배관시스템의 벨로우즈 내구수명예측을 위한 해석기법 연구

Abstract

2016년 9월 발생된 경주지진과 2017년 11월 포항지진을 계기로 우리나라도 더 이상 지진의 안전지대가 아님을 인식하게 되었고 경남 동남권 지진으로 인한 피해사례의 적지 않은 부분이 플랜트 분야 비구조요소의 파괴로 비롯된 것이라는 보고서의 공통된 지적임을 고려할 때 플랜트 분야 비구조요소의 안전성 평가 필요성이 대두되고 있다. 특히, 최근 지진은 원자력 및 석유 ․ 화학 분야 플랜트 산업단지가 밀집된 경남 동남권에서 발생이 되었으며 언제 어떠한 규모로 발생될지 가늠할 수가 없기에 플랜트 분야 비구조요소의 안전성 평가 및 예측기술 확보가 절실한 실정이다. 플랜트 분야 비구조요소의 파손사례를 살펴보면 주로 관 이음쇠 및 신축관 이음 등에서 발생이 되었으며 이에 본 연구는 배관의 수축 및 팽창을 흡수하는 신축관 이음을 대상으로 과압의 발생에 따른 신축관 이음의 내구수명을 예측하고자 하였다. 벨로우즈의 내구수명 예측을 위해, 미국 이음·배관시스템 제조업자협회 (E.J.M.A)의 설계 및 내구수명 코드를 이용한 내구수명 예측결과와 유한요소해석 기법을 이용한 시뮬레이션 예측치를 도출하고 실험을 통한 실제 벨로우즈의 내구수명을 이용하여 예측결과와의 비교를 수행하였다. 기존의 유한요소해석의 경우 신축관 이음의 수축 및 팽창 시 신축관 내부의 압력의 변화를 반영하지 못하였으나, 본 연구에서는 유동해석을 추가하여 구조해석 시 맵핑을 수행함으로써 시험 결과 값과 유사성을 도출할 수 있었다.

또한 유한요소 해석 시 비선형 해석으로 진행할 경우 벨로우즈 내구수명을 해석으로 접근하기 위하여 재료의 피로시험 결과를 적용하였고 벨로우즈의 내부 압력에 따라 피로 수명이 달라지는 것을 통해 E.J.M.A 수명 계산식과 같이 압력에 따라 내구수명이 최대 55% 감소됨을 지는 것을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 본 연구에서는 실제적인 환경조건을 가정하여 신축관 이음 내부에 내압이 없는 경우 기존 3,000 회 보다 많은 10,000 회 신축성 반복 검사를 제시하여 기존의 벨로우즈형 신축관의 내구시험의 구조 안정성을 확보하고자 하였다. 향후 벨로우즈 피로내구 수명 예측 시 유한요소해석 기법을 활용 가능할 것으로 예상된다.