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표제지

목차

요약문 3

제1장 서론 16

1. 연구 배경 및 목적 16

2. 연구 내용 및 범위 17

제2장 이중보온관 기술동향 20

1. 이중보온관 구성자재 별 규격 조사 20

1.1. EN의 구성자재 별 주요 규격 및 평가시험 20

1.1.1. 내관 및 외관의 최소두께 20

1.1.2. 외관 평가시험 23

1.1.3. 보온재(PUF) 평가시험 26

1.2. 국내 이중보온관 주요 평가시험 28

1.2.1. 외관 평가시험 28

1.2.2. 보온재 평가시험 29

2. 내관 및 PE관 두께 설계법 30

2.1. 내관 두께 설계법 30

2.1.1. 국내 강관 두께 설계법 30

2.1.2. 국외 내관 두께 설계법 35

2.2. PE관 두께 설계법 38

2.2.1. 국내 PE관 두께 설계법 38

2.2.2. 국외 PE관 두께 설계법 38

3. 보온재 두께변화에 따른 경제성 검토 41

3.1. 보온재 두께변화에 따른 열손실량 평가 방법 분석 41

3.1.1. 열배관 열손실량 평가방법 분석 41

3.1.2. 평가방법 별 열손실량 비교 44

3.2. 보온재 두께변화에 따른 경제성 검토 47

3.2.1. 현가계수 별 적용성 검토 47

3.2.2. 연금현가계수를 적용한 경제성 검토 52

3.2.3. 일시불 현가계수를 적용한 경제성 검토 63

3.2.4. 현가계수 별 경제성 검토결과 분석 83

제3장 이중보온관 하중분담율에 따른 내관두께 85

1. 관경 별 발생 인장응력 평가시험 85

1.1. 인장응력 평가시험 개요 85

1.1.1. 작용하중 86

1.1.2. 이중보온관 시편 및 센서 88

1.1.3. 평가시험 장비 91

1.2. 관경 별 발생 인장응력 평가시험 결과 93

1.2.1. 200A 평가시험 결과 93

1.2.2. 500A 평가시험 결과 103

1.2.3. 800A 평가시험 결과 112

2. 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 외적하중 분담율 평가 121

2.1. 컴퓨터 시뮬레이션 개요 121

2.1.1. 부재별 구성요소 및 물성치 121

2.1.2. 하중 및 경계조건 122

2.2. 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 하중분담율 평가 123

2.2.1. FEM해석 및 평가시험 결과 비교 123

2.2.2. FEM해석을 통한 구성자재 하중분담율 평가 129

3. FEM해석에 의한 강관두께 변화에 따른 안정성 평가 132

4. 최적 이중보온관 강관두께 산정에 따른 경제성 산출 135

4.1. 이론식에 의한 강관두께 산정 135

4.2. 국내 생산 강관두께를 고려한 제안 최적 강관두께 137

4.3. 내관두께 변화에 따른 경제성 검토 140

제4장 이중보온관 평가기준에 따른 외관 두께산정 141

1. 외관두께 변화에 따른 이중보온관 안정성 평가 141

1.1. 평가시험 개요 141

1.1.1. 평가대상 이중보온관 시편 142

1.1.2. 센서 설치 143

1.1.3. 충격강도시험 장비 144

1.2. 안정성 평가결과 145

1.2.1. 충격강도시험 결과 145

1.2.2. 발포압에 의한 외관변화 평가 147

2. 최적 HDPE 외관두께 결정 151

2.1. 이론식에 의한 외관두께 산정 151

2.2. 제안 최적 외관 두께 153

제5장 이중보온관 평가기준에 따른 열수축케이싱 두께산정 155

1. 열수축케이싱 안정성 평가를 위한 모래상자 시험 155

1.1. 평가시험 방법 및 평가사례 156

1.1.1. 평가시험 방법 및 평가사례 156

1.1.2. 시험장비 및 시편 158

1.1.3. 이중보온관 시편 160

1.1.4. 모래 시편 161

1.2. 열수축케이싱 두께변화에 따른 안정성 평가결과 162

1.2.1. 모래상자시험 결과 162

1.2.2. 수밀성시험 결과 166

2. 제안 최적 열수축케이싱 두께 169

제6장 결론 171

1. 이중보온관 구성자재 별 규격 조사 171

2. 강관 및 PE 관 두께 설계법 172

3. 보온재 두께변화에 따른 경제성 검토 173

4. 이중보온관 하중분담율에 따른 내관두께 산정 174

5/4. 이중보온관 평가기준에 따른 외관 두께산정 176

6/5. 이중보온관 평가기준에 따른 열수축케이싱 두께산정 178

참고문헌 181

표목차

〈표 2.1〉/〈표 2.3〉 내관(Steel) 최소두께 비교 21

〈표 2.2〉/〈표 2.4〉 외관(HDPE) 최소두께 비교 22

〈표 2.3〉/〈표 2.5〉 EN253의 외관(HDPE) 주요 평가시험 23

〈표 2.4〉/〈표 2.6〉 외관(HDPE) 평가시험 관련 ISO 기준 25

〈표 2.5〉/〈표 2.7〉 보온재(PUF) 주요 평가시험 관련 EN253 변경내용 26

