1. 서 론
탄소강으로 제작된 기기 내부로 유체가 흐르면 유동가속부식(FAC : flow accelerated corrosion)이라 는 손상을 받아 두께가 점차 얇아지는 감육(wall 현상이 나타나고 결국에는 기기의 압력 thinning)
유동가속부식으로 인한 미국의 Surry 2호기 급수 관 파열사고(1,2)와 일본 미하마 3호기에서 발생한 복수관 파열사고(3) 여파로 각국의 규제기관에서
는 유동가속부식으로 인한 탄소강 기기들의 감육 관리를 보다 더 엄격히 규제하고 있다.
유동가속부식은 고온에서 탄소강 표면에 형성 되는 마그네타이트의 용해와 물질전달의 두 단계 로 진행되는 것으로 알려져 있으며, 1980년대부터 최근까지 유동가속부식을 이론적으로 예측하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.(4,5) 유동가속부 식을 이론적으로 예측할 수 있는 모델은 다수가 있다 현재까지 발표된 유동가속부식 예측 모델. 은 대부분 유체 중의 화학성분 철이온 농도차, , 배관개소(component)의 형태 등에 따라 배관개소 학술논문
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DOI:10.3795/KSME-B.2011.35.7.717
ISSN 1226-4881탄소강 배관 티에서 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감육의 상관관계
김경훈 황경모 강덕원
경희대학교 기계공학과 한국전력기술 주
* , ** ( )
Relationship Between Local Wall Thinning and Velocity Components of Deflected Turbulent Flow Inside the Tee Sections of Carbon Steel Piping
Kyung Hoon Kim * , Kyeong Mo Hwang ** and Deok Won Kang *
* Dept. of Mechanical Engineering, Kyung Hee Univ.
** Korea Power Engineering Co., Inc
(Received March 3, 2011 ; Revised April 18, 2011 ; Accepted April 18, 2011)
Key Words: Deflected Turbulent Flow(편향 난류유동), Flow Accelerated Corrosion(유동가속부식), Local
국부감육 최소자승법
Wall Thinning( ), Least Squares Fitting( )
초록 본 연구의 목적은 국부감육이 일어나고 있는 위치들을 분석하고 그와 관련된 난류매개변수를 밝: , 혀내는데 있다 축소 제작된 배관계 티부분에서의 실험과 수치해석이 이루어졌으며 실제로 배관계 부. , 품내에서의 유동특성을 유추하기 위하여 그 결과들이 비교 검토되었다 국부감육율과 난류 매개변수간. 의 상관관계를 결정하기 위하여 급수가열기 주 배관에서의 티 부품에 대한 수치해석이 수행되었고 실, 제적인 국부감육 발생 위치를 찾아내기 위해 알칼리 금속염을 사용하여 감육 유로가시화 실험을 수행 하였으며 이를 기초로 한 난류매개 변수와 국부감육의 두께가 비교 분석되었다 이러한 결과 값 비교, . 를 통하여 얻어낸 바로는 기하학적 형태에 기인하는 배관 벽면에서의 박리로 인한 반경 방향 유속 Vr 이 국부 감육 현상과 가장 연관성이 높은 것으로 나타났다.
Abstract: The aim of this study is to identify the locations at which local wall thinning occurs and to determine the turbulence coefficients related to local wall thinning. Experiments and numerical analyses of the tee sections of different down-scaled piping components were performed and the results were compared. Numerical analyses of full-scale models of actual plants were performed in order to simulate the flow behaviors inside the piping components. In order to determine the relationship between the turbulence coefficients and the rate of local wall thinning, numerical analyses of the tee components in the main feedwater systems were performed. The turbulence coefficients obtained from the numerical analyses were compared with the local wear rate obtained from the measurement data. From the comparison of the results, the vertical flow velocity component (Vr) flowing to the wall after separating in the wall due to the geometrical configuration and colliding with the wall directly at an angle of some degree was analogous to the configuration of local wall thinning.
Corresponding Author, [email protected]
2011 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
별로 감육률을 계산할 수 있도록 제시되었으나 실제 현장에서는 대부분 국부적으로 감육이 발생 하고 있으며 이로 인하여 국소부위에서의 구멍, 발생 누설 및 파열이 발생한다, .(6) 그러나 기존의 예측 모델로는 배관개소 내에서 국부적으로 감육 이 발생하는 현상을 예측할 수 없다.
