A study on required toughness of CO2 pipeline by fluid structure interaction

Abstract

본 학위논문에서는 CO2 배관의 최소 인성 요구치 분석을 수행하였다. 이를 위해서 유동 구조 연계 해석을 통한 균열 크기에 따른 임계내압치를 분석하였으며, 균열 전파에 따른 인성치를 분석하였다. 일반적으로 미국 Battelle 연구소에서 1970년대에 개발한 Battelle two curve method 법을 이용하여 배관의 균열 전파를 분석하였다. 이는 Crack resistance curve를 API X65 및 파괴 인성이 100 Joule 이하의 배관을 통한 파열 실험을 이용, semi-empirical 방법을 통하여 수식을 얻었으며, BWRS의 상태방정식을 통한 Gas decompression curve를 배관의 유동 조건에 따라 얻었다. 만약 이 두 선이 겹치면 균열이 전파된다고 가정하였다. 하지만 높은 인성 및 응력, CO2 배관을 균열전파 여부를 평가한다면, 수정된 계수를 적용한 BTCM 을 사용한다 하더라도 균열전파 평가를 적절하게 못하는 것으로 판단된다. 또한 천연가스 및CO2 배관을 설계할 때 환경 및 배관 조건에 따라 달라지기 때문에 개선이 필요하다고 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 유동 구조 연계 해석을 적용하였다. 균열전파 구동력이 유동의 감압곡선보다 크다면 균열이 계속해서 발전하고, 천연가스와 다르게 CO2는 감압되는 속도가 느리며, Plateau 곡선이 발생하므로, 파열이 된다면 공기보다 무겁고, CO2의 독성이 심각하기 때문에 인간 및 자연에 심각한 영향이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 높은 밀도와 낮은 점성을 가지는 조밀상 및 초임계상을 모사할 수 있도록 Fluent를 이용하여, 원하는 점성 등의 유동 물성을 계산하고, 유동의 압력과 위치 정보를 구조 해석에 송부하여, 실제 유동 및 구조의 파괴를 연계하여 좀 더 정확하고, 실제 상황에 맞게 예측이 가능할 것이라 판단된다. 균열 크기의 경우 charpy v-notch Impact 실험을 통해 실제 API X70 배관에서 실제 시편을 채취하여 Fracture toughness를 측정하였으며, 이를 통해 Fracture energy 변환하여 적용하였다. 또한 균열 크기는 10 % 단위로 10 % 에서 90 %를 고려하였다. 균열의 위치는 길이 방향으로 두께의 바깥에서 안쪽 부분을 고려 하였다. 구조해석의 경우 Seam crack 과 같이 균열의 방향 및 거리를 사용자의 임의로 적용하는 것이 아니라, 본 연구에서는 확장유한요소해석을 이용하여, 균열 조건 및 유동에 따라 균열이 전파 되는 것을 모사할 수 있다. 이는 특히 Mesh를 재생성하는 것이 아니기 때문에 균열 전파를 예측하는데 있어서 효과적일 것이라 판단된다. 균열 전파 모사를 위해 crack tip opening displacement (CTOD) 법을 이용하였다. 3축을 통한 균열 전파를 시험하는 것으로 2개의 홀더와 균열을 전파하는 홀더를 이용하여, 균열의 진전을 모사하여 배관의 적정 CTOD 값을 예측할 수 있다. 이를 이용하여 Traction-separation 이론치와 해석치를 비교 분석하였으며, 이를 균열 전파 모사를 위해서 적용하였다. 또한 원주 용접부 물성 및 형상을 적용하였다. API X70 배관의 실제 원주 용접을 통하여 100 % 원주 용접, 모재, 열영향부의 시편을 채취하여 인장 실험을 통하여 물성을 얻었다. 실제 실험 부분을 정확하게 해석에 모사 및 물성을 적용하여 균열 전파에 미치는 영향을 분석하였다. 균열 크기에 따른 임계내압을 분석을 통해서 균열이 두께 방향으로부터 바깥 크기가 10 %의 균열이 존재하더라도, 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 균열 전파 분석의 경우 0.02 MPa 차이가 나는 것을 판단할 수 있다. 이를 통해, 추후 실제 CO2 배관을 설계 할 때 중요한 요소가 될 것이라 판단되며, 해석에서의 배관의 길이를 연속적으로 늘리거나, 다른 CVN energy, 토양의 밀도를 적용하여 해석한다면, 실제 설계와 해석의 차이 분석을 통하여 상당의 설계 소요 금액을 줄 일 수 있을 것이라 판단된다.