압력등급소개
압력배관시스템에사용하기 위한모든재료는내압성능을경험적으로입증해야합니다. 이를통해공장및설비를 연결하는 배관이 이들 애플리케이션의장기적강도요구에견딜수있는지를 보장합니다.
ASTM, ISO 및플라스틱파이프협회(Plastic Pipe Institute)의 내수압력 위원회는열가소성플라스틱컴파운드(예를들어,염소화 폴리염화비닐(CPVC)) 의장기내수압강도(Long-term hydrostatic strength, LTHS)를검증하기위한다양한테스트방법을개발했습니다. 이러한방법에는시공시발생하는응력, 로트별가변성및화학물 노출과같은내압이외의요인에대해적절한재료강도가유지되도록하는설계인자가포함됩니다.
압력등급을계산하는것은파이프가파괴될때까지압력을증가시키는것처럼쉽지않습니다. 단기인장강도시험은금속의 경우와 마찬가지로열가소성플라스틱의장기강도를나타내는좋은지표가아닙니다. 이러한이유로플라스틱배관의 LTHS는응력대파괴시간(즉, 응력-파괴) 시험데이터를분석하여결정합니다. 이데이터는 10,000시간이상의시험기간을포함하며, 해당재료로만들어진배관에대한지속적인압력시험을 통해 도출합니다.
표준열가소성 플라스틱테스트방법
배관재료의장기 내압강도를결정하데는 두가지기본방법이있습니다. ASTM D2837, “열가소성배관재료또는열가소성파이프제품의압력설계기초(Pressure Design Basis)획득을위한표준시험방법” 은미국에서가장널리사용됩니다. 다른하나는 ISO 9080이며, 여기 서읽을수있습니다.
ASTM 방법은다음단계를포함합니다.
- 소재의장기내압강도(LTHS) 값을정의한다.
- LTHS 값을사용해소재의내수압설계기준(HDB) 범주를확인한다.
- 재료의내수압설계응력또는최대허용응력을산출하기위해 HDB를설계인자로곱한다.
이표준에따라이값을계산하는방법을살펴보겠습니다.
중요: ASTM D2837은파이프자체에대한압력등급을정의하지않고, 열가소성물질의장기내압강도를정의합니다. 이포스트의끝부분에는파이프의압력등급을찾는데사용되는공식이포함되어있습니다.
장기 내수압 강도(LTHS)산정방법
앞에서언급한바와같이, LTHS는응력대파괴시간(즉, 응력-파괴) 시험데이터를분석하여결정합니다.
CPVC의 LTHS 값을결정하기위해파이프시료를다양한응력수준으로시험합니다. 응력수준은배관이 10시간에서 10,000시간이상으로분포된시간대에파열되게값을 선택합니다. 180°F에서압력등급의경우, PPI는 16,000시간을초과하는 시험기간을 요구합니다.
그런다음응력대파괴시간를로그/로그척도로그려선형회귀분석에의해적합할수있는직선을형성합니다. 그런다음이라인은외삽되어 100,000시간의파열시간을초래하는응력수준을결정합니다.
데이터가실제로로그/로그눈금에선형인경우가장긴데이터지점을지나서하나의로그단위를추정하는것이일반적으로허용됩니다. (즉, 1,000시간을 10,000시간으로외삽하거나 10,000시간을 100,000으로외삽할수있음)
대부분의경우, 100,000시간의외삽응력수준을재료의장기수정강도(LTHS) 값으로사용합니다. 어떤경우에는통계데이터유효성검사(아래설명참조) 결과 50년의외삽응력수준을재료의 LTHS 값으로사용해야할수있습니다.
데이터검증
100,000시간의강도가적절하고신뢰할수있도록하기위해방법론에적용된몇가지검증메커니즘이있습니다.
- 양측신뢰하한(LCL): 응력대시간산란점그래프에서가장낮은데이터점을선형회귀분석해 LCL 값을결정한다. 이값이 LTHS 값의 15% 이내에있지않으면데이터를사용할수없는것으로간주한다.