〈표 2.6〉/〈표 2.8〉 시험편을 이용한 외관(HDPE) 재료 및 평가시험 기준 비교 28

〈표 2.7〉/〈표 2.9〉 이중보온관을 이용한 평가시험 비교 29

〈표 2.8〉/〈표 2.10〉 재료에 따른 Kf, Kt의 값 31

〈표 2.9〉/〈표 2.11〉 관저의 지지각에 따라서 결정되는 계수치(Kf) 32

〈표 2.10〉/〈표 2.12〉 EN 13941 내관 설계 시 고려하여야 하는 한계상태(CEN, 2010) 35

〈표 2.11〉/〈표 2.13〉 EN 10216의 관경 및 관 두께에 따른 허용오차(CEN, 2004) 36

〈표 2.12〉/〈표 2.14〉 관두께 산정을 위한 경험계수 y 값(ASME, 2007) 37

〈표 2.13〉/〈표 2.15〉 ASTM D1248 상 Type 구분(ASTM, 2004) 40

〈표 2.14〉/〈표 2.16〉 ASTM D1248 상 Category 구분(ASTM, 2004) 40

〈표 2.15〉/〈표 2.17〉 한국지역난방공사 평가방법 적용 물성치 42

〈표 2.16〉/〈표 2.18〉 서울시 평가방법 적용 물성치 43

〈표 2.17〉/〈표 2.19〉 열손실량 평가 시 적용 기존 물성치 비교 45

〈표 2.18〉/〈표 2.20〉 열손실량 평가를 위한 물성치 보정 45

〈표 2.19〉/〈표 2.21〉 일시불현가계수 적용 현재가치 환산 열생산단가 산정 예 49

〈표 2.20〉/〈표 2.22〉 연료 별 열생산단가 증가분 50

〈표 2.21〉/〈표 2.23〉 대표 관경에 대한 연금현가계수 적용 경제성 검토결과(LNG) 53

〈표 2.22〉/〈표 2.24〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(LNG) 55

〈표 2.23〉/〈표 2.25〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(LNG) 56

〈표 2.24〉/〈표 2.26〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(LNG) 57

〈표 2.25〉/〈표 2.27〉 대표 관경에 대한 연금현가계수 적용 경제성 검토결과(B-C유) 58

〈표 2.26〉/〈표 2.28〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(B-C유) 60

〈표 2.27〉/〈표 2.29〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(B-C유) 61

〈표 2.28〉/〈표 2.30〉 연금현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(B-C유) 62

〈표 2.29〉/〈표 2.31〉 대표 관경에 대한 일시불현가계수 적용 경제성 검토결과(LNG, 최대증가분) 63

〈표 2.30〉/〈표 2.32〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(LNG, 최대증가분) 65

〈표 2.31〉/〈표 2.33〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(LNG, 최대증가분) 66

〈표 2.32〉/〈표 2.34〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(LNG, 최대증가분) 67

〈표 2.33〉/〈표 2.35〉 대표 관경에 대한 일시불현가계수 적용 경제성 검토결과(LNG, 최소증가분) 68

〈표 2.34〉/〈표 2.36〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(LNG, 최소증가분) 70

〈표 2.35〉/〈표 2.37〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(LNG, 최소증가분) 71

〈표 2.36〉/〈표 2.38〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(LNG, 최소증가분) 72

〈표 2.37〉/〈표 2.39〉 대표 관경에 대한 일시불현가계수 적용 경제성 검토결과(B-C유, 최대증가분) 73

〈표 2.38〉/〈표 2.40〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최대증가분) 75

〈표 2.39〉/〈표 2.41〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최대증가분) 76

〈표 2.40〉/〈표 2.42〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최대증가분) 77

〈표 2.41〉/〈표 2.43〉 대표 관경에 대한 일시불현가계수 적용 경제성 검토결과(B-C유, 최소증가분) 78

〈표 2.42〉/〈표 2.44〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 30년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최소증가분) 80

