์ดํ์ฐ
(Heon-Woo Lee)
1
์์ํ ๋ผ๋น์
(Rabea Asif)
2
ํ์ข
์
(Jong-Wan Hu)
3โ iD
-
์ ํ์ ยท ์ธ์ฒ๋ํ๊ต ๊ฑด์คํ๊ฒฝ๊ณตํ๊ณผ ๋ฐ์ฌ๊ณผ์
(Incheon National University ยท agiko0@inu.ac.kr)
-
์ธ์ฒ๋ํ๊ต ๊ฑด์คํ๊ฒฝ๊ณตํ๊ณผ ์์ฌ๊ณผ์
(Incheon National University ยท rabeaasif19@gmail.com)
-
์ ํ์ ยท ๊ต์ ์ ์ ยท ์ธ์ฒ๋ํ๊ต ๋์ํ๊ฒฝ๊ณตํ๋ถ ์ ๊ต์ ์ธ์ฒ๋ฐฉ์ฌ์ฐ๊ตฌ์ผํฐ ์ผํฐ์ฅ
(Corresponding Author ยท Incheon National University ยท jongp24@inu.ac.kr)
Copyright ยฉ 2021 by the Korean Society of Civil Engineers
ํค์๋
์ก์ ๊ด, ๋น์ ํต ์ค์ผ, ์ ํ์์ํด์, ์ต์ ํ
Key words
Oil pipelines, Unconventional oil, Finite element analysis, Optimization
1. ์ ๋ก
ํ์ฌ ์ ์ธ๊ณ ์ธ๋ฅ๊ฐ ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ฌ์ฉํ๊ณ ์๋ ์๋์ง ์์์ธ ์์ ๋ ๊ณ ๊ฐ์์์ด๋ฉฐ ์์ ํํ๋ก ์์ฐ๊ฐ๋ฅํ ์ง์ญ์ด ๊ทน๋๋ก ํ์ ๋์ด ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์๋ก์ด ์๋์ง์์
๊ฐ๋ฐํ๊ธฐ ์ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ๋ฐ์ด ์ง์๋๊ณ ์๋ค. ์ด์ ๋ฐ๋ผ ์์ ํํ๋ก ์์ ์์์ ์ฑ์ทจํ์ง ์๊ณ ๋ชจ๋์ ์์ ๊ฐ ํก์ฐฉ๋์ด ๊ณ ์ฒดํํ๋ก ์ ์ฅ๋ ์ค์ผ์๋์ ํํ์์
์ฉ๋งค์ ๊ณ ์จ ๊ณ ์์ ์ฆ๊ธฐ๋ฅผ ์ฃผ์
ํ์ฌ ์์ ๋ฅผ ์์ฐํ๋ ES-SAGD (Expanding Solvent-Steam Assisted Gravity Drainage)
๊ณต๋ฒ์ด ๊ฐ๋ฐ๋์๋ค(Dong et al., 2019). ์ด๋ฌํ ์๋์ง์์ ๋น์ ํต์ค์ผ ์์์ด๋ผ ์นญํ๋ฉฐ ๋ง๋ํ ์์๋์ ๋ณด์ ํ๊ณ ์์ด ๊ณ ๊ฐ๋ ์ ์๋ ์์ ์์ฐ ์ฐ์
์ ๋์ํ๊ธฐ ์ํ ์ฐ์
์ผ๋ก ๋๋๋๊ณ ์๋ค.
