KR20140043330A - 구조물의 기계적 성능을 측정하는 방법 - Google Patents

구조물의 기계적 성능을 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

구조물의 기계적 성능 변수를 측정하는 방법이 개시되며, 손상은 구조물의 벽을 최초 모양으로부터 손상된 모양으로 변화시킨다. 이 방법은 손상된 모양의 외부 표면을 기하학적으로 묘사하기 위해 측정하는 단계; 소정의 영역에서 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 표면을 가지는 테스트 바디를 모형 제작하는 단계 테스트 바디는 손상된 모양의 외부 표면과 일치할 수 있다; 최초 모양과 실질적으로 동일한 모양의 일부를 가지는 테스트 벽을 모형 제작하는 단계; 변형된 테스트 벽 및 변형과 관련된 응력 상태를 계산하는 단계, 테스트 벽의 변형(8a)은 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동에 의해 유발되며, 상대적 이동은 변형된 테스트 벽에 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 외부 표면을 제공하도록 구성된다; 및 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 단계를 포함한다.

Description

구조물의 기계적 성능을 측정하는 방법{Method of Determining Mechanical Performance of a Structure}
본 발명은 구조물의 기계적 성능을 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 탱크 또는 버퍼 커패시티(buffer capacity) 또는 파이프라인의 일부와 같이 액체를 함유하기 위한 구조물에 관한 것이다.
작동하는 동안, 대형 구조물들은 건설 중장비의 오작동, 화물 컨테이너와 같은 짐 낙하, 보트 앵커 작업 또는 악의적 행동과 같은 여러 원인의 기계적 손상에 노출되기 쉽다. 손상이 덴트인 경우, 손상된 구조물은 주로 유체가 밀봉된 상태로 유지되나, 이의 기계적 성능과 계속 사용될 수 있는 지에 대한 의문이 발생한다. 예를 들어, 파이프라인이 여전히 사용될 수 있는 내부 압력과 이의 모양이 파이프라인을 통과할 수 있는 탄화수소의 유속을 결정한다.
구조물, 특히 큰 치수의 구조물의 기계적 성능을, 구조물의 사용을 정지시키거나 폭발 테스트(burst testing)와 같은 파괴 테스트를 실행하지 않고서, 측정하기 위한 방법이 현재 존재하지 않는다. 결함의 외관, 일반적으로 지름에 비례한 덴트 크기를 한정하는 변수를 구조물이 계속 사용될 수 있는 지와 관련시키는 표준(ASME, API, ERG, PDAM...)이 사용된다. 이런 표준에 의해 허용가능한 결함 크기는 작다. 따라서 손상된 구조물은 사용을 중지하고 교체돼야 한다. 예를 들어, 파이프라인에서 자발적인 덴트의 경우, 즉, 덴트의 원인이 더 이상 존재하지 않는 경우, PDAM 표준에 의해 허용된 최대 한계는 지름의 7%의 덴트 깊이이다.
본 발명의 목적은 손상된 구조물의 기계적 성능을 측정하는 방법을 제공함으로써 상기 단점들의 일부 또는 전부를 없애는 것이며, 상기 방법은 현장에서, 파괴 테스트 없이, 적용할 수 있고 신뢰할만한 결과를 나타낸다.
본 발명은 벽을 포함하는 구조물의 기계적 성능 변수를 측정하는 방법을 제안하며, 구조물에 대한 손상은 벽을 최초 모양으로부터 손상된 모양으로 변화시키며, 손상된 모양은 소정의 영역에서 최초 모양과 달라진다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 소정의 영역에서 손상된 모양의 외부 표면을 기하학적으로 묘사하기 위해 측정하는 단계;
b) 실행한 측정을 기초로 테스트 바디를 모형 제작하는 단계, 테스트 바디는 소정의 영역에서 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 표면을 가지며 테스트 바디는 단계 a)에서 묘사된 손상된 모양의 외부 표면과 일치할 수 있다;
c) 최초 모양과 실질적으로 동일한 모양의 일부를 가지는 테스트 벽을 모형 제작하는 단계;
d) 변형된 테스트 벽 및 변형과 관련된 응력 상태를 계산하는 단계, 테스트 벽의 변형은 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동에 의해 유발되며, 상대적 이동은 변형된 테스트 벽에 단계 a)에서 묘사된 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 외부 표면을 제공하도록 이루어진다; 및
e) 단계 d)에서 얻은 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 단계.
구조물은 임의의 형태일 수 있다. 구조물은 유체를 수용하기 위한 것이거나(탱크, 버퍼 커패시티 등) 유체를 수송하는데 사용될 수 있다(파이프라인 등). 구조물은 선체일 수 있다. 만일 구조물이 큰 치수의 어셈블리인 경우, 구조물은 손상에 의해 영향을 받은 이런 어셈블리의 일부, 예를 들어, 파이프라인의 부분 또는 선체의 일부이다.
기계적 성능의 형태는 구조물의 특성에 의존한다. 바람직한 변수는 소정의 기계적 응력에 대한 구조물의 저항력에 대한 정보를 제공해야 한다. 탱크 또는 파이프라인의 경우, 바람직한 변수는 폭발 압력 또는 강성의 손실이 일어나는 압력일 수 있다.
