KR20120043658A - 파이핑 시스템 - Google Patents

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KR20120043658A
KR20120043658A KR1020110110132A KR20110110132A KR20120043658A KR 20120043658 A KR20120043658 A KR 20120043658A KR 1020110110132 A KR1020110110132 A KR 1020110110132A KR 20110110132 A KR20110110132 A KR 20110110132A KR 20120043658 A KR20120043658 A KR 20120043658A
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겐스케 노다
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토요엔지니어링 카부시키가이샤
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Abstract

파이핑 시스템이 제공되며 이 파이핑 시스템은, 메인 파이프; 장비 노즐에 연결되고 제 1 벨로우즈를 통해 메인 파이프의 주입 말단에 연결된 제 1 파이프 부재; 한쪽 단부가 메인 파이프의 측면 부분에 연결된 제 2 파이프 부재; 제 2 벨로우즈를 통해 제 2 파이프 부재의 다른 한쪽 단부에 연결된 제 3 파이프 부재; 제 1 및 제 3 파이프 부재에 고정된 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재; 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재가 서로 연결된 타이로드; 및 제 1 벨로우즈 근처의 메인 파이프 부위를 고정점으로 설정하는 앵커를 포함한다. 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 파이프 부재의 길이가 결정되어서 제 1 벨로우즈는 장비 노즐, 제 1 파이프 부재 및 앵커 아래의 메인 파이프의 파이프 부재의 열팽창에 의해 수축하고, 제 2 벨로우즈는 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 모든 파이프 부재의 열팽창에 의해 제 1 벨로우즈의 수축량과 동일하게 수축한다.

Description

파이핑 시스템{PIPING SYSTEM}
본 발명은 석유 화학 플랜트 (petrochemical plant) 또는 발전 플랜트 (power plant) 의 장비에 연결되는 파이핑 시스템에 관한 것이다. 장비는 파이프 구성물로부터 가해지는 하중의 허용치가 작은, 유동 접촉 분해기 (FCC, fluidized catalytic cracker) 의 팽창기 또는 고온 리액터 (high-temperature reactor) 등과 같은 로터리 머신 (rotary machine) 이다.
FCC 의 팽창기가 정밀 회전 메커니즘을 갖기 때문에, 어떤 과도한 힘 또는 모멘트가 이런 유형의 장비에 가해지는 것을 방지해야 한다. 그러므로, 이런 장비에 설치된 장비 노즐 내에 연결되는 금속 파이핑 시스템에서, 노즐에 걸리는 하중을 경감시키기 위한 조치가 취해진다.
종래에 취해지는 조치의 하나는 시설이 운영되는 동안 파이프의 열팽창과 장비 노즐의 열적 이동에 의해 발생된 이동을 흡수하기 위해 파이핑 시스템에 설치된 여러개의 매듭형 신축 조인트 (tied expansion joint) 를 설치하는 것이다. 신축 조인트로서, 벨로우즈 (JIS B 2352 참조) 를 포함한 벨로우즈형 신축 초인트가 일반적으로 알려져 있다. JIS B 2352 의 표 1 은 여러 유형의 벨로우즈형 신축 조인트를 나타낸다. 파이프를 서로 연결하기 위해 이들 파이프 사이에 가장 간단한 비매듭형 (simplest untied) 벨로우즈형 신축 조인트를 적용하는 것은 트위스트 (twist) 를 제외한 임의의 평면의 파이프의 축선 이동, 축선-수직 이동 그리고 각 (angular) 이동을 흡수하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 파이프의 구부림에 기인한 큰 힘을 벨로우즈의 구부림에 기인한 작은 힘으로 변환함에 의해 노즐에 걸리는 하중이 경감될 수 있다.
그러나, 이러한 유형의 조인트에서, 파이프를 서로 분리시키는 방향 (또는 서로 끌어당기는 방향) 으로 벨로우즈 내 내부 압력에 의해 생성된 힘 (이후, 내부 압력 추력) 이 장비 노즐에 가해진다. 이것이 파이프 구경 (bore) 또는 내부 압력이 커질 때 간단한 비매듭형 벨로우즈형 신축 조인트를 적용하는 것을 어렵게 한다. 이런 경우에, 내부 압력 추력을 벨로우즈 외부로 전달하지 않도록 벨로우즈의 축선 연장을 제한하는 메커니즘을 포함하는, 매듭형 벨로우즈형 신축 조인트가 사용된다. 잘 알려진 유형의 매듭형 벨로우즈형 신축 조인트는 벨로우즈를 통해 연결된 파이프 단부에서 힌지를 사용하는 것에 의해 한쪽 평면에서 각 이동만 흡수하는 힌지형 (hinge type) 신축 조인트, 한쪽 평면에서 각 이동 뿐만 아니라 임의의 평면에서 각 이동도 흡수하는 짐발형 (gimbal type) 신축 조인트, 및 임의의 평면에서 축선-수직 이동을 흡수하는 유니버셜 (universal) 신축 조인트를 포함한다 (JP10-141565A 참조).
각각의 파이핑 부재의 열팽창에 기인해 파이핑 시스템이 수직으로 이동하면, 이어지는 수직 움직임 (vertical movement) 과 함께 파이핑 무게를 지지하기 위해 특별한 파이프 지지 장치가 필요하다. 이 목적으로, 파이핑 시스템은 움직임에 의한 하중 변화를 경감시키는 메커니즘을 갖는 다양한 스프링 행거 또는 일정한 스프링 행거와 같은 스프링 행거 지지부의 사용에 의해 리프팅 상태로 설치된다.
벨로우즈형 신축 조인트 외부로 내부 압력 추력의 전달 없이 축선 이동을 흡수하기 위한 벨로우즈형 신축 조인트 사용법으로서, 평형 유지 상태에서 축선 이동을 허용하도록 배치된 타이로드과 내부 압력 추력을 상쇄하기 위한 벨로우즈를 추가적으로 포함하는 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트가 사용된다 (JP10-141565A 의 도 8 또는 US 특허 No. 4265472 의 도면 참조).
상기 기술된 대로, 여러 개의 매듭형 벨로우즈형 신축 조인트를 포함하는 종래의 파이핑 시스템에서, 장비 노즐에 가해지는 하중이 경감될 수 있다. 그러나, 이 하중 경감 조치가 최근 플랜트 대용량화 경향 때문에 불충분해지고 있다.
