시공 중 파이프라인의 구조적 거동 분석을 위한 해석모델

Abstract

자원 이송용 파이프라인은 광역 구간에 시공되므로 환경적 요인의 변화가 크며, 60bar 이상의 고압조건과 불안정한 지지조건등의 위험에 노출되어 있다. 그러므로 시공단계에서 발생한 손상은 운영단계 파이프라인의 폭발 및 화재뿐만 아니라 환경오염, 재산피해와 같이 2차 피해로 이어진다. 따라서 파이프라인의 시공단계 거동 해석을 통해 객관적인 안전성 확보해야 하며, 이는 경제성 확보만큼 중요한 사안이다.

본 논문에서는 파이프라인의 효율적인 시공단계 해석을 위한 모델을 제안했으며, 모델의 타당성과 적용성을 확보하고자 했다. 제안된 세그먼트 파이프라인 모델은 지배방정식과 경계조건을 통해 해석적으로 접근한 모델로써 PCS, PSP 및 PSS 요소를 결합하여 다양한 내리기 단계의 조건을 시뮬레이션 할 수 있다. 또한 내리기 중 발생되는 모든 단계에 대해 모델링 하는 것이 편리하며, 적용성의 한계을 최소화 시켰다. 유한요소 모델과의 비교를 통해 제안된 모델의 타당성을 검증했다.

다양한 시공 조건을 고려한 해석을 통해 시공 중 안전을 보장하기 위해 파이프라인의 수평방향의 단면력에 대한 평가가 필요함을 확인했으며, 파이프라인의 직경 변화에 대한 허용기준의 보완이 필요함을 확인할 수 있었다.

또한 지면의 경사각이 45°까지 증가하게 되면 평지구간에 비해 항복응력대비 Von-Mises응력이 약 20% 증가했으며, 항복응력의 60% 수준까지 도달함을 확인했다. 수평 방향 이격 거리가 5m까지 증가될 경우 Von-Mises응력은 항복응력의 90% 수준을 상회하는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 경사구간에서 파이프라인의 안전을 보장하기 위한 최대 경사각은 약 25°로 제한 되어야 하며, 곡선 구간에서는 수평방향의 최대 변위는 파이프라인의 항복 응력에 대한 Von-Mises 응력이 약 60 % 인 3m로 제한되어야 함을 제안했다.

파이프라인 세그먼트 모델은 두 가지 세그먼트 모델의 요소 결합을 통해 다양한 하중에 대한 확장이 가능하며, 해석과정에서 비교적 간소한 프로그램이 사용된다. 따라서 효율적인 파이프라인의 구조적 거동 분석이 가능하다. 그럼에도 불구하고 비교적 높은 정확도를 확보하고 있으며, 적용성이 매우 높아 파이프라인의 효과적인 구조적 검토가 가능하기 때문에 안전성 평가와 형상관리에도 유용할 것으로 기대된다.