〈표 2.43〉/〈표 2.45〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 40년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최소증가분) 81

〈표 2.44〉/〈표 2.46〉 일시불현가계수 적용 시 운영기간 50년의 관경 별 총 비용(B-C유, 최소증가분) 82

〈표 2.45〉/〈표 2.47〉 현가계수 별 평균 총 비용(LNG) 83

〈표 2.46〉/〈표 2.48〉 현가계수 별 보온재 두께 변화에 따른 평균 총 비용 증감율(LNG) 83

〈표 2.47〉/〈표 2.49〉 현가계수 별 평균 총 비용(B-C유) 84

〈표 2.48〉/〈표 2.50〉 현가계수 별 보온재 두께 변화에 따른 평균 총 비용 증감율(B-C유) 84

〈표 3.1〉 관경 별 매설깊이에 따른 수직하중 87

〈표 3.2〉 인장응력 평가대상 이중보온관 시편 88

〈표 3.3〉 평가시험을 위한 이중보온관 시편 별 센서 부착 위치 89

〈표 3.4〉 200A 관의 파괴 시 압축강도 및 변형량 93

〈표 3.5〉 200A 관의 위치 별 부재 두께 및 파괴 시 압축강도 95

〈표 3.6〉 200A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 100

〈표 3.7〉 200A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 100

〈표 3.8〉 내압을 고려한 200A 관의 발생응력 101

〈표 3.9〉 내압을 고려한 200A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 102

〈표 3.10〉 내압을 고려한 200A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 102

〈표 3.11〉 500A 관의 파괴 시 압축강도 및 변형량 103

〈표 3.12〉 500A 관의 위치 별 부재 두께 및 파괴 시 압축강도 105

〈표 3.13〉 500A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 109

〈표 3.14〉 500A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 109

〈표 3.15〉 내압을 고려한 500A 관의 발생응력 110

〈표 3.16〉 내압을 고려한 500A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 111

〈표 3.17〉 내압을 고려한 500A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 111

〈표 3.18〉 800A 관의 파괴 시 압축강도 및 변형량 112

〈표 3.19〉 800A 관의 위치 별 부재 두께 및 파괴 시 압축강도 114

〈표 3.20〉 800A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 118

〈표 3.21〉 800A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 118

〈표 3.22〉 내압을 고려한 800A 관의 발생응력 119

〈표 3.23〉 내압을 고려한 800A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-외부 발생응력 120