플랜트가 커짐에 따라 파이프 구경이 증가할 때, 벨로우즈에 가해지는 내부 압력 추력이 더 커지고, 벨로우즈 자체의 스프링 상수가 증가한다. 또한 파이프가 더 길어지고, 그러므로 흡수되는 이동도 커진다. 힌지나 짐발같은 슬라이딩 부위에서의 마찰력이 증가하고, 장비 노즐에 가해지는 하중의 증가를 유발한다. 스프링 행거 지지부 또한 슬라이딩 부위와 스프링 자체에 마찰을 갖고, 움직임 동안 반작용력이 생성된다. 이 힘은 초기 움직임 하중 (load of initial movement) 으로 불리고, 지지 하중의 대략 5% 가 된다. 그러므로, 장비 노즐에 대한 스프링 행거 지지부에서의 힘의 영향은 더이상 무시할 수 없다. 예를 들어, Ø3,500 밀리미터의 직경과 135 밀리미터의 두께를 갖는 스테인리스 강 파이프의 경우, 파이프 무게가 미터당 11 톤이다. 장비 노즐에 14 미터의 파이프가 스프링 행거 지지부에 의해 지지될 때, 파이프 총 무게는 150 톤이고 초기 움직임 하중은 약 7.5 톤에 달한다. 결과적으로, 이 하중이 현저해져서, 장비 노즐의 하중 허용치를 초과하게 된다.
내부 압력 추력, 스프링 반작용력, 그리고 파이핑 시스템의 마찰력을 포함하는 다양한 하중, 그리고 장비 노즐에 대한 행거 지지부의 작동 저항이 가해지는 것을 방지하기 위해, 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트를 장비 노즐과 파이핑 부재 사이에 설치하고, 파이핑 시스템을 고정하기 위해 파이핑 부재의 벨로우즈에 가능한 가깝게 고정점 (앵커) 을 설정하는 방법이 개념적 기반에서 고려되어 왔다. 이 앵커는 파이핑을 견고하게 지지하는 것에 의해 앵커의 다른 쪽으로부터 장비 노즐측에 전달되는 어떤 파이핑 하중, 마찰 및 반작용력을 방지한다. 그러나, 종래의 기술에서, 이 방법은 다음의 이유로 매우 어려웠다.
이런 상황에서, 벨로우즈의 이동에 기인한 내부 압력 추력과 스프링 반작용력이 장비 노즐에 가해진다. 내부 압력 추력은 상기 기술된 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트를 사용하는 것에 의해 흡수될 수 있다. 그러나, 벨로우즈에 가까운 파이핑 부재가 고정될 때, 장비 노즐에서 모든 축선의 열팽창은 벨로우즈의 압축 이동에 의해 흡수되어야 한다. 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트가 사용될 때, 파이프 구경이 확대되어 단일 벨로우즈의 스프링 상수가 증가되고, 추가적인 압력 밸런스형 벨로우즈의 영향이 스프링 상수를 더 증가시킨다. 결과적으로, 스프링 반작용력이 증가하고, 장비 노즐에 걸리는 하중이 허용치를 초과하여 종래 기술의 범위에서 벨로우즈에 가까운 파이핑 부재내에 앵커를 설치하는 것을 비현실적으로 만든다. 그러므로, 새로운 기술로 압력 밸런스형 신축 조인트를 개발하는 것에 의해 벨로우즈에 가까운 파이핑 부재내에 앵커를 설치하는 방법을 달성하는 것이 시급히 필요하다. 이는 신축 조인트 시스템 내의 파이핑 조각에서 열적 이동에 의한 밸런스 벨로우즈의 스프링 반작용력과 메인 벨로우즈의 스프링 반작용력을 장비 노즐에서 이동에 의해 평형을 이루기 위함이다.
본 발명은 배경 기술의 과제의 관점에서 개발되어 왔고, 본 발명의 목적은 플랜트 용량 증가의 최근 경향에 의해 파이프 구경이 확대되어도 신뢰도를 가지고 장비 노즐에 가해지는 하중을 경감시킬 수 있는 파이핑 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 양태에 따라, 파이핑 시스템은, 장비의 장비 노즐 내에 연결된 벨로우즈형 신축 조인트; 메인 파이프; 장비로부터 연장하는 장비 노즐에 연결되고, 제 1 벨로우즈를 통해 메인 파이프의 한쪽 단부에 연결된 제 1 파이프 부재; 한쪽 단부가 메인 파이프의 측면 부분에 연결된 제 2 파이프 부재; 제 2 벨로우즈를 통해 제 2 파이프 부재의 다른 쪽 단부에 연결된 제 3 파이프 부재; 제 1 파이프 부재의 외부 주위에 고정된 제 1 타이로드 지지 부재 (플랜지); 제 3 파이프 부재의 외부 주위에 고정된 제 2 타이로드 지지 부재 (플랜지); 제 1 타이로드 지지 부재와 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 고정된 거리를 유지하는 타이로드; 및 제 1 벨로우즈 근처의 메인 파이프 부위를 고정점으로 설정하기 위해 배치된 앵커를 포함한다.
이 경우에, 제 1 타이로드 지지 부재와 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 파이프 부재의 길이가 결정되어, 장비 노즐, 제 1 파이프 부재, 및 장비 노즐에 앵커보다 가까운 메인 파이프의 파이프 부재에서의 열적 이동 때문에 제 1 벨로우즈가 수축하고, 제 2 벨로우즈가 수축하여, 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 모든 파이프 부재의 열팽창에 의해 제 1 벨로우즈와 동일하게 이동 (수축량) 된다.
이 구성은 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트 구조를 사용한다. 그러므로, 내부 압력에 의해 생성된 내부 압력 추력은 제 1 벨로우즈와 제 2 벨로우즈에 의해 평형을 이룰 수 있다. 제 1 타이로드 지지 부재와 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 각각의 파이핑 부재의 길이가 조절되고, 양쪽 벨로우즈가 장비 노즐과 모든 파이핑 부재의 열팽창에 대해 수축 이동이 항상 동일하게 설정된다. 결과적으로, 벨로우즈의 스프링 반작용력이 상쇄된다.
그러므로, 본 발명에 따라, 장비 노즐보다 무겁고 내부 유체의 온도에 기인한 열팽창 (또는 열수축) 을 하는 파이프가 연결된 파이핑 시스템에서, 장비에 걸리는 하중이 경감될 수 있다. 종래의 힌지형 신축 조인트, 짐발형 신축 조인트 및 유니버셜 신축 조인트가 사용되는 종래 설계 방법과 비교해서, 앵커 세트가 노즐에 가깝게 설치되기 때문에 파이핑 시스템에서 장비 노즐에 가해지는 마찰력 또는 작동 저항이 상당히 더 경감될 수 있다. 더군다나, 벨로우즈의 스프링 반작용력이 파이핑 시스템의 파이핑 부재의 열팽창에 의해 발생한 벨로우즈의 이동을 사용함에 의해 상쇄되고, 그러므로 종래의 압력 밸런스형 신축 조인트를 사용하는 경우보다 장비 노즐에 걸리는 하중이 상당히 더 경감될 수 있다.
상기 및 다른 목적, 특징, 그리고 본 발명의 장점은 본 발명의 예시를 도시하는 동반되는 도면을 참조하여 다음의 기술로부터 분명해질 것이다.
