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A Study on Reliability Assessment of Wall-Thinned Piping with Various Flow Characteristics and Geometric Changes
Reports NRF is supported by Research Projects( A Study on Reliability Assessment of Wall-Thinned Piping with Various Flow Characteristics and Geometric Changes | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 이상민(성균관대학교(자연과학캠퍼스)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00001
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 12월 20일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구에서는 유동특성 및 형상변화를 고려하여 감육배관의 결정론적/확률론적 신뢰성을 평가하였다. 이를 위하여 구조물의 손상거동 예측 및 신뢰성평가 기법의 적용성 여부를 검토하였으며, 유동특성을 고려한 감육배관에 대하여 전산유체역학 및 유체-구조 연성해석 기법을 적용하여 감육발생 등의 손상거동을 평가하였다. 또한 형상변화를 고려한 엘보우의 신뢰성평가를 위하여 굽힘각 및 하중형태 변화를 고려하여 한계하중해석을 수행하였다. 추가적으로 감육배관의 확률론적 신뢰성평가를 수행하기 위하여 파손확률 평가 프로그램을 개발하였으며, 감육배관의 파손방지를 위한 적정 신뢰도 기준을 제안하였다.
  • Research result and Utilization method
  • (1) 유동특성을 고려한 감육배관의 손상거동 평가
    유동특성을 고려하여 감육배관의 손상거동을 평가하기 위하여, 유속변화를 고려하여 오리피스 직관과 굽힘각 변화를 갖는 엘보우에 대하여 전산유체역학해석을 수행하였다.
    오리피스가 설치된 직관의 경우, 감육발생은 유속변화에 영향을 받는 것이 아니며 오리피스 직경비 변화에 따라 내벽의 최대 표면 전단응력 발생위치가 변경된다. 또한 오리피스 직경비가 증가함에 따라 감육발생 위치는 오리피스 설치부 방향으로 점차 가까워지는 것으로 평가되었다. 다양한 굽힘각을 갖는 엘보우의 경우, 감육은 굽힘각 변화와 상관없이 엘보우 곡률의 중심부에 해당하는 위치에서 발생하는 것으로 평가되었다.
    감육 직관의 단방향 유체-구조 연성해석 결과, 정적인 압력만을 고려하여 평가한 감육부의 등가응력이 유동흐름을 고려하여 도출한 등가응력에 비하여 최대 10% 작게 평가되었다. 감육부 근처에서 유동흐름이 상대적으로 느려지기 때문에 국부적으로 작용압력 상승에 따른 것으로 판단된다. 감육 엘보우의 양향방 유체-구조 연성해석 결과, 전반적으로 감육부에서 계산한 등가응력은 구조해석 또는 유체-구조 연성해석 기법 차이에 따라 미미한 영향을 받는 것으로 판단된다. 따라서 구조해석 기법만을 적용하여 감육 엘보우의 건전성평가를 수행하더라도 실제 유동조건을 고려한 경우와 큰 결과 차이가 없을 것으로 사료된다.

    (2) 형상변화를 고려한 엘보우의 신뢰성평가
    형상변화를 고려한 엘보우의 신뢰성평가를 수행하기 위하여, 3차원 유한요소해석을 이용하여 굽힘각 변화에 따른 감육 엘보우의 한계압력을 평가하였으며 이를 바탕으로 한계압력 평가식을 개발하였다. 또한 내압, 내평면/외평면 굽힘모멘트의 변화에 따른 엘보우의 한계하중 평가를 수행하였다.
    3차원 한계하중해석을 수행한 결과, 동일한 감육 각도, 길이, 굽힘각을 갖는 경우, 감육깊이 변화에 따라 한계압력은 최대 40% 감소하였으며 내평면/외평면 한계모멘트 변화는 미미하였다. 동일한 감육 각도, 깊이, 굽힘각을 갖는 경우, 감육길이 변화에 따라 한계압력은 최대 20% 감소하였으며 내평면/외평면 한계모멘트 변화는 미미하였다. 동일한 감육 깊이, 길이를 갖는 경우, 감육각도가 커짐에 따라 굽힘각 변화에 관계없이 한계압력은 최대 14% 감소하였다. 또한 내평면 굽힘모멘트가 작용하는 경우 굽힘각 φ=π/4에서 내평면 한계모멘트가 다른 경우에 비하여 최대 8% 큰 값을 가졌으며, 외평면 굽힘모멘트가 작용하는 경우 굽힘각 변화에 관계없이 감육각도가 커짐에 따라 한계모멘트는 최대 7% 감소하였다.
    또한 동일한 감육길이에 대하여 감육깊이가 증가함에 따라, 각각의 굽힘각에 대한 한계압력 값은 감육각도가 증가함에 따라 최대 50% 감소하였다. 3가지 감육부 형상변수인 감육 깊이, 길이, 각도를 고려하여 수행한 유한요소해석 결과를 바탕으로 감육 엘보우의 한계압력을 예측할 수 있는 평가식을 제안하였다.

    (3) 감육배관의 확률론적 신뢰성평가
    감육배관의 확률론적 신뢰성평가를 수행하기 위하여 확률론적 파괴역학에 기초한 신뢰성평가 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 다양한 하중형태에 따라 원자력발전소 2차 계통 및 가스플랜트 감육배관의 파손확률을 평가하였다. 또한 감육배관 파손 방지를 위하여 다양한 하중형태에 따라 적정 신뢰도 기준을 제안하였으며, 이를 현장 문제에 적용하여 신뢰성평가 기준의 타당성을 검토하였다.
    1차/2차 신뢰도지수법, 일반 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 확률론적 배관 신뢰성평가를 수행할 수 있는 프로그램을 구성하였다. 개발된 프로그램을 활용하여 내압, 굽힘모멘트 그리고 복합하중이 작용하는 감육배관의 파손확률을 계산하였다.
    감육부에 복합하중이 작용하는 경우, 작용 굽힘모멘트의 크기가 작을수록 파손확률 평가결과에 내압 효과가 크게 반영되었다. 하지만 굽힘모멘트의 크기가 소성붕괴모멘트에 가까워짐에 따라, 파손확률 평가결과에 미치는 굽힘모멘트의 영향이 보다 지배적이었다. 주요 확률변수에 대한 민감도를 분석하여 각 변수가 감육배관의 파손확률에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 원자력배관의 경우 감육깊이와 인장강도의 영향이 가장 크게 나타났으며, 가스배관의 경우 인장강도의 영향이 가장 크게 나타났다. 또한 내압, 굽힘모멘트, 복합하중이 작용하는 감육배관의 파손 방지를 위하여 적정 신뢰도 기준 3.0을 제안하였다. 원자력배관의 경우, 감육비가 0.5, 0.8에 대하여 한계하중조건은 각각 임계 내압과 굽힘모멘트의 75, 50%로 평가되었다. 가스배관의 경우, 한계운전조건은 임계 내압과 굽힘모멘트의 66 ~ 80%로 평가되었으며, 이는 가스배관의 운전 및 신뢰성평가 기준으로 활용될 수 있다.
  • Index terms
  • 신뢰성평가, 감육배관, 유체-구조 연성해석, 전산유체역학, 한계해석, 엘보우, 오리피스, 신뢰도지수, 몬테카를로 시뮬레이션
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