계장기술(PROCON)

기획특집 Helical Strake Type Thermowell

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 30회 작성일 21-02-10 14:30

본문

Introduction
 유체가 흐르는 배관에 설치되는 온도 계측기는 손상을 방지하기 위해 보호관(Thermowell)을 설치한다. 설치된 보호관은 공정 유체의 부하 또는 공진현상으로부터 파손을 피하기 위해 일반적으로 ASME PTC 19.3 TW-2016에 의해서 설계되며 제작된다. 하지만, 높은 유속이 흐르는 공정과 같이 특수한 환경 조건에 적합한 온도 보호관 설계에는 구조적인 한계가 있다.

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ASME PTC 19.3 TW-2016에 의한 계산 결과가 부정적으로 나온다면, 일반적으로 보호관의 길이를 줄이거나 두께를 두껍게 하여 파손의 위험을 줄이고자 하지만, 이러한 방법에 의한 보호관 설계는 공정 라인의 조건에 따라서 설치에 구조적인 한계가 있다. 그렇기 때문에, 일부에서는 보호관에 Velocity collar를 용접하여 보호관이 공진현상에 의해서 파손되는 것을 막고자 한다. 하지만 Collar를 설치하는 방법은 노즐과 Collar 사이의 간격이 없어야 하는데, 오히려 설치된 Collar와 노즐 사이의 작은 틈새에 의한 반복적인 진동 충격 영향으로 노즐과 보호관의 손상을 야기할 수 있다. (ASME PTC 19.3 TW-2016에서는  Collar 설치를 권장하지 않음)

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Helical Strake Type

공정 유속이 높은 곳에 설치된 보호관 주위에는 와류(Vor tex)가 형성되는데, 이때 발생한 와류가 주기성을 띠며, 규칙적으로 진동의 형태(그림 2)로 발생하는 현상을 VIV (Vortex-Induced-Vibration)라고 한다. VIV에 의해서 발생된 진동 주파수(Shedding Frequency)가 보호관의 자연 주파수(Natural Frequency)와 일치되어 공진현상이 발생하면, 보호관에 작용되는 진동과 힘이 증폭되어 보호관의 파손을 일으킬 수 있다.

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VIV에 의해서 보호관 파손이 예상되는 공정 라인에서는 ASME PTC19.3-2016에 의한 설계가 아닌, VIV를 억제할 수 있는 새로운 방식의 설계 방법이 제안되고 있다. 대표적으로 Helical Strakes wire가 적용된 보호관을 최근 산업계에서 제안하고 있다.

Helical Strake Type은 주로 바닷가의 굴뚝   (그림 3)이나, 해양 플랜트의 Riser에 적용되고 있으며, 보호관에 적용은 비교적 최근에 와서야 적용되고 있다. Helical Strake Type은 EN 19 93-3. 2 : 2006 [참조문헌3]에서 간단한 설계 기준을 제시하고 있으며, 학계에서도 Helical Strake Type의 유용성을 검증하기 위해서 많은 연구 논문을 발표하고 있다.

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Helical Strake Type 보호관의 성능은 현재까지는 실증 시험과 CFD 해석을 통해서 확인이 가능하다. 이에 따라서, 새롭게 설계된 Helical Strake Type 보호관 성능을 확인하기 위한 CFD 해석 방법을 소개하고자 한다.   
 

CFD

(1) Introduction
CFD(Computational Fluid Dynamic) 해석은 보호관 파손에 영향을 미치는 VIV(Vortex-Induced-Vibration)의 억제 효과를 확인하는 대표적인 접근 방법 중의 하나다.
VIV는 부력(Lift force)과 항력(Drag force)의 영향으로 유체의 흐름 방향(In-line flow)과 수직한 방향(Cross flow)의 진동이 주기적으로 발생되는 현상이다. 여기에서 발생되는 진동은 보호관 파손의 영향을 가져올 수 있고, 피로 파손을 가속시키는 가장 큰 원인 중에 하나다. 그렇기 때문에 CFD 해석을 통해서, Helical strake design이 In-line flow와 Cross flow 방향에서 발생되는 진동에 의한 영향을 수치해석으로 확인을 해보았다.

