파이프 지지대

파이프 지지대 또는 파이프 행거는 하중을 파이프에서 지지 구조로 전달하는 설계 요소다. 하중은 적절한 배관의 중량, 배관이 운반하는 내용물, 배관에 부착된 모든 배관 부속물 및 절연과 같은 배관 덮개를 포함한다. 파이프 지지대의 4가지 주요 기능은 고정, 유도, 충격 흡수 및 특정 하중을 지지한다. 고온 또는 저온 용도에 사용되는 배관 지지대는 절연재를 포함할 수 있다. 배관 지지대 어셈블리의 전체 설계 구성은 하중 및 작동 조건에 따라 달라진다.

배관 시스템에 대한 하중

1차 부하

이들은 일반적으로 내부 유체 압력, 외부 압력, 파이프 및 유체의 무게와 같은 파이프에 작용하는 중력, 완화 또는 블로 다운에 의한 힘, 물/증기 해머 효과로 인해 발생하는 압력파 등 안정적이거나 지속적인 형태의 하중을 말한다.^[1]

지속 하중:

• 내부/외부 압력: 유체를 운반하는 데 사용되는 파이프는 내부 압력 부하를 받을 수 있다. 재킷형 파이프 코어 또는 Shell & Tube ex-changer 등의 배관은 순 외부 압력일 수 있다. 내부 또는 외부 압력은 축 방향뿐만 아니라 원주(Hoop Stress) 방향에서도 응력을 유도한다. 압력은 또한 방사 방향에서 스트레스를 유발하지만, 이것들은 종종 무시된다. 내부 압력은 관의 내부 단면을 곱한 압력과 동일한 축력을 발휘한다. F =P[πd^2/4] 압력 및 파이프 단면으로 대략적인 금속 단면을 계산하기 위해 외경을 사용할 경우 축응력은 종종 다음과 같이 근사치를 구할 수 있다: S =Pd / (4t)
• 데드 웨이트: 유체, 피팅 중량 및 기타 인라인 구성 요소(say valve, 절연 등)를 포함한 파이프의 자체 중량이다. 이러한 유형의 하중은 파이프의 수명 주기 전체에 걸쳐 작용한다. 수평 파이프에서 이러한 하중은 휨을 유발하며, 휨 모멘트는 정상 및 전단 응력과 관련이 있다. 파이프 휨은 주로 분산 중량 하중(예: 유체 중량)과 집중 중량 하중(예: 밸브 중량)의 두 가지 이유로 발생한다. 라이저(파이프의 수직 섹션)의 무게는 라이저 클램프로 지지할 수 있다.

간헐적 부하:

• 풍하중: 옥외에 위치하여 바람에 노출되는 배관은 발전소 운전 수명 동안 예상되는 최대 풍속을 견딜 수 있도록 설계된다. 풍력은 바람 방향에 수직인 파이프의 투사 길이에 작용하는 균일한 하중으로 모델링된다. 다양한 고도에 대한 풍압은 다음 공식을 사용하여 풍력을 계산한다. Fw = Pw x S x A, 여기서 Fw = 총 풍력, Pw = 등가 풍압, S = 바람 모양 계수, A = 파이프 노출 면적.
• 지진 하중: 지진하중은 지진에 의한 동요를 구조물에 적용하는 것을 의미하는 지진공학의 기본 개념 중 하나이다. 그것은 지면,[2] 또는 인접 구조물,[3] 또는 쓰나미로 인한 중력 파도와 함께 구조물의 접촉 표면에서 발생한다.
• 워터 해머: 워터 해머(또는 더 일반적으로 유체 해머)는 움직이는 유체(보통 액체지만 때로는 기체)가 강제로 멈추거나 갑자기 방향을 바꿀 때(모멘텀 변화) 발생하는 압력 서지 또는 파동이다. 워터 해머는 일반적으로 파이프 시스템 끝에서 밸브가 갑자기 닫히고 압력파가 파이프에 전파될 때 발생한다. 유압 쇼크라고도 한다.
• 스팀 해머: 스팀 해머는 갑작스러운 정지 밸브 폐쇄로 인해 증기 라인의 과열 또는 포화 증기의 과도적인 흐름에서 발생하는 압력 서지를 간헐적인 부하로 간주한다. 흐름은 과도하지만 배관 응력 분석의 목적상 배관 진동을 유도하는 배관 세그먼트를 따라 불균형한 힘만 계산하여 배관 모델에 정적 등가력으로서 적용한다.
• 안전 밸브 방전: 릴리프 밸브 방전에 따른 반력은 간헐적 부하로 간주된다. 개방 방전 설비에서 안전 릴리프 밸브 개방에 따른 정상 상태 흐름으로 인한 반응 하중은 ASME B31.1 부록 II에 따라 계산하여 배관 모델에 정적 등가 하중으로 적용할 수 있다.