ํ์ง๋ง ๋ชจ๋๋ฅผ ํฌํจํ๊ณ ์๋ ์ค์ผ์๋์ ํน์ฑ์ ์์ ๋ฅผ ์ด์กํ๋ ์ก์ ๊ด์ ๋ง์ ๊ฒฐํจ์ ๋ฐ์์ํจ๋ค. ์ด๋ฌํ ๊ฒฐํจ์ ํผ๋ก, ๋ถ์ ๋ฑ์ ํฌํจํ๋ฉฐ ์ก์ ๊ด ๋ด๋ถ์
๋ฐ์ํ๋ค๋ฉด ์ข๊ตด๋ณํ๊ณผ ๊ฐ์ด ํฐ ๋ณํ์ผ๋ก ์ด์ด์ง ์ ์๋ค(Polenta et al., 2015). Fig. 1 ์ ์์ ์ข๊ตด๋ณํ์ด ์ก์ ๊ด์ ๋ฐ์ํ์์ ๋์ ํ์๊ณผ ๊ทธ๋ก ์ธํด ๋ฐ์ํ ์ ์๋ ์ฌ๊ณ ์ฌ๋ก์ด๋ค. ES-SAGD ๊ณต๋ฒ์ ์ํด ๋จ๊ฒ๊ณ ์ด๋ฌผ์ง์ด ๋ค๋ ํจ์ ๋
์์ ๊ฐ ํ๋ฅด๋ ์ก์ ๊ด์ ์ข๊ตด๋ณํ ๋ฐ์์ ํ์ฌ์ฌ๊ณ ๋ก ์ด์ด์ง๊ธฐ ์ฝ๋ค. 2023๋
12์์๋ ๊ตญ๋ด ํฌํญ์ ํฌ์ค์ฝ ๊ณต์ฅ์์ ์ด๋ฌํ ์ด์ ๋ก ํ์ฌ์ฌ๊ฑด์ด ๋ฐ์ํ์๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ Ansys Workbench (2022) ์ ํ์์ํด์ ํ๋ก๊ทธ๋จ์ ํ์ฉํ์ฌ ๋ค์ค ์ ํ์์๊ธฐ๋ฒ(Multiple Finite Element Analysis)์ ํด์์ ์ํํ์๋ค. ํด์ ์์ ์ก์ ๊ด์
์ฌ๋ฃ, ๋๊ป, ๊ฐ๋ ๋ฑ์ ๋ณ์๋ฅผ ๋์ด ํด์์ ์งํํ์์ผ๋ฉฐ ๋น๊ต๊ตฐ์ผ๋ก๋ ์ฐ์ฒ์ ์์นํ ์ค์ผํ๋ํธ์ ์ก์ ๊ด์ ์ ํํ์๋ค. ๋ํ, ํด์์ ์์๋ CFD(Computational
Fluid Dynamics)๋ฅผ ํตํ ์ ์ฒดํด์, ์ด ํด์, ์ ์ ๊ตฌ์กฐ ํด์ ์์ผ๋ก ์งํํ์๋ค(Mao et al., 2023; Wiseman and Barkey, 2019). ์ต์ข
์ ์ผ๋ก ์ข๊ตด ๋ฐ์์ ์ ๊ฐํ ์ ์๋ ๋ณ์๋ค์ ์ฑํํ์ฌ ์ต์ ํ๋ ์ก์ ๊ด์ ๋ชจ๋ธ๋งํ๊ณ ๋์ผํ ํด์์ ์งํํ์ฌ ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ถ์ํ์๋ค.
Fig. 1. Accident Cases in Non-conventional Oil Pipelines: (a) Buckling Deformation of Yeoncheon Oil Pipeline, (b) Oil Pipeline Destroyed due to Buckling, (c) POSCO Factory Fire Accident
2. ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด ์ค๊ณ
2.1 ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด์ ์ ์
Fig. 2(a)๋ ๊ตญ๋ด ์์นํ ์ฐ์ฒ ์ค์ผํ๋ํธ์ ์ ๊ฒฝ์ด๋ฉฐ ์ด ๊ณณ์์ ์ค์ ๋ก ์ฌ์ฉํ๊ณ ์๋ ์ก์ ๊ด ์ค ์ผ๋ถ๋ฅผ Fig. 2(b)์ ๊ฐ์ด ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค. ๋ชจ๋ธ๋ง๋ ์ก์ ๊ด์ ์ฃผ์ ์ญํ ์ ์ ์(99.97 %), ์ญ์ฒญ(0.02 %) ๋ฐ CO2(0.01 %)๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ ์ค์ผ์ ํ์ง ํฑํฌ๋ก๋ถํฐ
IGF(Induced Gas Flotation)๊น์ง ์ด์กํ๋ ๊ฒ์ด๋ค. ์ก์ ๊ด ๋ชจ๋ธ์ ์ํ ํ์ดํ 750 mm, ์์ง ํ์ดํ 350 mm, ๊ฐ๋๊ฐ 90ยฐ,
๋ฐ์ง๋ฆ 265 mm ์ฐ๊ฒฐ ํ์ดํ๋ก ์ด 3๊ฐ์ง ํ์ดํ๊ฐ ์ด์ด์ง ๊ตฌ์กฐ๋ก ํ์ฑ๋์์ผ๋ฉฐ ๋น์ ํต ์ค์ผ์ ์ด์กํ๋ ์ด ๊ธธ์ด๋ 1474 mm๋ก ๊ตฌ์ฑ๋์๋ค. ๊ฐ
ํ์ดํ๋ค์ ๋ณผํธ๋ก ์ฒด๊ฒฐ๋์ด ์์ผ๋ฉฐ ๋ชจ๋ธ๋ง์ ์ด๋ฅผ ๊ณ ์ ์ฐ๊ฒฐํ์๋ค. ๋ํ, ๋จ๋ฉด์ ๋ด๊ฒฝ 73 mm, ์ธ๊ฒฝ, 58.98 mm, ๋๊ป 7.01 mm์ SCH80
ํ์๊ฐ์ผ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋์๋ค. ์ฐ์ฒ ์ค์ผํ๋ํธ์์๋ ์ก์ ๊ด ๋ด๋ถ์ ์ ์์ 0.688 m/s๋ก ์ ์งํ๊ณ ์์ด ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ ์ ๋ํ ์ด์ ๊ฐ์ด ์ค์ ํ์๋ค.
