KR20170059831A - 배관 서포트 설계를 위한 배관 부하 계산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배관 하중 계산방법은, (a) 배관 응력 해석 프로그램을 이용하여 선체의 배관 중 주요 배관에 대해 부하 해석하는 단계; (b) 상기 배관 중 상기 주요 배관이 아닌 배관에 대한 부하 값을 가정하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 얻은 값을 이용하여 상기 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 단계를 포함한다.
종래기술에 따르면 배관 서포트에 적용되는 정확한 배관 부하를 알 수 없고, 조건에 따른 각각의 부하 조건을 정확하게 고려 할 수 없었다. 그러나 본 발명에 따르면, 주요 배관뿐만 아니라 모든 배관에 대해 부하 해석한 값을 이용하여 배관 서포트가 받는 부하를 정확하게 고려하여 해석 할 수 있다. 특히 엄격한 조건이 고려되는 FPSO 및 해양 플랜트에서 효율적인 설계가 가능하여 생산비용을 절감할 수 있다.

Description

배관 서포트 설계를 위한 배관 부하 계산방법{Pipe load calculation method for designing a pipe support}

본 발명은 선체의 배관 서포트 설계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관 서포트를 설계하기 위해 배관의 부하를 계산하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 해양 구조물이나 선박을 설계하는 분야는 크게 선체 설계와 의장설계(배관, 전기, 철의장 등 선박의 내부 구조에 관한 설계)로 분류할 수 있다.

상기 선체설계는 예를 들어 선도 (Lines), 중앙단면도 (Mid Ship Section), 강재배치도, 외판전개도 등 선체구조를 결정하는 기본도면을 작성하고 이를 기초로 선수구조도, 중앙부구조도, 기관실구조도, 선미구조도 등을 완성해 선체구조를 설계하는 방법이다.

한편, 상기 의장설계는 주요 의장설비의 성능과 제원을 결정하고 시스템 체계를 표시하는 다이어그램(Diagram) 과 상호배치를 표시하는 배치도(Arrange)를 작성하여 설계하는 방법이다.

주요 의장설계는 선체의장(하역장치, 소화장치, 교통장치, 안전설비, 통풍장치), 기관실의장 (주기관, 추진장치, 보기장치, 배관장치, 교통장치, 통풍장치), 전기의장 (전원장치, 배전장치, 항해장치, 무선장치), 선실의장(거주구 설비, 오락설비) 등이다.

의장 설계 분야 중에서 배관 시스템은 파이핑과 인스트루먼트(배관) 다이어그램(P&ID, Piping & Instrument Diagram)을 필요로 하고, 다양한 형태의 모든 시스템용 와이어링 다이어그램과 커넥션(전기, 전자)다이어그램 작성을 필요로 한다.

한편, 배관의 설치시 배관이 견고하게 유지되도록 서포트를 적용한다. 이러한 서포트의 종류로는 스프링행거 (spring hanger), 스웨이스트럿(sway strut), 컨스턴트 행거(constant hanger), 언더행거(under hanger)등 있다.

서포트는 배관을 지지하는 것이기 때문에 의장 설계시 해당 배관의 설계와 함께 크기(높이와 폭)의 설계가 뒤따른다. 즉, 서포트는 배관 응력 해석(Piping Stress Analysis)을 통하여, 해당 배관의 하중 값을 산출 하여 서포트의 각 멤버의 크기가 결정된다.

해양 구조물과 선박에 적용되는 배관은 물, 가스, 석유 등 다양한 유체의 흐름을 위해 사용되며, 유체의 종류에 따라 배관의 제원(직경, 두께 등)이 달라지고, 동일 유체이더라도 배관의 종류가 달라진다. 이와 같이 배관의 다양성으로 인하여 배관 서포트에 걸리는 하중이 달라지고, 따라서, 배관 서포트는 해당 배관의 제원 등에 따라 크기(높이, 폭 등), 간격이 달라진다.

한편, 배관은 직선(straight)형으로만 설계되지 않고, 엘보우를 통해 연결되면서 다양한 곡선형으로 설계되며, 따라서, 배관 서포트의 간격도 직선형과 곡선형에 따라 달라진다. 곡선형의 경우 하중이 커지기 때문에 배관 서포트의 간격이 직선형인 경우보다 가까워야 한다.

