▣ 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 |