배관 응력해석의 개요 및 목적

▣ 배관 응력해석

• 배관계통의 설계 안전성을 수치적으로 검증하고, 설계규정을 준수하며 배치 및 지지물의 위치나 형식, 설계요구 조건 등을 만족하는지를 규명
• 설계수명에 도달할 때까지 설계규격이나 사양에서 요구하는 다양한 하중조건 하에서 허용응력 범위에 있는지, 안전하게 사용할 수 있는지의 여부를 수치적으로 증명
• 고온유체를 이송하는 배관계에 있어서는 열 하중에 의하여 발생하는 응력이 규정치 이내에 있어야 하고, 충분한 유연성을 지니도록 배치

▣ 배관 응력해석

• 자중이나 열 하중에 대한 정적 설계뿐만 아니라 지진, 바람 이외의 동적 조건에서도 배관의 건전성을 보장하면서 경제적인 운전이 되도록 설계함이 타당
• 해석업무는 하중조건 또는 경계조건을 수학적 모델을 통해 수행해야 하나 계산과정이 복잡하기 때문에 컴퓨터 프로그램을 이용한 수치해석을 사용하여 실제 운전조건과 유사한 모델링 기법을통해 하중에 의한 변위와 배관의 건전성 결과 확인

 

.

▣ 응력해석 역무의 요약

• 건전성 확인을 위한 응력해석의 세분화
• 플랜트의 특성 또는 현장의 설계요건에 부합하는지를 검토
• 압력, 열팽창, 자중, 바람, 지진 등의 하중에 대한 배관의 안전성 여부
• 배관과 연결되는 기기노즐이 과도한 하중을 받고 있는지의 검토
• 배관지지대 및 배관지지물의 위치 및 타입을 적절하게 선정
• 열팽창이나 진동으로 배관이나 구조물과의 간섭발생 여부를 검토
• 경험에 의한 과도한 설계보다는 최적화를 설현하기 위한 과학적 수법
• 배관계통의 안전성을 수치적으로 검증하고, 해석관련 설계규정을 준수

 

.

▣ 배관 응력해석의 목적

1) 응력해석 적용규격(기준 규격) 및 해석기준

• ASME B & PV Code, Section I, ASME B31.1 또는 B31.3 이 외의 사항은 설계기준서에 따라 적용
• 유체 에너지밀도 및 계통의 중요도에 따라 임계배관(Critical Piping)과 일반 배관으로 구분
• 응력해석이 요구되는 임계배관 계통

 

.

2) 발전플랜트의 임계배관 계통

• 주증기 계통 (Main Steam System)
• 보일러 급수 계통 (Boiler Feedwater System)
• 급수가열기 배수 계통 (Heater Drain System)
• 추기 계통 (Extraction Steam System)
• 복수 계통 (Condensate System)
• ANSI 900 lbs 이상 설계온도 400℃이상의 배관계통

 

.

▣ 응력해석 필수대상

• A 해석대상 제외가 가능한 일반 배관계
• B 단순 계산식 또는 그래픽을 이용한 근사 해석 가능한 배관계
• C 해석전용 프로그램을 사용하여 상세검토가 필요한 배관계

▣ 응력해석 필수대상

1) 발전 및 화학플랜트에서 해석검토가 요구되는 주요대상

• Turbine의 Inlet & Outlet 배관
• Compressor 및 Blower의 Inlet & Outlet 배관
• 프로세스용 펌프 Suction & Discharge 배관
• Air Fin Cooler의 Inlet & Outlet 배관
• Fired Heater 관련 배관
• Reactor, Regenerator 관련 배관
• 이중 보온관(Jacketed) 배관

 

.

2) 발전 및 화학플랜트에서 해석검토가 요구되는 주요대상

• Flange 누수 발생으로 인하여 위험성이 높은 배관
• Fluid “M” Service로 분류되는 위험물 취급 배관
• 1500# 이상 고압(High Pressure)로 분류되는 주요 배관
• 인허가 사항이 필요한 배관
• 비 금속성 배관으로 주요 프로세스에 사용되는 배관
• 침하(Settlement)가 크게 발생하는 Tank, Vessel 배관
• 이상 유체(Two Phase Flow) 또는 충격하중 발생이 예상되는 배관
• Expansion Joint가 설치되는 배관

 

.

▣ 응력해석에 필요한 상관자료

1) 공정흐름도 (Process Flow Diagram: PFD)

– 온도, 압력, 유량 등을 참조

2) 공정배관계장도 (P&ID)

– 배관크기 및 보온재 두께 등을 파악

3) 배관자재 사양서 (PMS)

– 배관크기 및 보온재 두께 등을 파악

4) 기기 배치도 (Equipment Drawing)

– 연결되는설비에 대한 위치 검토

5) 철 구조물 도면

– 배관 구속력의 위치, 높이, 방향 및 부재의 크기 확인

6) 배관 배치도 (Piping Arrangement)

– 배관의 위치, 높이 및 방향, 이격 거리

7) 3차원 배관해석도

– 지지점을 포함하여야 하며 전산 입력용으로 활용