도시가스사업은 지난 20여년간 양적으로 많은 성장을 이뤘으나 가스를 수송하는 주요 수단인 배관은 노후화로 인해 그 안전성이 위협받고 있는 실정이다. 이러한 배관 중 노출배관은 그 특수성으로 말미암아 더욱 안전성이 필요하다.
최근 삼천리기술연구소가 노출배관 및 매설배관의 응력을 평가해 안전성을 진단할 수 있는 ‘도시가스 공급관 안전성 평가 시스템’을 개발했다. 지면을 통해 이를 소개하고자 한다. - 편집자 주
서 론
석유나 가스 등 유체를 수송하는 배관은 가동 중에 내압, 토압, 차량 하중, 지반의 부등 침하 등 다양한 외력을 받고 있다. 이러한 외력들은 배관의 손상을 일으키는 주요한 요인이 되며, 특히 교량 등에 노출되어 있는 상태로 설치되어 있는 공급배관의 경우에는 그 환경의 특수성으로 말미암아 더욱 다양한 외력에 취약하다.
이와 같이 예측했던 또는 예측하지 못했던 외력에 대해 배관의 안전성을 확보하기 위하여 배관에 발생하는 응력이 그 배관의 허용 응력에 비하여 충분히 작게 되도록 설계해야 하며, 외국의 경우에는 미국 ANSI, ASME 및 일본 JIS 코드 등에 준하여 설계를 수행하고 있다.
그러나 배관 주변의 지하수 유입 등으로 인하여 발생되는 지반 침하 등에 대해서는 정량적인 예측이 어려우며, 추측에 의한 방법으로 현저한 부등 침하에 대한 대비를 수행할 뿐이다. 따라서 해당하는 외력이 발생하는 배관계의 응력 상태를 평가하고, 그 응력 부하 수준을 해소할 필요가 있다.
본 론
내압, 토압 및 지반 침하와 같은 응력이 배관에 작용할 경우, 외국에서는 작용하는 응력에 대해 컴퓨터 시스템을 이용한 해석을 통해 평가하는 것이 일반적이지만 국내에서는 각 현장의 상황에 맞추어 그때 그때 즉석으로 대처하고 있는 실정이다. 이러한 국내 현실을 고려하여 배관에 작용하는 응력에 대하여 정확한 해석을 통한 정량적인 평가를 수행하여 배관 안전성을 확보하고자 본 시스템을 개발하게 되었다.
일반적으로 배관에 작용하는 응력을 해석적인 방법으로 평가할 때 굽힘하중, 인장하중, 뒤틀림 등에 의한 복합적인 응력 상태가 형성되는 경우(현실에서의 부등 침하)에는 그 발생하는 응력을 정밀하게 수시로 측정하는 것은 곤란하다.
따라서 작용하는 응력을 평가할 때는 대상을 파손시키지 않는 비파괴 수법으로 진단을 수행하게 되는데 이때, 컴퓨터를 이용한 수치해석적 방법, 자왜효과(磁歪效果)를 이용한 자화식 응력 측정법 및 응력에 의한 변형률을 측정하여 대상의 응력을 확인하는 변형률 측정 방법 등을 사용한다.
그러나 이러한 방법들은 모두 단독적으로 수시로 작용 응력을 평가하는 것이 매우 어렵기 때문에 국외 선진 연구원 등지에서는 각 방법들을 조합한 새로운 기술로 대상물에 대한 응력 등을 측정하여 평가하는 기법을 개발하여 활용 중에 있다.