도 1 은 본 발명의 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템을 개략적으로 나타내는 측면도이고;
도 2 는 본 발명의 다른 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템을 나타내는 측면도이고; 및
도 3 은 본 발명의 또다른 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템을 나타내는 측면도이다.
본 발명에 따른 파이핑 시스템은 압력 밸런스법 (pressure balance method) 이 적용되는 벨로우즈형 신축 조인트 (bellows type expansion joint) 를 사용한다. 도 1 은 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템을 개략적으로 나타내는 측면도이다. 나타낸 바와 같이, 파이핑 시스템의 하단부는 로터리 머신과 같은 장비 노즐에 연결되고, 파이핑 시스템은 장비 노즐에 작용하는 외부 힘 (파이프 자체 무게, 파이프의 열팽창, 벨로우즈의 스프링 반작용력 (spring reaction force), 내부 압력 추력, 다른 위치의 하중, 마찰력 또는 작동 저항) 을 경감시키기 위해 설계된 기구이다.
도 1 은 수평 방향으로 연장하는 파이프가 장비 노즐 내에 연결되는 예시를 나타낸다. 도 1 에 따르면, 엘보 파이프 (곡선 파이프, 1) 는 주입 말단 (2) 과 배출 말단 (3) 을 갖는다. 엘보 파이프 (1) 의 배출 말단 (3) 은 수평 방향으로 연장하는 파이프에 연결된다. 엘보 파이프 (1) 의 주입 말단 (2) 은 벨로우즈 (4) 를 통해 직립형 파이프 (5) 에 연결된다. 직립형 파이프 (5) 는 장비 노즐 (6) 에 연결된다.
엘보 파이프 (1) 의 아크 부위의 표면에서, 직립형 파이프 (7) 는 엘보 파이프 (1) 의 직립형 파이프 부위와 연속이 되도록 용접된다. 직립형 파이프 (7) 는 엘보 파이프 (1) 의 내부와 연통한다. 직립형 파이프 (7) 와 엘보 파이프 (1) 는 직경이 동일하다. 직립형 파이프 (7) 의 온도를 엘보 파이프 (1) 의 온도와 동일하게 맞추기 위해, 연통 부위의 개구부는 바람직하게 크게 형성되고, 그렇게해서 어떤 온도를 갖는 유체가 직립형 파이프 (7) 내로 충분히 흐를 수 있다. 따라서, 엘보 파이프 (1) 의 엘보는 티 (tee) 로 교체될 수 있다. 직립형 파이프 (9) 는 벨로우즈 (4) 와 직경이 같은 벨로우즈 (8) 을 통해 엘보 파이프 (1) 맞은편의 직립형 파이프 (7) 의 단부에 연결된다. 직립형 파이프 (5, 9) 는 각각 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 를 포함한다. 두 개의 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 는 동일 간격과 동일 길이로 배열된 복수의 타이로드 (12) 에 의해 서로 연결된다. 플랜지는 본 전형적인 실시예에서 타이로드 지지 부재의 예시로 취해진다. 그러나, 타이로드 지지 부재는 플랜지에만 국한되지 않는다. 다른 지지 유닛도 적용될 수 있다.
벨로우즈 (4) 에 가까운 엘보 파이프 (1) 의 직립형 파이프 부위는 앵커 (13) 에 연결된다. 이 연결 부위는 어떤 외부 힘에도 움직이지 않는다 (즉, 고정점). 앵커 (13) 는 플레이트 소재로 만들어지고, 엘보 파이프 (1) 에 용접된다. 앵커 (13) 의 부착 부위는 장비 (14) 가 설치된 콘크리트 기반에 직접적으로 고정된 형강 구조 (shaped-steel structure) 에 고정된다. 장비 (14) 는 어떤 외부 힘에도 움직이지 않도록 고정된다. 장비의 고정점 (fixed point, 15) 과 파이핑 시스템의 앵커 (고정점, 13) 는 각각 장비 노즐과 파이핑 시스템의 열팽창의 기준점 (base point) 이다. 그러나, 기준점이 장비 (14) 의 설치 표면에 수직인 직선에 있는 동안에는, 이 기준점이 도 1 에 나타낸 장비 노즐 (6) 의 중앙선에 꼭 있을 필요는 없다.
상기 기술된 대로, 벨로우즈 (4) 는 장비 노즐 (6) 과 장비 노즐 (6) 에 연결된 엘보 파이프 (1) 사이에 배치되고, 제조시 벨로우즈 (4) 에 가능한 가까이에 있는 엘보 파이프 (1) 부위는 앵커 (13) 의 사용에 의해 고정점으로 설정된다. 그러므로, 벨로우즈 (4) 의 수축 (즉, 스프링 반작용력) 이 가능한 많이 경감되면서 파이핑 시스템의 외부 힘이 장비에 직접적으로 작용하는 것이 방지된다. 제조시 벨로우즈 (4) 에 가능한 가까이에 있는 부위는, 예를 들어 열적 영향 또는 설치시 다른 제한을 고려하여 벨로우즈 (4) 와 엘보 파이프 (1) 의 연결 말단 (용접선) 으로부터 제조 파이프의 두께보다 4 ~ 5 배 더 큰 거리로부터 적당하게 결정될 수 있다.
파이핑 시스템에서, 축선의 내부 압력 추력 (axial internal-pressure thrust) 이 엘보 파이프 (1) 를 통과하는 유체의 압력 (파이프 내부 압력) 때문에 벨로우즈 (4) 의 양쪽 단부에 가해진다. 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 이동에 의해 생성된 스프링 반작용력은, 각각의 파이핑 부재가 열적으로 연장될 때, 장비 노즐 (6) 에 가해진다. 그러나, 내부 압력 추력이 벨로우즈 (4) 에 가해질 때, 내부 압력 추력은 또한 벨로우즈 (8) 에도 가해진다. 벨로우즈 (8) 의 상향 (upward) 내부 압력 추력이 직립형 파이프 (9) 에 전달되는 동안 벨로우즈 (4) 의 하향 (downward) 내부 압력 추력은 직립형 파이프 (5) 에 전달된다. 그러나, 직립형 파이프 (5, 9) 가 타이로드 (12) 에 의해 서로 연결되기 때문에 양 쪽 내부 압력 추력은 서로 상쇄된다. 그러므로, 벨로우즈의 내부 압력 추력은 장비 노즐 (6) 에 가해지지 않는다.
쉬운 이해를 위해, 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 상단부와 타이로드 지지 플랜지 (11) 의 하단부 사이의 열팽창에 따른 이동은 고려 대상이 아닌 것으로 간주된다. 그 다음에, 벨로우즈 (8) 가 동일한 양으로 연장하는 동안 벨로우즈 (4) 는 장비 노즐 (6) 의 열 움직임 (thermal movement) 에 대해 수축하고, 따라서 이러한 이동에 의해 생성된 벨로우즈의 스프링 반작용력은 장비 노즐 (6) 에 같은 방향으로 가해진다.