그러나, 종래에는 곡선형 부분도 직선형과 동일한 기준으로 배관 서포트의 간격으로 설계하여 배관 서포트의 과다/과소가 발생된다. 또한, 배관의 형태뿐만 아니라 배관의 두께에 따라 배관의 자중이 달라지므로 배관 서포트의 간격이 달라져야 하는데, 종래에는 배관의 두께를 감안하지 않고 배관 서포트의 간격을 결정하여 배관을 견고하게 지지하지 못하거나 배관 서포트의 과다 사용이 발생된다.

종래 배관의 직경에 따라 배관 서포트의 간격을 산출하는 방법들이 있지만, 표준화가 이루어지지 않아 동일 배관에 대해서도 설계자에 따라 배관 서포트의 간격이 다르기 때문에 배관 서포트를 효율적으로 설계하지 못하는 실정이다. 또한, 종래는 배관의 직경만을 근거로 하여 배관 서포트의 간격을 산출하며, 배관 서포트에 걸리는 하중은 배관의 직경뿐만 아니라 유체 종류, 배관 두께 등에 따라 달라지는바, 배관 서포트 간격의 신뢰성이 약한 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2014-0037554호(2014.03.27 공개)

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 효율적인 배관 서포트 설계를 위한 배관의 부하를 계산하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배관 하중 계산방법은, (a) 배관 응력 해석 프로그램을 이용하여 선체의 배관 중 주요 배관에 대해 부하 해석하는 단계; (b) 상기 배관 중 상기 주요 배관이 아닌 배관에 대한 부하 값을 가정하는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 얻은 값을 이용하여 상기 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 단계를 포함한다.

상기 (a) 단계는, 상기 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하, 풍향 및 풍속에 의해 상기 선체가 받는 부하 중 적어도 어느 하나 이상을 고려해서 부하 해석하는 것을 특징으로 한다.

상기 (b) 단계는, 상기 배관의 자체무게, 상기 배관의 재질, 상기 배관에 유체가 찼을 때 무게, 상기 배관의 길이 중 적어도 어느 하나를 고려해서 부하 값을 가정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 (b) 단계는, 상기 선체와 결합되는 상부모듈의 진동, 상기 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하 중 적어도 어느 하나를 고려해서 부하 값을 가정하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c) 단계는, 상기 선체와 결합되는 상부모듈의 열 팽창, 천재지변, 상기 선체의 흔들림에 의한 상기 배관 서포트의 변형, 상기 배관의 터짐, 파도로 인한 해수의 선체 유입, 상기 선체를 육상에서 해상으로 이동시킬 때 중 적어도 어느 하나를 고려해서 상기 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 재계산된 부하 값 중 가장 큰 값을 상기 선체의 배관에 대한 부하 값으로 확정할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 배관 서포트를 설계하는 방법은, 상기 배관 부하를 계산하는 방법을 통해 상기 선체의 배관에 대한 부하 값을 이용하여, 상기 선체의 배관을 지지하는 서포트를 설계할 수 있다.

종래기술에 따르면 배관 서포트에 적용되는 정확한 배관 부하를 알 수 없고, 조건에 따른 각각의 부하 조건을 정확하게 고려 할 수 없었다. 그러나 본 발명에 따르면, 주요 배관뿐만 아니라 모든 배관에 대해 부하 해석한 값을 이용하여 배관 서포트가 받는 부하를 정확하게 고려하여 해석 할 수 있다. 특히 엄격한 조건이 고려되는 FPSO 및 해양 플랜트에서 효율적인 설계가 가능하여 생산비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 대상이 되는 선체를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 대상이 되는 선체의 배관 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배관 부하 계산방법을 순서도로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 대상이 되는 선체를 나타낸 것이고, 도 2는 선체의 배관 시스템을 나타낸 것이다. 상부모듈의 기능을 수행하기 위해 크고 작은 다양한 배관이 필요하며, 배관의 하중을 지지하기 위한 다수의 배관 서포트가 필요하다.

배관 서포트를 안전 기준을 넘기도록 설계하는 것도 중요하지만, 안전기준을 과도하게 넘기지 않도록 설계하는 것도 중요하다. 배관 서포트를 튼튼하게 만들면 만들수록 생산비용, 설계비용이 증가하기 때문이다.

