[논문 리뷰] Analytic prognostic for petrochemical pipelines

Abdo Abou Jaoudé, Seifedine Kadry외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 25.

Non-Destructive Testing Techniques참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 압력 변화와 부식 환경 하에서 균열 전파를 고려한 석유화학 공정 파이프라인을 대상으로 분석적 예측 모델을 제안한다. 선형 탄성 균열역학을 사용하여 잔여 수명을 예측하며, 이 방법은 고장 위험을 조기에 탐지하고 예측함으로써 시스템 신뢰성을 크게 향상시키고 운영 비용을 절감한다. 주로 균열 성장의 개방 모드(모드 I)에 집중한다.

ABSTRACT

Pipelines tubes are part of vital mechanical systems largely used in petrochemical industries. They serve to transport natural gases or liquids. They are cylindrical tubes and are submitted to the risks of corrosion due to high PH concentrations of the transported liquids in addition to fatigue cracks due to the alternation of pressure-depression of gas along the time, initiating therefore in the tubes body micro-cracks that can propagate abruptly to lead to failure. The development of the prognostic process for such systems increases largely their performance and their availability, as well decreases the global cost of their missions. Therefore, this paper deals with a new prognostic approach to improve the performance of these pipelines. Only the first mode of crack, that is, the opening mode, is considered.

연구 동기 및 목표

• 순환 압력과 부식성 유체에 노출된 석유화학 공정 파이프라인에서의 균열 전파를 예측하는 모델을 개발한다.
• 고장 조기 예측을 통해 시스템 신뢰성을 향상시키고 운영 비용을 절감한다.
• 파이프라인 시스템에서 가장 심각한 고장 메커니즘인 모드 I(개방 모드) 균열 전파에만 집중한다.
• 실험적 데이터나 복잡한 시뮬레이션에 의존하지 않는 분석적, 물리 기반의 예측 접근법을 제공한다.

제안 방법

• 모델는 순환 압력 하중 조건에서 응력 집중 계수를 분석하기 위해 선형 탄성 균열역학(LEFM)을 적용한다.
• 균열 성장률을 응력 집중 계수 범위의 함수로 기술하기 위해 파리스 법칙을 사용한다.
• 재료 특성, 기하 구조, 운영 압력 사이클을 통합하여 시간에 따른 균열 진전을 추정한다.
• 잔여 수명(RUL)은 초기 균열 크기에서 임계 크기까지의 균열 성장을 통합하여 계산한다.
• 모델는 분석적 처리를 위해 등방성, 균질한 재료와 이상화된 균열 기하 구조를 가정한다.
• 모드 I(개방 모드) 균열 전파만 고려하여 균열역학 수식을 단순화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순환 압력과 부식 조건 하에서 석유화학 공정 파이프라인의 균열 전파를 어떻게 분석적으로 예측할 수 있는가?
• RQ2 운영 압력 사이클 하에서 초기 표면 균열을 가진 파이프라인의 잔여 수명은 얼마인가?
• RQ3 원통형 파이프에서 균열 크기와 압력 변동에 따라 응력 집중 계수는 어떻게 변하는가?
• RQ4 광범위한 시뮬레이션이나 데이터 없이도 분석 모델이 신뢰할 수 있는 예측 결과를 제공할 수 있는가?
• RQ5 개방 모드에서 균열 성장률에 영향을 미치는 주요 매개변수는 무엇인가?

주요 결과

• 분석적 모델은 LEFM과 파리스 법칙에 기반한 폐쇄형 해를 사용하여 균열 성장 진행 상황을 성공적으로 예측한다.
• 초기 균열 크기와 재료 특성이 알려져 있을 경우 파이프라인의 잔여 수명을 높은 정밀도로 추정할 수 있다.
• 모델는 균열 성장이 응력 집중 계수 범위와 압력 사이클 빈도에 가장 민감함을 보여준다.
• 이 방법은 고장 위험 조기 탐지 기능을 제공하여 치명적인 고장 발생 이전에 예방 정비를 가능하게 한다.
• 모드 I 균열 전파에 집중함으로써 압력이 가해진 파이프라인에서 가장 흔한 고장 메커니즘과의 관련성을 확보한다.
• 수치 시뮬레이션에 비해 계산 비용이 저렴하여 예측 응용 분야에서 유용한 대안을 제공한다.