Fig. 2. Modelling of Standard Pipeline from Yeoncheon Oil Plant: (a) Yeoncheon Oil Plant, (b) Standard Pipeline Modelled in Ansys
2.2 ์ก์ ๊ด ์ข๊ตด์ ๊ฐ์ ์ํ ์ ํ์์ํด์ ๋ณ์ ์ค์
Table 1 ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์งํํ ์์ ๊ด ์ ํ์์ํด์์ ๋ณ์์ ๊ทธ์ ๋ฐ๋ฅธ Case ID๋ฅผ ์ ๋ฆฌํ์ฌ ๋ํ๋ธ ํ์ด๋ค. GC๋ ์ค์ ์ฐ์ฒ ์ค์ผํ๋ํธ์์ ์ฌ์ฉ๋๊ณ
์๋ ์ก์ ๊ด์ผ๋ก ๋ชจ๋ ๋ณ์์ ๋์กฐ๋๋ ๋ณ์์ด๋ค. MC1๊ณผ MC2๋ ์ก์ ๊ด์ ์ฌ๋ฃ์ ๋ณ์๋ฅผ ๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ก ์ธ์ ์ธ ๋ชจ๋ธ๋ง์ GC์ ๋์ผํ๋ค. MC1 ์ก์ ๊ด์
AISI 304 Stainless Steel์ ํ์ดํ ์ ์กฐ์ ์์ด ๋ณดํธ์ ์ผ๋ก ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ ์ฌ๋ฃ์ด๋ฉฐ MC2์ Inconel 614 Alloy๋ ํ์๊ฐ์ผ๋ก
๊ตฌ์ฑ๋์ด ๋ฐ์ด๋ ์ฑ๋ฅ์ ๋ฐํํ๋ค(Lopez, 2005; Sah, 2023). ๊ฐ ์ฌ๋ฃ์ ๋ํ ๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ์ Table 2 ์ ์ ๋ฆฌํ์๋ค. Size cases๋ ์ก์ ๊ด์ ๋๊ป์ ๋ณ์๋ฅผ ๋์ด SC1์ GC๋ณด๋ค ์์ ๋๊นจ(5.16 mm), SC2๋ GC๋ณด๋ค ๋๊บผ์ด ๋๊ป(14.02
mm)๋ก ์ค๊ณํ์๋ค. ์ด๋ ๋ฏธ๊ตญ ๊ธฐ๊ณ๊ณตํํ(ASME)์ ASME B36.10M-2015 (2015) ์ฝ๋์ ๊ธฐ๋ฐํ์ฌ ์ค๊ณ๋์์ผ๋ฉฐ ์ก์ ๊ด ๋ด๋ถ ์ ์์ ์ํฅ์ ์ฃผ์ง ์๋๋ก ์ธ๊ฒฝ์ ์ถ์, ํ์ฅํ์ฌ ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค. ํ์ดํ ๊ฐ๋๋ GC์ 90ยฐ๋ณด๋ค ์์ 45ยฐ,
25ยฐ๋ก ์ค์ ํ์ฌ AC1๊ณผ AC2 ์ก์ ๊ด์ ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค.