미국 NASA에서는 HiL(Hardware in the Loop) 방법을 개발하였는데 이는 실제 대상물 전체의 응력을 측정하기 어려우므로 전체 대상 중 일부 형상 변형 등이 큰 부분 등의 실제 응력을 변형률 측정 방법으로 측정하고, 그 외의 부분은 컴퓨터를 이용한 수치해석적 방법으로 응력을 예측하는 기법이다. 또한, 일본 Tokyo Gas 기술연구소에서는 또 다른 시도로서 컴퓨터를 이용한 수치해석과 자화식 응력 측정법을 조합한 기법으로 대구경 배관의 응력을 측정하는 기법을 개발하였다. 이 방법은 대상(대구경 배관)의 측정이 쉬운 부분에 대하여 최소한의 응력 측정만으로 광범위의 응력을 높은 정밀도로 평가 할 수 있는 새로운 비파괴 응력 평가 시스템이다.
이에 당사에서는 가스 공급관 즉, 노출된 상태의 배관 및 매설된 상태의 배관 안전성을 확보하기 위해 일본 TG 기술연구소에서 개발한 ‘비파괴 응력 평가 시스템’을 기본으로 하여 국내 현실에 맞는 ‘도시가스 공급관 안전성 평가 시스템’을 개발했다.
배관의 응력 평가 시스템이란
당사 기술연구소에서 이번에 개발한 시스템의 안전진단 기법은 컴퓨터를 이용한 수치해석과 스트레인 게이지를 이용한 실제 응력 측정법 등을 이용한다.
컴퓨터를 이용한 수치해석에는 일반적으로 유한요소법(Finite Element Method:FEM)을 사용하며 대부분 간단한 빔(Beam) 모델을 이용해 해석을 수행한다. 그러나 작용하는 응력의 수준이 높아지는 경우 엘보우와 같이 응력 집중이 예측되는 부분에 대해서는 실제의 배관 형상을 충실하게 모델화해야 한다. 따라서 당사 기술연구소는 쉘 요소(shell element) 및 솔리드 요소(solid element)를 사용해 응력 해석을 수행했다.
쉘 요소 및 솔리드 요소를 사용하여 응력을 해석할 경우, 응력 집중 계수에 대한 보정이 필요 없으며 부재의 어느 위치에 대한 상세한 응력 성분을 알 수가 있다. 그러나 유한요소법을 이용한 수치해석은 해석 모델의 작성 및 해석 조건의 설정에 대해 대부분 가정을 동반하기 때문에 해석 결과에 대한 정밀도가 충분하지 않은 경우가 있다.
따라서 해석 결과에 대한 정밀도 및 정확한 결과를 얻기 위해서 스트레인 게이지를 이용하여 실제 대상의 응력을 측정하여 해석 결과를 보정한다. 본 시스템에서 채용한 실제 응력 측정법은 스트레인 게이지를 이용한 방법이다. 스트레인 게이지의 원리는 다음과 같다.
전기 전면을 베이스(base)에 가느다란 저항선을 고정시킨 후 베이스를 측정하고자 하는 구조물에 접착한다. 이로써 측정하고자 하는 구조물에 발생하는 변형률은 변형률 베이스를 경유하여 게이지용 저항선에 전달되고 늘어나든가 줄어들든가 한다. 이로 인해 저항선은 전기 저항의 변화를 가져오게 한다. 즉 물리적인 변화량을 전기적인 변화량으로 변환하여 간접적으로 측정하는 결과가 된다.
여기에서 물리적인 변형량과 저항 변화 사이에는 일정한 관계식이 성립되며 계측기를 이용하여 저항 값의 변화를 정확히 측정하여 작용하는 상태의 표면에서 일어나는 물리적인 변화량인 변형률 값을 쉽게 계산하고, 이를 이용하여 응력의 상태를 파악하는 방법이다.
스트레인 게이지를 이용한 실제 응력 측정법은 비파괴 응력 측정법이다. 이는 대상을 파괴하지 않는 만큼 금액적인 이점은 있으나, 대상 전체에 대한 응력을 측정하고자 한다면 많은 시간이 소요되며, 주변의 환경에 민감한 영향을 받는다는 단점이 있다. 본 시스템은 구체적으로 3개의 단계로 구성되어 있다.
