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KR20160015694A - 3차원 변위측정장치에 연계된 배관 수명관리시스템 - Google Patents

3차원 변위측정장치에 연계된 배관 수명관리시스템 Download PDF

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KR20160015694A
KR20160015694A KR1020140098283A KR20140098283A KR20160015694A KR 20160015694 A KR20160015694 A KR 20160015694A KR 1020140098283 A KR1020140098283 A KR 1020140098283A KR 20140098283 A KR20140098283 A KR 20140098283A KR 20160015694 A KR20160015694 A KR 20160015694A
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전현익
하승우
김화수
황원식
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Abstract

본 발명은 3차원 변위측정장치와 연계된 배관 수명관리시스템에 관한 것으로, 3차원 변위측정장치를 통해 측정된 배관의 임의 지점에서의 시간에 따른 열응력을 연산하는 열응력 연산부; 3차원 변위측정장치 데이터를 포함하여 측정된 배관의 임의 지점에서의 기계적 하중에 의한 응력을 연산하는 기계적 응력 데이터베이스; 기계적 하중에 의한 응력을 기반으로 크리프 데이터를 산출하는 크리프 데이터 산출부; 열응력과 기계적 하중에 의한 응력으로부터 시간에 따른 주응력을 연산하고, 주응력으로부터 시간에 따른 누적 사용계수 데이터를 산출하는 사용계수 데이터 산출부; 및 누적 사용계수 데이터와 크리프 데이터로부터 배관의 수명을 예측하는 배관 수명 예측부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배관 취약부에 대한 피로 손상 및 크리프 손상의 정확한 규명을 통해 배관 수명 관리의 실효성을 현저히 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열에 의해 변하는 배관의 변위와 연계하여 열응력 및 변위를 고려한 수명 관리가 가능하다.

