파이프라인 벽 두께 계산 사례

세부 설계 프로젝트의 초기 단계에서 수행되는 기본 활동 중 하나로서 파이프라인 벽 두께(Pipeline wall thickness) 계산사례를 공유하고자 한다.

 

 

 

파이프라인 벽 두께 계산 사례

주어진 파이프라인 직경의 최소 벽 두께 계산 및 실제 두께 선택은 모든 파이프라인 프로젝트에서 가장 중요한 기본 설계 고려 사항 중 하나이다.

 

그리고 산안법에 따른 배관두께 계산 관련 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/104

배관두께 계산(산안법)

 

 

파이프 벽 두께

다음 그림은 배관의 OD, ID, 벽 두께의 의미를 나타내고 있다.

 

 

<그림 1> Pipeline Wall Thickness

 

 

Barlow의 공식은 다음 그림과 같이 직경(D), 벽 두께(t) 및 후프 응력(파이프 재료에서 hoop stress)을 고려하여 파이프 압력(P)을 계산하는 데 사용된다. 따라서 다른 세 가지의 함수로 해당 매개변수 중 하나를 계산하는 데 사용할 수 있다.

 

<그림 2>  배관 벽 두께에 영향을 주는 인자(압력, 외경, 후프 응력)

 

일부 다른 단순화 외에도 Barlow의 공식을 사용하기 위한 중요한 이론적 가정은 파이프 벽이 membrane (또는 얇은 벽 파이프)처럼 거동한다는 것이다. 두께. 파이프 벽 내에는 어떤 유형의 moments도 없다. 파이프 벽에서 membrane처럼 거동하는 것을 보장하는 한 가지 매개변수는 두께 대비 직경 비율(D/t)이 20 이상(타 문헌에서는 16 이상)이어야 한다는 것이다.

그러나 ASME(미국 기계 공학자 협회)에서 공식의 사용 여부는 일반적으로 단면 형상(D/t 비율)이 아니라 pipe service, 즉, 예를들면 유체의 유형, 산업 및 물리적 조건을 고려하여 결정하라고 하고 있다.

 

그리고 두께 대비 직경 비율(D/t), 즉 표준 치수비율(SDR)의 세부 내용은 다음 포스팅 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/931

표준 치수비 (SDR)

 

 

 

배관 최소요구두께 계산식(직관부)

직관부에서 요구되는 최소요구 두께는 〈식 1〉과 같이 구한다.

 

tm = t + c ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (1)

여기서, tm : 배관의 최소요구두께 (㎜)

          t : 내압 및 외압에 의한 두께 (㎜)

          c : 추가두께 (㎜)

 

(1) 배관의 최소요구두께 : tm

유체의 설계압력, 부식 및 마모 등을 고려한 최소요구두께를 말한다.

(2) 내압 및 외압에 의한 두께 : t

유체의 설계압력 및 외압에 의해 계산된 두께를 말하며 아래 식에 따라 계산한다.

(3) 추가두께 : c

기계적 이음을 하기 위하여 나사내기, 홈내기, 유체의 부식 및 마모에 대한 추가두께를 말하며 아래 사항을 고려하여야 한다.

(가) 기계적 이음에 대한 보상 기계적 이음을 하기 위해서 나사내기, 홈내기 등에서 깎여진 재료에 대한 보상

(나) 부식 또는 마모에 대한 보상 유체에 대한 부식 및 마모의 발생이 예상될 경우 배관의 예상 수명 기간 동안의 여유값을 보상

(다) 기계적 강도에 대한 보상 배관 지지물 또는 기타 원인으로 인해 부과된 하중에 의한 배관의 손상, 파괴, 과도한 처짐 또는 좌굴방지를 위해 기계적 강도를 유지하기 위한 보상

 

 

내압 및 외압에 의한 두께 : t

ASME B31.8 code (Gas Transmission and Distribution Piping Systems)에 의거하여 내압을 받는 직관부의 최소허용두께는 〈식 2〉와 같이 구한다.

 

내부 설계 압력을 견디기 위한 라인 파이프 벽 두께(t)는 다음과 같이 계산된다.

 t = P * OD / (2 * F *S * E*T)‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)

여기서,

• t: Pipe wall thickness
• P: Pipe pressure
• OD: Outside diamete
• F: Design Factor
• S: Hoop stress
• E: Longitudinal Joint Factor
• T: Temperature Derating Factor

 

 

계산 사례

● 직경 10인치(API 5L-Gr X52, 10.75인치 OD, 설계 압력=78 Bar-g, 설계 온도=60 Deg.C)의 액체 파이프라인에 대한 파이프라인 벽 두께는 얼마인가? (단, 안전율은 4로 한다)

 

▶ API 5L X52Q Pipe, SMLS Carbon Steel : API 5L X52 강재는 라인 파이프로 사용하는 파이프 재질 기호로
52 ksi × 6.9 = 약 360 MPa 항복강도 최소 값을 가지는 강관이다.

 

1. 내압 및 외압에 의한 두께 : t

• t : 계산된 벽 두께(mm)
• P : 배관 설계압력(kPa)=78 bar-g=7,800 KPa
• OD : 파이프 외경(mm)= 273.05mm
• F : 설계계수 = 0.72
• S : 지정된 재료에 대해 지정된 최소 항복 강도(Yield Strength) (MPa)=359,870 KPa.
• E : Longitudinal   joint   factor(세로 접합 계수) = 1.0
• T : 온도보정계수 (dimensionless) = 1.0 (for 250 ºF or less) 

 

식 2에 따라서 계산된 벽 두께(t, mm) = (7800*273.05)/ (2*0.72*359870*1*1) = 4.10

 

 

2. 배관의 최소요구두께 : tm

기계적 이음을 하기 위하여 나사내기, 홈내기, 유체의 부식 및 마모에 대한 추가두께  c

• c: Allowance for threading, grooving, corrosion = 0.3

압력 및 허용(allowances) 요건을 만족하는 호칭(nominal)두께 (최소요구두께, tm)는 상기 식 1에 의거 압력 및 공차에 대한 요구 사항을 충족하는 공칭 벽 두께= 4.1+0.3= 4.4 mm.

 

3. 선정된 배관 두께(minimum thickness selection) (T)

따라서 상기 조건에 사용 가능한 배관의 두께는 4.4mm보다 큰 배관을 사용하면 된다.

⇒ 파이프가 사용되는 여러 조건 및 파이프라인의 건설 및 현장 무결성과 관련된 기타 측면을 고려하여 배관의 최소 두께를 선택한다.

두께가 4.8mm 미만인 금속 라인 배관의 사용을 제한하지 않으므로 선정된 최소 배관 두께 = 4.8mm

 

Barlow의 공식을 적용을 위한 금속 파이프라인의 경우 치수 비율(OD/T)이 20 이상 기준과 비교할 때

 OD/T=273.05/4.8=56.88 > 20 이므로 4.8 mm가 적절하다.

 

Reference : 1. https://whatispiping.com/pipeline-wall-thickness-calculation/

2. KOSHA GUIDE M-115-2013 (배관두께 계산 및 검사 기술지침)

3. https://planetcalc.com/8189/