(2) Model Geometry
CFD 해석을 위한 Standard 모델과 Helical Strake Type모델의 기본 사양은 아래와 같으며 Solid works 2012 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 기본 모델링을 하였고, AN SYS SPACE CLAIM 19.0을 사용하여 해석 영역인 유동장을 생성하였다.

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(3) ANSYS Setting
난류 영역의 해석은 RANS(Reynolds-averaged Navier -Stokes equations) 모델이 관련 산업계에서 주로 사용되며, RANS 모델들 중에서 k-epsilon 모델을 사용하여 해석을 진행하였다.
유동장의 Mesh는 해석 시간을 단축하기 위해 두 부분으로 나누어서 Mesh 사이즈를 다르게 적용하였으며, 주 관찰 영역에는 더욱 조밀하게 설정하였다.

해석에 사용된 소프트웨어는 ANSYS Fluent 19.0이며, 해석에 사용된 조건은 다음과 같다. 

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(4) Result
그림 7을 보면 보호관 후 류에 나타나는 vortex street의 형태는 무 차원 수치인 Reynolds No.에 따라서 다르게 나타난다. 해석에 사용된 유동의 Re no.는 ‘299268’이며, S TANDARD 모델 해석의 결과가 그림의 표시된 형태를 따라서, 나타나는 것을 예측할 수 있다.

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해석의 결과를 살펴보면 STANDARD 모델의 경우 이론상 예측된 형상을 띠며, VIV가 관찰되는 것을 볼 수 있다. 반면에 HELICAL STRAKE 모델의 결과를 보면 보호관 파손에 영향을 미치는 VIV가 상당 부분 억제되어 피로 파손의 영향을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
VIV 형성에 영향을 미치는 Cl(Lift coefficient) 그래프(Graph 1, 2)를 살펴보면, 표준형인 STANDARD 모델은 약 0.12이며, HELICAL STRAKE 모델은 약 0.049 값이 도출되었다. 결과적으로는 HELICAL STRAKE 모델이 Cross-flow에 의해서 발생하는 진동을 효과적으로 억제하여 약 60% 감쇄하는 효과를 나타냈다.  
그림 10을 보면 STANDARD 모델의 후 류에서 vortex의 영향을 받아서 Vortex street가 길게 형성되고 있는 것을 볼 수 있다. 반면에, 그림 11을 보면 Helical strake에 의해서 VIV 영역이 억제되어 Vortex street가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
앞의 그림 14를 보면 STANDARD 모델의 후 류에서 vortex street가 길게 형성되고 있는 것을 볼 수 있다. 반면에 그림 15를 보면 Helical strake에 의해서 VIV가 억제되어 Vortex street가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수가 있다.

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Conclusion

VIV는 부력(Lift force)과 항력(Drag force)의 영향은 물론 유체의 흐름 방향(In-line flow)과 수직한 방향(Cross flow)의 진동이 발생되는 현상으로, 보호관의 피로 파손을 가속화시키는 원인으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 VIV에 의한 영향력을 억제시키는 방법으로 새로운 설계 기준을 확립하고, Helical strake가 적용된 모델을 새롭게 제시하였다.

CFD 유동해석 결과, HELICAL STRAKE 모델이 매우 효과적으로 Vortex들을 억제시켜주는 것을 확인할 수 있으며, VIV 생성에 중요한 요소인 Cross flow 진동의 영향력, 즉 Lift coefficient를 약 60% 감쇄시켜주는 것을 확인할 수 있다.

즉 VIV 억제를 통해서 피로 파손의 위험성을 줄이며, 보호관의 수명을 더욱 길게 가져갈 수 있음을 확인할 수 있었다. 

<참조문헌>
[1] Wikipedia_vortex_street_Karmansche_Wirbelstr_kleine_Re
[2] Wikipedia_Vortex_shedding
[3] EN 1993-3.2:2006 annex.B
[4] ASME PTC 19.3 TW-2016


lsb3318@wisecontrol.com