이차 부하

일차 하중이 어떤 힘에서 기원을 가지듯이, 이차 하중은 어떤 종류의 변위에 의해 발생한다. 예를 들어 저장탱크에 연결된 배관은 탱크 정착으로 인해 연결된 탱크 노즐이 아래로 이동하면 부하가 걸릴 수 있다. 마찬가지로 혈관 팽창으로 인해 혈관 노즐이 위로 이동하기 때문에 용기에 연결된 파이프가 위로 당겨진다. 또한 파이프가 부착된 회전 장비의 진동으로 인해 파이프가 진동할 수 있다.

변위 하중:

• 관의 열팽창에 의한 하중
• 장비의 열 이동으로 인한 부하

파이프는 조립된 온도에 비해 각각 높은 온도 또는 낮은 온도에 따라 팽창 또는 수축이 발생할 수 있다. 이차 하중은 종종 순환적이지만 항상은 아니다. 예를 들어, 탱크 정착으로 인한 하중은 주기적이지 않다. 가동 중 혈관 노즐 이동으로 인한 하중은 셧다운 시 변위가 빠지고 새로 시동한 후 다시 냉각되기 때문에 주기적이다. 고온 및 저온 유체의 주기에 따른 배관은 유사하게 반복하중과 변형을 겪는다.

파이프 지지대 유형

• 리지드 서포트
• 스프링 서포트
• 스너버/쇼크 업소버

리지드 서포트

강체 지지대는 (그 방향으로) 어떠한 유연성 없이 특정 방향의 파이프를 제한하기 위해 사용된다. 강체 지지대의 주요 기능은 앵커, 휴식, 가이드 또는 두 가지 모두로 구성될 수 있다.

1) 스탄치온/파이프 슈:

견고한 지지대는 아래 또는 위에서 제공될 수 있다. 바닥 지지대의 경우 일반적으로 스탄치온 또는 파이프 클램프 베이스가 사용된다. 그것은 단지 휴식형 지지대만을 위해 철골 구조물에 보관될 수 있다. 다른 방향으로 동시에 제한하려면 별도의 플레이트 또는 Lift up Lug를 사용할 수 있다. 파이프 앵커는 3개의 직교 방향과 3개의 회전 방향 모두에서 움직임을 제한하는 견고한 지지대(즉, 자유도 6도 제한). 이것은 보통 강철이나 콘크리트에 용접되거나 볼트로 고정되는 용접된 스탄치온이다.^[2] 콘크리트에 볼트로 고정하는 앵커의 경우, 콘크리트로 지지대를 고정하는 데 사용되는 앵커 볼트라고 하는 특수한 유형의 볼트가 필요하다. 이러한 유형의 지지대에서 정상 힘과 마찰력이 유의미해질 수 있다. 마찰 효과를 완화하기 위해 필요할 때 흑연 패드 또는 PTFE 플레이트를 사용한다.

2) 로드 행거:

정적 구속장치 즉, 인장하중만 견디도록 설계된다(압축하중을 가해서는 안 되며, 그러한 경우 버클링이 발생할 수 있다). 상단에서만 제공하는 견고한 수직형 지지대 입니다. 클램프, 아이 너트, 타이 로드, 빔 부착으로 구성된다. 로드 행거의 선택은 파이프 크기, 하중, 온도, 절연, 조립 길이 등에 따라 달라진다. 힌지와 클램프가 함께 제공되기 때문에 실질적인 마찰력이 작용하지 않는다.

