1. 개요
1. 오늘은 배관응력해석에 있어 필요한 정보에 대해서 구체적으로 말씀드리도록 하겠습니다. 선행에서 정의된 Line Line List, Piping Material Specificaiton (PMS)에 ITB SPEC.에 있는 발주처의 입찰 문서에 존재하는 주요 내용에 대해서 정리하도록 하겠습니다. Stress 담당자는 ITB SPEC. 이 접수되면 주요 KeyWord (Stress, Allowable...)을 중심으로 문서를 검색하면서 특이사항이 있는지 확인을 합니다. 이러한 분석 작업을 통해서 Stress 해석이 필요한 각종 Parameter를 정리하고 특이한 내용은 도면 담당자와 공유하여 향후에 있을 혼선을 방지해야 합니다. 또한 Steam Turbine Generator (STG) 설치시 Vendor에서 요구하는 Test (Arm Load Test, Pipe Load Test)가 있는지 확인해야 합니다. 시공 내용을 왜 Stress 담당자가 챙겨야 하는지 이상하게 생각하실 수 있겠습니다만, 촉박한 시공 일정 속에서 이러한 내용이 Issue 되면 결국 설계에서 누군가가 정리를 하기에 마리 내용을 파악하고 있으면 대응할 수 있는 시간이 확보할 수 있습니다.
2. 또한 특이한 요구 사항이 나오면 발주처에 질의를 하여 그들의 의도를 파악하고, 그 정도를 낮추는 작업이 필요합니다. 물론 처음
에는 잘 먹히지 않습니다만, 기술적인 자료와 그들이 요구하는 방법 대신 다른 저렴한(?) 방법을 제안해서 Accept를 얻으면 그만큼 공사비와 시간을 절감할 수 있다. (발주처 SPEC. 은 꼼꼼하게 확인해야 합니다.) 발주처 SPEC. 을 읽으면서 가장 중요한 Design Parameter는 온도 조건일 것입니다. 보면 SPEC.에는 온도 조건이 Table 형태가 아닌 구문을 나열하는 형식으로 되어 있는데 우리는 이것을 다음과 같이 Table로 만들어서 다른 작업자와 공유하고, Stress SPEC. 을 작성 시 Table 화하여 발주처 승인을 받아야 합니다.
3. 배관응력해석을 쉽게 표현한다면 재료에 대한 열 해석입니다. 따라서 온도 조건에 대해서는 명확하게 정리하여 발주처와 이견이 없도록 해야 합니다. 온도조건에 이어 중요한 것은 좌표계(Coordinate) 입니다. 배관은 ISO Standard 기준으로 통용되고 있으나, 기계, 토목에서 사용하는 좌표계와 동일하지 않기 때문에 Equipment Nozzle과 배관이 같이 표현되면 도면에서는 많은 주의가 필요합니다. Stress ISO 도면에 장치 Model을 표기하면 좋은데, 잘못된 방향으로 표기하면 Nozzle에 발생되는 Displacement를 잘못 해석하여 엉뚱한 Stress 검토가 이루어집니다. 따라서 Stress 담당자는 혼선이 발생하지 않도록 주의해야 합니다. (다시 말씀드리지만, 번거롭더라도 Stress ISO에 Equipment 형상과 Nozzle의 Displacement를 표기하는게 좋습니다. 먼 훗날 누군가가 도면만 보고 Follow-up을 할때, 초기 담당자의 숨막히는 배려를 생각할 것입니다.)
4. 점검 항목
1) 단위 (Unit)
단위는 발주처의 SPEC.에 명시된 것을 반드시 따라야 합니다. 각사마다 선호하는 Unit이 있습니다만, 이런 것으로발주처에 문의하는 것은 시간 낭비입니다.
2) 압력 (Pressure)
저의 같은 경우 발전공사에서는 Operating Pressure, Design Pressure를 적용하고, 화공공사에서는 Design Pressure만 고려합니다. (저의 소견으로는 발주처나 O/E의 Comment가 없다면 Design Pressure만 고려하여 Load Case를 줄이는게 바람직합니다.) 또한 내압에 의한 설계는 이미 Pipe Wall THK.에서 고려하기 때문에 적용하지 않습니다. 또한 수압시험 (Hydro Test Pressure)는 Design Pressure의 1.5배로 반영합니다.
3) 지진 (Seismic Loads)
발주처에서 반드시 요구하는 사항으로 중력지반 가속도(Acceleration of Gravity)를 배관 System에 적용하는 것으로 일정한 Factor를 곱하는 형태입니다. 적용되는 Code는 ‘UBC’로 Zone을 5개로 구분합니다. 발주처 SPEC.에 명시되 있습니다. Stress SPEC. 작성시 값을 명기하여 발주처 승인을 받으면 됩니다.
