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글쓴이	운영자	날짜	2014-12-11
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제 목 : 셀-튜브 열교환기 튜브 확관부 피로수명 연구
셀-튜브 열교환기 튜브 확관부 피로수명에 관한 연구 {A study for tube fatigue analysis in expanding tube area of Shell - Tube Heat-Exchanger} By RYU CHANGMYONG (류창명) PROFESSIONAL ENGINEER IN MECHANICAL (건설기계기술사/산업기계설비기술사) AND PES ENGINEERING (피이에스기술사사무소 대표) MECHANICAL ENGINEERING CONSULTATION ADVISER/FOUNDER http://www.pes21.com wine@pes21.com info@pes21.com +82-10-7515-3761 초록본 최초 작성일자 : 2014년 05월01일 최종 수정일자 : 2014년 12월07일 --- 목 차--- 요 약 1. 열교환기 튜브 파괴 거동 2. 열교환기 튜브 확관율과 두께 감소분 관계 3. 튜브 확관부 열응력과 응력 집중 4. 튜브와 튜브 고정관의 SEAL WELD(누설방지용접) 5. 열교환기 튜브 피로파괴 수명 예측 결 론 1) 셀-튜브 온도차에 따른 튜브 확관부 굽힘응력 2) 튜브 확관부 피로 수명 예측 3) 튜브 길이와 피로 수명 관계 4) 셀-튜브 온도 편차에 따른 피로 수명 관계 5) 튜브 두께 선정시 고려 사항 6) 온도 편차에 따른 튜브 확관부 요구 두께 7) 튜브 확관부 열응력 대비 벤딩응력 사용 두께 비교 8) 튜브 확관부 응력부식균열 메카니즘 참고 문헌 저자 소개 요 약 열교환기 튜브 확관은 튜브 고정관 내부에서 셀측의 유체에 대한 외부 누설을 방지하기 위한 목적으로서 튜브 고정관 내부에 확관을 5%~9% 범위에서 수행하고 있으나 확관 작업 이후의 튜브 확관 감소율에 따른 두께 감소로 인하여 튜브의 열응력에 대한 피로파괴 인성 저하를 불려 일으키는 원인으로 작용하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 튜브 확관에 따른 확관부 응력 거동을 고찰하고 적정한 튜브 확관을 고찰하는데 그 목적이 있다. 주제어 : Tube Sheet, Tube failure, Tube expanding, heat exchanger, tube fatigue analysis, 튜브 확관율, 열교환기튜브확관, 튜브피로파손, 튜브응력해석, 열교환기 튜브 피로수명 ABSTRACT: This paper describes the behaviour of tube expanding stress in Shell and Tube Heat Exchanger, thereby, This analysis has been introduced to predict the tube failure and life cycle during heat exchanger operation for long term and shot term period basis of tube reduction rate in expanding area. Especially, tube expanded area is the most vulnerable for tube thermal stress failure due to induced vibration of flow in tube inside and outside therefore, this study was performed to get how to decide the required tube expanding rate and tube thickness for each design condition as well as, tube material properties considering the tube expectancy life. Finally, this paper shows the importance of tube expanding stress in Shell-Tube Heat Exchanger that is the major cause of tube failure mechanism. 1. 