본 발명은 이동에 의해 생성된 벨로우즈 (4, 8) 의 스프링 반작용력을 상쇄시킴으로써 장비 노즐 (6) 에 하중이 가해지지 않도록 다음의 설계 접근 방식을 사용한다.
우선, 장비 노즐 (6) 로부터 앵커 (13) 까지의 열팽창이 조사된다. 장비 노즐 (6), 직립형 파이프 (5), 및 엘보 파이프 (1) 의 앵커 (13) 아래의 엘보 부분 (1) 의 부분 위의 부재의 열팽창에 관하여, 앵커 (13) 가 고정되었기 때문에, 벨로우즈 (4) 가 수축하고 모든 부재에 의한 열팽창을 흡수한다. 다음으로, 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 사이의 열팽창이 조사된다. 장비 노즐 (6) 의 열팽창에 의해 길이가 유지되는 동안 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 사이의 부재는 전체가 위로 움직인다. 타이로드 (12) 에 의해 이 부위 사이에 유지 (holding) 되었기 때문에, 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 는 수축하고 엘보 파이프 (1), 직립형 파이프 (7), 직립형 파이프 (5) 의 타이로드 지지 플랜지 (10) 로부터 엘보 파이프 (1) 에 가까운 부재, 및 직립형 파이프 (9) 의 타이로드 지지 플랜지 (11) 로부터 직립형 파이프 (7) 에 가까운 부재의 열팽창을 흡수한다.
벨로우즈 (4) 의 수축량은 엘보 파이프 (1) 의 앵커 (13) 의 존재에 기초하여 결정된다. 벨로우즈 (8) 의 수축량은 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 사이의 잔여 수축량에 의해 결정된다. 타이로드 플랜지 (10, 11) 사이의 거리 (LT0) 가 충분히 길어서, 타이로드 플랜지 사이의 열팽창에 의한 수축 방향에서 벨로우즈 (8) 의 이동이 장비 노즐 (6) 에서의 이동보다 또한 더 크다. 추가적으로 거리 (LT0) 가 열팽창의 엄밀한 계산에 의해 충분히 조절되면 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 에 의한 스프링 반작용력과 수축량이 동일해질 수 있고 그래서 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 에 의한 스프링 반작용력이 동일 (equalized) 해질 수 있다. 결과적으로, 장비 노즐 (6) 이 이동되더라도 벨로우즈의 스프링 반작용력은 장비 노즐 (6) 에 가해지지 않는다.
도 1 은 계산식에 사용되는 파라미터 (parameter) 를 나타내고, 파라미터는 본 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템의 구성 (configuration) 에 추가된다. 설계 파라미터의 개요 (outline) 는 다음과 같다 :
D1 : 장비 노즐의 온도 변화에 기인한 이동량 [밀리미터] (장비 노즐 (6) 에서 보이는 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 방향이 양 (plus) 이다)
L1 : 장비 노즐 (6) 과 직립형 파이프 (5) 의 연결 말단으로부터 장비 노즐 (6) 맞은편의 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 단부까지의 부위의 길이 [밀리미터]
LT0 : 장비 노즐 (6) 맞은편의 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 단부와 장비 노즐 (6) 맞은편의 타이로드 지지 플랜지 (11) 의 단부 사이의 타이로드 (12) 의 길이 [밀리미터]
LT1 : 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 장비 노즐 (6) 맞은편의 직립형 파이프 (5) 단부로부터 벨로우즈 (4) 와 직립형 파이프 (5) 의 연결 말단까지의 길이 [밀리미터]
LB1 : 벨로우즈 (4) 의 축선의 길이 [밀리미터]
ΔLB1 : 벨로우즈 (4) 의 축선의 이동량 [밀리미터] (수축 방향은 양이다)
LT2 : 벨로우즈 (4) 와 엘보 파이프 (1) 의 연결 말단으로부터 고정점 (앵커 (13)) 까지의 엘보 파이프 (1) 부위의 길이 [밀리미터]
LT3 : 고정점 (앵커 (13)) 으로부터 직립형 파이프 (7) 와 벨로우즈 (8) 의 연결 말단까지의 파이프 부위의 길이 [밀리미터]
LB2 : 벨로우즈 (8) 의 축선의 길이 [밀리미터]
ΔLB2 : 벨로우즈 (8) 의 축선의 이동량 [밀리미터] (수축 방향은 양이다)
LT4 : 벨로우즈 (8) 와 직립형 파이프 (9) 의 연결 말단으로부터 장비 노즐 (6) 측의 타이로드 지지 플랜지 (11) 의 단부까지의 직립형 파이프 (9) 부위의 길이 [밀리미터]
α(t) : 상온이 t℃ 온도로 변할 때 파이핑 부재의 열팽창 계수 [-]
k(B1, t) : 벨로우즈 (4) 의 t℃ 온도에서의 스프링 상수 [N/mm]
k(B2, t) : 벨로우즈 (8) 의 t℃ 온도에서의 스프링 상수 [N/mm]
파이핑 시스템의 설계에 사용되는 계산식은 다음과 같다.
도 1 에서, 장비의 고정점 (앵커 (15)) 으로부터 고정점 (앵커 (13)) 까지의 열팽창이 계산된다. 장비 노즐로부터 앵커 (13) 의 고정점까지의 파이프 부위의 열팽창에 기인한 이동량을 장비의 고정점 (앵커 (15)) 에서의 장비 노즐 (6) 의 열팽창에 더함으로써 벨로우즈 (4) 의 이동량 (수축) ΔLB1 이 계산된다. 그러므로, 다음의 수학식 1 이 성립된다.
Figure pat00001
수학식 1 에서, 온도 분포가 균일하고 파이핑 시스템에서 소재는 유사하다고 가정하면, 각각의 파이프 부위의 열팽창에 기인한 이동이 같은 온도에서의 열팽창 계수 α(t) 에 의해 계산된다. 그러나, 온도와 소재가 한쪽 파이프 부위에서 다른쪽 파이프 부위로 서로 다를 때, 계산하기 위해서 열팽창 계수는 각각의 파이프 부위에 대해 변경되어야 한다.
도 1 에서, 타이로드의 온도가 변하지 않는다고 간주할 때, 장비 노즐 (6) 맞은편의 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 단부와 장비 노즐 (6) 측의 타이로드 지지 플랜지 (11) 의 단부 사이의 타이로드 (12) 의 길이 LT0 는 다른 파이프 부위의 온도 변화와 상관없이 고정된다. 그 사이의 모든 파이프 부위의 열팽창에 기인한 이동의 합이 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 이동의 합 (수축량) 에 맞춰 동일하다. 그러므로 다음의 수학식 2 가 성립된다.
