저작자표시 비영리 공연 및 방송할 수 있습니다 - inha · 2010-10-16 ·...
TRANSCRIPT
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l 저 물 복제 포 전송 전시 공연 송할 수 습니다
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l 하는 저 물 나 포 경 저 물에 적 허락조건 확하게 나타내어야 합니다
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工學碩士學位論文
표면 균열 부식 결함이 존재하는 천연가스
수송용 배 의 신뢰성 평가
ReliabilityEstimationoftheNaturalGasPipelinewith
SurfaceCrackandCorrosionDefect
2010年 2月
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 및 生産工學專攻)
金 烘 民
지도교수 이 억 섭
이 논문을 석사학 논문으로 제출함
- i -
요약문
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로서의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다이러한 천연가스는 LNG(액
화 천연가스)상태로 공 되거나 다시 기화시켜 지하 매설 가스배 을 통하여
국 으로 공 되고 있다천연가스 수송용 배 재료는 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 지정한 API5LX65등 의 강이 일반 으
로 사용되고 있다천연가스를 수송하는 배 은 여러 복합 인 응력 요소들이
작용하게 되어 배 내외부에 균열 발생 장시간의 사용에 따른 부식이 발생
할 수 있으며꾸 한 결함 성장에 따라 손 임계 을 넘어 결국 괴를 일으
켜 큰 재해로 발 할 수 있다는 험성을 내재하고 있다
본 연구에서는 천연가스 수송에 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강
표면에 균열 는 부식 결함을 가정하여 확률론 인 방법으로 건 성을 평가하
다배 표면에 반타원형 균열을 가정하고응력 확 계수(SIFStress
IntensityFactor)를 이용한 한계상태 방정식(LSFLimitStateFunction)을 구
성하여 확률론 신뢰성 방법인 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)을 이용한 손확률 측을 실시하
다마찬가지로 배 표면에 부식을 가정하고 표 인 손압력 모델인 ASME
B31G 기 과 ModifiedB31G(MB31G)기 을 용하여 FORMSORM을 이용
한 손확률 측을 실시하 으며균열 부식 결함의 모든 경우에 하여
FORM SORM의 결과와 표 인 신뢰성 방법인 MCS(Monte Carlo
Simulation)의 결과를 상호 비교하 다 한 한계상태 방정식에 구성된 각 확
률변수들의 확률분포 특성은 정규분포(Normaldistribution) 수 정규분포
(Log-normaldistribution)와이블 분포(Weibulldistribution)를 각각 용하
으며이들의 결과를 토 로 확률변수의 분포 특성에 따른 손확률 산출 결과
가 어떻게 변동되는지에 하여 체계 으로 규명하 다
- ii -
ABSTRACT
Thedemandinthenaturalgashascontinuouslybeenincreasinginthe
world owing totheenvironmentalproblemsanditshigh efficiencyThe
naturalgas is usually transported to the end-users through the high
strength pipelineOneofthenotableproblemsforthesepipelinesisthe
brittle fracture initiated at various defects due to the extremely low
temperature(-162)ofthetransportednaturalgasItisthusrequiredto
evaluatetheeffectofthedefectofpipelineintermsoftheoneconomical
andsociallossesInthisstudythereliabilityestimationofAPI5L X65
naturalgaspipelinewithasemi-ellipticalcrackandcorrosiondefectalonga
pipelinesurfaceisperformedbyutilizingtheprobabilisticmethodssuchas
the FORM(FirstOrderReliability Method)and the SORM(Second Order
ReliabilityMethod)Theprobabilisticmethodaccountsfortheuncertainties
intheloadandtheresistanceparametersontheLSF(LimitStateFunction)
TheLSF isformulatedwiththehelpoffracturecontrolconceptincluding
theSIF(StressIntensityFactor)foranaturalgaspipelinewithcracksor
cracklikedefectsAndtwofailurepressuremodelssuchastheASME
B31G criterionandtheModifiedB31G(MB31G)criterionaresystematically
comparedandinvestigatedforthenaturalgaspipelinewithcorrosiondefect
Theeffectsofprobabilisticdistributioncharacteristicsofrandom variables
on the failure probability are also systematically investigated The
probabilistic distribution characteristics of random variables include the
normalthelog-normalandtheWeibulldistributionsTheresultsobtained
byusingtheFORM andtheSORM arecomparedwiththosedeterminedby
theMCS(MonteCarloSimulation)
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
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thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
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- 80 -
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thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
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- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
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(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
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accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
工學碩士學位論文
표면 균열 부식 결함이 존재하는 천연가스
수송용 배 의 신뢰성 평가
ReliabilityEstimationoftheNaturalGasPipelinewith
SurfaceCrackandCorrosionDefect
2010年 2月
仁荷大學校 大學院
機械工學科(固體 및 生産工學專攻)
金 烘 民
지도교수 이 억 섭
이 논문을 석사학 논문으로 제출함
- i -
요약문
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로서의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다이러한 천연가스는 LNG(액
화 천연가스)상태로 공 되거나 다시 기화시켜 지하 매설 가스배 을 통하여
국 으로 공 되고 있다천연가스 수송용 배 재료는 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 지정한 API5LX65등 의 강이 일반 으
로 사용되고 있다천연가스를 수송하는 배 은 여러 복합 인 응력 요소들이
작용하게 되어 배 내외부에 균열 발생 장시간의 사용에 따른 부식이 발생
할 수 있으며꾸 한 결함 성장에 따라 손 임계 을 넘어 결국 괴를 일으
켜 큰 재해로 발 할 수 있다는 험성을 내재하고 있다
본 연구에서는 천연가스 수송에 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강
표면에 균열 는 부식 결함을 가정하여 확률론 인 방법으로 건 성을 평가하
다배 표면에 반타원형 균열을 가정하고응력 확 계수(SIFStress
IntensityFactor)를 이용한 한계상태 방정식(LSFLimitStateFunction)을 구
성하여 확률론 신뢰성 방법인 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)을 이용한 손확률 측을 실시하
다마찬가지로 배 표면에 부식을 가정하고 표 인 손압력 모델인 ASME
B31G 기 과 ModifiedB31G(MB31G)기 을 용하여 FORMSORM을 이용
한 손확률 측을 실시하 으며균열 부식 결함의 모든 경우에 하여
FORM SORM의 결과와 표 인 신뢰성 방법인 MCS(Monte Carlo
Simulation)의 결과를 상호 비교하 다 한 한계상태 방정식에 구성된 각 확
률변수들의 확률분포 특성은 정규분포(Normaldistribution) 수 정규분포
(Log-normaldistribution)와이블 분포(Weibulldistribution)를 각각 용하
으며이들의 결과를 토 로 확률변수의 분포 특성에 따른 손확률 산출 결과
가 어떻게 변동되는지에 하여 체계 으로 규명하 다
- ii -
ABSTRACT
Thedemandinthenaturalgashascontinuouslybeenincreasinginthe
world owing totheenvironmentalproblemsanditshigh efficiencyThe
naturalgas is usually transported to the end-users through the high
strength pipelineOneofthenotableproblemsforthesepipelinesisthe
brittle fracture initiated at various defects due to the extremely low
temperature(-162)ofthetransportednaturalgasItisthusrequiredto
evaluatetheeffectofthedefectofpipelineintermsoftheoneconomical
andsociallossesInthisstudythereliabilityestimationofAPI5L X65
naturalgaspipelinewithasemi-ellipticalcrackandcorrosiondefectalonga