- 50년강도계산: LTHS 데이터는 50년강도값계산에도사용된다. 이값이 10만시간강도값의 80% 미만이면 50년값을사용해정수설계기준을결정한다. 이는고경사회귀기울기가있는재료를설명하는데도움이된다.
전형적인 73°F 회귀선및외삽그래프.
산화고장을일으킬수있는 PE(Polyethylene)와같은배관재료에대해서는 10,000시간강도값이 100,000시간까지신뢰성있게외삽될수있는지확인하기위한추가검증이필요합니다. 이는 CPVC에는필요하지않습니다.
회귀분석및통계유효성검사에의해 LTHS 값을결정한후, 재료의 Hydrostatic Design Basis(HDB)는 LTHS 값을 ASTM D2837에정의된대로분류하여결정합니다.
설계계수를사용하여정수설계응력계산
정수설계기준(HDB) 범주는소재의극한강도성능을측정하는것이지만, 실제산업적용에서는내부스트레스만이장기성능에영향을미칠수있는유일한변수가아니라는사실을설명하는데 중요합니다.
이러한이유로, 정수설계위원회는물질의 HDB 값에재료의최대허용압력또는정수설계응력(HDS)을결정하기위한설계인자를곱해야한다는데합의하였습니다.
이설계인수는두가지변수그룹에기초합니다.
- 제조및시험변수, 특히재료, 제조, 치수, 양호한취급법및평가프로세스의일반적인변동성.
- 적용및사용변수, 특히설치, 환경, 온도, 관련된위험, 기대수명및선택한신뢰성정도.
워터애플리케이션의경우이러한변수를설명하기위해 CPVC 배관에 0.5의설계계수를적용해야한다고결정했습니다. 화학공정의경우엔지니어는공정수요에따라 0.5 이하의설계인자를적용하기로결정할수있습니다.
파이프압력등급
앞의내용은실제배관자체가아닌배관재료에대한최대허용응력을계산하도록설계되었습니다. 파이프의압력등급을정의하려면파이프의직경과벽두께도고려해야합니다.
배관재료의 HDS는파이프의압력등급을정의하기위해다음방정식에연결됩니다.
S = P (D-t) / (2t)
혹은
S = P (d+t) / (2t)
여기서:
- S = 응력
- P = 압력
- D = 평균외경
- d =평균내경
- t = 최소벽두께
예를들어...
4” Corzan® type 4120 schedule 80 pipe at 73°F
2000 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])
P = 324 [psi] ≈ 320 [psi] at 73°F
4” Corzan® type 4120 schedule 80 pipe at 180°F
500 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])
P = 81 [psi] ≈ 80 [psi] at 180°F
이공식에서도출한값은파이프측면에인쇄되는압력등급입니다. 그것은워터애플리케이션에사용시 73°F에서의파이프성능에기초합니다.
다른온도에서작업
CPVC 배관의압력등급은상기의 73°F 및 180°F에서상기의방법에따라경험적으로결정되었습니다. 다른온도에서작동할경우 ASTM F441에서제공하는Derating factor를시스템설계엔지니어가적용해야합니다. 파이프의온도감소계수는 73°F와 180°F의압력등급값을보간하여구합니다. 화씨 73도이하의온도에서작업하기위한 "업그레이드" 요소는없습니다. 그러한상황에서는 73°F의압력등급을사용해야합니다.
참고: 이Derating factor는이미고려된설계계수(0.5)에추가적으로적용합니다.
재량에따른적용
궁극적으로배관의압력등급은가이드라인이며, 플랜트엔지니어는자재를선택하기전에배관시스템의요구조건을충분히평가해야합니다.
특히, 최대작동온도, 온도차이, 외부압력, 화학약품, 외부응력및 UV 노출을고려해야 합니다. 용도에따라자체설계계수등급을적용하여시스템이파괴되지않도록보호하시기 바랍니다.
더자세한정보
질문이있거나귀사의산업에 압력등급을설명하는방법에관심이있는경우당사제품및엔지니어링전문가팀에문의하십시오. 우리는항상답변할준비가되어있습니다.
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