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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2014
- 저작권
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해양플랜트용 Hydrant Reducing Valve의 화재 안전시험에 대한 해석기법 연구 및 내열구조
밸브 개발
A study on the Analysis Method for Fire Safety Test and Development of heat-resisting structure of Hydrant Reducing Valve for offshore Plant
기계공학과 정 윤 상
지 도 교 수 강 정 호
최근 해양구조물의 규모가 점점 대형화화 되는 추세로 특히 2000년 이후부터 해양플랜트 중에서도 부가가치가 높은 FPSO(floating production storage and offloading)와 LNG(liquified natural gas) 운반선과 같은 초대형 선박들이 주력건조선종으로 자리를 잡아가고 있다. 그러나 우리나라는 해양플랜트 건조에 사용되는 고부가가치 기자재의 국산화율이 극히 저조하며 대부분 노르웨이와 미국, 영국 등에서의 수입에 의존하고 있는 실정이다.
소화용 감압 밸브(hydrant reducing valve)는 해양플랜트의 소방 시스템에 사용되는 감압밸브이다. 해양플랜트에 설치되는 소방 시스템은 배관 내 자연낙차 압력을 극복하기 위해 방수기구에서 허용되는 최고 한계 이상의 압력이 발생할 수 밖에 없어 급수배관 부분에는 감압 기능이 반드시 필요하다. 밸브 입구에 발생하는 약 13~17bar의 압력을 화재 발생 시 사람이 지탱 가능한 압력인 약 5~7bar의 압력으로 감압시키는 역할을 한다.
해양플랜트의 경우 고립된 환경 특성상 화재사고에 의해 수 많은 인명손실과 재산피해를 초래하며 특히, 소화용 감압밸브가 화재에 노출되었을 시 열 변형(thermal strain) 및 열 응력(thermal stress)에 의한 손상으로 밸브의 주요 기능을 할 수 없을 때 해양플랜트가 전소(burn down)가 될 수 있으며 그로 인한 피해는 더욱 심각해진다.
현재 소화용 감압 밸브의 경우 시트 부의 누설이 가장 큰 문제로 대두되고 있으나 화재 노출 시 누설에 대한 문제를 국내뿐 아니라 국외에서도 근본적인 해결책을 제시하지 못하고 있는 실정이다. 이를 방지하기 위해 전 세계적으로 해양플랜트의 화재에 대한 위험도 평가(risk assessment)의 신뢰성과 현실성이 더욱 중요하게 부각되고 있으며 밸브 화재 안전시험 규격을 만족하도록 요구되고 있다.
따라서, 본 논문에서는 화재 안전시험에 대한 선행 연구 논문의 조사 및 검토를 통해 수치해석을 진행하고 실제 화재 안전시험을 수행하여 수치해석과 시험의 결과를 비교하고 선행 연구 논문의 문제점을 도출하였다. 그 문제점을 보완하기 위해 FSI(fluid structure interaction)를 이용하여 자연대류(nature convection)가 아닌 열에너지 방정식(thermal energy equation)을 이용한 강제대류(forced convection)를 적용함으로써 개선된 수치해석 기법을 제시하였다.
실제 화재 안전시험과 수치해석 기법의 결과 값이 유사하여 신뢰성을 확보하였으며 제시한 기법을 이용하여 냉각수 순환로를 갖는 내열구조의 밸브 설계 및 검토를 진행하였다. 그 결과 화재 시 누수의 주된 문제점이었던 시트부의 응력 및 전체 응력분포에서도 안정적인 수치해석 결과 값을 도출하였다.
주요어 : Hydrant Reducing Valve(소화용 감압 밸브), Fire Safety Test(화재 안전시험), Forced Convection(강제대류), FSI(fluid structure interaction; 유체-고체 연동해석)
밸브 개발
A study on the Analysis Method for Fire Safety Test and Development of heat-resisting structure of Hydrant Reducing Valve for offshore Plant
기계공학과 정 윤 상
지 도 교 수 강 정 호
최근 해양구조물의 규모가 점점 대형화화 되는 추세로 특히 2000년 이후부터 해양플랜트 중에서도 부가가치가 높은 FPSO(floating production storage and offloading)와 LNG(liquified natural gas) 운반선과 같은 초대형 선박들이 주력건조선종으로 자리를 잡아가고 있다. 그러나 우리나라는 해양플랜트 건조에 사용되는 고부가가치 기자재의 국산화율이 극히 저조하며 대부분 노르웨이와 미국, 영국 등에서의 수입에 의존하고 있는 실정이다.
