시스템의 배관의 변위를 측정, 실제 선팽창 계수를 측정하여 상기 설계 하중 변화율을 반영한 구조해석을 통하여 현재 상태에서 지지장치의 정상 하중과 파이핑 시스템의 정상 변위를 구하는 단계;
   상기 현재 상태에서 지지장치의 정상 하중과 파이핑 시스템의 정상 변위와 상기 배관계통의 하중을 측정한 것과 상기 배관의 변위를 측정한 것을 비교하여 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하며 작업의 신뢰성을 다시한번 확인하는 정비 작업 단계;를
   
   포함하여 배관계통에 지지장치에 가해지는 이상 하중과 이상 구속에 따른 문제점을 실측에 의한 배관 선팽창 계수를 반영하여 해결하는 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 설계 하중 변화율 산출 단계는
   상기 두 온도에서 배관계통의 지지장치별 개별 하중을 측정하고, 측정된 개별 하중의 합을 구하여 산출한 상기 배관계통의 무게에다 상기 배관계통에 작용하는 외력의 합을 구하는 하중 실측 단계;
   상기 하중 실측 단계의 결과를 상기 두 온도에서 상기 배관계통의 상기 지지장치별 설계 개별하중을 구하여 산출한 상기 설계 개별 하중의 합에다가 설계 외력을 합한 것과 비교하는 단계;를
   
   포함하는 것을 특징으로 하여 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 현재 상태에서 지지장치의 정상 하중과 파이핑 시스템의 정상 변위를 구하는 단계는
   상기 두 온도에서 자유 팽창구간 및 집중검사 구간을 포함한 배관계통의 다수의 위치에서 축방향 및 법선방향의 변위를 취득하는 변위 실측 단계;
   상기 두 온도에서 취득된 상기 자유 팽창구간의 이웃한 두 점 사이의 변위로부터 배관 선팽창 계수를 산출하는 단계;
   상기 지지장치별 상기 설계 개별 하중에 상기 설계 하중 변화율을 반영하고, 상기 배관 선팽창계수를 포함한 구조해석 입력 자료를 반영하여 상기 배관계통의 이론적인 변위와 반력을 산출하는 구조해석 단계;를
   
   포함하는 것을 특징으로 하여 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 정비 작업 단계는 제 3 항의 상기 구조해석 결과와 제 2 항의 상기 하중 실측 단계와 변위 실측 단계로부터 취득된 데이터를 상기 구조해석 단계의 데이터와 비교하여 하중교정이 필요한 지지 장치와 변위 구속부를 결정하는 데이터 판단 단계;
   상기 데이터 판단 단계로부터 결정된 지지 장치의 하중을 교정하고 변위 구속부를 제거하는 단계;
   상기 두 온도에서 하중 실측 단계와 변위 실측 단계를 한번 더 실시하여 정비 작업 단계의 타당성을 입증하는 단계;를
   
   포함하는 것을 특징으로 하여 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 현재 상태에서 지지장치의 정상 하중과 파이핑 시스템의 정상 변위를 구하는 단계는 파이핑 시스템의 지지장치별 설계 하중과 설계 변위에 설계 하중 변화율만을 곱하여 정상 하중과 정상 변위로 하는 약식 계산법을 더 포함하는 것;을
   
   포함하는 것을 특징으로 하여 실측된 배관 선팽창계수를 활용한 배관계통 및 지지장치 건전성 평가 및 정비 방법
   

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