단계 a)에서, 구조물의 외부 표면은 기하학적으로 이의 손상된 모양으로 묘사된다. 특히, 손상은 덴트 형태일 수 있다. 일반적으로 손상의 원인은 사라진다. 구조물의 벽은 변형되고, 비록 재료는 떨어졌을 수 있지만 구멍은 없다. 또한 내부 또는 외부 부식이 발생할 수 있으며, 벽을 구성하는 재료 또는 재료들의 두께 및 기계적 특성에 영향을 줄 수 있다. 기하학적 묘사는 손상 위치에서 적어도 구조물의 외부 표면의 모양을 나타내는 임의의 수단을 의미하는 것으로 이해된다.
이런 묘사는 적어도 손상된 모양의 외부 표면의 위치를 지점 간격 내에서 한정하는 것을 가능하게 한다. 이 묘사는 대체로 정확할 수 있다. 사용될 방법은 구조물이 위치된 곳, 물속에 잠겼는지 아닌지 및 이용가능한 묘사 수단에 따라 변할 수 있다. 가능한 경우, 변형된 벽의 외부 표면의 확실한 각인이 얻어진다.
단계 b)에서, 테스트 바디는 모형 제작되며, "충돌체"로 불린다. 이것은 계산 목적을 위한 고체의 수학적 표현을 만드는 것을 필요로 한다. 이런 고체는 단계 a)에서 묘사된 표면과 유사한, 바람직하게는 실질적으로 동일한 표면을 가진다. 고체는 손상된 모양의 외부 표면과 일치할 수 있는데, 이것은 고체가 묘사된 대로 손상된 모양에 상보적인 모양을 가진다는 것을 의미한다. 따라서 테스트 바디는 결함의 "양의" 각인을 포함하며, 손상된 구조물은 "음의" (움푹한) 손상을 가진다. 따라서 테스트 바디는 손상된 모양의 외부 "주조물"과 비슷하며, 원형에 대한 주조물의 정확도는 단계 a)에 사용된 묘사 방법의 정밀도에 의존한다.
단계 c)에서, 테스트 벽이 모형 제작된다. 테스트 벽은 도면, 사진, 표면 방정식 또는 임의의 다른 공지된 수단으로부터 알려진 최초 손상되지 않은 모양으로 구조물의 벽을 수학적으로 나타낸다. 더욱 구체적으로, 테스트 벽은 최초 모양과 실질적으로 동일한 적어도 한 부분을 포함한다.
한 표면이 다른 표면과 "실질적으로 동일한"지 아닌지는 적절한 표준, 예를 들어, 표면상의 규칙적으로 이격된 점들 사이의 편차를 평균화하고 이런 동일한 점들을 다른 표면상에 투영함으로써 평가될 수 있다. 두 표면 사이의 차이가 소정의 임계값보다 적은 것으로 측정되거나 더욱 간단히 측정 또는 육안이 두 표면이 서로 매우 유사하다는 것을 나타내는 경우 한 표면은 다른 표면과 "실질적으로 동일"하다고 생각될 것이다.
단계 d)에서, 변형된 테스트 벽을 얻기 위한 계산이 실행된다. 이를 위해서, 테스트 바디 또는 "충돌체"의 상대적 이동은 (아직 변형되지 않고 "피충돌체"인) 테스트 벽에 대해 모의 실험된다. 두 바디의 상호작용은 특히 테스트 벽의 변형 및 응력 상태 사이의 관계를 정립하는 수학적 규칙을 포함하는 기계적 모델에 의해 지배된다. 상대적 운동의 목표는 테스트 벽 속에 테스트 바디가 제거된 후, 묘사된 실제 변형과 실질적으로 동일한 변형을 각인하는 것이다.
테스트 벽에 대해 얻은 모양이 만족스럽지 않은 경우, 즉, 묘사된 외부 표면과 충분하게 유사하지 않은 경우, 단계 d)에서 계산은
- 테스트 바디 및 테스트 벽의 상대적 이동의 변수; 및/또는
- 테스트 바디의 모양 또는 치수를 변경; 및/또는
- 테스트 바디의 행동을 지배하는 수학 법칙을 변화시키면서 다시 수행될 수 있다.
단계 e)에서, 기계적 성능의 평가는 변형된 테스트 벽을 기초로 실행하였다. 예를 들어, 평가는 강성의 손실 또는 폭발의 탐지와 함께 내부 압력 증가를 조건으로 할 수 있다.
계산 단계 d)는 적어도 2개의 매우 흥미로운 결과를 제공한다:
- 매우 우수한 대표성을 갖는 것으로 실험적으로 증명된 변형된 테스트 벽의 응력 상태. 구조물이 고의적으로 손상되고 본 발명의 방법이 사용된 경우(결함을 묘사하고, 모형 제작하고 계산한다), 이런 손상된 구조물에 대해 실험적으로 측정된 기계적 성능 값들과 매우 유사한 기계적 성능 값들이 얻어진다는 것이 사실상 테스트되었다. 이것은 아래 도면에서 본 발명의 방법에 의해 얻은 결과들에 대한 실험 결과의 비교에서 설명될 것이다.