소화용 감압 밸브(hydrant reducing valve)는 해양플랜트의 소방 시스템에 사용되는 감압밸브이다. 해양플랜트에 설치되는 소방 시스템은 배관 내 자연낙차 압력을 극복하기 위해 방수기구에서 허용되는 최고 한계 이상의 압력이 발생할 수 밖에 없어 급수배관 부분에는 감압 기능이 반드시 필요하다. 밸브 입구에 발생하는 약 13~17bar의 압력을 화재 발생 시 사람이 지탱 가능한 압력인 약 5~7bar의 압력으로 감압시키는 역할을 한다.
해양플랜트의 경우 고립된 환경 특성상 화재사고에 의해 수 많은 인명손실과 재산피해를 초래하며 특히, 소화용 감압밸브가 화재에 노출되었을 시 열 변형(thermal strain) 및 열 응력(thermal stress)에 의한 손상으로 밸브의 주요 기능을 할 수 없을 때 해양플랜트가 전소(burn down)가 될 수 있으며 그로 인한 피해는 더욱 심각해진다.
현재 소화용 감압 밸브의 경우 시트 부의 누설이 가장 큰 문제로 대두되고 있으나 화재 노출 시 누설에 대한 문제를 국내뿐 아니라 국외에서도 근본적인 해결책을 제시하지 못하고 있는 실정이다. 이를 방지하기 위해 전 세계적으로 해양플랜트의 화재에 대한 위험도 평가(risk assessment)의 신뢰성과 현실성이 더욱 중요하게 부각되고 있으며 밸브 화재 안전시험 규격을 만족하도록 요구되고 있다.
따라서, 본 논문에서는 화재 안전시험에 대한 선행 연구 논문의 조사 및 검토를 통해 수치해석을 진행하고 실제 화재 안전시험을 수행하여 수치해석과 시험의 결과를 비교하고 선행 연구 논문의 문제점을 도출하였다. 그 문제점을 보완하기 위해 FSI(fluid structure interaction)를 이용하여 자연대류(nature convection)가 아닌 열에너지 방정식(thermal energy equation)을 이용한 강제대류(forced convection)를 적용함으로써 개선된 수치해석 기법을 제시하였다.
실제 화재 안전시험과 수치해석 기법의 결과 값이 유사하여 신뢰성을 확보하였으며 제시한 기법을 이용하여 냉각수 순환로를 갖는 내열구조의 밸브 설계 및 검토를 진행하였다. 그 결과 화재 시 누수의 주된 문제점이었던 시트부의 응력 및 전체 응력분포에서도 안정적인 수치해석 결과 값을 도출하였다.
주요어 : Hydrant Reducing Valve(소화용 감압 밸브), Fire Safety Test(화재 안전시험), Forced Convection(강제대류), FSI(fluid structure interaction; 유체-고체 연동해석)
목차
Ⅰ. 서론 1Ⅱ. 화재 안전시험에 대한 수치해석 31. 3차원 형상 모델링 및 명칭 32. 밸브 구성 요소의 주요 물성치 43. 열해석을 위한 격자생성 및 경계조건 54. 열해석 결과 75. 구조해석을 위한 격자생성 및 경계조건 96. 구조해석 결과 11Ⅲ. 화재 안전시험 131. 화재 안전시험 규격 132. 화재 안전시험 수행 및 결과 193. 화재 안전시험 결과 및 수치해석 결과 비교 및 검토 21Ⅳ. 수치해석 기법 제시 181. 열전달 해석의 이론적 배경 182. 열전달을 위한 유동장 및 격자생성 193. 열전달 해석을 위한 경계조건 설정 214. 열전달 해석 결과 235. 구조해석을 위한 격자생성 및 경계조건 설정 266. 구조해석 결과 28Ⅴ. 수치해석을 이용한 내열구조 밸브 설계 및 검토 301. 내열구조 밸브 설계 302. 열전달 해석을 위한 경계조건 설정 및 경계조건 설정 323. 열전달 해석 결과 354. 내부유체 압력 변화 365. 구조해석 결과 386. 구조해석 결과 분석 39Ⅵ. 결론 41참고문헌 43ABSTRACT 45
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