이에 따라 본 논문에서는 탄소강으로 제작된 개 별 배관개소 중에서도 특정 부위에서만 감육이 발 생하고 있다는 사실에 착안하여 국부감육에 연관된 매개변수를 찾아내고 이에 따른 상관관계를 도출하, 기 위한 연구를 수행하였다 이를 위하여 탄소강 배. 관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부감 육(local wall thinning) 상관관계 규명에 대해서 개6 컴포넌트를 대상으로 상사(similitude) 실험설비를 제 작하여 실험을 수행하고 수치해석 결과와 비교하여, 수치해석의 타당성을 검증하였다 그리고 해석모델. 과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 실, 험으로 검증된 조건으로 수치해석을 수행하였다 수. 치해석 결과로 계산된 여러 난류 매개변수를 실측 데이터로 계산한 감육률과 비교하여 연관성을 확인 하고 국부감육과 밀접한 관련이 있는 매개변수를, 도출한 후 매개변수와 국부감육의 상관관계를 도출 하였다 수치해석과 감육률의 비교는 가지 유형의. 9 개 모델에 대하여 수행하였으나 본 논문에서는
17 ,
티 모델에 대해서만 대표적으로 설명하였다.
배관 유동실험 및 수치해석 2.
실험설비 구성 및 실험 2.1
발전소 설비중에서도 탄소강으로 제작된 배관 중에서 6개 컴포넌트 종류의 티 오리피스 리듀(3 , , 서 엘보우 를 대상으로 상사설계를 수행하고 실, ) , 험설비를 제작하였다 본 논문에서는. 6개 컴포넌 트 중 분기관(branch)으로부터 유체가 들어온 후 양쪽으로 나가는 티에 대한 실험결과 만을 대표 적으로 제시한다. Fig. 1은 실험설비의 평면도를 보여주고 있다. Fig. 2는 티에 대한 형상과 국부 압력 측정을 위해 설치한 튜브 등을 보여주는 실 험장치 단면사진을 나타낸 것이다.
실험에서는 본 연구의 관심대상이 되는 배관요 소는 유동가시화를 위하여 아크릴로 제작하였으 며 나머지 배관에 대해서는, PVC 파이프로 제작 하였다 실험은 상온인. 15℃, 1기압에서 수행하였 다 실제로 현장에서의 운전조건은 이 보다 훨씬.
Fig. 1 Layout of experimental facility
Fig. 2 Configuration of tee
높은 온도이지만 온도는 국부감육의 발생 경향, 을 파악하는 본 연구의 관심대상이 아니므로 상 온에서 수행하였다 각 배관요소에 들어가는 유. 속의 설정은 티의 경우 2.75 m/s(branch)로 설정한 후 실험을 수행하였다 실험에서는 배관요소 전. 단과 측정하고자 하는 부위와의 압력차를 압력계 를 이용하여 측정하였다 정압을 측정한 이유는. 배관요소 내부의 유동분포가 국부적인 정압 차이 에 따라 결정되기 때문에 정압 차이가 수치해석 결과와 유사한 경향을 보이면 유동분포는 동일하 게 형성되는 것으로 간주해도 무방하기 때문이 다 그리고 배관 내의 유속은 피토관 또는 오리. 피스를 이용하여 측정하였다 측정된 배관별 유. 속은 수치해석 경계조건으로 활용하였다.
은 티의 후단 배관에 대한 국부 차압 측 Fig. 3
정부위를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 전단의 압력측정 부위는 Base로 나타내었으며 국, 부 측정부위(local)는 유체거동 특성에 따라 10
또는 간격으로 압력공을 설치하였다
mm 20 mm .
2.2 수치해석
실험결과와 수치해석 결과가 일치하는지의 여 부를 검토하기 위하여 수치해석 모델을 구성하였 다. Fig. 4는 티에 대하여 구성한 해석 모델 및 격자구성이다 수치해석을 위한 배관요소의 격자. 는 경계층 영향분석 결과에 따라 혼합 사면체 유 형인 Tet/Hybrid를 적용하였으며 격자 민감도 분, 석결과에 따라 티의 경우에는 208,234개의 격자 로 구성하였다 수치해석은. 3차원 정상상태 조건 으로 수행하였고 난류점성 모델은, instantaneous
식에서 유도된
Navier-Stokes RNG(Re-Normalized 을 적용하였다
Group) k-ε model .(7) 본 논문에서 대상으로 하고 있는 모델은 기하학적 형상으로 인하여 벽면에서 유체가 분리된 후 재결합하는 유동특성을 보이는 것으로 추정되므로 RNG k-ε 이 이러한 경향을 잘 예측하는 것으로 알려 model
져 있다.(8) 근접벽 처리(near wall treatment) 방식 은 가장 일반적으로 적용되는 standard wall 을 적용하였으며 수치해석에 적용된 작동 function ,
유체는 1.013×105 Pa의 물로 설정하였다 입력 경. 계조건으로 사용되는 입구 유속은 균일속도 조건 을 적용하였다 해석에 적용된 경계조건과 작동. 유체의 물성치는 Table 1과 같다.
