시공 환경을 고려한 파이프라인 내리기 단계 거동 특성 연구

Abstract

자원 확보와 기술적 우위 선점의 목적으로 극한지역의 자원 이송용 파이프라인의 설계 및 시공 기술에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 자원 이송용 파이프라인의 경우 긴 구간에 걸쳐 시공되므로 환경요인이 다양한 구간을 횡단하게 된다. 이에 따라 파이프라인의 구조 성능의 확보를 위한 각 구간별 검토가 요구되고 있으며, 특히 파이프라인 시공 내리기 단계에서 큰 휨 변형이 발생되어 시공 중 안전성을 확보하기 위한 ECA(Engineering Construction Assessment)가 권고되고 있다. 특히 TransCanada 프로젝트는 시공 도중 발견된 지장물로 인하여 파이프라인 시공 계획을 변경한 사례이다. 해당 프로젝트에서 변경된 계획에 대하여 안전성 평가를 진행한 뒤 파이프라인 시공을 진행하였으며, 해당 사례와 같이 파이프라인 시공 계획이 예기치 않게 변경될 경우 시공 품질의 관리를 위한 현장 안전성 평가가 요구된다.

본 논문에서는 시공 환경 안전성 평가의 분석을 목표로 하였다. 유한요소모델의 해석 시에 고려될 시공 영향변수를 도출하기 위해 러시아와 미국(STO Gazprom 2-2.1-249 : 러시아, SP 42-102-2004 : 러시아, ASME B 31.8 : 미국, API STD 1104-Appendix A : 미국)의 시공 기준과 동토지역 파이프라인 시공 프로젝트 사례 분석을 통해 시공 영향변수를 도출했다. 범용해석프로그램 ABAQUS(Dassault Systems Simulia corp., 2016)을 통해 시공 기준이 반영된 상세 유한요소모델의 해석을 수행하였다. 해석시간의 단축을 위하여 스키드 모델의 생략과 MPC Constraint의 적용을 실시하였으며, 이를 상세 유한요소모델과 비교하였다. Von-mises 최대값 오차율 0.8% 발생하였으며, 길이방향 응력의 최대값 오차는 2.8% 발생하였다. 해석시간은 상세하게 묘사된 유한요소모델 대비 약 50%만큼 감소하였다. 파이프라인의 시공은 긴 구간에 걸쳐 진행되기 때문에 다양한 시공환경을 맞이하게 된다. 시공 환경 중 곡선 구간과 경사 구간 시공의 진행 과정에 따라 응력의 최대값이 발생하는 하중 단계를 도출하고자 하였다. 그 결과 곡선 구간에서는 세 번째 사이드 붐 트랙터가 곡선 구간 진입할 때 가장 큰 응력 값을 보였으며, 경사 구간에서는 가장 높이 들어올리는 중앙의 사이드 붐 트랙터가 경사 구간을 진입할 때 가장 큰 응력 값을 보였다. 또한 지반탄성계수의 영향을 반영하기 위한 유한요소모델의 해석을 실시하였으며, 해석 결과 지반탄성계수 변화는 근입깊이차로 인한 파이프라인 거동 차이를 발생시켰다. 지반탄성계수가 높아 파이프라인의 근입깊이가 작을 경우 가운데 사이드 붐 부근에 응력이 집중되는 형상이 일어난다. 따라서 지반탄성계수에 따른 근입깊이의 차이는 설계 단계에서 들어올리기 높이 계획시 고려되어야한다. 또한 파이프라인 두께 비에 따른 파이프라인 안전성 평가 분석을 실시하였다. 두께 비는 파이프라인 자중과 그에 따라 처짐 형상에 영향을 준다. 자중이 클수록 전체 파이프라인의 응력은 커지게 되지만 형상의 변화로 사이드 붐 사이의 자중 부담 비율이 달라진다. 이는 자중이 크더라도 파이프라인 최대 응력 값이 작아지는 결과를 도출 하였다. 시공단계 이전에 파이프라인 두께비와 지반 탄성계수에 따른 효과적인 높이차의 도출을 통하여 효율적인 시공을 가능하게 할 수 있다.