Figure pat00002
벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 스프링 상수가 온도 분포 조건때문에 동일하다고 가정하면, 벨로우즈가 동일하게 이동했을 때 양쪽 벨로우즈의 스프링 반작용력이 같을 수 있다. 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 수축 이동이 장비 노즐 (6) 과 모든 파이프 부위의 열팽창에 기인한 이동과 항상 같을 때, 벨로우즈의 스프링 반작용력은 항상 서로 상쇄되고, 그러므로 장비 노즐 (6) 에 벨로우즈의 스프링 반작용력이 가해지는 것이 방지된다. 그러므로, 수학식 2 에서, 벨로우즈 (4, 8) 는 이동이 같고, ΔLB2 는 ΔLB1 으로 교체될 수 있다. 따라서, 다음의 수학식 3 이 성립될 수 있다.
Figure pat00003
상기 기술된대로, 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 상단부와 타이로드 지지 플랜지 (11) 의 하단부 사이의 거리 LT0 는 압력 밸런스형의 종래의 벨로우즈형 신축 조인트보다 길다. 이는 수학식 2 에서, 좌변의 열팽창의 총 이동량이 크게 설정되고, ΔLB1 의 경우에서처럼 ΔLB2 값이 양 (즉, 수축) 이 된다. 수학식과 함께 이 간격의 길이를 맞추기 위해 도 1 의 LT3 의 크기를 조절하는 것이 적절하다.
LT3 을 계산하기 위한 수학식을 유도하기 위해 ΔLB1 이 수학식 1 및 수학식 3 에서 삭제될 때, 다음의 수학식 4 가 성립된다.
Figure pat00004
도 1 에 나타낸 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템에서, 수학식 4 에 의해 계산된 LT3 의 크기를 제공하는 것은, 온도 변화에 의해 발생한 장비 노즐 (6) 의 열팽창에 기인한 이동 D1 (오직 수직 방향으로) 에 대해 장비 노즐 (6) 의 움직임의 흡수와 이 경우의 벨로우즈 (4, 8) 의 스프링 반작용력의 상쇄를 가능하게 한다. 전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템은 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트 구조를 갖고, 따라서 내부 압력에 의해 생성된 내부 압력 추력 또한 상쇄될 수 있다. 결과적으로, 장비 노즐의 파이핑 시스템으로부터 가해지는 외부 힘이 가능한 많이 억제될 수 있다.
계산 예시는 다음과 같다.
D1 = 50 [밀리미터]
L1 = 500 [밀리미터]
LT1 = LT2 = LT4 = 500 [밀리미터]
LB1 = LNB2 = 1,000 [밀리미터]
α(t) = 0.01392 [-] (파이프 소재가 스테인리스 강 304H 일 때, 그리고 온도가 약 20℃ 에서 약 750℃ 까지 변할 때)
LT3 = 2?50/0.01392 + 2?500 + 500 + 500 - 500 = 8684 [밀리미터]
LT0 = 500 + 1000 + 500 + 8684 + 1000 + 500 = 12184 [밀리미터]
ΔLB1 = ΔLB2 = 50 + 0.01392?(500+500+500) = 71 [밀리미터]
전형적인 실시예에 따른 파이핑 시스템에서, 엘보 파이프는 메인 파이프로 사용된다. 그러나, 그대신 티가 사용될 수 있다.
수학식 1, 2, 3 및 4 는 각각의 파이프 부위의 열팽창 계수가 모두 α(t) 로 동일하다는 가정에서 유도되었다. 파이프 부위 사이의 온도와 소재의 불일치에 기인하여 열팽창 계수가 다른 경우도 다룰 수 있는 더 일반적인 수학식 5, 6, 7, 8 및 9 는 다음과 같다. 수학식에서, 각각의 파이프 부위에서 열팽창 계수는, 예를 들어, 도 5 에 나타낸 직립형 파이프 (5) 의 크기 L1 에서는 α( L1 , t) 이다.
Figure pat00005
Figure pat00006
벨로우즈가 온도와 소재가 서로 다를 때, 벨로우즈의 이동이 동일할 때 벨로우즈의 스프링 반작용력이 동일하다는 이론은 성립되지 않았다. 그러므로, 각각의 온도에서의 벨로우즈의 스프링 상수와 벨로우즈 자체의 열팽창에 의해 발생한 스프링 반작용력의 증가를 반드시 고려해야 한다. 이러한 이유로, 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 가 스프링 반작용력에서 같아질 때의 조건은 다음의 수학식 7 에 의해 제시될 수 있다.
Figure pat00007
수학식 7 에서, 조절력 (adjustment force) F 가 장비 노즐에서 보이는 타이로드 지지 플랜지 (10) 의 방향 (도 1 의 상향) 이 양으로 설정된다. 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 스프링 반작용력이 평형을 이뤄 완전히 동일할 때, 조절력 F 는 0 (zero) 이다. 평형이 깨지고, 스프링 반작용력이 마찰력이나 행거 (hanger) 의 저항을 고려함에 의해 평형을 이룰 때, 그 값이 사용된다.
ΔLB2 가 수학식 6 과 수학식 7 로부터 삭제될 때, 다음의 수학식 8 이 얻어진다.
Figure pat00008
ΔLB1 이 수학식 8 과 수학식 5 로부터 삭제되고, LT3 이 좌변에 남을 때, 다음의 수학식 9 가 얻어진다.
Figure pat00009
(다른 실시예)
도 1 에 나타낸 파이핑 시스템은 메인 파이프 벨로우즈 (4) 와 압력 밸런스형 벨로우즈 (8) 가 수직 직선상에 위치하도록 구성되고, 파이프는 장비 노즐 (6) 로부터 연장하며, 수평 방향으로 구부리기 위해 엘보 파이프 (1) 에서 구부러진다. 그러나, 파이프는 구부러짐 없이 수직 방향으로 곧게 연장할 수 있다. 도 2 와 도 3 은 수직 방향으로 곧게 구성된 파이핑 시스템을 나타낸다. 도 1 에서 나타낸 구성 요소들과 동일한 기능의 도 2 와 도 3 의 구성 요소들은 동일한 참조 부호로 표시되었다.