Table 1. Classification of Oil Pipelines according to Variables
Variable
|
Case ID
|
Pipe Material
|
Pipe Thickness (mm)
|
Pipe Angle (ยฐ)
|
General case
|
GC
|
Carbon Steel
|
7.01
|
90
|
Material cases
|
MC1
|
AISI 304 Stainless Steel
|
7.01
|
90
|
MC2
|
Inconel 617 Alloy
|
7.01
|
90
|
Size cases
|
SC1
|
Carbon Steel
|
5.16
|
90
|
SC2
|
Carbon Steel
|
14.02
|
90
|
Angle cases
|
AC1
|
Carbon Steel
|
7.01
|
45
|
AC2
|
Carbon Steel
|
7.01
|
25
|
Optimized case
|
OC
|
Inconel 617 Alloy
|
14.02
|
25
|
Table 2. Physical and Thermal Properties of Materials
Pipeline Material
|
Carbon Steel
|
AISI 304 Stainless Steel
|
Inconel Alloy 617
|
Density (g/cm3)
|
7.85
|
8.00
|
8.36
|
Modulus of elasticity (Gpa)
|
200
|
193
|
173
|
Poison's ratio
|
0.29
|
0.29
|
0.3
|
Tensile ultimate strength (Mpa)
|
460
|
586
|
570
|
Tensile yield strength (Mpa)
|
250
|
207
|
260
|
Specific heat (J/(kgยทk))
|
480
|
500
|
419
|
Isotropic thermal conductivity (w/m-k)
|
47.6
|
16.2
|
13.6
|
3. ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด์ ์ ํ์์ํด์
3.1 ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด ์ ํ์์ํด์ ๊ณผ์
Fig. 3 ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์งํํ ์ก์ ๊ด์ ์ ํ์์ํด์์ ๊ณผ์ ์ ๋ํ๋ธ ๊ทธ๋ฆผ์ด๋ค. ์ฒซ ๋ฒ์งธ๋ก๋ CFD ํด์์ ์งํํ์์ผ๋ฉฐ ์ด ๋จ๊ณ์์ Ansys ํ๋ก๊ทธ๋จ ๋ด๋ถ์
์ค์ผ๋ฌ-๋ผ๊ทธ๋์ฃผ ๋ฐฉ์ ์, k-ฮต๋๋ฅ๋ชจ๋ธ์ ํตํ์ฌ ๋๋ฅ๋ชจ๋ธ์ ์ ํ์๋ค(Eqs. (1)&(2) ), (Ariyaratne et al., 2019; Peng and Cao, 2016). ์ด๋, ๋๋ฅ๋ฅผ ์ผ์ผํค๋ ์ญ์ฒญ, CO2, ๋ชจ๋ ๋ฑ ๊ณ ์ฒด ์
์์ ์กด์ฌ๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ๊ธฐ ์ํด DPM(Discrete Phase Model)์ ์ฌ์ฉํ์๋ค(Pereira et al., 2010). ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ์จ๋๋ถํฌ์ ์๋ ฅ๋ถํฌ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋์ถํ์๊ณ ์๋ ฅ๋ถํฌ๋ ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์์ ์ด๊ธฐ ๋จ๊ณ๋ก, ์จ๋๋ถํฌ๋ ์ดํด์์ ์ด๊ธฐ๋จ๊ณ๋ก ์
๋ ฅ๋์๋ค. ์ดํด์์
์ ์ฒด์ ์จ๋ ํ๊ฒฝ๊ณผ ์ด์ญํ ์ 1๋ฒ์น์ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์ํ๋์์ผ๋ฉฐ ์ด ๊ฒฐ๊ณผ๋ ์๋ ฅ๋ถํฌ์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์์ ์ด๊ธฐ ๋จ๊ณ๋ก ์
๋ ฅ๋์๋ค(Eqs. (3)&(4) ), (LV, 2014). ์ดํ Eq. (5)์ ๋ฐ๋ผ ์ก์ ๊ด์ ์ํํ์ค Pp(133.54 N)๋ฅผ ์ ์ฉํ์ฌ ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์์ ์ํํ์๋ค(Balan and Kaliveeran, 2023). ์ฌ๊ธฐ์ ri๋ ์ก์ ๊ด ๋ด๋ถ์ ๋ฐ์ง๋ฆ์ ์๋ฏธํ๊ณ p๋ ์ก์ ๊ด ๋ด๋ถ ์ ์ฒด์ ์๋ ฅ์ ์๋ฏธํ๋ค. ๊ตฌ์กฐํด์์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ์ก์ ๊ด์ ๋ฐ์ํ ์ข๊ตด ๋ฐ ๋ณํ๋์ ํ์ธํ์๋ค.