Description

3차원 변위측정장치에 연계된 배관 수명관리시스템{Pipe life management system related with three dimension displacement measurement system}
본 발명은 3차원 변위측정장치에 연계된 배관 수명관리시스템에 관한 것으로, 특히 화력발전소에 설치된 배관의 수명을 관리하는 시스템에 관한 것이다.
국내 화력발전소 중 30~40년 이상 가동해 온 노후화된 발전소의 증가로 이들을 위한 잔여수명 평가법이 중요하게 대두되고 있으나 대부분의 감시 및 진단을 위한 시스템은 발전기, 터빈, 보일러, 펌프 등의 설비로 국한되어 적용되고 있다.
발전소의 불시 정지를 초래하는 배관사고는 빈번하게 발생하고 있으나 발전기, 터빈, 보일러 등에 비해 수명관리를 위한 감시 및 진단을 위한 기술이 상대적으로 미비한 실정이다.
발전용 배관은 Y-piece, By-pass line, valve 등의 부품과 용접으로 연결되어 있고 고온 및 고압의 증기를 운반하므로 응력집중이 높다. 이상 변위, 크리프, 피로 손상 등에 노출되어 있어 배관사고 대부분이 해상부위에서 발생하고 있다.
기존의 수명관리시스템은 설계데이터를 근거로 건설 당시의 대상위치만으로 설치부위가 한정되어 있어 배관의 총체적인 이상 변위와 크리프, 피로 등의 응력에 의한 손상확인이 제한적이다. 또한, 배관에 누적된 피로로 재료 내부의 구조적 변형을 초래하는 균열은 그에 따른 파손의 시기를 예측하기 어려우므로 경우에 따라서는 대형사고로 발전할 수도 있다.
설비의 신뢰성을 유지하고 장기간의 수명 및 주기 동안 안전운전을 수행하기 위해서는 설비의 손상 및 수명의 평가를 통한 설비의 진단 및 관리가 설비의 수명연장차원에서 필수적인 요소이다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 미국 SI(Structural Integrity Associates, Inc)에서 1988년 응력기반 피로해석용 피로감시시스템인 FatiguePro를 개발하여 원전의 계속운전에 대비하여 왔으며, 1997년에는 시스템을 Window 기반으로 수정하여 과도상태 자동계수, 실제 운전 과도상태 기반 피로해석 및 피로 균열 성장 평가 모듈을 추가하여 원자력 규제위원회(Nuclear Regulatory Commission)로부터 인허가를 취득하였다. FatiguePro는 원전의 계속운전 허가가 승인된 미국 45곳, 대만 6곳, 스페인 3곳, 한국 1곳(고리 1호기)에서 각각 상용화되고 있다.
이밖에도 미국 Westinghouse에서는 Westems, GE에서는 GEFMS, 프랑스 EDF에서는 Fatiguemeter, Framatom에서는 OTMS 그리고 독일 Siemens/KWU에서는 FAMOS를 개발하였다. 하지만, 국내에서는 배관 취약부에 대한 피로 및 크리프 손상의 정확한 규명을 위한 현장 실무자용 프로그램 개발연구는 시도된 적이 없으며, 일부 화력발전소에는 열응력 모니터링 시스템을 적용하고 있지만 배관 수명 관리측면에서의 실효성은 현저히 저하된다. 또한, 기존에 개발된 배관 수명 평가 시스템은 열에 의해 변하는 배관의 변위와는 연계가 되지 않는 시스템으로 미시적(열응력)/거시적(변위) 관점을 연계하여 모니터링하는 수명관리시스템과는 차이가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 배관 취약부에 대한 피로 손상 및 크리프 손상의 정확한 규명을 통해 배관 수명 관리의 실효성을 현저히 증가시킬 수 있는 배관 수명관리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 열에 의해 변하는 배관의 3차원 변위와 열응력 및 변위를 고려한 배관 수명관리 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 변위측정장치를 통해 측정된 배관의 임의 지점에서의 시간에 따른 열응력을 연산하는 열응력 연산부; 기계적 하중에 의한 응력을 기반으로 크리프 데이터를 산출하는 크리프 데이터 산출부; 열응력과 기계적 하중에 의한 응력의 합으로부터 시간에 따른 주응력을 연산하고, 주응력으로부터 시간에 따른 누적 사용계수 데이터를 산출하는 사용계수 데이터 산출부; 및 누적 사용계수 데이터와 크리프 데이터로부터 배관의 수명을 예측하는 배관 수명 예측부를 포함하고 3차원 변위측정을 연계하여 배관 수명관리시스템을 제공한다.
여기서, 열응력은 시간에 따라 배관 벽면에 발생한 온도 구배에 따른 응력이다.
또한, 열응력은 온도 구배에 따른 응력을 시간에 따라 수치 적분하여 연산된다.
또한, 열응력은 배관의 대류 열전달 계수에 따라 변한다.
또한, 기계적 하중에 의한 응력은 운전압력값과 모멘트값의 곱이다.
또한, 기계적 하중에 의한 응력은 화력발전소가 정상운전되는 경우 화력발전소에 설치된 배관의 탄성 최대 응력이다.
또한, 사용계수 데이터 산출부는 시간에 따른 주응력의 교번주기를 카운팅하여 사용계수를 연산하고, 시간에 따라 사용계수를 누적하여 누적 사용계수 데이터를 산출한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 배관 취약부에 대한 피로 손상 및 크리프 손상의 정확한 규명을 통해 배관 수명 관리의 실효성을 현저히 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열에 의해 변하는 배관의 변위를 고려하고 열응력 및 변위를 고려한 수명 관리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 변위측정을 이용한 배관 수명관리시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 서버의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 변위측정을 이용한 배관 수명관리시스템에서 클라이언트 단말기의 모니터링 화면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관의 임의 지점에서 시간에 따른 열응력을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 기계적 하중에 의한 응력을 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 변위측정을 이용한 배관 수명관리시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 3차원 변위측정을 이용한 배관 수명관리시스템은 적어도 하나의 3차원 변위측정장치(110, 120, 130), 서버(200) 및 적어도 하나의 클라이언트 단말기(310, 320, 330)를 포함한다.
적어도 하나의 3차원 변위측정장치(110, 120, 130)는 서로 RS-232 통신으로 연결되어 있고, 이 중 하나의 3차원 변위측정장치(130)에는 서버(200)가 RS-232 통신으로 연결되어 있다. 도 1에서는 맨 아래에 도시된 제3 3차원 변위측정장치(130)에 서버(200)가 연결된 것을 나타내고 있지만 이것은 일 예에 불과한 것으로 다른 3차원 변위측정장치(110, 120)에 서버(200)가 연결될 수 있다. 또한, 도 1에는 3대의 3차원 변위측정장치(110, 120, 130)를 도시하였지만 이것도 일 예에 불과한 것으로 그 대수는 특정한 대수로 한정되지 않는다.
서버(200)는 TCP 통신으로 스위치(10)를 통해 제1 클라이언트 단말기(310)와 제2 클라이언트 단말기(320)에 연결되어 있고, TCP 통신으로 인트라넷(intranet)을 통해 제3 클라이언트 단말기(330)에 연결되어 있다. 제3 클라이언트 단말기(330)는 서버(200)에 원격으로 연결된 클라이언트 단말기이다. 여기서, 스위치(10)를 통해 연결된 클라이언트 단말기 및 인트라넷(30)을 통해 연결된 클라이언트 단말기의 대수는 특정한 대수로 한정되지 않는다.
도 2는 도 1의 서버의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 서버(200)는 열응력 연산부(210), 기계적 응력 데이터베이스(220), 크리프 데이터 산출부(230), 사용계수 데이터 산출부(240), 배관 수명 예측부(250)를 포함한다.
열응력 연산부(210)는 3차원 변위측정장치를 통해 측정된 배관의 임의 지점에서의 시간에 따른 열응력을 연산한다. 3차원 변위측정장치는 공지된 것으로 대한민국 공개특허 제2005-0023980호 또는 제2005-0069222호에 상세히 개시되어 있으므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다. 배관은 일 예로 화력발전소의 주증기 또는 재열증기와 같은 배관계통의 배관일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 도 1에서 설명된 클라이언트 단말기에서 3차원 변위측정장치를 모니터링하는 경우 도 3과 같은 화면을 볼 수 있다. 도 3에서 파란색, 노란색, 빨간색은 각각 화력발전소의 Main steam, Hot reheat, Cold reheat Line이고 No.로 도시된 장치가 3차원 변위측정장치의 위치이다. 도 4에 도시된 바와 같은 배관의 임의 지점에서 시간에 따른 열응력은 수학식 1과 같이 연산된다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서,
Figure pat00002
는 배관의 임의 지점에서 시간 t에서의 열응력이고,
Figure pat00003
는 배관의 임의 지점에서 시간 t에서의 그린함수이며,
Figure pat00004
는 온도변수
Figure pat00005
를 갖는 배관 유체부의 경계온도이다. 수학식 1을 참조하면, 열응력은 시간에 따라 배관 벽면에 발생한 온도 구배에 따른 응력이고, 온도 구배에 따른 응력을 시간에 따라 수치 적분하여 연산됨을 알 수 있다. 열응력은 배관의 대류 열전달 계수에 따라 변한다.
기계적 응력 데이터베이스(220)는 3차원 변위측정장치를 통해 측정된 배관의 임의 지점에서의 기계적 하중에 의한 응력을 연산한다. 기계적 하중에 의한 응력은 화력발전소가 정상운전되는 경우 화력발전소에 설치된 배관의 탄성 최대 응력이다. 기계적 하중에 의한 응력은 화력발전소의 운전압력값과 모멘트값의 곱으로 나타내거나 도 3을 참조하여 수학식 2와 같이 연산될 수도 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006