pipelinesurfaceisperformedbyutilizingtheprobabilisticmethodssuchas
the FORM(FirstOrderReliability Method)and the SORM(Second Order
ReliabilityMethod)Theprobabilisticmethodaccountsfortheuncertainties
intheloadandtheresistanceparametersontheLSF(LimitStateFunction)
TheLSF isformulatedwiththehelpoffracturecontrolconceptincluding
theSIF(StressIntensityFactor)foranaturalgaspipelinewithcracksor
cracklikedefectsAndtwofailurepressuremodelssuchastheASME
B31G criterionandtheModifiedB31G(MB31G)criterionaresystematically
comparedandinvestigatedforthenaturalgaspipelinewithcorrosiondefect
Theeffectsofprobabilisticdistributioncharacteristicsofrandom variables
on the failure probability are also systematically investigated The
probabilistic distribution characteristics of random variables include the
normalthelog-normalandtheWeibulldistributionsTheresultsobtained
byusingtheFORM andtheSORM arecomparedwiththosedeterminedby
theMCS(MonteCarloSimulation)
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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PlantEngineeringVol7pp5-162002
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
지도교수 이 억 섭
이 논문을 석사학 논문으로 제출함
- i -
요약문
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로서의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다이러한 천연가스는 LNG(액
화 천연가스)상태로 공 되거나 다시 기화시켜 지하 매설 가스배 을 통하여
국 으로 공 되고 있다천연가스 수송용 배 재료는 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 지정한 API5LX65등 의 강이 일반 으
로 사용되고 있다천연가스를 수송하는 배 은 여러 복합 인 응력 요소들이
작용하게 되어 배 내외부에 균열 발생 장시간의 사용에 따른 부식이 발생
할 수 있으며꾸 한 결함 성장에 따라 손 임계 을 넘어 결국 괴를 일으
켜 큰 재해로 발 할 수 있다는 험성을 내재하고 있다
본 연구에서는 천연가스 수송에 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강
표면에 균열 는 부식 결함을 가정하여 확률론 인 방법으로 건 성을 평가하
다배 표면에 반타원형 균열을 가정하고응력 확 계수(SIFStress
IntensityFactor)를 이용한 한계상태 방정식(LSFLimitStateFunction)을 구
성하여 확률론 신뢰성 방법인 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)을 이용한 손확률 측을 실시하
다마찬가지로 배 표면에 부식을 가정하고 표 인 손압력 모델인 ASME
B31G 기 과 ModifiedB31G(MB31G)기 을 용하여 FORMSORM을 이용
한 손확률 측을 실시하 으며균열 부식 결함의 모든 경우에 하여
FORM SORM의 결과와 표 인 신뢰성 방법인 MCS(Monte Carlo
Simulation)의 결과를 상호 비교하 다 한 한계상태 방정식에 구성된 각 확
률변수들의 확률분포 특성은 정규분포(Normaldistribution) 수 정규분포
(Log-normaldistribution)와이블 분포(Weibulldistribution)를 각각 용하
으며이들의 결과를 토 로 확률변수의 분포 특성에 따른 손확률 산출 결과
가 어떻게 변동되는지에 하여 체계 으로 규명하 다
- ii -
ABSTRACT
Thedemandinthenaturalgashascontinuouslybeenincreasinginthe
world owing totheenvironmentalproblemsanditshigh efficiencyThe
naturalgas is usually transported to the end-users through the high
strength pipelineOneofthenotableproblemsforthesepipelinesisthe
brittle fracture initiated at various defects due to the extremely low
temperature(-162)ofthetransportednaturalgasItisthusrequiredto
evaluatetheeffectofthedefectofpipelineintermsoftheoneconomical
andsociallossesInthisstudythereliabilityestimationofAPI5L X65
naturalgaspipelinewithasemi-ellipticalcrackandcorrosiondefectalonga
pipelinesurfaceisperformedbyutilizingtheprobabilisticmethodssuchas
the FORM(FirstOrderReliability Method)and the SORM(Second Order
ReliabilityMethod)Theprobabilisticmethodaccountsfortheuncertainties
intheloadandtheresistanceparametersontheLSF(LimitStateFunction)
TheLSF isformulatedwiththehelpoffracturecontrolconceptincluding
theSIF(StressIntensityFactor)foranaturalgaspipelinewithcracksor
cracklikedefectsAndtwofailurepressuremodelssuchastheASME
B31G criterionandtheModifiedB31G(MB31G)criterionaresystematically
comparedandinvestigatedforthenaturalgaspipelinewithcorrosiondefect
Theeffectsofprobabilisticdistributioncharacteristicsofrandom variables
on the failure probability are also systematically investigated The
probabilistic distribution characteristics of random variables include the
normalthelog-normalandtheWeibulldistributionsTheresultsobtained
byusingtheFORM andtheSORM arecomparedwiththosedeterminedby
theMCS(MonteCarloSimulation)
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
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Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
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Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
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Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
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LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- i -
요약문
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로서의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다이러한 천연가스는 LNG(액
화 천연가스)상태로 공 되거나 다시 기화시켜 지하 매설 가스배 을 통하여
국 으로 공 되고 있다천연가스 수송용 배 재료는 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 지정한 API5LX65등 의 강이 일반 으
로 사용되고 있다천연가스를 수송하는 배 은 여러 복합 인 응력 요소들이
작용하게 되어 배 내외부에 균열 발생 장시간의 사용에 따른 부식이 발생
할 수 있으며꾸 한 결함 성장에 따라 손 임계 을 넘어 결국 괴를 일으
켜 큰 재해로 발 할 수 있다는 험성을 내재하고 있다
본 연구에서는 천연가스 수송에 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강
표면에 균열 는 부식 결함을 가정하여 확률론 인 방법으로 건 성을 평가하
다배 표면에 반타원형 균열을 가정하고응력 확 계수(SIFStress
IntensityFactor)를 이용한 한계상태 방정식(LSFLimitStateFunction)을 구
성하여 확률론 신뢰성 방법인 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)을 이용한 손확률 측을 실시하
다마찬가지로 배 표면에 부식을 가정하고 표 인 손압력 모델인 ASME
B31G 기 과 ModifiedB31G(MB31G)기 을 용하여 FORMSORM을 이용
한 손확률 측을 실시하 으며균열 부식 결함의 모든 경우에 하여
FORM SORM의 결과와 표 인 신뢰성 방법인 MCS(Monte Carlo
Simulation)의 결과를 상호 비교하 다 한 한계상태 방정식에 구성된 각 확
률변수들의 확률분포 특성은 정규분포(Normaldistribution) 수 정규분포
(Log-normaldistribution)와이블 분포(Weibulldistribution)를 각각 용하
으며이들의 결과를 토 로 확률변수의 분포 특성에 따른 손확률 산출 결과
가 어떻게 변동되는지에 하여 체계 으로 규명하 다
- ii -
ABSTRACT
Thedemandinthenaturalgashascontinuouslybeenincreasinginthe
world owing totheenvironmentalproblemsanditshigh efficiencyThe
naturalgas is usually transported to the end-users through the high
strength pipelineOneofthenotableproblemsforthesepipelinesisthe