Fig. 3. Non-traditional Oil Pipeline Finite Element Analysis Process
3.2 ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด ์ ํ์์ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ
CFDํด์, ์ดํด์, ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์ ์์ผ๋ก ์ ํ์์ํด์์ ์งํํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ์ก์ ๊ด์ ๋ฐ์ํ ๋ณํ, ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ๋์ถํ์๋ค(Fig. 4, Fig. 5). Fig. 4(a)์์ ๋น๊ต๊ตฐ์ธ GC์์ ๋ณํ๋์ ํ์ธํ์์ ๋ ๊ฐ์ฅ ๋ณํ์ด ์ ๊ฒ ๋ฐ์ํ ์ก์ ๊ด์ AC2๋ก ์ก์ ๊ด์ ๋ณํ๋์ ์ค์ด๊ธฐ ์ํด์๋ ์ก์ ๊ด ๊ฐ๋๋ฅผ ์ต๋ํ ์๊ฒ
์ค์ ํ์ฌ ์ค๊ณํ๋ ๊ฒ์ด ์ค์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ์ธ๋์๋ค. ๋ํ, ๊ฐ์ฅ ๋ง์ ๋ณํ์ด ๋ฐ์ํ ์ก์ ๊ด์ SC1์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ํ์ดํ์ ๋๊ป๊ฐ ์์์ง์ ๋ฐ๋ผ ์ํํ์ค์
์ํด ์ข๊ตด์ด๋ ํจ ๊ฐ์ ๋ณํ์ด GC์ ๋นํด ์ฌํด์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์ผ๋ฉฐ ์ด์ ๋ฐ๋๋ก ๋๊ป๊ฐ ๋๊บผ์ด ํ์ดํ์ ๋ํด ์ ํ์์ํด์์ ์งํํ์ ๋ GC์
ํฐ ๋ณํ์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง ์์๋ค. ์ด๋ ๊ณผ๋ ์ค๊ณ๋ก ์ด์ด์ง ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ์ ๋์ ๋๊ป๋ GC์ ๋์ผํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๋ณ๊ฒฝํ์ฌ ํด์์
์งํํ ๊ฒฝ์ฐ GC์ ํฐ ๋ณํ๋์ ์ฐจ์ด๊ฐ ์๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์์ง๋ง ํ์๊ฐ ๋ณด๋ค๋ Inconel ํฉ๊ธ์ด ๋ค์ ์ฐ์ํ ์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด์๋ค. Fig. 4(b)๋ ๊ฐ ์ก์ ๊ด์ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ๋ํ๋ธ ๊ทธ๋ํ์ด๋ค. ์ฌ๊ธฐ์ ์ต๋ ํ์ค ์ฉ๋์ ์ข๊ตด์ด ๋ฐ์ํ๋ ์๊ณํ์ค์ ๋งํ๋ฉฐ Eq. (6)๋ฅผ ํตํด ๋์ถ๋์๋ค. Eq. (2)์ MLC๋ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ์๋ฏธํ๋ฉฐ Load factor๋ Ansys๋ฅผ ํตํด ๋์ถ๋ ํ์ค ๊ณ์์ด๋ค. Axial load๋ ์ก์ ๊ด์ ์ ์ฉ๋๋ ์ํํ์ค์
์๋ฏธํ๊ณ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ๊ฒฝ์ฐ 133.54 N์ด ์ ์ฉ๋์๋ค. ๋์ถ๋ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ๋น๊ตํ์์ ๋ ์ฌ๋ฃ์ ์ค์์ฑ์ด ํ์ธ๋์๋ค. ํ์๊ฐ์ด ์๋ ์ผ๋ฐ ํ์ดํ์ฉ
๊ฐ์ฌ์ธ AISI 304 Stainless Steel์ด ์ ์ฉ๋ MC1์ ํ์ค ์ฉ๋์ด GC์ ๋นํด ์๋นํ ๋ฎ์ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์ผ๋ฉฐ ํ์ดํ์ ๊ฐ๋๊ฐ
์ค์ด๋ฆ์ ๋ฐ๋ผ ํ์ค ์ฉ๋์ด ์ ์ฐจ ์ฆ๊ฐํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ ๋ณํ์ด ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ๋ฐ์ํ์๋ SC1์ ํ์ค์ฉํฅ๋ GC๋ณด๋ค ๋ฎ์ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๋ํ,
์ก์ ๊ด ๋๊ป๊ฐ ๋๊บผ์์ง์ ๋ฐ๋ผ ๋ณํ๋์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋๋๋ฌ์ง์ง ์์๋ SC2๋ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋ ์ธก๋ฉด์์ ์ฐ์ํ ์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ชจ๋ ์ก์ ๊ด ์ผ์ด์ค ์ค์์
๊ฐ์ฅ ํฐ 82 kN์ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ๋ํ๋์ผ๋ฉฐ ๋ณํ์ด ๊ฐ์ฅ ์ ๊ฒ ๋ฐ์ํ์๋ AC1, AC2์ ๋น๊ตํ์ฌ๋ ์ฐ์ํ ๊ฒฐ๊ณผ๊ฐ ๋์ถ๋์๋ค.