- 변형된 테스트 벽의 응력 상태 및 변형 상태에 관한 정보는 더 이상 통계적인 것으로 생각되지 않으나 동적 과정(기계적 모델을 작동시키는 점진적 변형)의 결과로 생각된다. 가소성 때문에 특정 현상의 확장을 탐지할 수 있으며 보통의 수단에 의해 손상된 구조 자체에 대해 반드시 탐지할 수 없다.
이런 방식으로 실험적으로 입증된 방법은 손상의 각인이 얻어진 후 기계적 성능 변수를 생성한다는 것을 알게 될 것이다. 구조물은 이의 기능을 수행할 수 있는 상태이며 폭발 테스트 또는 피로 테스트에 의해 파괴되거나 변형되지 않는다.
본 발명의 방법은 또한 구조물이 손상되는 동안 및 이후 구조물에 대한 작동 변화들 및/또는 제약들, 예를 들어 지지체들의 존재를 고려하게 한다. 이를 하기 위해서, 단계 d) 및 e)에서 계산은 모형 제작된 테스트 벽에 대해 이런 제약들을 적용하면서 실행된다.
특정 실시태양들에서, 본 발명은 다음 특징들의 하나 이상을 사용할 수 있다:
- 단계 e)의 기계적 성능 평가는 더욱더 강한 기계적 응력의 영향하에서 단계 d)에서 얻은 변형된 테스트 벽의 변형을 계산하는 것을 포함하며, 기계적 성능 변수는 변형된 테스트 벽의 파열 또는 강성의 손실이 탐지되는 강도이다. 이런 경우에, 기계적 성능 계산은 실제 파열 테스트를 재현하는 것이다. 기계적 성능은 구조물의 성질 및 원하는 기계적 성능 변수의 함수로서 선택된다.
- 더욱더 강한 기계적 응력은 변형된 테스트 벽에 대해 증가하는 내부 압력을 인가하는 것을 포함하며, 단계 c)에서 모형 제작된 테스트 벽은 밀봉하기 위해 없어진 부분으로 채워질 수 있고, 기계적 성능 변수는 인가된 내부 압력 때문에 변형된 테스트 벽의 폭발이 탐지되는 압력이다. 이 경우에, 모의 실험된 파열 테스트는 폭발 테스트이다. 폭발은 특히 테스트 벽에서 거리의 강한 증가 및 테스트 벽이 받게되는 응력의 완화에 의해 탐지된다.
- 단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하고 단계 e)에서 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 것은 유한 요소 방법을 포함하며, 단계 b) 및 c)에서 테스트 바디 및 테스트 벽을 모형 제작하는 것은 유한 요소들로의 분할을 포함한다. 테스트는 유한 요소 방법은 뛰어난 결과를 생성한다는 것을 입증하였다. 양적 유한 차분법(explicit finite difference method)과 같은 다른 방법들도 사용될 수 있다.
- 단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하고 단계 e)에서 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 것은 테스트 벽의 엘라스토-플라스틱(elasto-plastic) 변형 모델을 사용한다. 엘라스토-플라스틱 법칙은 손상과 관련된 현상을 고려하는데 매우 우수하며, 입증된 대표성의 변형된 테스트 벽에 대한 응력 상태를 생성한다.
- 단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 테스트 바디의 표면은 변형될 수 없다. 비록 자체의 기계적 모델을 가지며 테스트 벽과 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 변형가능한 테스트 바디가 이점들을 제공할 수 있지만, 단계 d)에서 얻은 결과들은 테스트 바디가 변형될 수 없는 것으로 취급될 때에도 대표성을 가지는 것으로 관찰되었다. 이것이 계산을 단순화한다.
- 단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 테스트 벽의 탄성적 되튐(elastic rebound) 현상을 고려하도록 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동은 테스트 바디와 테스트 벽 사이의 거리 감소 및 증가를 포함한다. 탄성적 되튐 현상은 테스트 벽이 먼저 테스트 바디의 작용에 의해 현저한 덴팅이 일어나나 이런 변형이 탄성적 되튐에 의해 약화된다는 사실과 일치한다. 이런 현상을 고려하기 위해서, 테스트 벽은 테스트 벽과 테스트 바디 사이의 거리를 감소시킴으로써 궁극적으로 목표로 한 변형보다 더 큰 변형으로 먼저 각인된 후, 두 바디 사이의 거리를 증가시킴으로써 되튐이 일어나게 한다.
- 단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동은 최초 모양의 외부 표면에 실질적으로 직각인 입사각으로 소정의 영역에서 테스트 벽을 자르는 방향으로 일어난다. 직각 입사각은 가능한 유일한 것이 아니며 주로 테스트 벽에 대해 원하는 모양을 얻는데 적합하다. 특정 경우에, 예를 들어, 손상이 비스듬한 입사각을 가지는 충돌에 의해 발생한 것이 명백할 때, 비스듬한 입사각이 중요할 수 있다.
- 단계 a)에서 실행한 측정은 소정의 영역에서 여러 위치에 있는 손상된 모양의 두께(e)의 측정을 더 포함하며, 두께 측정은 단계 d)의 계산에 의해 얻은 변형된 테스트 벽의 두께를 수정하는데 사용되며, 변형된 테스트 벽은 상기 여러 위치에서 손상된 모양의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가진다. 변화들이 손상으로부터 발생하든 부식과 같은 일부 다른 원인으로부터 발생하든 벽 모양의 변화들 이외에 벽 두께의 변화들을 포함하는 것이 중요하다. 이것은 두께(벽의 표면상의 여러 지점에서 측정)를 묘사하고 테스트 벽의 두께를 수정함으로써 이루어질 수 있다. 수정은 변형 계산 후 이루어질 수 있다. 수정은 또한 변형 계산 전에 이루어질 수 있다.