도 2 를 참조하여, 수직 방향 (도 2 에 나타낸 수직 방향) 으로 배치된 직립형 파이프 (21) 는 주입 말단 (2) 과 배출 말단 (3) 을 갖는다. 직립형 파이프 (21) 의 배출 말단 (3) 은 수직 방향으로 연장하는 파이프에 연결된다. 직립형 파이프 (21) 의 주입 말단 (2) 은 벨로우즈 (메인 파이프 벨로우즈, 4) 를 통해 직립형 파이프 (5) 에 연결된다. 직립형 파이프 (5) 는 장비 노즐 (6) 에 연결된다. 직립형 파이프 (21) 의 상부 표면에, 직립형 파이프 (21) 의 연장 방향에 수직 방향으로 연장하기 위해 직립형 파이프 (7) 가 용접된다. 직립형 파이프 (7) 가 직립형 파이프 (21) 의 내부와 연통한다. 직립형 파이프 (9) 는 벨로우즈 (4) 와 직경이 동일한 벨로우즈 (압력 밸런스형 벨로우즈, 8) 를 통해 직립형 파이프 (21) 맞은편의 직립형 파이프 (7) 의 단부에 연결된다. 직립형 파이프 (5, 9) 는 각각 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 를 포함한다. 동일 간격으로 배열된 복수의 타이로드 (12A) 이 타이로드 지지 플랜지 (10) 에 연결되고, 동일 간격으로 배열된 복수의 타이로드 (12B) 이 타이로드 지지 플랜지 (11) 에 연결된다. 타이로드 (12A) 과 타이로드 (12B) 은 상호 직각 방향으로 연장하고, 직립형 파이프 (21) 에 배치된 타이 플레이트 (22) 에 부착된 샤프트에 끼워진 캠 플레이트 (25) 에 연결된다. 그러므로, 벨로우즈 (메인 파이프 벨로우즈, 4) 와 벨로우즈 (압력 밸런스형 벨로우즈, 8) 가 직선상에 있지 않더라도, 그의 내부 압력 추력은 평형을 이룰 수 있다. 열적으로 팽창하는 직립형 파이프 (21) 와 열적으로 팽창하지 않는 타이로드 (12A) 사이의 크기의 차이는 회전하는 캠 플레이트 (25) 에 의해 타이로드 지지 플랜지 (11) 에 전달될 수 있다. 그러나, 타이 플레이트 (22) 는 직립형 파이프 (21) 에 고정되고, 내부 압력에 의해 생성되는 내부 압력 추력의 방향을 변경하는 힘을 받기에 충분할만큼 강해야 한다. 수학식 2, 3, 및 4 의 적용을 유지하기 위해, 타이 플레이트 (22) 는 직립형 파이프 (21) 의 온도에 대해 열팽창을 억제하기 위해 단열처리 되고, LT02 의 길이가 변동되지 않고 유지되어야 한다.
벨로우즈 (4) 에 가까운 직립형 파이프 (21) 의 직립형 파이프 부위는 앵커 (13) 에 연결된다. 이 연결 부위는 어떤 외부 힘에도 움직이지 않는 장소로 설정된다 (고정점). 도 1 에 나타낸 예시처럼, 앵커 (13) 는 장비 (14) 가 설치된 콘크리트 기반에 직접적으로 고정된 형강 구조에 의해 고정된다.
그러므로, 파이핑 시스템에서, 도 1 에 나타낸 예시처럼, 벨로우즈의 스프링 반작용력은 파이프 부위의 크기 조절에 의해 상쇄될 수 있다.
도 2 에 나타낸 예시에서, 수학식 4 의 크기 LT3 는 LT31 + LT32 에 대응한다: LT31 은 고정점 (앵커 (13)) 으로부터 타이 플레이트 (22) 의 회전 축선 (캠 플레이트 (25) 의 중심) 까지의 파이프 부위의 길이 [밀리미터] 이고, LT32 는 제 2 벨로우즈 (8) 에 가까운 타이 플레이트 (22) 의 회전 축선 (25) 의 하나 (도 2 에 나타낸 왼쪽 캠 플레이트 (25) 의 중심) 로부터 제 2 벨로우즈와 제 2 파이프 부재 (7) 의 연결 말단까지의 길이 [밀리미터] 이다. 다시 말해, 크기 LT31 과 크기 LT32 는 수학식 4 의 우변 (2?D1/α(t) + 2?L1 + LT1 + LT2 - LT4) 의 계산 결과를 적절하게 나누는 것에 의해 결정될 수 있다. 결정된 크기의 LT31 및 LT32 를 사용하여 도 2 에 나타낸 파이핑 시스템을 구성하는 것에 의해, 온도 변화에 의해 발생된 장비 노즐 (6) 의 열팽창에 기인한 이동 (오직 수직 방향만) 에 대해, 장비 노즐 (6) 의 움직임이 상쇄될 수 있고, 벨로우즈 (4) 의 스프링 반작용력이 동시에 상쇄될 수 있다. 이 파이핑 시스템은 또한 압력 밸런스형의 벨로우즈형 신축 조인트 구조를 갖고, 그러므로 내부 압력에 의해 생성된 내부 압력 추력이 상쇄될 수 있다. 결과적으로, 파이핑 시스템으로부터 장비 노즐로 가해지는 외부힘이 가능한 많이 경감될 수 있다.
파이핑 시스템의 온도 분포가 균일하고 벨로우즈 (4) 와 벨로우즈 (8) 의 스프링 상수가 서로 동일할 때, LT31 의 크기는 다음의 수학식 10 에 의해 계산된다.
Figure pat00010
파이프 부위가 온도 또는 소재가 동일하지 않고 열팽창 계수가 다를 때, LT31 의 크기는 다음의 수학식 11 에 의해 계산된다 (수학식 6 의 α( LT3t , t)?LT3 를 α( LT31 , t)?LT31 + α( LT32 , t)?LT32 로 교체하는 것에 의해 계산된다).
Figure pat00011
파이프가 수직 방향으로 똑바로 연장하는 다른 예시는 도 3 에 나타낸 복수의 압력 밸런스형 벨로우즈를 포함하는 파이핑 시스템이다.
풀리와 체인이 캠 플레이트 (25) 와 타이로드 (12A, 12B) 대신에 사용될 수 있다. 모든 타이로드는 체인으로 대체될 수 있거나, 또는 일부 타이로드가 체인으로 대체될 수 있다.
도 3 을 참조하여, 직립형 파이프 (21) 의 상부 표면에, 지지 플레이트 (23) 가 직립형 파이프 (21) 의 연장 방향에 수직 방향으로 연장하도록 용접된다. 두 개의 파이프 (7) 가 지지 플레이트 (23) 의 상부 표면에 고정되고, 직립형 파이프 (21) 를 평행하게 샌드위칭 (sandwiching) 하게 배열된다. 각각의 직립형 파이프 (7) 는 각각의 전도체 (24) 를 통해 직립형 파이프 (7) 내부와 연통한다.