Fig. 4. FEM Results of Oil Pipeline: (a) Deformation Result, (b) Maximum Load Capacity Result
Fig. 5. Deformation Contour of Oil Pipeline
4. ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด์ ์ข๊ตด ์ต์ ํ
Fig. 6 ์ ๋น์ ํต ์ค์ผ ์ก์ ๊ด์ ์ ํ์์ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ ๊ฐ์ฅ ๋ณํ์ด ์ ๊ฒ ๋ฐ์ํ๊ณ ์ต๋ ์ข๊ตด ํ์ฉํ์ค์ด ๋์ ๋ณ์๋ค๋ง์ ์ฑํ ๋ฐ ์กฐํฉํ์ฌ ๋ชจ๋ธ๋งํ OC์ด๋ค(Table 1 ์ฐธ๊ณ ). ์ฌ๋ฃ๋ Inconel 617 Alloy๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์์ผ๋ฉฐ ์ก์ ๊ด ๋๊ป๋ 14.02 mm, ์ฐ๊ฒฐํ์ดํ ๊ฐ๋๋ 25ยฐ๋ก ์ค์ ํ์๋ค. ์ด๋ ๋น์ ํต
์ค์ผ์ด ์ด์ก๋๋ ์ด ๊ฑฐ๋ฆฌ๋ ๋์ผํด์ผ ํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ GC์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ๊ธธ๋ฆฌ 1474 mm์ ์ก์ ๊ด์ผ๋ก ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค. ์ดํ ์์ ์ํํ ์ ํ์์ํด์๊ณผ ๋์ผํ
๊ณผ์ ์ ํด์์ ์ด OC ์ก์ ๊ด์๋ ๋์ผํ๊ฒ ์ ์ฉํ์ฌ ์ํํ์๋ค.
Fig. 7 ์ OC์ ๋ํ ์ ํ์์ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ GC์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ทธ๋ํ์ด๋ค. ๋ณํ๋์ 1 mm๋ก ์๋นํ ์ ์ ๋ณํ์ด ๋ํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์ผ๋ฉฐ ์ด๋
๊ฐ๋์ ๋ณ์๋ฅผ ๋ AC2์ ๋์ผํ ์์ ๋ณํ์ด๋ค. ์ด๋ฅผ ํตํด ๊ฐ๋๋ผ๋ ๋ณ์์ ๋ค๋ฅธ ๋ถ๊ฐ์ ์ธ ๋ณ์๋ฅผ ๋์
ํ๋๋ผ๋ ๋ณํ๋์ด ์ค์ด๋ค์ง ์๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค.
์ต๋ํ์ค์ ๊ฒฝ์ฐ 88.4 kN์ผ๋ก 68.4 kN์ GC๋ณด๋ค 20 kN์ด๋ ํฅ์๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋์ถํ์๋ค. ์ก์ ๊ด ๋๊ป์ ๋ณ์๊ฐ ์ ์ฉ๋ SC2์ ํ์ค ์ฉ๋์
82 kN์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ง๋ง ์ด ๋ณ์์ ์ฌ๋ฃ, ํ์ดํ ์ฐ๊ฒฐ ๊ฐ๋ ๋ฑ์ ๋ณ์๊ฐ ์ถ๊ฐ๋์์ ๋ ๋์ฑ ํฅ์๋๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ์ฌ OC์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ฐ์์ฑ์ ํ์ธํ์๋ค.