brittle fracture initiated at various defects due to the extremely low
temperature(-162)ofthetransportednaturalgasItisthusrequiredto
evaluatetheeffectofthedefectofpipelineintermsoftheoneconomical
andsociallossesInthisstudythereliabilityestimationofAPI5L X65
naturalgaspipelinewithasemi-ellipticalcrackandcorrosiondefectalonga
pipelinesurfaceisperformedbyutilizingtheprobabilisticmethodssuchas
the FORM(FirstOrderReliability Method)and the SORM(Second Order
ReliabilityMethod)Theprobabilisticmethodaccountsfortheuncertainties
intheloadandtheresistanceparametersontheLSF(LimitStateFunction)
TheLSF isformulatedwiththehelpoffracturecontrolconceptincluding
theSIF(StressIntensityFactor)foranaturalgaspipelinewithcracksor
cracklikedefectsAndtwofailurepressuremodelssuchastheASME
B31G criterionandtheModifiedB31G(MB31G)criterionaresystematically
comparedandinvestigatedforthenaturalgaspipelinewithcorrosiondefect
Theeffectsofprobabilisticdistributioncharacteristicsofrandom variables
on the failure probability are also systematically investigated The
probabilistic distribution characteristics of random variables include the
normalthelog-normalandtheWeibulldistributionsTheresultsobtained
byusingtheFORM andtheSORM arecomparedwiththosedeterminedby
theMCS(MonteCarloSimulation)
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- ii -
ABSTRACT
Thedemandinthenaturalgashascontinuouslybeenincreasinginthe
world owing totheenvironmentalproblemsanditshigh efficiencyThe
naturalgas is usually transported to the end-users through the high
strength pipelineOneofthenotableproblemsforthesepipelinesisthe
brittle fracture initiated at various defects due to the extremely low
temperature(-162)ofthetransportednaturalgasItisthusrequiredto
evaluatetheeffectofthedefectofpipelineintermsoftheoneconomical
andsociallossesInthisstudythereliabilityestimationofAPI5L X65
naturalgaspipelinewithasemi-ellipticalcrackandcorrosiondefectalonga
pipelinesurfaceisperformedbyutilizingtheprobabilisticmethodssuchas
the FORM(FirstOrderReliability Method)and the SORM(Second Order
ReliabilityMethod)Theprobabilisticmethodaccountsfortheuncertainties
intheloadandtheresistanceparametersontheLSF(LimitStateFunction)
TheLSF isformulatedwiththehelpoffracturecontrolconceptincluding
theSIF(StressIntensityFactor)foranaturalgaspipelinewithcracksor
cracklikedefectsAndtwofailurepressuremodelssuchastheASME
B31G criterionandtheModifiedB31G(MB31G)criterionaresystematically
comparedandinvestigatedforthenaturalgaspipelinewithcorrosiondefect
Theeffectsofprobabilisticdistributioncharacteristicsofrandom variables
on the failure probability are also systematically investigated The
probabilistic distribution characteristics of random variables include the
normalthelog-normalandtheWeibulldistributionsTheresultsobtained
byusingtheFORM andtheSORM arecomparedwiththosedeterminedby
theMCS(MonteCarloSimulation)
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- iii -
NOMENCLATURES
Stresstensor
StressintensityfactorformodeⅠ loading
StressintensityfactorformodeⅡ loading
StressintensityfactorformodeⅢ loading
Fracturetoughness
Diameterofpipeline
Radiusofpipeline
Thicknessofpipeline
Crackdepth
Cracklength
Flaw shapeparameter
Correctionfactor
Operatingpressureinpipeline
Circumferentialstressduetointernalpressure
Corrosiondepth
Corrosionlength
Failurepressure
Flow stressofthepipematerial
Projectedcross-sectionalareaofcorrosion
Originalcross-sectionalarea
Bulgingfactor
Yieldstress
Meanofrandom variableX
Standarddeviationofrandom variableX
Failureprobability
Reliabilityindex
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
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Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
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Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- iv -
목 차
요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ
ABSTRACT middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ
NOMENCLATURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ
목 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ
LIST OFFIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ
LIST OFTABLES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅺ
제 1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
11연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1
12연구목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2
제 2장 결함평가 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
21표면 균열에 따른 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
211응력 확 계수의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3
212배 표면에 가해진 균열의 형상 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5
22표면 부식 결함에 따른 손압력 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
221고 인 유효 면 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
222ASMEB31GCriterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10
제 3장 신뢰성 이론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
31신뢰성 공학의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
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Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
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Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- v -
32 손확률 이론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17
325MCS(MonteCarloSimulation)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18
33비정규분포 확률변수의 변환middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19
34결함조건에 한 한계상태 방정식middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
342표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26
제 4장 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
41표면 균열에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28
42표면 부식 결함에 따른 손확률 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58
