배관 응력해석 수법 및 응용

▣ 배관계통 응력의 구분

1) 1차 응력 (Primary Stress)

• 배관계 내부 및 외부에서 가해지는 힘과 Moment에 의해서 유발되는 응력으로 내압 및 자중, 바람 등에 의해서 생기는 Bending Stress 외 Torsional Stress 등
• 1차 응력에 대한 안전여부는 배관 재료의 허용응력 (Allowable Stress)과 비교하여 판정

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2) 2차 응력 (Secondary Stress)

• Pipe Line 내를 흐르는 유체의 온도에 의해서 열팽창을 일으키며, 이 응력은 설사 재료의 항복강도를 넘어섰다 하더라도 응력이완 현상에 의해 스스로 안전한 Stress 영역으로 들어가게 됨
• 1차 응력일 경우처럼 허용응력과 비교하는 것이 아니라 허용응력 범위 (Allowable Stress Range)와 비교하여 안전성을 판정

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3) 허용응력 (Allowable Stress)

• 어떤 재질이 각 온도 상태에 따라 1차 응력에 대하여 안전하게 견딜 수 있는 응력
• ANSI Code에 이에 관한 값이 주어져 있음

 

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▣ Primary and Secondary

 

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▣ 응력의 종류

• SI : 길이방향응력 (Longitudinal)
• Sc : 원주방향응력 (Circumferential)
• Sr : 경방향응력 (Radial Stress)
• Ss : 전단, 비틀림응력(Shear or Torsion)

 

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▣ Static Stress Analysis

1) Sustained Load : Dead Weight, Pressure

2) Occasional Load : Wind Load, Seismic Load

3) Support 자중해석, 유체 역학적 압력 및 반력에 의한 것

4) Force & Moment에 의한 연결기기 영향 검토

• Rotating Machine : Pump, Compressor, Turbine, Air Fin Cooler
• Nozzle Load Stress : Vessel Nozzle (Cylindrical, Spherical), Heater

5) Vacuum Line의 Stiffness Ring Design

6) Under Ground Stress Analysis : Thermal, 토압설계

7) Branch Reinforced pad Design

 

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▣ DYNAMIC STRESS ANALYSIS

1) Safety Valve 추력 계산

2) Vibration : Reciprocating Compressor, Two Phase Flow

3) 지진해석 : Static method, Response Spectrum method

4) 수충격 (Surge Analysis) : 장거리의 고속 유체에서 밸브의 급속 절환 또는 정전 등의 요인에서 순간적 압력 상승에 의한 유체의 에너지로, 에너지 흡수장치를 결정할 경우에 진행함

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▣ 배관의 유연성 검토

• 고정점 사이의 배관이 열팽창에 대하여 적절한 유연성이 있는가를 검토하여 배관 지지물을 지속 하중과 일시 하중에 만족하도록 설계하는 것을 유연성 (Flexibility) 검토라 함
• 유연성의 해석은 배관의 적절한 배치를 위하여 수행하는 것이므로 배관 응력해석 업무상 특별한 계산절차 또는 계산서의 작성이 요구되지 않으며 배관응력계산서에 계산근거로도 포함하지 않음
• 모든 배관계에 대하여 유연성 검토를 수행할 필요 없음

• 해석의 필요성이 없는 경우 (ASME B31.1)

– 설치하고자 하는 배관계통이 충분한 사용실적이 있는 배관계통과 완전히 같든지 혹은 충분한 사용실적이 있는 배관계통으로 대치(Replace)해서 사용하는 경우

– 설치하고자 하는 배관계통이 과거에 응력 해석한 계통과 비교하여 적합하다고 판단될 수 있는 경우

– 설치하고자 하는 배관계통 구경이 일정하고 두 앵커 사이에서 구속점이 없으며 총 운전사이클이 7000회 이하로써 다음 식을 만족할 경우,

 

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▣ 배관응력해석 코드

API675	Positive Displacement Pumps Controlled Volume
API-618	Reciprocating Compressors For General Refinery Services
NEMA SM23	Steam Turbine For Mechanical Drive Service
API-560	Fired Heaters For General Refinery Services
API-610	Centrifugal Pumps For General Refinery Service
API-611	General-Purpose Steam Turbines For Reginery Service
API-612	Special-Purpose Steam Turbine For Refinery Service
API-617	Centrifugal Compressors For General Refinery Service
API-661	Air-Cooled Heat Exchangers For General Refinery Service
API-650	Welded Steel Tanks for Oil Storage
API-1102	Liquid Petroleum Pipelines Crossing Railroads and Highways
ANSI A58.1	Minimum Design Loads For Buildings and Other Structures
ANSI B31.3	Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping

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▣ 응력해석 보고서

• 응력해석을 수행한 후 결과물을 문서화하여 자료로 보관

– 적용 Code, 전산프로그램, 일반사항

– 설계 적용 가정 사항들

– 미확인 리스트(Hold Item Lists)

– 배관 응력해석용 Isometric Drawings (입력 자료 기입)

– 전산 입력 자료 (설계 조건, 배관 자재 특성)

– 기기의 열팽창 변위 계산근거

– 하중 조합에 따른 기기의 노즐 하중 검토서

– 하중 조합에 따른 Anchor 및 지지물의 Load Summary Sheets

– 전산 결과물 등

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▣ 자중 및 일시 하중, 열팽창 해석 후 검토사항

• 자중에 의한 배관의 처짐 량이 허용 범위 이내에 드는가?
• 기기 노즐이 허용하중 이내에 존재하는가?
• 최고 응력이 허용응력 이내에 존재하는가?
• 설계하는 Anchor에 과대한 하중이 발생되지는 않는가?
• 하중에 의한 윗방향 하중(Up-Lift Load)이 존재하는가?
• 열팽창 변위 값이 커서 근체 배관과의 간섭이 발생하지 않는가?
• 열팽창으로 Drain Point보다 더 낮은 점이 존재하지는 않는가?
• 운전모드별 해석결과가 허용치 이내로 들어오는가?

 

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▣ 하중조합 및 허용응력

1) 설계조건 (Design Condition)

– 배관자중(유체무게, 보온재, 밸브 등 집중하중 포함), 설계 압력, 지진하중 등 고려 가능한 하중

2) 계통운전시의 정상운전(Normal Operating Condition) 배관자중, 내압, 열팽창 하중 및 운전시 비정상적으로 일어날 수 있는 상태배관자중, 내압, 열팽창 하중, Dynamic 하중

3) 시험 조건(Test Condition)

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▣ 하중조합(ASME B31.1 경우)

 

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▣ 타 분야와의 상호 연계 업무

분야	주요 연계 업무
구조	– 자중(Dead Load) 및 앵커하중, 열 하중 전달 – 내진 및 풍하중 설계 기준 확인
토목	– 단독 지지대의 기초하중(Foundation Load) 전달 – 내진 및 풍하중 설계 기준 접수
장치	– 노즐하중(Force &Moment) 결과 전달 – 일반 용기의 노즐은 자체해석 결과를 기기설계 담당자에게 확인 – 고온 고압용 용기에 대해서는 기기설계 담당자 또는 제작자에게 확인
기계	– 회전기기 노즐하중 확인 요청 – 기계 담당자 또는 제작자에게 노즐 건전성 여부 확인