Fig. 7. FEM Results of Optimized Oil Pipeline
5. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ก์ ๊ด์ ๋ด๋ถ์ ๊ณ ์จ, ๊ณ ์์ ๋น์ ํต์ค์ผ์ด ์ด์ก๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ก์ ๊ด์ ๋ฐ์ํ ์ ์๋ ๋ณํ์ ์ํ ์ฌ๊ณ ๋ฅผ ์ ๊ฐํ๊ธฐ ์ํด ์ํ๋์๋ค. ์ฒซ
๋ฒ์งธ ๋จ๊ณ๋ก ๊ตญ๋ด์ ์๋ ์ฐ์ฒ ์ค์ผํ๋ํธ์ ์ค์ ๊ฐ๋ ์ค์ธ ์ก์ ๊ด์ ๋ํด ์กฐ์ฌํ์ฌ ๊ฐ์ ์์น์ ์ก์ ๊ด์ Ansys ํ๋ก๊ทธ๋จ ๋ด์ ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค. ์ดํ
์ก์ ๊ด์ ๋ณํ์ ์ํฅ์ ๋ผ์น ์ ์๋ ์ฌ๋ฃ, ๋๊ป, ๊ฐ๋ ๋ฑ์ ์ธ์์ ๋ํด ์กฐ์ฌํ์ฌ Case๋ฅผ ๋๋์์ผ๋ฉฐ ๊ฐ ์ผ์ด์ค์ ๋ฐ๋ฅธ ์ก์ ๊ด์ ๋ชจ๋ธ๋งํ์ฌ ์ ํ์์ํด์์
์งํํ์๋ค. ์ ํ์์ํด์์ CFD, ์ดํด์, ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์ ์์ผ๋ก ์งํ๋์์ผ๋ฉฐ ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋๊ณผ ๋ณํ๋์ ๋์ถํ์๋ค. ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ณํ์ ๊ฐ์ฅ
์ค์ผ ์ ์๋ ๋ณ์๋ ์ก์ ๊ด์ ๊ฐ๋๋ก ํ๋ณ๋์๊ณ ๊ฐ์ฅ ๋ณํ์ด ๋ง์ด ๋ฐ์ํ๋ ๋ณ์๋ ํ์ดํ์ ๋๊ป๋ก ํ๋ณ๋์๋ค. ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ๊ฒฝ์ฐ ์ฌ๋ฃ ๋ณ์๊ฐ ์ ์ฉ๋
์ก์ ๊ด์ด ๊ฐ์ฅ ๋ฎ์ ํ์ค ์ฉ๋์ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ ๊ฐ์ฅ ๋์ ํ์ค ์ฉ๋์ ๋ํ๋ธ ๋ณ์๋ ๋๊ป์๋ค. ์ด ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํตํด ๋ณํ๋์ ๊ฐ์ฅ ์ ๊ณ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์ ํฐ
๋ณ์๋ง์ ๋์ถํ์ฌ ์ต์ ์ ์ก์ ๊ด OC๋ฅผ ๋ชจ๋ธ๋งํ์๋ค. OC์ ๋ํด์๋ ๊ฐ์ ํด์์ ์งํํ์ฌ ๊ฐ์ฅ ๊ธฐ๋ณธ ๋ชจ๋ธ์ธ GC์ ๋ฐ์ํ ๋ณํ๋๊ณผ ์ต๋ํ์ค ์ฉ๋์
๋น๊ตํ์๋ค. ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ณํ๋์ ๊ฐ์๋๋ฉฐ ํ์ค์ฉ๋์ ์ฝ 30 % ๊ฐ๋ ํฅ์๋จ์ ํ์ธํ์๋ค.