제 5장 결 론middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot86
참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot88
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
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Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
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Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- vi -
LIST OFFIGURES
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
Fig4(a)A simplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvature
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig16RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- vii -
Fig17RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig18RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig21RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig22RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig23RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig26RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig27RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- viii -
Fig28RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshows
theWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthe
casewhichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variables
show thenormaldistributions)
Fig38RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- ix -
Fig39RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig40RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshows
theWeibulldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandotherrandom variablesshowthenormaldistributions)
Fig43RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig44RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig45RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthelog-
normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig48RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize28according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig49RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize30according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- x -
Fig50RelationshipbetweenfailureprobabilityandrandomvariablesforSize32according
totheFORMtheSORMandtheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepth
showstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistributions)
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesaccording
totheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowstheWeibull
distributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistribution
andotherrandom variablesshow thenormaldistributions)
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- xi -
LIST OFTABLES
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion defect
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 1 -
제 1장 서 론
11연구배경
세계 으로 천연가스의 사용은 높은 효율을 가진 청정에 지로써의 장 으
로 인하여 꾸 히 증가하는 추세이며국내에서도 80년 반 처음으로 천연가
스가 도입된 이래로 사용량이 차 증가하고 있다천연가스는 타 연료에 비해
열효율이 높고 냉난방은 물론 자동차유리 자섬유 속처리 산업 등에
다양하게 이용되고 있다이러한 천연가스는 액화 천연가스(LNGLiquefied
NaturalGas)상태로 공 되거나다시 기화시켜 지하 매설배 을 통하여 국
으로 공 되고 있다천연가스 수송은 압력에 의해 목 지까지 도달할 수 있
도록 구성되며이에 사용되는 압력배 재료는 미국 석유 회(APIAmerican
Petroleum Institute)에서 정한 API5LX65등 의 강이 일반 으로 사용되고
있다[1]
배 에 발생한 균열 부식 결함은 배 이 견딜 수 있는 압력의 수 을
하시키며이는 천연가스 배 의 폭발사고에 주된 요인으로 보고되고 있다천
연가스 수송용 배 의 폭발은 큰 인명피해와 재산피해를 동시에 수반하므로 반
드시 안 기 에 맞도록 설계되어야 하고균열 부식 결함에 한 철 한 조
사가 반드시 이루어져야 한다균열 부식 결함이 배 의 손에 미치는 향
에 하여 많은 연구가 이루어지고 있으며이로 인해 보수 인 안 계수에 의
한 안 설계보다 좀 더 실 인 설계법이 많이 제시되고 있다균열 부식
결함의 형태나 배 의 형상가동조건에 따른 한 손기 제시의 필요성이
두되고 있으며이로 인해 본 연구를 통하여 배 에 발생한 균열 부식 결
함에 하여 새로운 손기 을 제시해 보고자 한다
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 2 -
12연구목
천연가스 수송용 배 은 균열 부식 결함에 하여 쉽게 노출될 수 있으
며이는 배 이 견딜 수 있는 압력수 을 하시켜 폭발사고를 일으킬 수 있
다따라서 발생한 균열 부식 결함에 하여 실시간으로 배 의 안 상태를
산출할 수 있어야하며이를 통하여 시기 한 조치가 취해져야 한다이에 본
연구에서는균열 부식 결함 형상 배 의 형상가동조건에 따른 손해
석을 실시하고자 한다
배 의 손해석에 있어서 모든 변수들을 단일 값으로 보는기존의 결정론
방법을 이용하는 것은 실제 변수들의 데이터가 흩어져 분포하기 때문에
손해석에 불확실성이 야기되므로 치 않다따라서 이러한 변수들의 분포 특
성을 함께 고려할 수 있는 확률론 방법을 이용하여 고찰되어야 한다[2]
확률론 신뢰성 방법을 사용하기 해 균열 부식 결함에 한 손 평가
기 을 선정하 다압력배 표면에 균열이 존재할 경우에 하여 응력 확 계
수를 산출이를 배 의 고유 물성인 괴인성치와 상호 비교하여 손 평가를
실시하 다 한 부식 손상부 에 한 여러 가지 잔류강도 평가 방법을 이용
하여배 의 손압력을 산출하여 손 평가를 실시하 다균열 부식 결함
에 한 손 평가 기 을 FORM(First Order Reliability Method)
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)MCS(MonteCarloSimulation)의 확
률론 신뢰성 방법들에 용하여 여러 가지 경계조건이 배 의 손확률에 미
치는 향을 체계 으로 규명 하 다 손 평가기 에 사용되는 각각의 변수는
하나의 결정론 인 값을 갖는 것이 아니라특정한 분포특성을 지닌다는 확률론
신뢰성 방법을 사용하기 하여 각각의 변수들에 하여 정규분포(Normal
Distribution) 수 정규분포(Log-normalDistribution)와이블 분포(Weibull
Distribution)의 특성을 갖는다고 하여 손해석을 실시하 다 한 이들의 분
포특성이 배 의 손확률에 미치는 향에 하여 체계 으로 규명하 다
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 3 -
제 2장 결함평가 이론
21표면 균열에 따른 응력 확 계수
211응력 확 계수의 정의
외력을 받고 있는 균열을 가진 어떤 형상에서선형 탄성 등방성 재료라고
가정하면 물체 내의 응력에 한 표 식을 유도해 낼 수 있다균열선단에 원
을 둔 극좌표계를 정의한다면 Fig1의 선형 탄성 균열체 내의 응력장은 다음과
같다
infin
(1)
여기에서 는 응력 텐서이고과 는 Fig1에 정의되어 있다는 무차원
상수이고는 의 무차원 함수이다고차원 항은 기하학 형상에 련되고
어떠한 기하학 형상에 해서도 에 비례하는 선도 항이 포함된다이 0
에 가까워짐에 따라 선도 항은 무한 가 되며다른 항은 유한하거나 0이 된다
따라서 균열선단 근처의 응력은 균열의 형상과 상 없이 로 변한다역시
균열선단 근처의 변 도 에 따라 변화한다는 것을 보여 수 있다식 (1)은
응력의 특이성을 기술한 것이다[3]
균열이 받을 수 있는 하 의 형태는 Fig2와 같이 세 가지가 있다주응력
이 균열면에 수직으로 작용하는 모드 Ⅰ 하 에서는 균열이 열리는 경향이 있
다모드 Ⅱ 하 은 면내 단 힘에 응하며 한 균열 면이 다른 면에 해 미
끄러지는 경향이 있다모드 Ⅲ 하 은 면외 단이다균열이 있는 구조물은
이 세 가지 모드 에서 하나 는 두세 개 모드가 결합된 하 을 받는다
각각의 하 모드는 균열선단에서 의 특이성을 발생시킨다그러나 비
례상수 와 는 모드에 따라 다르다를 응력 확 계수 로 바꾸어
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 4 -
쓰는 것이 편리하다응력 확 계수에는 하 모드를 나타내기 하여
는 와 같이 하첨자를 사용한다따라서 선형 탄성 등방성 재료에 있는 균
열선단 앞의 응력장은 모드 ⅠⅡⅢ에 하여 다음과 같이 표 된다[3]
limrarr
(2)
limrarr
(3)
limrarr
(4)
212배 표면에 가해진 균열의 형상
천연가스 수송용 고장력 강 의 형상은 내압을 받고 있는 원통형 용기로 단
순화시켜 응력 확 계수를 계산할 수 있다압력이 존재하는 배 에 통 균열
이 존재하는 것은 압력배 의 실질 인 손을 이야기 하는 것과 같다따라서