- 손상된 모양을 기하학적으로 묘사하기 위한 단계 a)에서 실행한 측정은 레이저 빔 삼각측량, 수동식 읽기, 사진 측량 및 초음파 탐지로 이루어진 그룹 중에서 하나 이상 형태의 측정을 포함한다. 이런 측정은 손상의 위치에서 외부 표면의 다소 정확한 묘사를 제공하며(수동식 일기, 사진 측량, 레이저 삼각측량, 초음파) 다른 것들 또한 벽 두께의 측정을 제공한다(초음파).
본 발명은 또한 프로세서에 접근할 수 있는 하나 이상의 일련의 지시들을 포함하며, 지시들이 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 상기한 대로 방법의 단계 b) 내지 e)를 실행하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것으로, 상기 프로세서는 소정의 영역에서 손상된 모양을 기하학적으로 묘사하기 위한 측정 결과를 포함하는 수신된 데이터를 가진다.
프로그램은 상기한 대로 방법의 단계 b) 내지 e)를 실행한다. 작동하기 위해서, 프로세서는 단계 a)에서 수집된 정보에 해당하는 데이터를 처리하는 것이 필요하다. 또한, 프로그램이 미리 데이터를 갖지 않는 경우, 프로그램이 필요로 하는 벽의 최초 모양, 기계적 모델, 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 운동, 및/또는 원하는 기계적 성능 평가에 해당하는 데이터가 프로그램에 제공될 수 있다. 이런 데이터는 사용자에게 질문하는 프로세서의 요청에 의해 제공될 수 있다. 사용자는 테스트될 구조물들과 모델들의 소정의 선택들뿐만 아니라 방법의 변형에 해당하는 옵션을 제공받을 수 있다.
본 발명은 또한 상기한 컴퓨터 프로그램 제품의 하나 이상의 일련의 지시들을 포함하는 컴퓨터-읽기용 저장 매체에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 일부 비 제한적인 실시예들의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1a는 압력하에서 탄화수소를 수송하기 위한 파이프라인의 일부인 구조물의 한 예를 나타낸다.
도 1b는 손상된 벽을 가진 동일한 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 방법을 나타내는 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 손상된 모양의 외부 표면의 묘사를 나타낸다(단계 a).
도 3b는 도 3a에 나타낸 묘사로부터 테스트 바디의 모형 제작을 나타낸다(단계 b).
도 3c는 테스트 벽의 모형 제작을 나타낸다(단계 c).
도 3d는 도 3c의 테스트 벽의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 4는 도 2보다 단계 d)에 대해 더욱 상세하게 나타낸 단계 d) 및 단계 e)를 나타내는 다이어그램이다.
도 5a는 단계 d)의 종료시에 변형된 테스트 벽을 나타낸다.
도 5b는 단계 e) 동안 테스트 벽이 폭발할 때 변형된 테스트 벽을 나타낸다.
도 6은 테스트 벽의 두께를 고려하여, 단계 d)의 변형을 나타내는 다이어그램이다.
도 7a 및 7b는 도 6에 나타낸 변형에서 단계 d5)를 나타낸다.
도 8은 기계적 성능 계산 동안 변형된 테스트 벽의 지름에 변화를 나타내는 그래프이다(단계 e).
명확히 하기 위해, 이런 도면들에 나타낸 다양한 요소들의 치수들은 이들의 실제 치수들에 반드시 비례하지 않는다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소들에 해당한다.
도 1a는 파이프라인의 일부인 구조물(1)을 나타낸다. 이는 실질적으로 원통인 최초 모양(4a)이며 소정의 균일한 두께의 벽(3)을 포함한다.
도 1b는 벽의 소정의 영역(5)에서 손상된 동일한 구조물을 나타낸다. 벽은 현재 손상된 모양(4b)이며, 소정의 영역에 덴트를 가진다. 이런 덴트는 낙하하는 파일론 때문일 수 있으며, 이의 상부가 파이프라인을 향하여 낙하한 후 다소 수평하게 파이프라인의 세로 방향에 실질적으로 직각으로 멈췄다.
아래 논의된 실험 테스트를 위해, 파이프라인의 이런 부분을 도 3c의 하부에 나타낸 형태로 재생하였고, 여기서 상기 부분의 두 원형 개구부에 뚜껑을 덮어, 폭발 테스트가 실행될 수 있다.
본 발명의 한 방법의 주요 단계들은 도 2의 다이어그램으로 나타내어진다. 단계 a)에서, 손상된 모양은 기하학적으로 묘사된다. 단계 b)에서, 테스트 바디는 단계 a)에서 실행한 측정의 결과에 의해 모형 제작된다. 단계 c)에서, 테스트 벽이 모형 제작된다. 단계 b) 및 c)에서 모형 제작은 변형된 테스트 벽을 계산하기 위해 단계 d)에 사용된다. 그런 후에 변형된 테스트 벽의 기계적 성능은, 예를 들어 변형된 테스트 벽에 내부 수압을 증가시킴으로써 평가한다(단계 e). 구조물의 폭발 압력인 기계적 성능 변수(P)가 얻어진다. 특정 경우들에서, 폭발은 없고, 단지 상당하고 갑작스런 변형으로 표현된 강성의 손실이 존재한다.