실험 및 수치해석 결과검토 2.3
티에 대한 수치해석 결과로서 분기관에서 들어, 온 유체는 반대쪽 정면의 배관 벽면에 부딪쳐 높 은 압력을 형성시키고 주배관과 분기관이 만나, 는 부위에서는 모두 낮은 압력을 형성하였다 유. 체는 티의 중심에서 양쪽으로 갈라진 후 벽면에 부딪치고 벽면과 분리되는 형상을 보여준다.
에는 각각 티의 주배관 안쪽에서의 실험 Fig. 5
과 수치해석으로 구한 정압을 비교하여 제시하였 다 데이터 비교부위는. Fig. 3과 같다 그림에서. 볼 수 있듯이 분기관과 만나는 주배관 부위에서 형성된 부압이 하류로 가면서 점차 회복되고 있 는 형상은 실험과 해석결과가 유사하게 나타났 다.
수치해석 결과와 3.
실측 데이터 비교
수치해석은 9가지 유형의 17개 모델에 대하여
수행하였으나 본 논문에서는 티에 대한 결과만을 제시하였다.
티 모델은 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 티의 양쪽 에 리듀서가 설치되어 있는 배관형태이다.
은 전체 개로 구성한 수치해석 모 Fig. 7 429,261
델의 격자구성이다 본 연구에서는 모든 수치해. 석 모델의 격자유형을 사면체 형태로 구성하였 다 균일한 사면체 격자로 구성하더라도 격자수. 를 충분히 많게 구성하면 배관 벽면의 경계층 특 성을 충분히 반영할 수 있다고 생각하기 때문이 다. Fig. 8은 수치해석 결과로 나온 데이터의 계 산부위를 보여 준다 데이터 계산부위는 발전.
Items Units Values Remarks
Operating Fluid - Water
Density kg/m
31,000
Viscosity kg/m s 0.001139
Temperature 15
Inlet Velocity m/s 2.75 Mag. and Direction
Table 1 Boundary conditionsFig. 3 Pressure measuring points of tee
Fig. 4 Cell divisions of tee
Fig. 5 Comparison of pressure difference for tee between experiment and numerical analyses
Fig. 6 Layout of tee
Fig. 7 Cell division of tee
소의 실제 배관요소에서 초음파 두께측정을 수행 하고 있는 부위이며, 부위간 간격은 11.18 cm이고 배관요소 중심에서 반경의 95%에 해당하는 지점 이다. Table 2는 특정 발전소의 티 모델에 대한 수치해석 조건을 제시한 것이다 운전조건과 경. 계조건은 실제 발전소에서 배관이 운전되고 있는 조건에서의 값들을 적용하였다.
는 티에 대하여 수치해석을 수행한 결과 Fig. 9
로서 속도크기를 등고선 형태로 나타낸 그림이
Units Values Direction
Operating Condition - - -
- Operating Pressure MPa 9.63 -
- Gravity m/s
29.81 -y
Boundary Condition - - -
- Inlet
Velocity(Branch) m/s 5.60 +y
- Turbulence Intensity % 10 -
- Outlet Turb. Int. % 10 -
Material - - -
- Density kg/m
3831.2 -
- Viscosity kg/m s 0.000116 -
Table 2 Analysis conditions of tee
Fig. 8 Calculation points of tee
Fig. 9 Velocity magnitude profile of tee
모델에 대하여 수치해석을 수행하고 실제 초음 파 두께측정 데이터와 비교하였다 그 결과 배. , 관개소의 벽면으로 향하는 속도성분인 Vr이 모 든 모델에서 국부감육과 가장 밀접한 연관성이 있는 것으로 확인되었다 즉 배관개소의 형태. , 에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시 벽 면 으 로 향하 거 나 배 관 벽 면 을 일정 각 도 로 직접 타격하는 편향 난류유동의 속도성분이 배
Fig. 10 Comparison between Vr and WR of tee
Fig. 11 Comparison between Vt and WR of tee
관의 국부감육과 직접 연관성이 있는 것으로 확인되었다 이는 배관이나 기기 벽면에 수직으. 로 부딪쳐 유동이 정체되는 부위에서 감육이 가장 많이 발생한다는 선행연구(9,10) 결과에도 부합된다 또한 동일한 형태의 배관개소일지라. 도 유속과 전단에 설치된 배관개소의 형태에 따 라 배관벽면을 직접 타격하는 부위가 달라진다는 사실도 확인하였다.