여기서,
Figure pat00007
는 배관의 임의 지점(A)에서 시간 t에서의 기계적 하중(
Figure pat00008
)에 의한 응력이고,
Figure pat00009
은 배관 반경(
Figure pat00010
) 방향의 임의 지점에서 시간 t에서의 기계적 하중이며,
Figure pat00011
은 배관 내벽의 두께이다. 도 3에서
Figure pat00012
는 시간 t에서의 경계온도이다.
크리프 데이터 산출부(230)는 기계적 응력 데이터베이스(220)에서 연산된 기계적 하중에 의한 응력을 기반으로 크리프 데이터(creep data)를 산출한다. 크리프는 물체가 일정한 변형력 하에서 시간의 흐름에 따라 천천히 변형하는 현상으로서, 온도가 높고 변형력이 클수록 그 변형은 빠르다.
사용계수 데이터 산출부(240)는 열응력 연산부(210)에서 연산된 열응력과 기계적 응력 데이터베이스(220)에서 연산된 기계적 하중에 의한 응력의 합으로부터 수학식 3과 같은 시간에 따른 주응력을 연산하고, 주응력으로부터 시간에 따른 누적 사용계수 데이터를 산출한다. 누적 사용계수 데이터 산출시 사용계수 데이터 산출부 (240)는 시간에 따른 주응력의 교번주기를 카운팅하여 사용계수를 연산하고, 시간에 따라 사용계수를 누적하여 누적 사용계수 데이터를 산출한다.
[수학식 3]
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 시간에 따른 주응력이다.
배관 수명 예측부(250)는 사용계수 데이터 산출부(240)에서 산출된 누적 사용계수 데이터와 크리프 데이터 산출부(230)에서 산출된 크리프 데이터로부터 배관의 수명을 예측한다. 즉, 누적 사용계수 데이터 또는 크리프 데이터가 클수록 수명이 적다는 것으로 예측할 수 있다. 누적 사용계수 데이터 또는 크리프 데이터는 데이터베이스화되어 저장된다.
본 발명의 3차원 변위측정장치와 연계한 배관 수명관리시스템을 통해 배관 취약부에 대한 피로 손상 및 크리프 손상의 정확한 규명으로 배관 수명 관리의 실효성을 현저히 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열에 의해 변하는 배관의 변위와 연계하여 열응력 및 변위를 고려한 수명 관리가 가능하게 된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사항 내에서 당 분야의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 스위치
30 : 인트라넷
110 : 제1 3차원 변위측정장치
120 : 제2 3차원 변위측정장치
130 : 제3 3차원 변위측정장치
200 : 서버
310 : 제1 클라이언트 단말기
320 : 제2 클라이언트 단말기
330 : 제3 클라이언트 단말기