테스트 바디와 테스트 벽의 모델들과는 별개로, 단계 d)는 테스트 벽의 기계적 모델 및 테스트 바디의 기계적 모델을 사용한다. 이런 모델들은 공지된 수학 법칙, 예를 들어, 벽을 구성하는 강에 대한 엘라스토-플라스틱 변형의 법칙으로부터 얻는다. 테스트 바디의 경우, 모델은 변형되지 않을 것으로 생각한다면 매우 단순할 수 있다. 단계 d)에서 계산은 테스트 벽의 변형을 일으키는 방식으로 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동을 모의 실험한다. 이런 상대적 운동은 공지된 방법에 의해 만들어진다. 상대적 이동은 공간에 두 바디의 위치를 한정하는 것을 필요로 한다. 상대적 이동의 목표는, 계산의 종료시에, 단계 a)에서 묘사된 변형과 실질적으로 동일한 테스트 벽의 변형을 갖는 것이다.
도 3a는 손상된 모양(4b)으로 구조물의 벽의 외부 표면(4c)의 기하학적 묘사를 나타낸다. 외부 표면상의 복수의 점의 공간 좌표는 공지된 레이저 삼각측량 방법을 사용하여 얻어진다. 이런 좌표들을 포함하는 파일은 외부 표면을 수학적으로 나타내게 한다. 외부 표면은 또한 수학적 표면 또는 임의의 다른 동일한 방법에 의해 나타낼 수 있다. 묘사는 적어도 손상이 위치하는 외부 표면의 일반적 모양을 제공하는 것으로 이해된다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 묘사로부터 얻은 테스트 바디(6)를 나타낸다. 테스트 바디는 단계 a)에 묘사된 외부 표면과 실질적으로 동일한 표면(6a)을 포함하는 입방체로 나타낼 수 있다. 단계 a)에서 수집된 데이터는 테스트 바디의 이 표면을 한정하는데 사용된다. 그런 후에 손상의 부피와 전체 모양에 상보적인 부피와 전체 모양을 얻기 위해, 테스트 바디는 얇은 점선으로 나타낸 형태로 보충된다. 테스트 바디는 손상의 일종의 외부 "주조물"이다. 이의 표면(6a)은 구조물 벽의 손상된 모양에서 음의 움푹 들어감인 손상 모양의 양의 주형이다. "주조물"의 품질은 단계 a)에서 실행된 묘사의 정확성에 의존한다.
테스트 바디는 표면(6a)으로부터 시작하는 여러 방식으로 보충될 수 있다는 것을 알 것이다. 실제로, 테스트 바디는 이 표면 및 단계 d)에서 계산 동안 테스트 벽에 대해 가해진 표면의 측면을 결정하는 이 표면의 배향에 의해 한정된다.
도 3c는 테스트 벽(7)에 대해 상대적으로 이동(9)하는 테스트 바디(6)를 나타낸다. 이동은 상대적이라고 말하는데 이는 테스트 바디가 테스트 벽에 접근하든 그 반대이든 중요하지 않기 때문이다. 상대적 이동은 테스트 벽의 세로축을 통과하는 수직 방향(9a)으로 일어난다. 테스트 벽은 도 1a에 나타낸 파이프라인의 일부의 최초 모양과 실질적으로 동일한 부분(7a)을 포함한다. 실험적으로 테스트된 구조물을 나타내기 위해 테스트 벽은 7b, 7c에 뚜껑을 덮었다.
도 3c뿐만 아니라 도 3d, 5a, 5b, 7a 및 7b에서 볼 수 있듯이, 테스트 벽은 유한 요소(10)로 분할된다. 이는 테스트 바디에 대해서도 동일하다. 이런 분할은 특허 출원인과 함께 텍니타스(Tecnitas)에 의해 개발된 엠프레인테 소프트웨어(Empreinte software)를 사용하여 외부 표면을 묘사하는 파일들에 의해 완료되었다. 이 소프트웨어는 소프트웨어 아바퀴어스(Abaqus)를 사용하여 수행된 단계 d) 및 e)에서 변형 계산에 필요한 파일들을 생산한다.
본 발명의 방법은 이런 소프트웨어를 사용하는 것을 필요로 하지 않는다는 것에 유의한다. 유한 요소들로의 분할 및 유한 요소 방법에 의한 계산은 다른 소프트웨어에 의해 실행될 수 있거나 당업자에 의해 직접 프로그램될 수 있다.