본 연구에서는 압력배 표면에 배 의 두께방향으로 통하지 않은반타원형
균열이 있는 경우에 하여 손해석을 실시하 다 부분의 균열이 배 의 두
께방향으로 자유곡선 형태로 존재하나이를 가장 잘 근사시킬 수 있는 것은 반
타원형 균열이라는 근으로 반타원형 균열이 존재하는 배 으로 가정하여
손해석을 실시하 다표면 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 에
한 형상을 Fig3에 나타내었으며여기서 는 배 의 외경은 배 의 두께
심까지의 반지름는 배 의 두께는 배 의 두께방향으로의 균열 깊이
는 배 의 길이방향으로의 균열길이이다
내압 가 작용하는 배 에서 내압에 의해 원주방향으로 발생하는 응력은 배
의 지름 방향으로 일정하게 발생한다내압이 작용할 때의 원주방향 응력은
식 (5)와 같이 나타낼 수 있다여기서 는 원주방향 구속을 받는 배 의 내
압에 의한 원주방향 응력이다[4]
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 5 -
(5)
213표면 반타원형 균열이 존재하는 배 의 응력 확 계수
응력 확 계수가 유용하기 해서는 원거리 하 과 기하학 형상으로부터
값을 결정할 수 있어야 한다수많은 단순 형상에 해 에 한 엄 해가
유도되었다더욱 복잡한 형상에 해서는 실험이나 수치해석으로부터 응력 확
계수를 결정해야 한다엄 해가 존재하는 형상의 한 로 내압을 받는 원통
형 용기 표면에 길이방향으로 가해진 반타원형 균열에 한 응력 확 계수는
식 (6)과 같다이 식은 균열이 모드 I하 을 받는 조건에서의 응력 확 계수를
의미하며 한 원주방향 응력에 의해 균열이 열리는 조건을 의미한다균열의
형상은 Fig3과 같다
식 (6)을 사용하기 해서는 균열 형상에 한 유효범 가 존재하게 된다
배 의 두께 심 반지름 과 두께 에 한 유효범 는 le le 이며 길
이방향 균열길이와 두께방향 균열길이에 한 유효범 는 le 두께방향
균열길이와 배 의 두께에 한 유효범 는 le 로 정해져 있다 le
은 두께방향으로의 균열이 체 배 두께의 80를 과하지 않아야 한다는 조
건을 의미한다식 (7)은 유효결함 형상계수로써 균열의 형상에 한 무차원의
보정계수 이고식 (8)은 기하학 형상과 하 의 모드에 따라 결정되는 무차원
의 상수이다[4]
(6)
(7)
(8)
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 6 -
Fig1Definitionofthecoordinateaxisaheadofacracktip
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 7 -
Fig2Thethreemodesofloadingthatcanbeappliedtoacrack
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 8 -
Fig3Geometryofasemi-ellipticalsurfacecrackonpipeline
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 9 -
22표면 부식에 따른 손압력 모델
221고 인 유효 면 방법
내압만이 작용하는 부식 손상부 를 평가하기 해 가장 리 사용되는 기
이 1960년 기에 개발된 유효 면 방법이다이 방법을 용하는 것으로
ASMEB31GModifiedB31G와 RSTRENGPC소 트웨어 등이 있다유효 면
방법은 Maxey에 의해 개발된 실험 괴역학 계로부터 1960년 기에
개발되었다유효 면 방법은 80개 이상의 실제크기 배 실험으로 평가되었는
데거의 모든 경우에 측 값은 보수 인 것으로 나타났다유효 면 방법은
Fig4(a)에서와 같이 부식에 의한 배 의 강도 감소는 배 의 축방향을 따라
측정된 두께 감소에 비례한다고 가정하 다결함이 존재하는 배 의 손압력
는 식 (9)를 통하여 계산할 수 있다[56]
(9)
여기서 는 배 의 손압력는 재료의 유동응력는 배 의 외경
는 투 된 부식의 면 은 투 된 부식의 길이는 배 의 두께는 최
부식 깊이는 times 은 벌징계수(FoliasFactor)이다
222ASMEB31GCriterion
유효 면 방법이 처음 개발되었을 때 장에서 사용하기 쉽도록 간단하고
보수 인 형태의 식이 필요하여 식 (10)과 같은 새로운 변형식이 제시되었다
식 (9)와 비교해보면 ASMEB31G에 사용된 세 가지 가정을 알 수 있다우선
유동응력은 항복강도의 11배로 가정하 고부식 손상부의 형상을 Fig4(b)와
같이 포물선 형상으로 근사할 수 있으며 le 인 경우에만 식 (10)을 사
용할 수 있도록 벌징계수 를 식 (11)과 같이 두 개의 항으로 간략하게 표
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 10 -
하 다Fig5는 표면에 부식이 존재하는 압력배 의 형상을 나타내고 있다[5]
(10)
(11)
223MB31G(ModifiedB31G)Criterion
MB31G 평가기 은 B31G의 유동응력에 한 보수성을 이기 한 시도를
하 고부식 손상부의를 가정하는 형상인자를 085로 변경하 다좀 더 정확한
수치 근을 하여 식 (13)의 벌징계수 를 세 개의 항으로 나 어 표
하 다식 (13)은 le 일 경우에 유효한 식이다[5]
(12)
(13)
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 11 -
(a) (b)
Fig4(a)Asimplificationofacorrodedsurfaceflow inapipeline
(b)Sectionthroughanidealizedcorrosiondefect
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 12 -
Fig5Geometryofsurfacecorrosiondefectonpipeline
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 13 -
제 3장 신뢰성 이론
31신뢰성 공학의 배경
구조물의 안 성을 평가하기 해 용한 구조이론이 정확하다거나 설계와
한 치의 오차 없이 구조물이 제작되었을 때혹은 설계시 고려된 환경에서만 구
조물이 작동한다면 이는 손될 가능성이 없다고 볼 수 있다이와 같은 가정은
고려한 모든 설계 변수들이 일정하게 고정된 값을 갖는다는 제하에 가능한
일이지만실제 이러한 변수들이 단 하나의 고정된 값을 갖는다는 결정론 입
장은 하나의 기 값에 불과하다이와 같은 변수들은 기 값만을 갖는 것이
아니라그 기 값을 심으로 차이를 두며 분산되어 있는 것으로 보는 것이
더 합리 일 수 있다
공학문제 내에서 필연 으로 내재될 수밖에 없는 임의성과 불확실성에 한
비를 해 기존의 결정론 방법에서는 주로 경험에 입각한 안 계수(Safety
Factor)를 사용하여 여유강도를 두어 이론상 손의 험성을 낮추어 설계하지
만실제 실에서는 여러 가지 공학 사고가 빈번하게 발생하고 있다이에
신뢰성 공학은 불확실성 자체를 정량 으로 고려하여 손의 가능성이 지만
확률 으로 0이 아니라는 기 으로부터 문제를 해결하고자 한다
신뢰성 공학에서의 설계는 손의 가능성을 정량 인 손확률(Failure
Probability)로써 산출하고 표 할 수 있다는 에서 기존의 결정론 인 방법에
서의 높은 안 계수를 이용한 보수 인 설계기법보다 더욱 합리 이라고 할 수
있다[7]
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 14 -
32 손확률 이론
본 연구에서는 각 변수들이 평균과 분산에 의해 특정한 분포특성을 지닌다는
확률론 해석법을 용하여 손확률을 산출하 으며이들 변수들은 각각 정
규분포 수 정규분포와이블 분포특성을 지닌다고 가정하 다 손확률의 간
인 지표인 신뢰도 지수(ReliabilityIndex)를 먼 계산한 뒤이를 표 정
규분포 함수에 용하여 손확률을 산출하 다
신뢰도 지수를 산출하기 한 한계상태 방정식(LimitState Function)의
Taylor 개식 근사된 차수에 따라 일차식까지 고려하는 경우에
FORM(First Order Reliability Method) 이차식 까지 고려하는 경우에
SORM(SecondOrderReliabilityMethod)라고 불려진다[8]
321FORM(FirstOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식의 Taylor 개식의 일차항만을 고려하여 신뢰도
지수를 계산하는 과정으로 손확률을 산출하는 방법이다따라서 신뢰도 지수
를 계산하는 과정이 비교 간단하다는 장 을 지니고 있다신뢰도 지수는 한
계상태 방정식을 구성하는 각각의 확률변수들의 평균과 분산 확률분포 특성
을 이용하여 산출하게 된다
FORM 기법은 다루기가 편리하기는 하나 모든 확률변수가 정규분포 특성을
지녀야 하며한계상태 방정식이 이들 확률변수의 선형 합으로 표 될 때에만
정확한 손확률의 산출이 가능해진다는 단 이 있다 한 비선형 한계상태 방
정식을 각 확률변수의 평균 에서 Taylor 개를 하는 이유로 역학 으로 동일
한 손양식에 한 한계상태 방정식일지라도어떤 형태로 수식이 표 되는가
에 따라 서로 다른 손확률이 계산되는 불변성(Invariant)결여의 문제 을 안
고 있다[8]
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 15 -
Fig6은 신뢰도 지수의 기하학 의미와 FORM 기법의 기본 개념을 보여주
고 있다Fig6에서 보여주는 신뢰도 지수의 기하학 의미는 결정론 입장에
서 손확률을 산출하려는 기존의 근법에서 탈피하여 표 정규분포 확률변
수의 공간에서 주어진 한계상태 방정식까지의 최단거리를 구하기 해 최 화
기법을 도입하여 계산한다는 것이다즉 손확률의 산출을 하여 주어진 확률
변수와 한계상태 방정식을 서로 통계 으로 독립인 표 정규분포 확률변수의
공간에서 표 되도록 변환한 다음원 으로부터 가장 가까운 직선거리에 치
한 한계상태 방정식 상의 을 추 한다는 것이다이때 가장 가까운 직선거리
에 치한 지 을 우리는 신뢰도 지수라고 표 하며신뢰도 지수를 사용하여
손확률을 산출할 수 있게 된다Fig7은 FORM을 이용하여 손확률을 산출
하는 과정을 도식화한 것이다
322한계상태 방정식(LimitStateFunction)
신뢰성 방법을 이용하여 표면 균열 부식 결함이 있는 천연가스 수송용 고
장력 강 의 손확률 해석을 수행하려면 먼 배 의 안 과 손을 단할
수 있는 설계기 이 존재해야 한다 이 설계기 을 라고 했을 때배 에 가
해지는 하 성분은 (LoadComponent)그에 항하는 배 의 항성분는
(ResistanceComponent)로 표 하여 한계상태 방정식을 식 (14)와 같이 표 할
수 있다
(14)
여기서 가 양의 값이면 배 이 안 한 경우이고음의 값이면 배 이 균열
부식 결함에 의해 손이 발생하는 경우이다 부분의 한계상태 방정식은
여러 확률변수가 종합된 결합 확률 도함수의 형태로 구성되어 있다단순한 변
수의 결합 확률 도함수를 제외하고는 수식 개가 복잡하여 분이 어렵기 때
문에 근사시킬 필요가 있다FORM은 이러한 한계상태 방정식을 일차항 까지만
고려하여 사용함으로써 실제 으로 복잡한 문제에 하여 근사 인 손확률
계산이 가능하다[8]
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 16 -
323신뢰도 지수(ReliabilityIndex)
두 확률변수 과 이 각각 서로 독립 인 정규분포 확률변수라면한계상태
방정식에 의한 새로운 확률변수 의 평균과 분산은 다음과 같이 나타낼 수 있
다
(15)
(16)
여기서 은 확률변수 의 평균이고