종래에는 구조 해석 프로그램을 이용하여 주요 배관(critical pipe)에 대해서만 부하를 해석하였다. 여기서 주요 배관이란, 특별히 유량이 많거나 배관 직경이 크거나 길이가 긴 배관을 의미한다. 종래에는 주요 배관에 대한 배관 서포트를 중심으로 설계가 이루어졌고, 주요 배관이 아닌 배관에 대해서는 구조 해석 프로그램을 적용하지 않고 배관 서포트를 설계하였다. 이는 설계의 속도를 높이고, 신속한 생산에 기여했지만, 종래기술에 따르면 배관 서포트에 적용되는 정확한 배관 부하를 알 수 없고, 조건에 따른 각각의 부하 조건을 정확하게 고려 할 수 없었다. 그리하여 배관 서포트를 안전 기준을 넘지 못할 수도 있다는 문제와 더불어, 안전기준을 과도하게 넘기도록 설계하는 경우 생산비용, 설계비용이 증가할 수 있다는 비효율적인 측면이 있었다.

그러나 본 발명에 따르면, 주요 배관뿐만 아니라 모든 배관에 대해 부하 해석한 값을 이용하여 배관 서포트가 받는 부하를 정확하게 고려하여 해석 할 수 있다. 특히 엄격한 조건이 고려되는 FPSO 및 해양 플랜트에서 효율적인 설계가 가능하여 생산비용을 절감할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배관 부하 계산방법을 순서도로 나타낸 것이다. 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 배관 부하 계산 순서는, 주요 배관을 정하는 단계(S310), 배관 응력 해석 프로그램을 이용하여 선체의 배관 중 주요 배관에 대해 부하 해석하는 단계(S320), 주요 배관에 대해 부하 해석 시 외부 환경 요소를 반영하여 해석하는 단계(S321), 배관 중 주요 배관이 아닌 배관에 대한 부하 값을 가정하는 단계(S330), 주요 배관이 아닌 배관에 대해 부하 해석 시 가정적인 요소를 반영하여 해석하는 단계(S331), 여러 가지 부하 조건을 반영하여 전체 배관에 대한 재해석을 하는 단계(S340), 재계산된 부하 값 중 가장 큰 값을 선체의 배관에 대한 부하 값으로 확정하는 단계(S350), 배관 서포트에 걸리는 부하에 따라 중요도를 분류하는 단계(S360), 각 서포트에 대해 하중을 계산하는 단계(S370)로 이루어진다.

각 세부단계를 구체적으로 살펴보면, 주요 배관을 정하는 단계(S310)의 주요 배관이란 특별히 유량이 많거나 배관 직경이 크거나 길이가 긴 배관을 의미한다. 주요 배관은 배관의 재질, 규격, 사용 조건에 따라 가변적인 개념이다. 종래에는 주요 배관을 선정하고 주요 배관에 대해서만 부하해석을 실시하여 전체적인 설계의 틀을 마련하는 방향으로 이용되었다.

배관 응력 해석 프로그램을 이용하여 선체의 배관 중 주요 배관에 대해 부하 해석하는 단계(S320)에서 이용되는 배관 응력 해석 프로그램은 특별히 한정되는 것이 아니고, 통상의 산업현장이나 연구소에서 사용되는 상용 배관 응력 해석 프로그램을 의미한다.

주요 배관에 대해 부하 해석 시 외부 환경 요소를 반영하여 해석하는 단계(S321)에서 외부 환경 요소에는, 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하, 풍향 및 풍속, 선체의 폭발, 해수의 유입, 이동 중에 의해 배관이 받는 부하 가 있으며 이중 적어도 어느 하나 이상을 구조 해석 시 반영하여 배관 부하를 해석할 수 있다.

한편 본 발명은 모든 배관에 대해 부하 해석을 실시하는 것이므로 종래기술에 비해 배관 중 주요 배관이 아닌 배관에 대한 부하 값을 가정하는 단계(S330)가 추가된다. 모든 배관을 응력 해석하게 되면, 해석의 대상이 되는 대상이 너무 많아지고, 계산 시간이 기하급수적으로 증가하여 효율성이 떨어진다. 따라서 적절한 값을 가정해서 입력하고 다른 가정적인 요소를 반영하여 정확도를 높이고 이를 토대로 재계산(iteration) 것이 효율적이다. 가정 값을 정할 때 기본적으로 고려될 요소에는, 배관의 자체무게, 배관의 재질, 배관에 유체가 찼을 때 무게, 배관의 길이 중 적어도 어느 하나를 고려해서 정하는 것이 바람직하다.