도 4는 변형된 테스트 벽이 계산되는 단계 d)에 대한 추가 세부사항을 제공한다. 단계 d)는 경계 조건을 정하는 단계를 포함한다(하부-단계 d1). 특히, 구조물의 상황을 고려하는 것이 가능하다. 예를 들어, 지지체의 존재 또는 구조물이 손상 동안 소정의 응력장에 영향을 받았다는 사실을 포함시킬 수 있다. 하부 단계 d2) 및 d3)는 두 계산 단계를 나타내며, 첫 번째는 테스트 벽으로부터 테스트 바디의 거리를 감소시키는 것을 모의 실험하며, 두 번째는 테스트 바디의 거리를 증가시키거나 제거하는 것을 모의 실험한다. 제 2 하부 단계 동안, 테스트 벽의 탄성 되튐이 일어난다. 다시 말하면, 단계 d2)의 종료시에, 테스트 벽은 단계 d3)의 종료시보다 더 변형된다. 구체적인 최종의 움푹 들어감(실제 손상과 실질적으로 동일)을 얻기 위해서, 테스트 바디는 최초에 테스트 벽을 (단계 d2)에서 더 움푹 들어가게 한다.
하부 단계 d4)에서, 변형된 테스트 벽이 단계 a)에서 묘사된 외부 표면과 실질적으로 동일한 외부 표면을 갖는지를 테스트한다. 그렇지 않은 경우이면, 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동의 변수, 예를 들어 움푹 들어감의 정도를 변화시키면서 단계 d2) 및 d3)를 반복한다.
얻게 될 동일성의 정도는 당업자가 어떠한 구체적인 문제 없이 실행할 수 있는 매개변수 연구에 의해 측정할 수 있다.
도 5a는 단계 d)의 종료시에 얻은 변형된 테스트 벽(8)을 나타낸다. 따라서 테스트 벽은 구조물 벽의 손상된 모양과 매우 유사한 모양을 가진다. 사실상, 문제가 실시예에서 평면(8b)에서의 대칭이기 때문에, 변형된 테스트 벽의 단지 1/4이 나타내어진다. 테스트 벽은 변형(8a)을 가진다. 이의 외부 표면(8c)은 단계 a)에서 묘사된 외부 표면(4c)과 실질적으로 동일하다.
도 5b는 폭발할 예정일 때 변형된 테스트 벽의 모양(9)을 나타낸다. 폭발은 응력 완화 및 특징적인 치수의 급격한 증가를 동반하는, 계산에서 일반적인 불안정에 의해 탐지된다. 평면(9a)(평면(8b)과 동일)에서의 대칭 때문에, 단지 1/4의 변형되고 재팽창된 테스트 벽이 나타내어진다. 폭발 직전 테스트 벽에 의해 추측된 모양은 최초 모양과 "비슷하다"는 것에 유의한다. 도 5b는 기계적 성능 계산(폭발시)을 나타낸다. 원하는 기계적 성능 변수에 따라, 다른 계산도 가능하다. 예를 들어, 외부 압력에 대한 저항력을 계산하는 것이 가능하다.
도 6은 도 4에 나타낸 단계 d)의 변형을 나타낸다. 하부 단계 d5)가 첨가되었다. 이는 구조물 벽의 손상된 모양(4b)의 두께의 묘사를 포함하기 위해, 하부 단계 d3)의 종료시에 얻은 손상된 테스트 벽을 얇게 하는 단계(또는 두껍게 하는 단계)를 포함한다. 사실, 손상 또는 임의의 다른 원인에 의해 두께가 변형되는 경우, (도 3d 및 7b에서 나타낸) 두께(e)는 구조물의 국소 저항력에 중요한 역할을 한다. 선택적으로, 변형 계산 전에 테스트 벽을 얇게 하는 것이 가능하다.
도 7a 및 7b는 어떻게 하부 단계 d5)의 얇아짐이 실제로 성취될 수 있는지를 도시한다. 도 7b는 도 7a의 유한 요소들의 일부와 이들 아래 요소들을 나타내어, 소정의 영역(5)에서 유한 요소들의 층들의 수를 보여주는 사시도를 제공한다. 소수의 유한 요소들(10a)은 이 영역 내에서 제거된다. 이 실시예에서, 유한 요소들의 보충층이 단계 c)에서 실행된 분할시에 삽입되었다. 그런 후에 이 층은 하부 단계 d5)에서 제거되어, 변형된 테스트 벽을 얇게 한다. 이것은 전체 변형된 테스트 벽에 대한 유한 요소들의 동일한 수의 층들(이 경우에 4개 층)을 유지하는 이점을 가진다.
도 8은 폭발 저항력의 계산 동안 내부 압력의 함수로서 변형된 테스트 벽의 반지름 방향의 변형을 도시한다. 폭발 압력은 약 260 bar이다. 압력과 반지름 방향 변형은 폭발 전에 점진적으로 증가한다. 폭발은 화살표로 나타낸 위치에서 일어난다. 그런 후에 압력은 약간 떨어지고 반지름 방향 변형은 빠르게 증가하며, 이는 폭발의 물리적 표시이다.
본 발명의 방법은 두 말단에서 봉쇄되고 도 3c의 요소(7)와 유사한 모양을 가진 튜브들에 관한 실험 테스트에 의해 평가되었다.
3개의 다른 지름의 튜브를 사용하였다:
- 610mm: 1번 내지 3번의 튜브, 공칭(nominal) 두께 12.5mm,
- 457.2mm: 4번 내지 6번의 튜브, 공칭 두께 10.5mm,
- 323.9mm: 7번 내지 9번의 튜브, 공칭 두께 9.53mm,
표 1은 상이한 테스트를 요약하고 및 손상을 생성하는데 사용된 물체("충돌체"로 불림)를 명기한다. 이것은 테스트 바디의 실제 물리적 등가물이다. 테스트 바디는 프레스를 사용하여 튜브로 구동되어, 약 90톤의 질량에 해당하는 부하를 인가하였다.