은 확률변수
의 분산이다 의 확률변수들이 정규분포이므로 가 0보다 작게 될 확
률인 손확률 (ProbabiltiyofFailure)는 다음과 같이 나타낼 수 있다
infin
(17)
여기서정규분포의 확률변수 를 와 같이 표 정규분포의
확률변수 로 변환할 수 있다이때 식 (17)의 손확률은 다음과 같이 표 할
수있다
infin
(18)
이때 손확률 와 표 정규분포 함수인 사이에 식의 계가 성립하
도록 하는 를 신뢰도 지수라고 하며 다음과 같이 나타낸다
(19)
신뢰도 지수 를 구하는데 있어 식 (19)를 사용하기 해서는 한계상태 방정
식이 선형이어야 한다만약 한계상태 방정식이 비선형인 경우에는 식 (19)를
사용하여 신뢰도 지수를 구할 수 없다즉실제상황에서는 부분의 한계상태
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 17 -
방정식이 비선형으로 주어지기 때문에 식 (19)를 용해 손확률을 구하는 것
은 큰 가정이 필요하게 되므로산출한 손확률에 불확실성이 무 커지게 된
다따라서 한계상태 방정식이 비선형인 경우에 신뢰도 지수를 구하는 방법으로
RackwitzandFiessler는 Fig8과 같은 과정으로 신뢰도 지수를 계산하는 방법
을 제안하 다이 방법은 신뢰도 지수가 일정한 값에 수렴할 때까지 반복 으
로 신뢰도 지수를 계산한 이후에 표 정규 확률분포 함수에 용하여 손확
률을 구하도록 제안한다본 연구에서는 신뢰도 지수가 임의의 값le
에 수렴할 때가지 Fig8의 과정을 거친 뒤식 (18)을 이용하여 손확률을 산
출하 다[8]
확률변수들의 분포특성을 나타내는 변동계수(COVCoefficientofVariance)
는 임의의 확률변수 에 하여 다음과 같다
(20)
여기서 는 표 편차는 평균이다
324SORM(SecondOrderReliabilityMethod)
FORM은 한계상태 방정식을 Taylor 개식의 일차항만으로 선형 근사하므
로 방정식의 선에 의존하여 신뢰도 지수를 산출할 수밖에 없다일차항만을
고려한 방법은 한계상태 방정식의 곡률특성을 고려할 수 없기 때문에 표 정
규분포 확률변수 공간에서 원 으로부터 한계상태 방정식까지의 최단거리가 같
기만 하면 한계상태 방정식의 모양에 계없이 동일한 손확률을 갖는 것으로
나타나는 단 이 있다한계상태 방정식의 곡률은 Taylor 개식에서 이차항을
포함하는 식과 계가 있다FORM이 가진 단 을 보완하기 해 한계상태 방
정식의 이차항까지 포함하는 근사식을 이용함으로써 방정식의 곡률을 고려하는
방법이 제안되었으며이러한 방법을 SORM이라고 한다본 연구에서는
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 18 -
Breitung이 제안한 근사식을 사용하 다[8]
(21)
여기서 는 원 에서 한계상태 방정식까지의 최단거리가 되는 에서의 곡
률을 나타내고는 FORM을 이용하여 계산한 신뢰도 지수를 그 로 사용한
것이다곡률은 Fig9에 나타낸 방법을 이용하여 산출할 수 있다
325MCS(MonteCarloSimulation)
확률론 방법에 의해 얻어진 결과는 실험 으로 증명하는 것이 쉽지 않다
따라서 본 연구에서는 MCS를 이용해 FORMSORM을 이용해 손확률을 산
출한 결과가 얼마나 한지에 해 규명하 다본 연구에서 사용한 MCS는
Fig10과 같은 차에 의해 실행하 고이에 따라 결함에 존재하는 압력배
에 한 손확률을 산출하 다
MCS에서는 실제상황에 근사한 결과를 얻기 해 많은 수의 반복 모의실험
이 필요하다각 모의실험에서 각각의 변수 값은 확률 도함수에 따라 임의로
생성되고 이를 한계상태 방정식에 용하여 시스템의 손여부를 평가하게 된
다MCS에서의 손확률은 체 모의실험 횟수와 한계상태 방정식을 통해 나
온 손횟수를 이용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다
(22)
여기서 는 일 경우의 모의실험 횟수즉 손횟수를 나타내고은
체 모의실험 횟수를 나타낸다[9]
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 19 -
33비정규분포 확률변수의 변환
실제 문제에 있어서 취 되어지는 설계변수들은 정규분포가 아닌 비정규분
포의 확률변수인 경우가 많으며이러한 변수들을 취 하기 해서는 한 방
법을 이용하여 등가의 정규분포의 확률변수로 변환하여야 한다따라서 비정규
분포의 확률변수를 포함하는 한계상태 방정식에 해 등가의 정규분포의 확률
변수로 변환하는 방법으로 Rackwitz-Fiessler변환법을 사용하여 손확률을
측할 수 있다Rackwitz-Fiessler 변환법은 MPFP(MostProbable Failure
Point)에서는 비정규분포 확률변수와 정규분포 확률변수의 도함수 분포함
수의 값이 같다고 가정하여 등가 정규분포의 확률변수에 한 평균과 표 편차
를 추정하는 것이다비정규분포 확률변수의 도함수 와 분포함수
가 MPFP에서는 다음과 같다[7810]
(23)
(24)
여기서 는 MPFP에서의 비정규분포 확률변수를 나타내고는 표 정규분
포 확률 도함수는 표 정규분포 확률분포함수는 MPFP에서의 비정규
분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 평균는 MPFP에서의 비정
규분포 확률변수의 등가 정규분포 확률변수에 한 표 편차를 나타낸다
식 (24)가 성립한다고 가정하고이로부터 역으로 등가 정규분포 확률변수의
평균과 표 편차를 다음과 같이 유도할 수 있다
(25)
(26)
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 20 -
따라서 이 변환법을 이용하면 매번 갱신되는 MPFP의 좌표마다 비정규분포
확률변수에 해서는 식 (25)와 식 (26)을 이용하여 등가 정규분포의 평균과 표
편차를 계산표 정규분포 확률변수의 공간으로 변환시켜서 신뢰도지수를
산출할 수 있게 된다
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 21 -
Fig6GeometricconceptofreliabilityindexandbasicconceptofFORM
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 22 -
Fig7ProcedureofestimatingthefailureprobabilityusingFORM
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 23 -
Fig8Processofdeterminationofthereliabilityindex
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 24 -
Fig9Computeprocessesoftheprincipalcurvatures
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 25 -
Fig10ProcessingofcomputingthefailureprobabilityusingtheMCS
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
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제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
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Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
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균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
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Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
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손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
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Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
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Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
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Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
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42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
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B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
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MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
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Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 26 -
34결함조건에 한 한계상태 방정식
341표면 균열에 따른 한계상태 방정식
표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 손확률을
산출하기 해 먼 한계상태 방정식을 세워야 한다한계상태 방정식은 식
(14)와 같이 하 성분 과 항성분 로 표 할 수 있으며본 연구에서는 반
타원형의 표면 균열에 한 응력 확 계수 이 하 성분재료 고유의 물성치
인 괴인성치 를 항성분으로 결정하여 한계상태 방정식을 구성하 다식
(18)을 용하기 해 표면 균열에 한 이 재료 고유의 괴인성치 를
넘는 경우즉 인 경우에 해 압력 배 은 손된다고 단하 다다음
은 표면 반타원형 균열이 존재하는 천연가스 수송용 고장력 강 의 한계상태
방정식을 표 한 것이다여기서 괴인성치는 임계 응력 확 계수(Critical
StressIntensityFactor)로써 하첨자 를 사용한다
(27)
342표면 부식에 따른 한계상태 방정식
배 표면에 부식이 작용하 을 때이에 한 손압력을 계산하는 기 은
ASME B31G Criterion과 B31G의 보수성을 이기 한 시도로 개발된
ModifiedB31GCriterion이 있다각각의 손압력은 배 내부에 작동할 수 있
는 압력을 제시해 으로써 이를 한계상태 방정식 내의 항성분 R이라고 할
수 있다배 이 손될 수 있는 손압력을 항성분이 제시하 으므로실제
가동하게 될 압력을 하 성분 L로 결정할 수 있다따라서 부식이 존재하는 천
연가스 수송용 고장력 강 에 한 한계상태 방정식은 다음과 같이 구성될 수
있다여기서 작동압력(OperatingPressure)은 하첨자 균열 발생의 경우와 마찬
가지로 라고 표 한다
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 27 -
(28)
(29)