〈표 3.24〉 내압을 고려한 800A 관의 두께 변화에 따른 측정위치 별 내관-내부 발생응력 120

〈표 3.25〉 각 부재 별 적용 요소(Element) 및 물성치 121

〈표 3.26〉 파괴 시 작용 하중을 고려한 평가시험 및 FEM해석 발생 변형량 비교 124

〈표 3.27〉 200A 관의 내압 및 외부하중을 고려한 내관 발생응력 126

〈표 3.28〉 500A 관의 내압 및 외부하중을 고려한 내관 발생응력 127

〈표 3.29〉 800A 관의 내압 및 외부하중을 고려한 내관 발생응력 128

〈표 3.30〉 이중보온관의 내관 및 강관의 평가위치 별 발생응력 131

〈표 3.31〉 관경 별 강관두께 차이에 따른 발생응력 증가 132

〈표 3.32〉 이중보온관 강관두께 변화에 따른 최대 발생인장응력 134

〈표 3.33〉 국내외 이중보온관 강관두께 산출 이론식을 이용한 강관두께 검토 136

〈표 3.34〉 KS D 3562의 호칭지름 별 바깥지름 및 호칭두께(한국표준협회, 2009) 137

〈표 3.35〉 KS D 3583의 호칭지름 별 바깥지름 및 호칭두께(한국표준협회, 2012) 138

〈표 3.36〉 제안 최적 강관두께(안) 139

〈표 3.37〉 제안두께 적용 시 경제성 평가 140

〈표 4.1〉 충격강도시험을 위한 이중보온관 규격 142

〈표 4.2〉 충격강도시험에 의한 외관 발생 패임 직경 및 깊이 147

〈표 4.3〉 500A관의 발포압에 의한 외관 직경변화 148

〈표 4.4〉 발포 시공 및 충격시험에 의한 외관 발생 최대응력 150

〈표 4.5〉 이론식에 의한 외관두께 산정 입력값 151

〈표 4.6〉 외관두께 산출을 위한 관경 별 설계압력 산출결과 152

〈표 4.7〉 현 생산 외관두께 대비 이론식 이용 산출 외관두께 153

〈표 4.8〉 제안 최적 외관두께(안) 154

〈표 5.1〉 기관별 모래상자 시험장비의 규격 및 관 통제 방법(Henning, 2002) 158

〈표 5.2〉 모래상자 시험용 열수축케이싱 160

〈표 5.3〉 열수축케이싱 안정성 평가에 이용된 모래의 입도분포 특성 161

〈표 5.4〉 500A의 열수축케이싱 두께 별 모래상자시험 시 구동하중 164

〈표 5.5〉 800A의 열수축케이싱 두께 별 모래상자시험 시 구동하중 164

〈표 5.6〉 제안 최적 열수축케이싱 두께(안) 170

그림목차

〈그림 2.1〉/〈그림 2.3〉 이중보온관 열전도율 산정 방법(CEN, 2009) 27

〈그림 2.2〉/〈그림 2.4〉 기존 물성치를 이용한 열손실량 비교 44

〈그림 2.3〉/〈그림 2.5〉 물성치 보정 후 평가방법 별 열손실량 비교 46

〈그림 2.4〉/〈그림 2.6〉 현가계수 별 계산 예 48

〈그림 2.5〉/〈그림 2.7〉 연료 별 열생산단가 예측 곡선 50

〈그림 3.1〉 집단에너지시설의 기술기준 평가시험 모식도(지식경제부, 2009) 85

〈그림 3.2〉 수직하중 산정을 위한 표준단면도 87

〈그림 3.3〉 인장응력 평가를 위한 이중보온관 시편 제작 88

〈그림 3.4〉 인장응력 평가를 위한 센서 설치 모식도 89

〈그림 3.5〉 인장응력 평가시험 용 이중보온관 시편 제작 모습 90

〈그림 3.6〉 인장응력 평가시험 용 이중보온관 시편 제작 모습 91

〈그림 3.7〉 200A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 94

〈그림 3.8〉 200A 관의 편심 및 파괴 예 96

〈그림 3.9〉 200A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 97

〈그림 3.10〉 500A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 104

〈그림 3.11〉 500A 관의 편심 및 파괴 예 106

〈그림 3.12〉 500A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 107

〈그림 3.13〉 800A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 113

〈그림 3.14〉 800A 관의 편심 및 파괴 예 115

〈그림 3.15〉 800A 관의 하중-변형 특성 곡선 예 116

〈그림 3.16〉 유한요소 모델 단면 122

〈그림 3.17〉 하중 및 경계조건 122

〈그림 3.18〉 FEM해석을 통해 얻어진 응력 및 변형 사례 123

〈그림 3.19〉 하중분담율 평가를 위한 해석 모형 및 해석결과 예 129

〈그림 3.20〉 FEM 해석결과를 이용한 강관두께 변화에 따른 예측 발생인장응력 133

〈그림 4.1〉 샤르피 테스트에 의한 외관 충격강도 시험 모습 142

〈그림 4.2〉 충격강도시험을 위한 이중보온관 시편 143

〈그림 4.3〉 이중보온관 외관의 후프스트레스 이력 개념도(Nilsson et al, 2006) 143

〈그림 4.4〉 응력이력 평가를 위한 센서 설치(안) 144

〈그림 4.5〉 충격강도시험용 장비 144

〈그림 4.6〉 충격강도시험용 장비 및 시험결과 146

〈그림 4.7〉 발포압에 의한 직경변화 측정 147

〈그림 4.8〉 이중보온관 외관의 발포 시공 및 충격시험 증 응력이력 149

〈그림 5.1〉 모래상자 시험장비 최소규격 및 모식도(EN253:2009) 155

〈그림 5.2〉 일반관의 기관별 모래상자시험 시 발생 최대응력 예(Henning, 2002) 157

〈그림 5.3〉 연결관의 기관별 모래상자시험 시 발생 최대응력 예(Henning, 2002) 157

〈그림 5.4〉 모래상자 시험장비 159

〈그림 5.5〉 모래상자 시험용 이중보온관 시편 160

〈그림 5.6〉 열수축케이싱 안정성 평가시험을 위한 모래의 입도분포곡선 161

〈그림 5.7〉 모래상자시험 중 전ㆍ후진 시 구동하중(원 두께) 162

〈그림 5.8〉 모래상자시험 중 전ㆍ후진 시 구동하중(저감 두께) 163

〈그림 5.9〉 모래상자시험 후 시편 모습(원 두께) 165

〈그림 5.10〉 모래상자시험 후 시편 모습(저감 두께) 166

〈그림 5.11〉 수밀성시험 전후 시편 모습(원 두께) 167

〈그림 5.12〉 수밀성시험 전후 시편 모습(저감두께) 168

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