실험 테스트의 정의

테스트의 정의
충돌체 테스트의 유형
24인치 튜브
610 x 12.50
 튜브 N1 2006 세로
튜브 N3 2006 가로
튜브 N2 R8
18인치 튜브
457.2 x 10.0
 튜브 N4 2006 세로 사면(bevel)으로 4mm 가공
튜브 N6 2006 세로 필릿(fillets)으로 4mm 가공
튜브 N5 원뿔 36
12인치 튜브
323.9 x 9.53
 튜브 N9 2006 세로
튜브 N7 2006 세로
튜브 N8 2006 가로 굽은 튜브
표 1에서, "2006 세로"는 도 3c에서의 요소(7)와 동일한 모양을 가지나, 약 10배 더 작은 물체를 의미한다. 물체의 세로축은 튜브의 세로축과 평행하였고, 물체와 튜브는 겹쳐져서 서로에 대해 수직으로 눌려졌다.
"2006 가로"는 물체의 세로축이 튜브의 세로축에 직각이나, 물체와 튜브는 여전히 겹쳐져서 서로에 대해 수직으로 눌려졌다는 것을 나타낸다.
"원뿔 36"은 하부로 향하는 선단이 절단된 원뿔의 모양인 물체가 충돌체로 사용되었고, 튜브에 대해 수직으로 눌려졌다는 것을 의미한다.
"R8"은 사다리꼴의 최소 면이 작은 면에 인접한 두 면으로부터 연장되는 반원으로 대체된다는 점에서 변형된 이등변 사다리꼴인 기부를 가지는 원통이다. 물체 R8은 튜브에 대해 수직으로 눌려졌고, 이의 둥근 부분(반원)은 하부를 향한다.
이런 9개 실험 동안, 손상이 생성된 삽입 단계 이후, 본 발명의 방법은 손상된 튜브에 적용되었다:
- 시각 방법에 의해 변형된 튜브의 외부 표면을 묘사한다.
얻은 실제 덴트들은 아래 표 2에 명기된다.
- 테스트 바디를 모형 제작하고,
- 손상되지 않은 튜브(즉, 테스트 벽)를 모형 제작하고,
- 변형된 테스트 벽을 계산한다.
표 2는 튜브를 변형하는데 필요로 한 압축 부하와 탄성적 되튐 이전 단계 d)에서 계산된 부하를 비교한다. 일치가 매우 좋으며, 이는 기계적 모델은 충분히 대표성이 있으며 테스트 바디는 대표적인 방식으로 테스트 벽에 작용한다는 것을 알 수 있다.
상대적 움푹 들어감에 대한 큰 범위의 값들이 조사되었고, 56%로부터 튜브의 최초 지름까지의 범위인 것을 유의한다.
모의 실험된 압축 부하 및 손상 부하의 비교



충돌 종료시의 값
움푹 들어감 충돌 부하(톤)
(지름의 %) 디지털
시뮬레이션		 측정
충돌체
24 인치 튜브
610 x 12.50
 튜브 N1 172(28%) 89 82
튜브 N3 232(38%) 82 88
튜브 N2 315(52%) 88 85
18 인치 튜브
457.2 x 10.0
 튜브 N4 82(18%) 43 43
튜브 N6 127(28%) 55 65
튜브 N5 238(52%) 69* 65
12 인치 튜브
323.9 x 9.53
 튜브 N9 92(39.5%) 51 51
튜브 N7 184(56%) 67 76
튜브 N8 184(56%) 37.5 40
탄성적 되튐("충돌체" 물체가 제거될 때 벽 되튐의 현상)의 값 및 손상, 특히 충돌의 영역에서 튜브의 편평화의 형태에 관하여 일치는 매우 좋다는 것을 증명할 수 있다(표 3 참조).
측정된 그리고 모의 실험된 탄성적 되튐 및 편평화의 비교


탄성적 되튐
탄성적 되튐(mm) 편평화(mm)
디지털
시뮬레이션		 측정 델타 디지털
시뮬레이션		 측정 델타
24 인치 튜브
610 x 12.50		 튜브 N1 147 136 11 679 660 19
튜브 N3 209 201 8 726 720 6
튜브 N2 284 279 5 789 788 1
18 인치 튜브
457.2 x 10.0		 튜브 N4 64 64 0 471 473 -2
튜브 N6 112 111 1 491 494 -3
튜브 N5 217 208 9 554 557 -3
12 인치 튜브
323.9 x 9.53		 튜브 N9 80 79.8 0.2 357 357 0
튜브 N7 174 168 6 402 407 -5
튜브 N8 173 181 -8 382 391 -9
다음으로, 변형된 튜브들에 물을 주입함으로써 폭발 테스트를 하였다. 다음 표는 측정된 폭발 압력(오른쪽 칸) 및 방법의 단계 e)의 종료시에 계산에 의해 얻은 폭발 압력(왼쪽 칸)을 비교한다.
