8.발전기초3-제8절 배관지지장치

- 배관 지지장치의 정의

 

ASME CODE에서 규정하고 있는 Suspension system 또는 Hanger and support라는 말의 정의는 매달고 있으므로 인해 인장력을 받는 Hanger와 받쳐주는 형식의 압축력을 받는 Support를 구성하는 모든 부재들을 총칭하는 말로 설명되고 있다. 또한 배관 지지장치란 배 관계 Piping System에 작용하는 정하중 Static Load 및 동 하중 Dynamic Load를 구조물에 전달해주는 장치를 말한다. 다시 말해 배관의 자체 하중 및 Thermal Movement, Vibration 등으로 인한 배관의 Stress를 줄여주는 역할을 하는 장치를 말한다. 용어 정의는 다음과 같다. 가. 배 관계 : 유체 (물, 증기, 공기, 배기가스)를 수송하기 위해 필요한 배관이나 덕트 Duct는 물론 펌프, 밸브, 압력용기 및 증기발생기를 포함한 광의적인 용어 나. 정하중 : 지구 중심으로 작용하는 지속 하중 Sustained Load로 배관 및 단열재의 무게와 같은 사하중 Dead Load와 작동로, 눈 및 얼음과 같은 생 하중 Live Load를 포함한다. 동 하중 : 일시적으로 작용하는 하중으로 압력이나 열충격, 풍하중, 지진력 및 내외부 요인에 의한 진동 등을 포함한다. 배관 지지장치의 관리 배경 : 1960년대까지는 고온용 합금강이 상업화되지 못했기에 작동유체의 온도를 높게 할 수 없었다. 그러나 합금강이 상업화되고 발전소 효율 증대를 위하여 작동유체의 온도를 높일 수밖에 없게 되었다. 이는 배관의 열변형을 증폭시키고 배관 지지장치는 예전처럼 단순하게 하중을 효율적으로 어떻게 지지할 수 있느냐는 문제에서 현대에는 열변형을 어떻게 효과적으로 흡수하면서 하중을 지지하느냐는 문제로 옮겨갔고, 배관 지지장치는 현장 작업 Field Working 개념에서 공정가공 Shop Fabrication을 요구하는 정밀 제품이 되었다. 국내 화력 발전소 및 원자력 발전소의 약 70% 이상이 20년 이상 운전된 발전소로써 점점 노후발전소가 증가하는 추세이다. 이러한 노후 발전소는 건설 후 잦은 기동정지, 운전 년 수에 따른 경년열화로 인해 배관들이 초기 건설 시의 배관상태를 유지하지 못하고 있으며, 장기 운전됨에 따라 배관의 크리프 Creep, 피로 Fatigue, 응력집중, 과도변위, 배관 지지장치의 오동작, 탈락 등의 손상에 의해 설계범위를 벗어나는 과도한 배관 처짐이 발생하고 주위 구조물과 간섭되어 배관 팽창이 됨으로써 허용응력을 초과하는 응력집중이 발생하여 배관 균열, 파열, 돌출 등 배관 손상이 급증하고 있다. 실제로, 국내 대부분의 발전소에서는 배관 지지장치의 오동작에 의해 과도한 변위가 발생, 구조물과의 간섭, 터빈 이상 진동 균열 발생 등 많은 손상이 발생하고 있다. 또한, 신규 건설발전소의 경우에는 노후발전소처럼 장기간의 응력집중에 의한 배관 손상은 없으나, 기동 시 실제 배관의 변위가 설계 변위와 달리 발생하여 보일러 헤더 터빈 케이싱 등 배관과 연결된 주요 구조물 연결부의 하중과 모멘트를 증가시켜 터빈 케이싱의 경우 케이싱 진동을 크게 유발하는 사례가 발생하고 있다. 현재 주요 배관의 유지관리 측면에서는 배관의 중요성을 인식하지 못하고 균열 발생 시 용접보수에 의한 일시 정비에만 국한되고 있고, 배관의 자 중 및 열팽창 하중을 지지하는 행거에 대해서도 체계적인 정지 상태 Cold State, 운전 상태 Hot State 시 점검 기록이 이루어지고 있지 않은 실정이다. 또한 행거의 경우 정지와 운전 시 수직 방향 Y 방향으로의 변위만 측정할 수 있을 뿐 아니라, 그 변위 측정조차도 건설 시 설계하중의 오류, 장기 운전에 의한 행거 내부 스프링 고착 및 탈락 등 다양한 요인에 의해 정확한 변위 측정이 불가능한 실정이다. 기술적 배경 : 현재 운전 중인 배관의 변위를 측정할 수 있는 것은 배관을 지지하고 있는 행거에 부착된 Indicator 인디케이터 지침에 의하여 측정하게 되어 있다. 현재 발전소의 배간 변위 점검 시점은 계획 예방 정비기간 전후, 운전 상태와 정지 상태 시 측정되고 있다. 그러나 행거의 설치 위치가 판독이 불가능한 위치에 있거나, 인디케이터 훼손, 판독자의 판독 오차 등으로 인해 정확한 측정이 불가능한 실정이다. 주요 배관 손상사례 : 주요 배관의 손상은 손상기구가 크리프와 피로에 의한 손상이지만, 그 외에도 여러 가지 손상이 발생하고 있다. 이중 장기 열화에 의한 정상적인 크리프 손상 외에 주요 인자는 설계 변위를 초과하는 과도한 변위가 발생하여 인근 구조물과 간섭 및 응력 집중에 따른 배관 용접부 균열 등 손상 사례가 급증하고 있다. 발전용 주 증기관과 같이 고온고압하에서 운전되는 산업 설비는 설비의 운전 기간이 지남에 따라 배관 및 배관 지지장치에는 다음과 같은 변화가 나타난다. 증기의 유동에 따른 배관 내부 침식으로 인한 무게 감소, 배관 내외부 부식에 따른 무게감도 및 무게 변화, Scale 부착에 따른 무게 변화, 열응력에 따른 Creep 변화로 Hanger의 지지점 변화, Creep 변화에 따른 배관의 무게중심 변화로 배관의 전체 모멘트가 변하여 각 Hanger의 작용하중 변화 유발, Hanger Spring의 탄성 변화 Spring Rate 변화, Hanger 활동부 부식 및 고착에 따른 동작 하중 변화이다. 고온고압 하에서 배관의 열변형에 의한 영향이 심각한 주 증기관의 경우 변화된 하중은 배관 내 응력으로 잔류하여 피로 및 Creep 변화를 가중하고 그에 따른 수명 소비를 일으켜 발전설비의 잔여 수명을 단축하는 결과를 낳게 되며, 응력이 집중된 부위에는 균열을 발생시키게 된다.