· 제1단계 : Pre-analysis
제1단계는 교량에 설치 되어 있는 배관에 대하여 배관 도면, 기초 데이터, 지반 부등 침하 데이터 등 현재의 정보를 기초로 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/Standard를 이용해 해석을 수행하는 Pre-analisys 단계이다. 해석 결과는 수치 뿐만 아니라 사진2와 같은 응력의 수준을 표시할 수 있는 그림으로 출력하는 것이 가능하며 모니터 등의 출력장치를 통하여 변형 모드, 응력 분포를 확인할 수 있다.
본 시스템에서는 해석은 배관에 대한 설계 데이터 및 실제 현장에 대한 데이터를 이용하여 수행하고 있으며그 주요 고려 조건은 내압, 토압, 자중, 차량에 의한 하중, 바람에 의한 하중, 눈에 의한 하중, 온도변화에 의한 하중 및 지진하중 등 총 8가지이다. 적용되는 주요 고려 조건은 사단법인 일본가스협회에서 발간한 ‘본지관 설계지침’ 및 한국가스안전공사에서 발간한 ‘교량 등에 설치하는 배관의 세부 기술 기준’에 준하여 결정하였다. 각 주요 고려 조건에 대한 상세 설명 및 산출식은 다음과 같다.
■토압(soil pressure)
Wf ＝γ×h
여기서, γ는 흙의 단위 체적 당 중량(= 0.002 kgf/cm3), h는 배관의 매설 깊이
■바람에 의한 하중(load by wind)
바람에 의한 하중은 노출된 배관에 대하여 측면에 수평으로 작용하며 일본도로협회에서는 ‘도로교설계기준’에 150kgf/m2로 규정되어 있다.
■눈에 의한 하중(load by snow)
눈에 의한 하중은 노출된 배관에 수직으로 작용한다.
■온도변화에 의한 하중(thermal load)
온도변화에 의한 하중은 배관이 외부기온의 영향을 받을 경우에 적용한다. 즉 노출되어 있는 배관에는 온도변화에 의한 하중이 작용하여 작용하는 온도의 측정이 가능한 경우에는 해당 최고 온도와 최저 온도의 변화폭을 적용한다. 온도변화에 따른 길이 변화는 다음과 같은 식으로 정의될 수 있다.
δ=α(△T)L
여기서 a는 배관재질의 선팽창계수, △T는 온도변화의 폭이다.
특히 온도변화에 의한 하중은 노출배관에 있어 매우 중요한데 이는 배관이 온도에 의해 신축할 때 배관 외부를 서포트 등으로 고정한다면 파손에 이를 수 있는 응력을 받기 때문이다. 따라서 배관을 신축할 수 있게 설치 하는 것은 매우 중요하며 일반적으로 도시가스 노출배관의 평균 길이인 50m의 경우, 약 3.6cm의 배관 신축이 발생한다.
■지진하중(seismic load)
지진에 의한 하중은 배관에 수직 및 수평 방향으로 작용한다. 실제로 지진하중의 경우 배관에 불규칙적으로 작용하며, 수치화 하기가 상당히 어렵다. 그러나 본 연구에서는 한국가스안전공사에서 발간한 ‘교량 등에 설치하는 배관의 세부 기술 기준’에 명시되어 있는 간략화 된 수치를 적용했다. 이 기준에 의하면 지진하중은 배관 자중에 지진 응답계수를 곱하여 산출한다.
Ws = 배관 자중 × 지진응답계수(Cs)
지진응답계수(Cs)는 다음 식으로 표현된다.
Cs= 1.2AS
T2/3
여기서, A는 가속도계수(지진구역계수×위험도계수), S는 지반계수, T는 교량주기이다.
‘교량 등에 설치하는 배관의 세부기술 기준’에 의하면 최대 지진응답계수는 0.3으로 명시되어 있다. 따라서 본 시스템에서는 지진하중의 크기를 배관 자중의 30%로 적용하며 한국가스안전공사에서 발간한 ‘교량등에 설치하는 배관의 기술 기준’에 지진하중을 계산하는데 필요한 지진구역계수, 위험도계수 및 지반계수를 표기하고 있다.