주요 배관이 아닌 배관에 대해 부하 해석 시 가정적인 요소를 반영하여 해석하는 단계(S331)에서 의미하는 가정적인 요소에는 배관 외부적인 요소로서, 선체와 결합되는 상부모듈의 진동, 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하 중 적어도 어느 하나를 고려해서 부하 값을 가정하는 것이 바람직하다.

여러 가지 부하 조건을 반영하여 전체 배관에 대한 재해석을 하는 단계(S340)에서는 앞서 고려되지 않았던 조건으로서, 선체와 결합되는 상부모듈의 열 팽창, 천재지변, 선체의 흔들림에 의한 배관 서포트의 변형, 배관의 터짐, 파도로 인한 해수의 선체 유입, 선체를 육상에서 해상으로 이동시킬 때 중 적어도 어느 하나를 고려해서 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 것이 바람직하다.

선체의 배관에 대한 부하 값을 확정하는 단계(S350)는 재계산된 부하 값 중 가장 큰 값을 상기 선체의 배관에 대한 부하 값으로 확정하는 것을 특징으로 한다. 재계산된 부하 값 중 가장 큰 값이란, 다양한 가정적인 조건들을 반영하여 부하를 계산하였을 때, 가장 높게 나오는 값을 의미한다. 가장 높에 나오는 값보다 튼튼하도록 설계하기 위함이다.

선체의 배관에 대한 부하 값이 확정되면, 배관 서포트에 걸리는 부하에 따라 중요도를 분류한다(S360). 중요도에 따라 배관 서포트를 분류하고, 중요도가 높은 배관 서포트를 우선적으로 설계하는 것이 효율적이기 때문이다. 선체와 상부모듈의 제작기간을 줄이기 위해서 설계와 제작이 동시에 이루어지는 경우도 있으므로, 이 경우 중요 배관 서포트부터 설계 및 제작하는 것이 효율적일 것이다.

각 배관 서포트에 대해 하중을 계산하는 단계(S370)로 이루어진다. 앞서 계산된 자료를 바탕으로 모든 배관 서포트에 대해 하중을 계산하여 설계할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. (a) 배관 응력 해석 프로그램을 이용하여 선체의 배관 중 주요 배관에 대해 부하 해석하는 단계;
   (b) 상기 배관 중 상기 주요 배관이 아닌 배관에 대한 부하 값을 가정하는 단계; 및
   (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 얻은 값을 이용하여 상기 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 단계;
   를 포함하는 배관 하중 계산방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 (a) 단계는,
   상기 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하, 풍향 및 풍속, 선체의 폭발, 해수의 유입, 이동 중에 의해 상기 배관이 받는 부하 중 적어도 어느 하나 이상을 고려해서 부하 해석하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 계산방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   싱기 배관의 자체무게, 상기 배관의 재질, 상기 배관에 유체가 찼을 때 무게, 상기 배관의 길이 중 적어도 어느 하나를 고려해서 부하 값을 가정하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 계산방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   상기 선체와 결합되는 상부모듈의 진동, 상기 선체가 운항 중 흔들림에 의해 발생하는 부하 중 적어도 어느 하나를 고려해서 부하 값을 가정하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 계산방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   상기 선체와 결합되는 상부모듈의 열 팽창, 천재지변, 상기 선체의 흔들림에 의한 상기 배관 서포트의 변형, 상기 배관의 터짐, 파도로 인한 해수의 선체 유입, 상기 선체를 육상에서 해상으로 이동시킬 때 중 적어도 어느 하나를 고려해서 상기 선체의 배관에 대해 부하를 재계산하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 계산방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 재계산된 부하 값 중 가장 큰 값을 상기 선체의 배관에 대한 부하 값으로 확정하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 계산방법.
   
7. 청구항 6에 따라 확정된 상기 선체의 배관에 대한 부하 값을 이용하여, 상기 선체의 배관을 지지하는 서포트를 설계하는 방법.

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