열교환기 튜브 파괴 거동 열교환기 튜브파괴 거동은 크게 튜브진동, 열응력, 확관부 응력집중으로 나눌 수 있다. 튜브외부와 내부 유체의 유동에 의한 진동은 탄성체인 튜브에 우력을 발생시켜 진동에 의한 에너지가 튜브에 저장되어 튜브의 고유 진동수와 공진하여 피로파괴의 원인이 되기도 하며, 셀과 튜브의 열응력에 의한 온도 편차에 따른 열응력은 튜브 고정관 확관부에서의 피로파괴의 주요 원인이 되기도 한다. 특히, 튜브 두께가 상대적으로 얇은 스텐인레스관의 경우에는 권장 확관율을 5%~9% 기준으로 할 때, 실제 튜브확관부의 두께는 현저히 감소되어 튜브 확관부에서는 매우 취약하게 되어 튜브의 수명을 단축시키는 주요 요인으로 알려지고 있다. 2. 열교환기 튜브 확관율과 두께 감소분 관계 통상적으로 사용되는 열교환기 튜브 확관율은 직경기준 즉, 확관 이전 튜브내경 대비 확관이후내경의 비율로 나타내며, 튜브 확관율에 따른 실제 두께 감소율은 튜브의 두께가 적을수록 상대적으로 크게 나타나는 것이 특징이다. 즉, 튜브 확관율={(확관이후내경-확관이전내경)-(튜브고정관내경-튜브외경)}/(확관이전내경-확관이후내경) 또는, 튜브 확관율={1-(D-d)/2t}100 (D : 튜브고정관내경, d : 확관이후튜브내경, t : 확관이전 튜브두께)로 나타낼 수 있다. 실 예를 들면, 튜브 외경이 19.05(두께 0.8), 확관이전 17.45, 확관이후 18.3, 고정관의 내경이 20.05 이라 할 때 튜브 확관율은 -9.37%이며, 이때 두께 감소는 -0.43으로써 확관부의 실제 튜브 두께는 확관으로 인한 튜브 감소분(-0.43)을 제외하면 0.38로 나타난다. 따라서, 튜브 확관율은 비록 9.37% 이지만, 실제 튜브의 두께 감소율은 거의 50%에 가까운 감소율을 나타낸다는 것을 유의해야 하며, 튜브 확관율을 결정할 경우 관련 규격(TEMA)등을 참조하여 권장하는 확관율을 적용할 수 있으나, 튜브의 사용 두께에 따라 확관율을 결정하는 것 또한 중요하다 할 것이다. 특히, 튜브 두께의 감소에 따른 단면2차모멘트 값은 튜브 확관이전 대비 튜브 두께 감소분 만큼 감소되어 확관부와 비확관부와의 강성도(탄성계수관성모멘트) 차이가 50% 가까이 있음은 튜브 확관율 결정시 매우 유의할 점이다. 3. 튜브 확관부 열응력과 응력 집중 튜브와 동체 셀간의 열팽창 차이는 튜브에 열응력을 발생시키며, 이때 발생하는 변형율은 튜브 소재에 대한 선팽창계수와 온도차이와 관계되며 튜브의 길이와는 무관하다, 즉 ε=αΔT=λ/L 와의 관계식이 성립되며, 후프의 법칙에 따라, 열응력은 단면적에 탄성계수와 변형율의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉, F=AEε= AEα△T식을 적용하여 튜브의 열응력에 따른 튜브 확관부의 길이방향 열응력을 계산하여 확관에 따른 단면적 감소 상태에서의 허용 인장 응력과 비교하였다. 또한, 튜브의 확관이후의 두께 감소에 따른 벤딩 모멘트를 계산하여 튜브 확관부위의 벤딩 응력을 고찰하였다. 4. 튜브와 튜브 고정관의 SEAL WELD(누설방지용접) 튜브와 고정관의 SEAL WELD(누설방지용접)은 튜브의 가로방향 열응력을 받는 부위로서 용접 방법에는 외부 필렛식과 내부필렛식이 있으나, 스텐인레스와 같은 얇은 튜브를 사용하는 경우에는 외부 필렛보다는 내부필렛식이 용접시 튜브의 손상 방지 및 누설에 따른 안정성이 높다고 판단된다. 5. 열교환기 튜브 피로파괴 수명 예측 튜브의 확관부위에 대한 응력은 동체 셀과 튜브와의 온도 편차에 따른 열응력으로서 열교환기의 운전중에 발생할 수 있는 열충격과 국부적인 열응력이 동시에 작용하는 3차 응력이 주기적으로 발생할 수 있는 부위라고 볼 수 있다. 따라서, 본 고에서는 Goodman식을 적용하여 응력진폭과 평균응력으로써 허용피로한도와 소재의 피로한도와의 비율로서 허용피로수명을 계산하여 튜브의 피로수명을 예측하였다. 다만, 튜브의 최대 응력은 소재의 최대 항복강도로 가정하였고, 튜브의 실제 최소응력은 튜브의 열응력값으로 가정하였다. 결 론 1) 셀-튜브 온도차에 따른 튜브 확관부 굽힘응력 (그림-1) 위의 도표(그림-1)는 열교환기 동체 셀과 내부에 양측 튜브 고정관에 설치된 튜브와의 온도차이에 따른 확관부의 굽힘응력을 나타내는 그래프이다. 온도차이는 튜브 내부 유체의 온도와 튜브 외부의 셀측에 유입되는 유체와의 온도 차이를 나타낸 것인데, 튜브의 열응력은 동체 셀과 튜브와의 온도 편차에 따른 열응력을 말하는 것이다. 