직립형 파이프 (9) 는 단면적 (즉, 동일한 내부 압력 반작용력) 이 동일하고 직립형 파이프 (21) 의 양측의 두 개의 장소의 합에서 벨로우즈 (4) 에 작용하는 벨로우즈 스프링 반작용력이 동일한 벨로우즈 (압력 밸런스형 벨로우즈, 8) 를 통해 지지 플레이트 (23) 맞은편의 각각의 파이프 (7) 의 단부에 연결된다. 더 나은 이해를 위해 더 구체적으로 기술하자면, 단일 벨로우즈 (8) 는 벨로우즈 (4) 의 단면적보다 1/2 배 큰 단면적을 갖고, 따라서 그 직경은 1/√2 배 크다 (실질적인 벨로우즈 직경 : 벨로우즈의 하부와 정점 사이의 중간 직경). 벨로우즈 단면 형상이 유사할 때 스프링 상수는 이 직경에 비례하여 거의 1√2 배 크다. 따라서, 벨로우즈의 하단-정점 높이가 커지도록 조절하는 것과 벨로우즈 (4) 의 스프링 상수보다 1/2 배 크도록 스프링 상수를 설정하는 것에 의해, 두 개의 장소에서 벨로우즈 (8) 에 의해 벨로우즈 (4) 와 평형이 유지될 수 있다. 직립형 파이프 (5, 9) 는 각각 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 를 포함한다. 두 개의 타이로드 지지 플랜지 (10, 11) 는 동일한 간격과 동일한 길이로 배열된 복수의 타이로드 (12) 에 의해 서로 연결된다. 벨로우즈 (4) 에 가까운 직립형 파이프 (21) 의 직립형 파이프 부위는 앵커 (13) 에 연결된다. 이 연결 부위는 어떤 외부 힘에 의해 움직이지 않는 장소 (고정점) 로 설정된다. 도 1 에 나타낸 예시처럼, 앵커 (13) 는 장비 (14) 가 설치된 콘크리트 기반에 직접적으로 고정된 형강 구조에 의해 고정된다.
그러므로, 파이핑 시스템에서, 수학식 10 및 수학식 11 을 사용하는 것에 의해, 파이프 부위의 크기를 조절하는 것에 의해 벨로우즈의 스프링 반작용력이 상쇄될 수 있다. 이 파이핑 시스템에서, 도 2 에 나타낸 것과 유사한 링크형 캠 플레이트가 없고, 따라서 마찰력과 저항이 더 경감된다.
그러나, 도 3 에서, 직립형 파이프 (21) 보다 구경이 상대적으로 작은 전도체 (24) 를 통해 직립형 파이프 (7, 9) 와 연통되고, 구조가 직립형 파이프 (7, 9) 를 지나서 폐쇄된다. 그러므로, 내부 유체의 흐름이 이곳에서 멈춘다. 직립형 파이프 (21) 로부터 파이프 부재를 통해 전도된 열의 흐름 구조는 도 1 및 도 2 에 나타낸 것보다 작고, 그러므로 직립형 파이프 (7, 9) 와 직립형 파이프 (21) 사이의 온도를 동일하게 유지하기가 어렵다. 이것은 직립형 파이프 (21) 의 열팽창 계수와 다른 열팽창 계수 α(t) 의 값을 사용하는 것을 필요로 한다. 예를 들어, 직립형 파이프 (7, 9) 와 벨로우즈 (8) 의 온도가 증가하지 않을 때, 열팽창이 없고, α( LT32 , t), α( LB2 , t) 및 α( LT4 , t) 이 수학식 11 에서 0 이 된다. 이에 따라 수학식이 간단해지고, LT31 의 크기는 다음의 수학식 12 에 의해 계산된다.
Figure pat00012
직립형 파이프 (5, 21) 가 온도, 소재, 및 열팽창 계수가 동일할 때, α( L1 , t), α( LT1 , t), α( LT2 , t), 및 α( LT31 , t) 가 동일하다. 그러므로, 대표적으로 α( L1 , t) 를 사용함에 의해, LT31 의 크기가 다음의 수학식 13 에 의해 계산된다.
Figure pat00013
도 1 ~ 도 3 이 어떤 행거 지지부 (hanger support) 도 나타내지 않으면서, 예를 들어, 도 1 에서 벨로우즈 (4) 아래에 위치한 직립형 파이프 (5) 와 타이로드 지지 플랜지 (10), 압력 밸런스형 벨로우즈 (8) 위에 위치한 직립형 파이프 (9) 와 타이로드 지지 플랜지 (11), 및 타이로드 (12) 의 무게는 스프링 지지 (또는 움직임에 의해 발생한 하중 변동이 더 작은 일정한 스프링 행거) 에 의해 리프트되야 한다. 파이핑 시스템은 수평 파이프로 사용될 때 파이프 높이 중심에서 지지되어야 한다. 이 경우에 마찰력과 작동 저항이 가능한 많이 경감되어야 한다. 이러한 파이프 서포트는 간략하게 하기 위해 나타내지 않았다.
이러한 일정한 스프링 행거의 설치는 일정한 스프링 행거의 초기 하중 검사를 필요로 한다. 그러나, 본 발명에 따라, 벨로우즈 (4) 위의 파이프 부재는 움직이지 않도록 앵커 (13) 에 의해 고정된다. 그러므로, 장비 노즐 (6) 에서 하중을 경감시키기 위해 일정한 스프링 행거에 의해 리프트되는 하중은 타이로드 (12) 과 타이로드에 의해 연결된 파이프 부재로 국한된다. 엘보 파이프 (1) 와 직립형 파이프 (12) 와 같은 메인 파이프와 메인 파이프에 연결된 파이프의 하중은 앵커 (13) 에 의해 지지된다. 따라서 하중은, 일정한 스프링 행거가 종래 유형의 파이핑 시스템의 전체 파이핑 시스템의 대부분을 들 때의 하중보다 훨씬 더 경감되고, 일정한 스프링 행거의 초기 하중은 훨씬 경감될 수 있다. 결과적으로, 파이프 하중 증가에 의해 파이프의 구경이 더 커질 때에도, 장비 노즐에 걸리는 하중은 종래 파이핑 시스템보다 훨씬 더 경감될 수 있다.
본 발명의 전형적인 실시예는 동반되는 도면을 참조해 기술되었다. 그러나, 본 발명은 나타낸대로 수직으로 (수직 방향으로) 연장하는 장비 노즐 (6) 내에 연결되는 파이핑 시스템에만 오로지 국한되지 않는다. 본 발명의 파이핑 시스템은 장비 노즐의 연장 방향에 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어를 사용하여 기술되는 동안, 이런 기술은 오직 실례의 목적을 위한 것이고, 변경 (change) 과 변형 (variation) 이 다음의 청구항의 범위 또는 정신에서 벗어나지 않고 만들어질 수 있다고 이해된다.