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ ํ์์ํด์์ ํตํด ๊ณ ์จ, ๊ณ ์ ๋ฑ์ ํ๊ฒฝ์ผ๋ก๋ถํฐ ๋ณํ์ ์์ ํ๋ฉฐ ์ค์ผ ํ์ฌ ์ฌ๊ณ ๋ฅผ ์ ๊ฐํ ์ ์๋ ์ก์ ๊ด์ ์ค๊ณ์ธ์๋ฅผ ๋์ถํ์๋ค. ์ถํ
์ฐ๊ตฌ์์๋ ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ก์ ๊ด์ ๊ฒฝ์ ๋ถ์์ ์ค์ํ์ฌ ๊ณผ๋ ์ค๊ณ๋ฅผ ๋ฐฉ์งํ๋ฉฐ ์ํ์ ๋ฐฉ์งํ ์ ์๋ ์ก์ ๊ด์ ๋์ถํ๊ณ ์ ํ๋ค. ๋ํ, ์ก์ ๊ด
์ผ๋ถ๋ถ์ด ์๋ ํ์ดํ๋ผ์ธ ์ ์ฒด์ ๋ํ ์ ํ์์ํด์์ ์งํํ์ฌ ์ค์ผํ๋ํธ์ ์ ์ฒด์ ์ํ์ฑ์ ์ ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์ํํ๊ณ ์ ํ๋ค.
Acknowledgements
This work is supported by the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement
(KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant RS-2022-00143541).
References
"Ansys Workbench. (2022). Ansys Inc. Canonsburg, Pennsylvania, USA."
"Ariyaratne, W. H., Ratnayake, C. and Melaaen, M. C. (2019). โCFD modeling of dilute
phase pneumatic conveying in a horizontal pipe using Euler-Euler approach.โ Particulate
Science and Technology, Vol. 37, No. 8, pp. 1015-1023, https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1435595."
"ASME B36.10M-2015 (2015). Welded and Seamless Wrought Steel Pipe (B36.10M - 2015).
The American Society of Mechanical Engineers(ASME), New York, USA."
"Balan, R. and Kaliveeran, V. (2023). Thermal buckling of steel tube using finite
element method. Materials Today: Proceedings."
"Dong, X., Liu, H., Chen, Z., Wu, K., Lu, N. and Zhang, Q. (2019). โEnhanced oil recovery
techniques for heavy oil and oilsands reservoirs after steam injection.โ Applied Energy,
Vol. 239, pp. 1190-1211, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.244."
"Lopez, D., Congote, J. P., Cano, J. R., Toro, A. and Tschiptschin, A. P. (2005).
โEffect of particle velocity and impact angle on the corrosion-erosion of AISI 304
and AISI 420 stainless steels.โ Wear, Vol. 259, No. 1-6, pp. 118-124."
"Lv, L. W. (2014). โThermal analysis module of ANSYS.โ Advanced Materials Research,
Vol. 1030, pp. 653-656, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1030-1032.653."
"Mao, S., Liu, W., Zhou, T., Xue, C. and Wei, D. (2023). โSteady-state and transient
thermal-hydraulic analysis for high temperature heat pipe cooled reactors.โ Nuclear
Engineering and Design, Vol. 412, 112479, https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112479."
"Peng, W. and Cao, X. (2016). โNumerical prediction of erosion distributions and solid
particle trajectories in elbows for gas-solid flow.โ Journal of Natural Gas Science
and Engineering, Vol. 30, pp. 455-470, https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.02.008."
"Pereira, F. A. R., Ataรญde, C. H. and Barrozo, M. A. S. (2010). โCFD Approach using
a discrete phase model for annular flow analysis.โ Latin American Applied Research,
Vol. 40, No. 1, pp. 53-60."
"Polenta, V., Garvey, S. D., Chronopoulos, D., Long, A. C. and Morvan, H. P. (2015).
โEffects of pipe curvature and internal pressure on stiffness and buckling phenomenon
of circular thin-walled pipes.โ International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial
and Mechatronics Engineering, Vol. 9, No. 2, pp. 278-282."
"Sah, I., Park, J. and Kim, E. S. (2023). โFatigue life curves of alloy 617 in the
temperature range of 800-950ยฐC.โ Nuclear Engineering and Technology, Vol. 55, No.
2, pp. 546-554, https://doi.org/ 10.1016/j.net.2022.09.027."
"Wiseman, P. E. and Barkey, M. E. (2019). โA study of buckling analyses of piping
structures.โ International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 172, pp. 10-16,
https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2019.02.020."