계속해서 Vr과 감육률 사이에는 어떠한 상관관 계가 있는지를 분석하였다 이를 위하여 실측에. 의한 감육률과 수치해석 결과로 나온 Vr을 모두 추출한 후 감육률이, ‘-’로 계산되거나 Vr이 벽면 과 반대 방향으로 흐르는 데이터는 모두 삭제하 였다 그 후 실측 오류에 따른 데이터를 제거하. 기 위하여 Vr과 감육률 사이의 오차가 68% 이상 인 데이터를 추가로 제거하였다. 최종적으로 Vr 과 감육률 사이의 상관관계를 결정하는데 활용된 데이터는 86개이다. Fig. 14는 Vr에 따른 감육률 분포도를 나타낸 것으로서 실선은 오차항의 제, 곱합을 최소로 줄이는 방식인 최소자승법(least 을 이용하여 구한 점들의 추세선 squared method)
이다.
Fig. 12 Comparison between TI and WR of tee
Fig. 13 Comparison between TKE and WR of tee
Fig. 14 Least-Squared fitting result between Vr and wear rate
결과적으로 본 논문에서는 벽면을 수직으로 향 하는 국부유속 Vr과 감육률(WR) 사이에는 다음 식과 같은 상관관계가 있는 것을 확인하였다.
for
(1) 상기 수식으로부터 알 수 있는 사실은 배관개 소 벽면에서 형성되는 마그네타이트가 벽면으로 향하는 국부유속에 의해 특정 부위에서 물질전달 이 활발히 진행되어 국부감육이 더 빨리 진행된 다는 것이다 본 논문에서 분석한 대상 계통은. 단상의 급수계통으로서 아래와 같은 조건에 있는 탄소강 배관에 대해서 적용이 가능하다.0 < Vr < 1.2 m/s
○
○ pH : 9.1 ∼ 10.5
Dissolved oxygen : 1 5ppb
○ ∼
Temperature : 130 240
○ ∼ ℃
여기서, Vr은 활용된 데이터 개수의 제한으로 인하여 1.2 m/s를 한계치로 규정하였으나 그 이, 후의 Vr에 대해서도 일정 국부유속까지는 외삽을 통하여 적용이 가능할 것으로 판단된다.
5. 결 론
몇몇 배관요소에 대하여 실험한 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하고 있는 것이 확인됨에 따라 해석 모델과 격자수 및 격자크기를 실제 발전소에 설치 되어 있는 배관요소의 크기에 비례하여 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다 수치해석 결과로 나온. 편향 난류유동에 따른 매개변수와 실제 감육률을 비교하였다 이는 하나의 배관요소에서 국부감육에. 영향을 미치는 인자는 물질전달에 영향을 미치는 난류 매개변수가 유일하다는 조건에 근거한다.
수치해석 결과와 감육률을 비교한 결과 배관요, 소의 형태에 따라 유동이 배관 벽면에서 분리된 후 다시 벽면으로 향하거나 배관 벽면을 일정 각 도로 직접 타격하는 편향 난류유동의 Vr 속도성 분이 배관의 국부감육과 직접적인 연관성이 있는 것을 확인하였다 최종적으로 수치해석 및 감육률. 이 비교된 전체 데이터 중 신뢰성 있는 데이터를, 추출하여 Vr 속도성분과 감육률과의 상관관계를 확인한 결과 국부 감육률은, Vr 속도성분의 0.55 배에 0.1을 더한 값과 같다는 결론을 도출하였다.
이러한 결과로부터 알 수 있는 사실은 배관개 소 벽면에서 형성되는 마그네타이트가 벽면으로 향하는 국부유속에 의해 특정 부위에서 물질전달 이 활발히 진행되어 국부감육이 더 빨리 진행된 다는 것이다 이러한 연구결과는 현장의 배관계. 통에서 초음파 두께측정 부위 및 범위 결정 감, 육 원인규명 설계개선 등에도 활용할 수 있을, 것으로 판단된다.
후 기
본 논문은 2010년도 한국연구재단 일반연구자 지원사업(20101793)의 연구비지원에 의하여 연구 되었으며 관계자 여러분께 감사드립니다, .
참고문헌
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(2) NRC, 1988, "Feedwater Line Break, Supplement 3," Notice 86~106.
(3) KINS, 2004, "Nuclear Power Plant Accident Breakdown Investigation (The second) - Japan Mihama 3 Feedwater Pipe Rupture Accident," Int., 2004-1 (040809F-r2).
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"Experimental Inspections on Material Loss due to Erosion-Corrosion," VGB Kraftwerkstechnik, Vol.
64, No. 5, pp. 411~423.
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