3) 강성 스트럿:

인장하중과 압축하중을 모두 견딜 수 있도록 설계된 동적 구성요소다. 스트럿은 수평 방향뿐만 아니라 수직으로 제공될 수 있다. V형 스트럿은 자유도 2도를 제한하는 데 사용할 수 있다. 뻣뻣한 클램프, 견고한 스트럿, 용접 클레비스 등으로 구성된다. 배관 크기, 하중, 온도, 절연, 조립 길이에 따라 선택된다. 힌지와 클램프가 함께 제공되기 때문에 실질적인 마찰력이 작용하지 않는다.

스프링 서포트^[3]

스프링 지지대(또는 플렉시블 지지대)는 나선형 코일 압축 스프링을 사용한다(열팽창으로 인한 하중 및 관련 파이프 이동을 수용하기 위해). 그것들은 크게 변수 노력 지원 및 지속적인 노력 지원으로 분류된다. 두 지지대 유형에서 중요한 구성 요소는 헬리컬 코일 압축 스프링이다. 스프링 행거 & 지지대는 보통 헬리컬 코일 압축 스프링을 사용한다.

1.다양한 스프링 행거 또는 가변 힘 지원:

가변 행어 또는 변수라고도 하는 가변 힘 지지대는 중간(약 50mm) 수직 열 이동에 따른 파이프 라인을 지지하기 위해 사용된다. VES 단위(가변력 지지대)는 유체의 무게와 함께 파이프 작업이나 장비의 무게를 지탱하는 데 사용되며(가스는 무중력 상태로 간주된다)를 지지하는 구조물에 관해서 일정한 양의 이동을 허용한다. 스프링 지지대는 침하 또는 지진으로 인해 일반적으로 발생하는 상대적 이동의 대상 라인을 지지하기 위해 사용될 수도 있다. 베스 유닛은 절단 단면 스케치에서 아래와 같이 나선형 코일 압축 스프링에 파이프를 사실상 직접 매달아 시공하는 것이 상당히 간단하다. 주요 구성 요소:

1. 탑 플레이트
2. 압력 플레이트 또는 피스톤 플레이트
3. 하단 플레이트 또는 베이스 플레이트
4. 헬리컬 스프링
5. 턴버클 조립체
6. 록킹 로드
7. 네임 플레이트
8. 캔 섹션 또는 커버

일반적으로 고객/엔지니어링 컨설턴트는 가변 노력 단위에 대한 문의를 할 때 다음과 같은 데이터를 제공한다.

1. 핫 로드
2. 열 이동(위 또는 +/아래 또는 - 방향)
3. 최대 부하 변동 백분율(LV % max), 최대 LV가 지정되지 않은 경우 MM-SP58에 따라 25%로 가정한다.
4. 지지 유형(예: 매달림 유형, 발에 장착된 유형 등)
5. 이동 제한 스톱과 같은 특수 기능이 필요한 경우
6. 선호하는 표면 보호/도장/마감

핫하중은 "핫" 조건(즉, 파이프가 저온 상태에서 고온 또는 작업 상태로 이동했을 때)에서 지지대의 작업하중을 말한다. 일반적으로 MSS-SP58은 최대 부하 변동(^[4]일반적으로 LV라고 함)을 25%로 지정한다.

두드러진 특징

• 수직 방향으로 이동 허용
• 파이프에 가해지는 하중은 이동에 따라 다름

사용처

• 변위 < 50mm
• 하중 변동성 < 25%
• 로드 각도 조절은 4° 미만이어야 함

부하 변동(LV)또는 백분율 변화 =[(핫 로드 ~Cold 부하 cmx100]/Hot 부하 또는 부하 변동(LV)또는 백분율 변화 =[(여행)봄율 cmx100]/Hot 부하 일반적으로 봄 지원된에서 격분했지만 때문에 레이아웃 실현하거나 혹은 다른 이유 기지 기마형 지지물은 고정에 또는 구조체&파이프가 만들어졌다. '스프링 지지대의 플랜지 상단에" 앉는다.