측정된 그리고 계산된 폭발 압력의 비교


인가된 압력
폭발 값(bar)
디지털 시뮬레이션 측정
24 인치 튜브
610 x 12.50		 튜브 N1 258 249
튜브 N3 251 244
튜브 N2 254 242
18 인치 튜브
457.2 x 10.0		 튜브 N4 182 142
튜브 N6 189 196
튜브 N5 264 264
12 인치 튜브
323.9 x 9.53
 튜브 N9 302 325
튜브 N7 332 333
튜브 N8 332 335
원하는 기계적 성능 변수인 폭발 압력에 대해, 일치는 매우 좋다는 것을 다시 볼 수 있다.
튜브 4 및 6에 대한 결과는 좋지 않은데, 이는 공작 가공에 의한 응력 집중의 비 포함 때문이다. 따라서 본 발명의 방법은 기계적 성능에 대한 신뢰가능한 변수를 제공하며 손상된 구조물을 변형하거나 이동할 필요가 없는데, 이는 튜브들은 비교 목적을 위해 본 발명에서 단지 폭발 테스트를 받기 때문이다.

Claims (12)

  1. 벽(3)을 포함하는 구조물(1)의 기계적 성능 변수(P)를 측정하는 방법으로서, 구조물에 대한 손상은 벽을 최초 모양(4a)으로부터 소정의 영역(5)에서 최초 모양과 달라지는 손상된 모양(4b)으로 변화시키며, 다음 단계:
    a) 소정의 영역에서 손상된 모양의 외부 표면(4c)을 기하학적으로 묘사하기 위해 측정하는 단계;
    b) 실행한 측정을 기초로 테스트 바디(6)를 모형 제작하는 단계, 테스트 바디는 소정의 영역에서 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 표면(6a)을 가지며 테스트 바디는 단계 a)에서 묘사된 손상된 모양의 외부 표면과 일치할 수 있다;
    c) 최초 모양과 실질적으로 동일한 모양의 일부(7a)를 가지는 테스트 벽(7)을 모형 제작하는 단계;
    d) 변형된 테스트 벽(8) 및 변형과 관련된 응력 상태를 계산하는 단계, 테스트 벽의 변형(8a)은 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동(9)에 의해 유발되며, 상대적 이동은 변형된 테스트 벽에 단계 a)에서 묘사된 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 외부 표면을 제공하도록 이루어진다; 및
    e) 단계 d)에서 얻은 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 e)의 기계적 성능 평가는 더욱더 강한 기계적 응력의 영향하에서 단계 d)에서 얻는 변형된 테스트 벽의 변형을 계산하는 단계를 포함하며, 기계적 성능 변수는 변형된 테스트 벽의 파괴 또는 강성의 손실이 탐지되는 강도인 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    더욱더 강한 기계적 응력은 변형된 테스트 벽에 대해 증가하는 내부 압력을 인가하는 단계를 포함하며, 단계 c)에서 모형 제작된 테스트 벽은 밀봉하기 위해 없어진 부분(7a, 7b)으로 보충될 수 있고, 기계적 성능 변수는 인가된 내부 압력 때문에 변형된 테스트 벽의 폭발이 탐지되는 압력인 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하고 단계 e)에서 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 단계는 유한 요소 방법을 포함하며, 단계 b) 및 c)에서 테스트 바디와 테스트 벽을 모형 제작하는 단계는 유한 요소(10)로의 분할을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하고 단계 e)에서 변형된 테스트 벽의 기계적 성능을 평가하는 단계는 테스트 벽의 엘라스토-플라스틱 변형 모델을 사용하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 손상된 모양의 외부 표면과 실질적으로 동일한 테스트 바디의 표면은 변형되지 않는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동은 테스트 벽의 탄성적 되튐 현상을 고려하도록 테스트 바디와 테스트 벽 사이의 거리 감소 및 증가를 포함하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 테스트 벽의 변형을 계산하기 위해서, 테스트 바디와 테스트 벽의 상대적 이동은 최초 모양의 외부 표면에 실질적으로 직각인 입사각으로 소정의 영역에서 테스트 벽을 자르는 방향(9a)으로 일어나는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 실행한 측정은 소정의 영역에서 여러 위치에 있는 손상된 모양의 두께(e)의 측정을 더 포함하며, 두께 측정은 단계 d)의 계산에 의해 얻은 변형된 테스트 벽의 두께를 수정하는데 사용되며, 변형된 테스트 벽은 상기 여러 위치에서 손상된 모양의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가지는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    손상된 모양을 기하학적으로 묘사하기 위한 단계 a)에서 실행한 측정은 레이저 빔 삼각측량, 수동식 읽기, 사진 측량 및 초음파 탐지로 이루어진 그룹 중에서 하나 이상 형태의 측정을 포함하는 방법.
  11. 프로세서에 접근할 수 있는 하나 이상의 일련의 지시들을 포함하며, 지시들이 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계 b) 내지 e)를 실행하게 하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것으로, 프로세서는 소정의 영역에서 손상된 모양을 기하학적으로 묘사하기 위한 측정 결과를 포함하는 수신된 데이터를 가지는 컴퓨터 프로그램 제품.
  12. 제 11 항에 따른 컴퓨터 프로그램 제품의 하나 이상의 일련의 지시들을 포함하는 컴퓨터-읽기용 저장 매체.
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