튜브 확관부의 굽힘응력은 동체 셀-튜브의 온도 편차 60 ℃에서 15kgf/mm^2을 나타내고 있으며, 허용 응력은 최대항복 강도값에 66%를 적용하였다. 2) 튜브 확관부 피로 수명 예측 다음은(그림-2) 본 연구에서 사용한 튜브 확관부 열응력해석 프로그램의 입/출력 값을 나타내는 것으로 1) 튜브의 확관율 2) 확관부 열응력 3) 누설방지 용접부 응력 4) 확관부 피로파괴 응력해석 및 피로 수명 예측을 계산한 결과를 나타낸 것으로써 피로수명 예측은 GOODMAN"S 식을 적용하였다. 튜브 19.05 (두께0.8) 스텐인레스 튜브의 확관 이후 두께는 0.38이며, 피로수명은 0.9년을 나타내고 있다. (그림-2) 3) 튜브 길이와 피로 수명 관계 다음의 그림(그림-3) 에서는 전형적인 셀-튜브 열교환기의 형상을 나타내고 있으며, 동체에 고정된 튜브 고정관에 튜브가 장착되어 있는 그림을 나타내고 있다. 열교환기 튜브 확관부의 열응력(ο)은 튜브의 탄성계수(E)와 선팽창률(ε)과 관계하므로 튜브의 길이와는 확관부의 응력과는 관계가 없는 것으로 나타난다. 즉, ο=Eε=F/A식으로 표시할 수 있으며, 다만 튜브의 선팽창량(λ)은 선팽창률(ε)에 튜브 길이(L)를 곱한 값으로 나타낼 수 있으며 즉, λ=εL의 식으로 표시 할 수 있다. (그림-3) 4) 셀-튜브 온도 편차에 따른 피로 수명 관계 다음의 그림(그림-4)에서와 같이 열교환기 셀측과 튜브측의 온도 편차에 따른 튜브의 피로 수명은 밀접한 관계가 있으며, 이는 튜브 확관부의 열응력이 증가함에 따라 피로 수명 또한 온도 증가에 따라 비례 감소하는 것으로 나타나고 있다. (그림-4) 5) 튜브 두께 선정시 고려 사항 일반적으로 열교환기 튜브 두께 선정은 TEMA와 같은 관련 적용 규격을 근거로 하여 역학적인 요구 사항을 반영하여 선정하고 있으나, 간혹 튜브의 피로 파손에 대한 충분한 설계적인 검토가 부족한 경우가 발생될 수도 있다. 즉, 튜브의 수명에 미치는 파괴역학적인 요인은 1차응력(내압,외압,벤딩응력,비틀림응력) 2차응력(축방향열응력,원주방향열응력,불연속벤딩응력), 3차응력(열충격,국부적응력집중)과 같은 역학적인 요인이 운전조건과 구조적인 형상에 따라 다양하게 나타날 수 있다. 그 중에서도 튜브의 피로파괴 주요 인자로서 고온에서 나타나는 크립(CREEP) 응력 및 동체 셀과 튜브와의 온도 편차에 따른 열응력과 튜브 확관부위에서 나타나는 응력집중은 실제적으로 튜브의 피로수명에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있다. 따라서, 튜브 두께 선정은 튜브 확관율에 따른 두께 감소율과 확관부의 열응력에 의한 응력집중, 소재의 크립강도 및 피로한도를 만족하는 여부를 확인한 이후 튜브 두께를 선정하여야만 튜브의 피로파괴를 방지할 수 있을 것이다. 6) 온도 편차에 따른 튜브 확관부 요구 두께 아래 (그림-5)에서는 튜브의 열응력에 따른 튜브의 원주방향에 부과되는 힘(튜브확관부 외부)을 전단력으로 가정하고, 이때 허용 인장강도에 대한 요구 두께를 계산하여 튜브 확관에 따른 권장 두께를 계산하였다. (그림-2) 5항 참조 즉, 튜브확관부 요구 두께(t1)=(σ1πDw)/2)/πDSa) σ1 : 튜브 열응력 π : 원주율 D : 튜브 외경 w : 튜브 확관 길이 Sa : 튜브 허용 응력 (그림-5) 7) 튜브 확관부 열응력 대비 벤딩응력 사용 두께 비교 아래 (그림-6)에서는 튜브의 열응력에서 요구하는 사용 두께와 튜브 확관시 벤딩응력에서 요구하는 사용 두께를 각각의 온도 편차에 따른 값을 나타낸 것으로써, 열응력에 의해 요구하는 두께가 지배함을 알 수 있다. (그림-6) 8) 튜브 확관부 응력부식 메카니즘 튜브 확관부 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking)은 역학적인 원인과 야금학적인 원인으로서 복합적인 메카니즘을 갖고 있다. 우선 역학적으로 가공경화를 예를 들수 있으며, 튜브의 확관시 탄성한도를 초과하여 소성변형으로 진행되면 금속 내부의 원자, 분자의 배열이 변함에 따라 금속 결정의 격자 형태의 변화를 가져오게 된다. 즉, 격자의 체적에는 변화가 없으나, 격자의 형태 변화로 인하여 격자의 내부 저항력이 커져서 강도는 증가하고 인성은 감소하게 된다. 