이와 같은 방법으로 1단계 Pre-analysis를 수행한 후 발견된 응력 취약 부위에 대하여 실제 응력을 측정한다.
· 제2단계 : Measuring stress by strain gage
제1단계 Pre-analysis의 결과를 바탕으로 응력의 발생이 현저하거나 특징적인 응력의 분포를 보이는 부위를 중심으로 스트레인 게이지를 이용하여 실제 응력 측정을 수행한다. 측정은 배관의 축방향 및 원주방향에 대하여 연속적으로 수행하여 그림 8과 같은 배관 표면의 응력 분포를 구한다.
현재는 측정용 스트레인 게이지를 배관의 표면위에 부착하여 수동으로 응력을 측정하고 있지만 향후 측정 데이터의 정밀도 및 작업효율의 향상을 위해 자동 스트레인 게이지 측정 로보트에 대하여 연구를 수행할 예정이다.
· 제3단계 : Modified-analysis
제3단계는 1단계에서 얻어진 결과와 2단계에서 측정한 실제 응력 측정 데이터를 비교, 검토하여 해석 결과가 실측치에 일치하도록 해석의 조건을 수정하여 해석을 수행하는 Modified-analysis 단계이다.
배관 단면에 대한 응력 분포를 Pre-analysis 결과와 실측 데이터를 비교하면 대체적으로 분포 경향은 일치하나 절대치가 정확하게 일치하지 않는다. 따라서 해석의 조건인 배관계의 수직 방향 침하 외에 수평 방향 이동, 경계조건 등을 수정하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/Standard로 재해석을 수행하고 실측 데이터와 접근하도록 해석 결과를 얻는다.
이러한 해석 조건의 수정은 응력 분포의 경향이 측정치에 접근하도록 하는 측면과 강도적으로 문제가 되는 응력 수준을 일치하게 하는 것이다. 이 두가지에 대해 다음과 같은 3가지 해석 조건(기초 구속 조건, 침하봉 간의 침하 분포 형상, 배관의 수평 방향 이동 고려)을 변경시키면서 재해석을 수행한다.
결 론
본 연구에서 개발한 시스템은 현장을 고려한 비교적 정확하고 정량적인 안전성 평가를 수행할 수 있는 시스템이다.
본 시스템은 금년에는 노출배관을 중점으로 시스템 적용 시험을 수행할 예정이며 이후 매설배관까지 확대 적용할 예정이다.
현재 현장 적용 시험을 수행중이며 지금까지 도출된 결과는 다음과 같다.
첫째, 현재 도시가스사업법상에 제시되어 있는 노출된 배관의 관경 당 지지대의 개수는 관경이 32mm이상일 경우 3m당 1개씩 설치하도록 되어 있다. 그러나 실제 시공된 배관의 경우 그 지지대는 제시된 조건보다 많이 설치되어 있는 실정이며 이는 실제 배관이 직사광선 및 계절의 변화에 따른 신축을 자유롭게 행할 수 없게 하는 주요한 장애 요인 중 하나이다. 따라서 적정한 노출배관 지지대의 개수를 산출하는 것을 고려할 필요가 있다.
둘째, 매설부에서 노출부로 변경되는 부분에는 배관 신축을 흡수할 수 있는 엘보우 등을 설치하여 배관 안전성에 만전을 기해야 한다.
차후 본 시스템을 적용하기 위해서는 불확실한 요소가 대부분인 매설 연약 지반 토압의 영향, 건설 차량 등 차량하중의 영향, 온도변화에 의한 배관 신축 등 이후 검토해야 할 과제가 여러가지 있다.
또한 본 시스템은 대부분의 현장 적용을 통한 평가 방법의 know-how를 축적해 나아가는 것이 필요하며 중장기적으로 배관의 안전성 확보를 위한 현장의 지속적인 Data 확보와 평가 기법의 개선을 통하여 실용적인 시스템으로 개발할 계획이다.