Claims (8)

  1. 3차원 변위측정장치와 연계된 배관의 임의 지점에서의 시간에 따른 열응력을 연산하는 열응력 연산부;
    상기 기계적 하중에 의한 응력을 기반으로 크리프 데이터를 산출하는 크리프 데이터 산출부;
    상기 열응력과 상기 기계적 하중에 의한 응력의 합으로부터 시간에 따른 주응력을 연산하고, 상기 주응력으로부터 시간에 따른 누적 사용계수 데이터를 산출하는 사용계수 데이터 산출부; 및
    상기 누적 사용계수 데이터와 상기 크리프 데이터로부터 상기 배관의 수명을 예측하는 배관 수명 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열응력은 시간에 따라 배관 벽면에 발생한 온도 구배에 따른 응력인 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열응력은 상기 온도 구배에 따른 응력을 시간에 따라 수치 적분하여 연산되는 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 이용한 배관 수명관리시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열응력은 상기 배관의 대류 열전달 계수에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 하중에 의한 응력은 운전압력값과 모멘트값의 곱인 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 하중에 의한 응력은 화력발전소가 정상운전되는 경우 상기 화력발전소에 설치된 배관의 탄성 최대 응력인 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 사용계수 데이터 산출부는 시간에 따른 상기 주응력의 교번주기를 카운팅하여 사용계수를 연산하고, 시간에 따라 상기 사용계수를 누적하여 상기 누적 사용계수 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정과 연계된 배관 수명관리시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 누적 사용계수 데이터가 제1 설정값보다 큰 경우 피로 손상이라고 판단하는 피로 손상 판단부;
    상기 크리프 데이터가 제2 설정값보다 큰 경우 크리프 손상이라고 판단하는 크리프 손상 판단부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위측정장치와 연계된 배관 수명관리시스템.
KR1020140098283A 2014-07-31 2014-07-31 3차원 변위측정장치에 연계된 배관 수명관리시스템 KR20160015694A (ko)

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