4) 풍하중 (Wind Loads)
Seismic Load와 더불어 Occasional Case를 적용합니다. 통상 Wind 역시 발주처 SPEC.에 명시가 되어 있어 높이 10m 마다 구분하여 Caesar2에 Setting 합니다. Setting 하는 방법에 대해서는 다음 기회에 Posting 하겠습니다. (지진과 풍하중은 동시에 고려하지 않는 것으로 Code에 명기되어 있습니다.)
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Parameter
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Value
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Remark
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Location
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Costal Arabian Gulf
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MAX. ambient
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50 ℃
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MIN. Ambient
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6.1 ℃
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Average Ambient
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30 ℃
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Stress PKG. 반영
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MAX. Sun Radiation TEMP.
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75 ℃
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실외 Line 은 반드시 반영
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Win Design MAX. Wind Gust
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42.7 m/s
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Annual Rainfall
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86 mm
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5) 지진 (Seismic loads)
지진 해석은 엄밀히 말해서 Synamic Analysis에 들어가나, 일반적인 배관응력해석에서는 Static Analysis로 대체하는게 일반적입니다. (이러한 내용은 발주처도 알고 있기 때문에 무리한 요구도 없으며, 특별한 요구가 없더라도 내부적으로 반드시 확인할 내용입니다.) Static Analysis라고 해서 특별한 것이 아니라, 중력가속도 (Acceleration Gravity)를 배관 System에 전체적으로 적용하여 일정한 Factor로 반영하는 형태입니다. 대부분 적절한 Guide를 잡아준다면 해결되는 내용입니다.
적용되는 Code는 UBC이며, 지진 발생 Area를 Zone으로 나누어 구분하여 있습니다. (우리나라는 Zone-2에 해당되며, Znoe-1 인 경우 지진이 발생하지 않는다고 합니다.) Ceasar2에는 "g" Load로 반영하는데 발주처 SPEC.에 명기가 되어 있어 특별한 이견이 없습니다.
6) 풍하중 (Wind Loads)
풍하중 역시 Occasional Case로 적용됩니다. Wind의 최고 속도는 발주처 SPEC.에 나오며, Ground Level을 기준으로 10m 기준으로 Caesar2에 반영하고 있습니다. Load Case에 대해 Seismic loads 와 Wind Loads를 조합하지 않는데 이 부분에 대해 고참께 여쭤본 적이 있었습니다. 멋진 답변을 받았는데 "Wind와 Seismic 이 동시에 발생되는 경우는 성서에서나 나오는 재앙이니 이러한 것은 발생하지 않는다고 보고 해석해야 한다. 우리는 현실적으로 업무를 해야 한다."라고 하셨습니다. 지금 돌이켜 생각해보면 불필요한 과도한 해석은 우리 스스로 힘들게 한다고 생각이 되는군요.
7) 기타 Occasional Case
Occasional Case는 Code에서 규정하고 있는 Primary Stress (Sustained Stress)나 Secondary Stress (Thermal Expansion Stress)에 포함되지 않는 것으로 단어 뜻 그대로 항상 발생하지 않는 Case입니다.
이러한 Occasional Case에는 무엇이 더 있을까요?
PSV V/V Reaction Force, Steam Hammering / Surge Anslysis, Vibration 등이 있으며, 발전 또는 화공공사에 따라 발주처나 O/E가 요구하고 있습니다. 대부분 EPC사에서는 이러한 내용을 잘 알고 있으며, 각 사마다 이를 계산하는 방법과 발주처 대응에 대한 Method가 있습니다. Stress Engineer 입장에서는 상당히 부담스러운 해석입니다만, 발주처를 대응하면서 이러한 해석을 한다면 회사에는 반드시 필요한 존재가 될 것입니다. (발주처나 특히 발주처가 고용한 Stress Specialist를 상대할 수 있어야 합니다. 정말 어렵습니다만, 경험이 쌓이면 업계에서 특별한 존재가 될 것입니다.)
PSV V/V Reaction Force는 Vendor Data에 있는 Value를 사용하며, Vendor Data가 미확정인 경우 유사 공사의 자료를 확인합니다. Main Steam, Hot Reheat에서 발생될 수 있는 Steam Hammering 같은 경우에는 Snubber를 사용하는데, 저 같은 경우 Excel Sheet로 계산된 하중에 DLF (Dynamic Load Factor)를 2.5배 반영하여 대응하고 있습니다. (생각보다 Steam Hammering 하중이 큽니다.) 현장에 가서 보면 Snubber가 파손된 경우를 종종 보게 되는데 그대로 방치하면 훗날 재앙으로 돌아올 것입니다.
Pipe Insulation인 경우 Thinkness는 Line List에 명기되어 있으며, 밀도에 대한 혼란이 없어야 합니다.
Calcium Silicate : 220 kg/m3이며, Mineral Wool : 160 kg/m3이며, Stress SPEC.에 명기하여 발주처 승인을 받습니다.
그외 유체 밀도는 화공공사인 경우 Line List에 명기되어 있으며, 발전공사에서는 사내 자료를 활용합니다. Design Parameter for Piping Stress 내용은 이것으로 마무리하겠습니다.
감사합니다.