이것이 금속의 가공경화 메카니즘이다. 흔히, 스텐인레스강의 곡관부위가 자성을 뛰는 현상을 볼 수 있는데 이것 또한 금속의 결정 형태가 곡관에 따른 외력에 의하여 결정의 형태가 뒤틀려서 비자성체인 스텐인레스강이 자성을 띄게된다. 또한, 야금학적으로 이러한 결정의 형태에 변화가 오면, 철(Fe)를 감싸고 있는 크롬(Cr)의 성분이 금속의 점,선,면의 결함 중, 선 결함에 해당되는 원자의 전위 이동이 시작되고, 전위의 미끄러짐에 이어서 결정의 위치 변화를 가져오게 된다. 결국, 금속의 응력부식 균열은 야금학적으로 시작되어 철과 크롬의 구성 비율이 달라지게 되는데, 이러한 결정의 변화는 크롬 함유량이 많은 스텐인레스강의 용접시 발생되는 입계부식 균열과도 그 메카니즘은 동일하다고 볼 수 있다. 즉, 철, 크롬의 구성 비율이 용접에서는 열적으로 변화를 가져오게 되나, 스텐인레스 튜브의 확관시에는 외력에 의하여 금속 결정의 변화를 일으키게 된다. 일반적으로, 스텐인레스강이라하면, Stainless 즉, 부식이 없는 뜻으로 이해 할 수 있으나, 스텐인레스의 정확한 용어는 Stainless than carbon steel, 즉, 탄소강보다 부식이 덜되는 합금강으로 이해하는 것이 맞는 것이다. 스텐인레스 304 계열인 오스텐나이트계는 크롬-니켈 함유량이 18%-8%로써 나머지 약 75%는 철(Fe)로 구성되어 철, 크롬의 결정변화는 쉽게 부식이 발생할 수 있는 구조로 되어 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 열교환기의 U-튜브 제작시 곡관부위를 안정화 열처리를 수행하는 이유가 바로 이러한 외력에 의한 곡관부위의 결정을 원래의 위치로 되돌려서 내부에 존재하는 잔류응력을 제거하는 것이 그 목적이다. 하지만, 스텐인레스 튜브의 확관부위는 확관이후 열처리가 곤란하게되어 일반적으로 열처리를 수행하지 않는 것이 특징이다. 따라서, 스텐인레스강 튜브의 확관시 발생되는 응력으로 인한 결정 격자의 변화는 부식 환경에서는 내부 응력에의한 부식과 균열을 동시에 불려 올 수 있으며, 특히 열교환기 튜브 확관부위가 열응력을 지속적으로 받는 조건에서는 응력부식과 피로균열로 이어질 수 있으므로 튜브 두께 선정시 이러한 문제도 동시에 고려할 필요가 있다. 참고문헌 1) TEMA(Standards of the Tubular of Exchanger Manufacturer Association)-2007-9th Edition 저자 소개 피이에스기술사사무소 대표 /건설기계기술사/산업기계설비기술사 기계공학 기술사 저자(총 20권) http://www.pes21.com 창원기계공업고등학교 졸업(3회) 경남대학교 기계공학과 졸업(83) - 주요 경력 1991년 ~ 1998년 : 탈기기 및 급수가열기 설계 1999년 ~ 2004년 : 압력용기 및 열교환기 구조설계 2005년 ~ 2006년 : 중저속내연엔진/발전 계통설계 2007년 ~ 현재 : 건설/시공/감리 - 보유 자격 건설기계기술사/산업기계설비기술사 - 주요 연구 논문 1) 배관 플랜지면 부식원인과 대책 방안(영문) 2) 배관 플랜지 가스켓 파손 원인 및 방지책(국문) 3) 지하 매설 배관 열응력에 의한 밸브 손상 거동 해석(영문) 4) 방수 콘테이너 사이폰 누수 현상(영문) 5) 차압식 수직축 적층 풍력 발전기(국문) 6) 철골 양카볼트 묻힘 길이에 관한 고찰(국문) 7) 고장력볼트용 와셔의 최적 설계에 관한 연구(국문) - 주요 개발 안내 2001년 : 탈기기 설계자동화 프로그램 2003년 : 화공열교환기 구조설계 웹프로그램 2005년 : 압력용기/열교환기 견적 자동화 프로그램 2007년 : 무동력 가압 양수 발전기(발명특허 출원 번호 :10-2009-0100012) 2012년 : 하이브리드-자연순환식 수차발전기(발명특허 출원 번호 :10-2012-0143279) 2014년 : 차압식 수직축 적층 풍력타워(발명특허 출원 번호 :10-2014-0019350) 2014년 : 수직부상 다단 양력형 풍력 터빈(발명특허 출원 번호 :10-2014-0018416) 원문은 자료실에 있음 http://www.pes21.com/home_56/room_solution/dataroom.ASP

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