2.일정한 스프링 행거 또는 지속적인 노력 지원:

일반적으로 150 mm 또는 250 mm의 큰 수직 이동에 직면할 경우, 일정한 힘 지지대(CES)를 선택할 수밖에 없다. Load differency performance(부하 변동 백분율)가 25%를 초과하거나 가변 행거에서 지정된 최대 LV%를 초과하는 경우, CES를 선택하는 것 외에는 선택의 여지가 없다. 시스템 성능에 중요한 배관 또는 파이프에 잔류응력이 전달되지 않는 소위 임계 배관의 경우 CES를 사용하는 것이 일반적이다. 지속적인 지지대로 파이프가 차가운 위치에서 뜨거운 위치로 이동할 때 하중은 일정하게 유지된다. 따라서 이동에 관계없이 하중은 전체 이동 범위에 걸쳐 일정하게 유지된다. 따라서 일정한 하중 행거라고 한다. 이동 시 부하가 변동하고 핫 부하와 콜드 부하가 이동 및 스프링 상수에 의해 제어되는 두 가지 다른 값이 있는 가변 부하 행거와 비교된다. CES 단위는 스프링 비율이 없다.

CSH의 가장 보편적인 작업 원리는 벨 크랭크 메커니즘이다. 벨 크랭크 레버는 풀크럼 포인트를 중심으로 회전한다. 벨 크랭크 레버의 한쪽 끝은 파이프 'P'에 연결되고 다른 쪽 끝은 타이 로드에 의해 스프링에 연결된다. 따라서 파이프가 저온 상태에서 고온 상태로 내려갈 때 P 지점이 아래로 내려가고, 아래로 내려가면서 벨 크랭크 레버가 시계 반대 방향으로 회전하고 스프링에 연결된 타이 로드가 당겨져 스프링이 더욱 압축된다. 파이프가 위로 이동하면 벨 크랭크 레버가 회전하고(시계 방향에서) 스프링에 연결된 타이 로드가 밀려나 스프링이 팽창하거나 이완될 수 있다.

또 다른 인기 있는 원리는 세 개의 봄 또는 조절 스프링 메커니즘이다. 이 경우 하나의 주 수직 스프링이 파이프의 주 하중을 취한다. 수평 방향의 다른 두 개의 스프링은 위 또는 아래 방향으로 들어오는 추가 하중의 균형을 맞추기 위해 위치한다.

스너버 또는 쇼크 업소버

다이내믹 에어백: 구속 시스템은 지지대의 그것과 완전히 다른 기능을 수행한다. 후자는 배관공사의 중량을 운반하여 정상적인 작동 조건에서 자유롭게 이동할 수 있도록 하기 위한 것이다. 구속 시스템은 배관 공사, 발전소 및 구조물을 비정상적인 상태로부터 보호하기 위한 것으로 지지대의 기능을 방해하지 않아야 한다. 구속장치의 사용이 필요한 조건은 다음과 같다 – • 지진. • 유체 장애. • 특정 시스템 기능. • 환경적 영향. 지질학적 단층선 위 또는 근처에 위치한 지역에서는 발전소를 잠재적 지진 활동으로부터 보호하는 것이 일반적이다. 그러한 발전소에서는 동적 구속장치에 대한 매우 큰 요건이 있을 것이다. 유체 교란은 펌프와 압축기 또는 액체 상태의 유체가 가스 또는 증기의 수송을 위한 배관으로 들어가는 효과에 의해 발생할 수 있다. 급속 밸브 폐쇄, 펌핑에 의한 맥동, 안전 릴리프 밸브의 작동과 같은 일부 시스템 기능은 배관 시스템 내에서 불규칙하고 갑작스러운 하중 패턴을 야기할 것이다. 환경은 높은 풍하중으로 인한 교란이나 해상 석유와 가스 굴착기의 경우 해상의 파도에 의한 충격으로 인한 교란을 일으킬 수 있다. 구속 시스템은 이러한 모든 영향을 만족하도록 설계될 것이다. 구속장치란 위의 현상 중 하나 이상이 발생하여 배관공사나 배관공사가 연결된 발전소가 손상되는 것을 방지하는 장치다. 이것은 파이프에서 갑자기 증가하는 하중을 건물 구조물로 흡수하고 전달하며 파이프와 구조물 사이의 대립되는 진동을 소멸시키도록 설계되었다. 따라서 동적 구속장치는 매우 뻣뻣하고 부하 용량이 크며 파이프와 구조물 사이의 자유로운 이동을 최소화해야 한다.

