해저파이프 이음부의 열변형을 고려한 수명평가 연구

Abstract

해저 파이프라인 송유관의 경우 전 세계 약 3,500,000km가 매설되어있고(2016년도 기준) 최대 해저 3,000m까지 설치되어있다. 또한 한국과 중국 간 서해 해저 가스 파이프라인을 건설하는 방안을 추진하고 있으며 서해 가스 파이프라인이 부설되면 한국은 에너지 고도(孤島)에서 탈피 할 수 있다. 이에 따라 극한 환경에서의 용접부의 수명이 중요하게 여겨진다. 용접을 실시하게 되면 용접부에는 과도한 인장응력도 발생하고 영구한 변형도 남게 되는데 이들은 모두 수명에 부정적인 영향을 준다. 용접변형의 예측 방법으로 널리 알려진 것 중 고유변형률 기반의 등가 하중법은 그 정확성과 신속성이 많이 사용된다. 고유변형률 해석법은 특정 온도 변화를 경험한 영역을 고유한 잔류 변형률의 발생 영역으로 가정하고 그 값을 등가하중으로 치환한 후 탄성해석으로 변형을 구하는 방법이다. 이 방법은 각 변형을 발생시키는 기구에 대한 항이 독립적으로 이루어져 있어서 급냉이 이루어지는 선상가열과 같이 상변태에 민감한 정밀변형과정에서도 그 유용성이 인정받고 있다. 이러한 고유변형률에 기반한 등가 하중법을 해석의 기본기구로 하여 변형된 응력집중계수를 도출하고, 본 연구에서 적용한 모델의 해양의 조건을 가정하여 DNV-RP-F105 문서에 구체화된 식을 활용하여 파이프가 받는 유속을 하중으로 표현한 근거를 바탕으로 반복 하중을 산정하였고 S-N Curve를 활용하여 반복하중을 통해 구한 응력 값으로 수명을 도출하였다. 마지막으로 샘플로서 선택한 재료와 형상에서 용접부의 열 변형을 추가로 고려하여 파이프의 수명을 평가한 결과는 기존의 단순히 비드형상만 고려한 방법 간의 수명대비 5%가 단축된다는 것을 보여주었다.