1 엘보 파이프 (elbow pipe) (청구항에 기재된 메인 파이프)
2 주입 말단 (input terminal)
3 배출 말단 (discharge terminal)
4 벨로우즈 (bellows) (청구항에 기술된 제 1 벨로우즈)
5 직립형 파이프 (straight pipe) (청구항에 기술된 제 1 파이핑 부재)
6 장비 노즐 (equipment nozzle)
7 직립형 파이프 (청구항에 기술된 제 2 파이핑 부재)
8 압력 밸런스형 벨로우즈 (pressure balanced type bellows) (청구항에 기술된 제 2 벨로우즈)
9 직립형 파이프 (청구항에서 기술된 제 3 파이핑 부재)
10, 11 타이로드 지지 플랜지 (tie rod support flange) (청구항에 기술된 타이로드 지지 부재)
12, 12A, 12B 타이로드 (tie rod)
13 앵커 (anchor) (고정점)
14 장비 (equipment)
15 장비 고정점 (equipment fixed point)
21 직립형 파이프 (청구항에 기술된 메인 파이프)
22 링크형 타이 플레이트 (link type tie plate) (청구항에 기술된 링크)
23 지지 플레이트 (support plate)
24 전도체 (conductor) (청구항에 기술된 제 2 파이핑 부재)
25 캠 플레이트 (cam plate)

Claims (9)

  1. 파이핑 시스템으로서,
    장비의 장비 노즐 안에 연결된 벨로우즈형 신축 조인트 (bellows type expansion joint);
    메인 파이프;
    장비로부터 연장된 장비 노즐에 연결되고, 제 1 벨로우즈를 통해 메인 파이프의 한쪽 단부에 연결된 제 1 파이프 부재;
    한쪽 단부가 메인 파이프의 측면 부분에 연결된 제 2 파이프 부재;
    제 2 벨로우즈를 통해 제 2 파이프 부재의 다른 한쪽 단부에 연결된 제 3 파이프 부재;
    제 1 파이프 부재의 외부 주위에 고정된 제 1 타이로드 지지 부재 (플랜지);
    제 3 파이프 부재의 외부 주위에 고정된 제 2 타이로드 지지 부재 (플랜지);
    제 1 타이로드 지지 부재와 제 2 타이로드 지지 부재 사이에 일정 간격을 유지하는 타이로드; 및
    제 1 벨로우즈 근처의 메인 파이프 부위를 고정점으로 설정하도록 배치된 앵커를 포함하고,
    제 1 타이로드 지지 부재와 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 파이프 부재의 길이가 결정되어서 제 1 벨로우즈가 장비 노즐의 열팽창 (thermal expansion), 제 1 파이프 부재의 열팽창, 및 앵커보다 장비 노즐에 더 가까운 메인 파이프의 파이프 부재의 열팽창에 의해 수축하고, 제 2 벨로우즈가 제 1 및 제 2 타이로드 지지 부재 사이의 모든 파이프 부재의 열팽창에 의해 수축하여 제 1 벨로우즈와 동일하게 이동 (수축량) 되는 파이핑 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다음의 식
    Figure pat00014

    여기서,
    D1 : 장비 노즐의 온도 변화에 의해 발생한 이동량 [밀리미터],
    L1 : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( L1 , t) : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT1 : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT1 , t) : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT2 : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT2 , t) : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT3 : 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT3 , t) : 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT4 : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT4 , t) : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    k(B1, t) : 제 1 벨로우즈의 특정 온도에서 스프링 상수 [N/mm],
    k(B2, t) : 제 2 벨로우즈의 특정 온도에서 스프링 상수 [N/mm], 및
    F[N] : 파이핑 시스템의 리프팅 (lifting) 을 위한 조정력 (adjustment force)
    을 만족시키는 파이핑 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 메인 파이프가 엘보 파이프 또는 티 (tee) 인 파이핑 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 메인 파이프가 직립형 파이프를 포함하는 파이핑 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 2 파이프 부재가 앵커의 장비 노즐 측의 맞은편의 메인 파이프의 측면 (side face) 에 연결되고, 메인 파이프의 연장 방향 (extending direction) 에 미리 결정된 각을 갖는 방향으로 연장하며, 타이로드가 타이 플레이트와 캠 플레이트의 사용에 의해 각을 가지면서 배열되는 파이핑 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    다음의 식
    Figure pat00015

    여기서,
    D1 : 장비 노즐의 온도 변화에 의해 발생한 이동량 [밀리미터],
    L1 : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( L1 , t) : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT1 : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT1 , t) : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT2 : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT2 , t) : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT31 : 앵커로부터 타이 플레이트에 배치된 회전 축선까지의 파이프 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT31 , t) : 앵커로부터 타이 플레이트에 배치된 회전 축선까지의 파이프 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT32 : 타이 플레이트에 배치되고, 제 2 벨로우즈에 가까운 회전 축선으로부터 제 2 파이프 부재와 제 2 벨로우즈의 연결 말단까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT32 , t) : 타이 플레이트에 배치되고, 제 2 벨로우즈에 가까운 회전 축선으로부터 제 2 파이프 부재와 제 2 벨로우즈의 연결 말단까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT4 : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT4 , t) : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    k(B1, t) : 제 1 벨로우즈의 특정 온도에서 스프링 상수 [N/mm],
    k(B2, t) : 제 2 벨로우즈의 특정 온도에서 스프링 상수 [N/mm], 및
    F[N] : 파이핑 시스템의 리프팅 (lifting) 을 위한 조정력 (adjustment force)
    을 만족시키는 파이핑 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 풀리 (pulley) 와 체인 (chain) 이 타이로드의 일부 또는 전부와 캠 플레이트의 대용으로 사용되는 파이핑 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 메인 파이프의 측면에 고정되고 메인 파이프의 연장 방향의 직각 방향으로 연장하는 지지 플레이트를 더 포함하고,
    상기 제 2 파이프 부재의 한쪽 단부가 장비 노즐 측의 맞은편의 지지 플레이트의 측에 연결되고, 적어도 두 개의 상기 제 2 파이프 부재가 메인 파이프 내에 서로 평행하게 배열되며, 제 2 벨로우즈의 유효 직경 (effective diameter) 에서의 총 면적이 제 1 벨로우즈의 유효 직경에서의 면적과 동일한 파이핑 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    다음의 식
    Figure pat00016

    여기서,
    D1 : 장비 노즐의 온도 변화에 의해 발생한 이동량 [밀리미터],
    L1 : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( L1 , t) : 장비 노즐과의 연결 말단으로부터 제 1 타이로드 지지 부재까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT1 : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT1 , t) : 장비 노즐 측 맞은편의 제 1 타이로드 지지 부재의 단부로부터 제 1 벨로우즈까지의 제 1 파이프 부재 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT2 : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT2 , t) : 제 1 벨로우즈와 메인 파이프의 연결 말단으로부터 앵커까지의 메인 파이프의 파이프 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT31 : 앵커로부터 제 2 파이프 부재를 메인 파이프에 고정시키기 위한 지지 부재까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT31 , t) : 앵커로부터 제 2 파이프 부재를 메인 파이프에 고정시키기 위한 지지 부재까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT32 : 제 2 파이프 부재를 메인 파이프에 고정시키기 위한 지지 부재로부터 제 2 벨로우즈까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT32 , t) : 제 2 파이프 부재를 메인 파이프에 고정시키기 위한 지지 부재로부터 제 2 벨로우즈까지의 부위로서, 앵커로부터 제 2 벨로우즈까지의 파이프 부위에 포함된 부위의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
    LT4 : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재 부위의 길이 [밀리미터],
    α( LT4 , t) : 제 2 벨로우즈와 제 3 파이프 부재의 연결 말단으로부터 장비 노즐 측의 제 2 타이로드 지지 부재의 단부까지의 제 3 파이프 부재의 특정 온도로의 상온의 온도 변화시의 열 팽창 계수,
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