작업원리에 따라 스너버는 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 유압 스너버: 자동차 감전기와 유사하게 유압 스너버는 실린더의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 오일을 치환하는 피스톤이 있는 유압 오일이 들어 있는 실린더 주위로 제작된다. 유체의 변위는 파이프의 이동으로 인해 피스톤이 실린더 내에서 변위하게 되어 실린더의 한쪽 끝에는 높은 압력이, 다른 쪽 끝에는 상대적으로 낮은 압력이 발생한다. 피스톤의 속도는 실제 압력 차이를 지시할 것이다. 오일은 스프링이 장착된 밸브를 통과하며, 스프링은 밸브를 열어두는 데 사용된다. 밸브를 가로지르는 차압이 스프링이 가하는 유효 압력을 초과하면 밸브가 닫힌다. 이것은 스너버를 경직되게 하고 추가적인 변위를 실질적으로 막게 한다. 유압 스너버는 일반적으로 구속 축이 배관의 팽창 및 수축 방향에 있을 때 사용된다. 따라서 스너버는 배관 공사의 정상적인 작동으로 연장 또는 수축해야 한다. 스너버는 매우 낮은 속도에서 움직임에 대한 저항이 낮다.
• 기계식 스너버: 유압식 스너버와 동일한 용도의 파이프 지연은 스너버 내 원심제동에 기인한다. 분할 플라이휠은 고속으로 회전하여 강철 볼이 방사상으로 바깥쪽으로 강제된다. 플라이휠은 강철 볼에 의해 강제 분리되어 브레이크 플레이트가 결합되어 스너버의 축 변위를 지연시킨다. 플라이휠의 회전은 볼 스크루 또는 유사한 장치에 작용하는 메인 로드의 선형 변위에 의해 발생한다. 그것은 또한 매우 비싸다.
• 충격 흡수기는 갑작스러운 충격의 에너지를 흡수하거나 파이프라인에서 에너지를 방출한다. 댐퍼 및 대시보드는 쇼크 업소버를 참조하십시오.
• 절연관 지지대(사전 절연관 지지대라고도 함)는 부하를 견디는 부재로 에너지 소산을 최소화한다. 절연 파이프 지지대는 저온 및 고온에서 수직, 축 및/또는 횡방향 하중 조합을 위해 설계될 수 있다. 파이프라인을 적절히 절연하면 내부의 "콜드"가 환경으로 빠져나가지 못하게 함으로써 배관 시스템의 효율을 높인다.^[5] 절연 파이프의 경우 절연 파이프를 참조하십시오.

• 설계된 스프링 지지대는 파이프, 물품, 플랜지, 밸브, 내화 및 절연 등 특정 하중을 지탱한다. 또한 스프링 지지대는 지원되는 부하가 설치 조건부터 작동 조건까지 미리 결정된 열 편향 사이클을 통해 이동할 수 있도록 한다.

자재

파이프 지지대는 구조용 강재, 탄소강, 스테인리스강, 아연도금강, 알루미늄, 연성철, FRP 복합재 등 다양한 재료로 제작된다. 대부분의 파이프 지지대는 습기와 부식을 방지하기 위해 코팅되어 있다.^[6] 부식 방지 방법으로는 도장, 아연 코팅, 아연 도금 또는 이들의 조합이 있다.^[7] FRP 복합 파이프 지지대의 경우 부식 셀을 형성하는 데 필요한 요소가 없으므로 추가 코팅이나 보호가 필요하지 않다.^[8]

표준

• 설계: ASME B31.1, ASME B31.3, ASME 섹션 VIII 압력 용기
• 제조: MSS-SP58(재료, 설계, 제조, 선택, 응용 및 설치) Note:MSS SP-58-2009 Incorporates and Supersedes the contents of ANSI/MSS SP-69-2003, MSS SP-77, MSS SP-89, and MSS SP-90), AWS-D1.1, ASTM-A36, ASTM-A53, ASTM-A120, ASTM-A123 and A446, ASTM-A125, ASTM-A153, ASTM-307 and A325, ASTM-C916, ASTM-D1621, ASTM-D1622, ASTM-D1623. 절연 삽입물이 있는 지지대는 ASTM-C585도 참조해야 한다.
• 품질 시스템: ISO 9001, ASQC Q-92, CAN3 Z299
• 시험: ANSI B18.2.3

참조