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 28 -
제 4장 결과 고찰
41표면 균열에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델을 선정하 다배 은 미국 석유 회(API
AmericanPetroleum Institute)에서 규격화한 API5LX65등 의 강을 주 재질
로 선정하 고X65등 의 강 배 의 사이즈에 한 손확률 차이를 보기
하여 Size28Size30Size32의 세 가지의 경우에 하여 각각 손확률을
산출하 다배 의 Size에 한 특성을 Table1에 각각 정리하 다
균열은 배 표면에 가해진 반타원형 균열로 가정하 다이러한 균열은 배
의 길이방향으로 생성되었으며배 의 Size와 상 없이 균열 형상은 모두 동
일하다는 가정 하에 손확률을 산출하 다균열에 따른 손확률을 산출하기
하여 한계상태 방정식을 식 (27)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균
변동계수는 Table2에 각각 정리하 다[1112]
Fig11은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig11(a)의
경우 Table2에 명시한 균열의 형상에서 균열 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORM의 경우 손확률이 거의 일치하
는 결과를 얻을 수 있었고MCS의 경우 균열 깊이의 증가에 따라 FORM
SORM과 약간의 차이가 존재하나 1의 손확률 미만에서는 거의 일치한 결
과를 보인다는 것을 알 수 있다Fig11(b)는 배 내부의 작동압력 증가에 따
른 손확률의 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치함을
알 수 있고MCS의 결과와는 1의 손확률 미만에서 거의 일치한 결과를 얻
을 수 있었다Table2에 명시한 배 의 작동압력 평균이 20MPa이지만이미
20MPa에서는 배 의 손확률이 약 4에 도달하여 험한 수 이 되었음을
알 수 있다따라서 배 의 괴인성치와 균열형상을 고려할 때설계 작동압력
이 20MPa이내가 되어야 한다는 것을 Fig12의 결과로써 악할 수 있다
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 29 -
Fig12는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률이 높게 나타남을 알
수 있다Fig13은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이
존재하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28
배 Size30배 에 한 결과와 비교하 을 때동일한 조건에서 손확률
이 높게 나타남을 알 수 있다Fig11부터 Fig13까지의 결과를 종합했을 때
배 의 직경이 커질수록 동일한 균열형상 작동압력 조건에서 손확률은 높
아짐을 알 수 있다
Fig14모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하
는 API5LX65배 에 하여 FORM의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다배 의 직경이 커질수록즉 Size32배 의 손확률이 동일한
조건에서 가장 높게 나타났으며Fig14(a)에서는 균열 깊이의 평균값인 3mm
에서 Size28배 과 Size32배 의 손확률은 약 4의 차이를 보 다Fig
14(b)에서는 작동압력의 평균값인 20MPa에서 Size28배 과 Size32배 의
손확률이 약 45 차이를 보임을 알 수 있다
Fig15는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재
하는 API5LX65배 에 하여 MCS의 손확률 산출 결과를 Size별로 상호
비교한 것이다균열 깊이와 작동압력의 평균값에서 손확률은 Size28배 과
Size32배 사이에서 약 45의 차이를 보임을 알 수 있다
Fig16Fig17Fig18은 균열 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 깊이 에 하여 와이블 분포를 용하여 배 의
손확률을 산출하 다[1314]
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 30 -
균열 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우Fig19(a)에 의거하여 균열 깊이가
평균값인 3mm일 때 FORM에 한 배 의 손확률이 Size28Size30Size
32에서 각각 약 468 수 이라는 것을 알 수 있다 한 Fig19(b)는
작동압력 평균값 20MPa에서 Size28은 약 65Size30은 약 9Size32는
10 이상의 손확률을 각각 보인다는 것을 나타내고 있다이들의 MCS결과
는 Fig20에 나타내었다Fig20의 MCS결과 Size32에 한 결과에서는
균열 깊이 작동압력의 평균값에서 각각 약 10 혹은 그 이상의 손확률을
보이는 것을 알 수 있다따라서 Size32배 의 경우 Table2에서의 균열형상
작동압력 평균값이 상당히 높게 선정되어 배 이 험한 상태가 되었음을
보여주고 있다
Fig21Fig22Fig23은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때반타원형 균열이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig21Fig22Fig23의 손확률 결과 그래 에서 작동압력 증가에 따른
손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 거의 비슷한 수 으로 나
왔으나균열 깊이 증가에 따른 손확률은 균열 깊이가 깊어질수록 결과가 큰
차이를 보이는 것을 확인할 수 있다하지만 이 결과에서 약 1의 손확률
이하에서는 그 차이가 크지 않을뿐더러 실제 배 의 건 성을 평가하기 해
목표 안 수 (TargetSafetyLevel)을 결정하는데DNV에서 제시한 안 분류
(SafetyClass)에 따른 목표 손확률이 약 001 이하라는 을 감안할 때본
결과는 충분히 유효하다고 할 수 있다DNV에서 제시한 안 분류에 따른 목
표 손확률은 Table3에 정리하 다[15]
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 31 -
Fig24Fig25는 작동압력 가 수 정규분포를 가질 때 손확률에 한
FORM과 MCS결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한
균열 깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나
타나는 것을 알 수 있다
Fig26Fig27Fig28은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
반타원형 균열이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다마찬가지로 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하
고균열 깊이 증가에 따른 손확률에서 MCS에 의한 손확률과는 균열 깊이
가 증가할수록 차이가 있었다하지만 여기에서도 Table3의 DNV에서 제시한
목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며따라서 본 결과
는 유효하다고 할 수 있다균열 깊이의 평균값 3mm에서의 손확률은 세 경
우 모두 10를 과하는 것으로 나타났으며이로 인해 Table2의 균열형상
작동압력의 평균값이 험한 수 으로 선정되었다는 것을 알 수 있다작동
압력 증가에 따른 손확률은 Size에 상 없이 FORMSORMMCS의 손확
률 결과가 매우 일치하는 경향을 나타내었다
Fig29Fig30은 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 균열
깊이 작동압력에 하여 배 의 지름이 커질수록 손확률은 높게 나타나는
것을 알 수 있다
Fig31Fig32는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 손확률을
산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하 다Fig31(a)에서는
확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 균열 깊이 a가 와이블 분포를 따를 때
손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 P가 수 정규분포를 따를 때와 균
열 깊이 a는 와이블 분포작동압력 P가 수 정규분포를 동시에 따를 때의
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 32 -
손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경우에 해서 손확률을
산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경향을 보이는 것으로 단
되었으나DNV에서 제시한 목표 손확률 이하에서는 큰 차이가 없는 것으로
나타났으며따라서 본 결과는 유효하다고 할 수 있다결론 으로 각 확률변수
의 확률분포 특성에 따라 손확률의 경향은 서로 다르지만실제 목표 손확
률 이하의 결과에서는 서로 동일한 결과를 얻을 수 있었으며이에 확률분포 특
성이 손확률이 증가함에 따라 경향을 변화시킨다고 결론지을 수 있다따라서
확률론 방법을 이용한 손확률 산출에서DNV에서 제시한 목표 신뢰성 이
상에서의 손확률 경향을 악하기 해서는 각 확률변수의 특성에 따라
한 확률분포를 반 하는 것이 상당히 요하다는 결론을 얻을 수 있다Fig
31(b)의 경우 작동압력의 증가에 따른 손확률의 산출 결과이다균열 깊이의
증가에 비해 네 가지 경우에 하여 거의 비슷한 경향으로 손확률이 산출되
었음을 알 수 있고마찬가지로 목표 신뢰성 이하에서는 네 가지 경우에 하여
손확률의 거의 같은 수 으로 평가되었음을 알 수 있다
Fig32의 경우 균열 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 균열 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig32(a)의 경우 확률분포 특성이 서로 다
른 경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의
일치하는 결과를 얻을 수 있었다Fig32(b)의 경우에도 Fig31(b)의 결과보다
네 가지의 경우에 해서 더욱 손확률 결과에 해 일치하는 경향을 보임을
알 수 있다
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 33 -
Table1DimensionsandweightsperunitlengthofAPI5LX65
Size
Specified
outside
diameter
(m)
Specified
wall
thickness
(m)
Plain-end
weightper
unitlength
(kgm)
Calculated
inside
diameter
(m)
28 0711 00175 29928 0676
30 0762 00175 32129 0727
32 0813 00175 34330 0778
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 34 -
Table2Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecrack
Variable Mean COV Variable Mean COV
97MParadicm 020 00175m 020
0003m 015 20MPa 020
0015m 020
0711m
0150762m
0813m
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 35 -
Table3Targetprobabilityoffailureforpipelines
LimitState
SafetyClasses
Low Normal High
SLS
(ServiceabilityLimitState)
ULS
(UltimateLimitState)
FLS
(FatigueLimitState)
ALS
(AccidentalLimitState)
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 36 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig11Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 37 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig12Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 38 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig13Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 39 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig14Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 40 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig15Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 41 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig16Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 42 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig17Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 43 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig18Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecrackdepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 44 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig19Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 45 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig20Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 46 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig21Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 47 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig22Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 48 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig23Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 49 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig24Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
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- 89 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 50 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig25Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 51 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig26Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
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제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 11 연구배경
- 12 연구목적
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- 제 2 장 결함평가 이론
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- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 52 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig27Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 53 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig28Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecrackdepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
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B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
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MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
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Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
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제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 54 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig29Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 55 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig30Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecrackdepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 56 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig31Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 57 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcrackdepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig32Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 58 -
42표면 부식 결함에 따른 손확률
손확률 산출을 한 배 모델은 균열에 한 손해석에서 용했던 API
5LX65등 의 강을 사용하 으며배 의 사이즈는 Table1에 제시한 규격을
그 로 용하 다
부식은 배 표면에 가해졌다고 가정하 다부식은 배 의 길이방향으로 생
성되었으며배 의 Size와 상 없이 부식 형상은 모두 동일하다는 가정 하에
손확률을 산출하 다부식에 따른 손확률을 산출하기 하여 한계상태 방
정식을 식 (28)식 (29)과 같이 구성하 고각 확률변수들의 평균 변동계수
는 Table3에 각각 정리하 다 한 본 연구에서서는 ASME B31G 기 과
MB31G기 에 하여 손해석을 실시하 다
Fig33은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size28배 에 한 손확률 산출 결과이다Fig33(a)의
경우 Table4에 명시한 균열의 형상에서 부식 깊이 의 값이 증가함에 따라 나
타나는 손확률의 결과이다FORM과 SORMMCS의 손확률에 한 결과
는 거의 일치하는 것으로 나타났으며B31G 기 에 비해 MB31G 기 이 동일
한 부식 깊이에 하여 더 높은 손확률을 나타냄을 알 수 있다Fig33(b)는
배 내부의 작동압력 증가에 따른 손확률 산출 결과이다약 13MPa까지는
B31G기 과 MB31G 기 모두 손확률이 거의 0에 가까웠으나 그 이상에서
는 격히 손확률이 증가하는 경향을 볼 수 있다 한 약 17MPa에서는 두
기 의 손확률 차이가 약 7를 나타내 두 기 의 차이가 상당히 크다는 것
을 알 수 있다
Fig34는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size30배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28배
에 비해 체 으로 손확률이 높게 나타남을 알 수 있다표면 균열이 존재하
는 배 에 한 손해석과 마찬가지로 부식이 존재하는 배 에 해서도 배
의 직경이 클 경우 손확률은 높게 나타난다고 결론지을 수 있다Fig34(a)에서
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 59 -
B31G MB31G결과가 부식 깊이가 0임에도 손확률이 존재한다는 것을 알
수 있다이는 수치 해석 오류로써부식의 깊이가 0일지라도 나머지 확률변
수들의 평균값은 Table4에 의거하여 존재하므로 이에 한 손확률의 결과라
고 볼 수 있다따라서 Fig34(a)의 MB31G결과에서 부식 깊이가 0일때 이미
3의 손확률을 보이는 것은나머지 확률변수들의 평균값이 만들어낸 결과
라고 볼 수 있다따라서 부식 깊이뿐만 아니라 그 외의 확률변수들이 손확률
증가에 미치는 향까지 단할 수 있다
Fig35는 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재
하는 API5LX65Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다Size28Size
30배 에 비해 손확률은 상당히 높게 평가된 것을 알 수 있고부식 깊이 증
가에 한 MB31G기 의 결과는 부식 깊이가 0일 때 이미 손확률이 8 육
박한다는 사실을 알 수 있다
Fig36Fig37은 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배
Size에 한 FORM의 결과와 MCS의 결과를 각각 종합한 것이다배 의 직경
이 커질수록 한 B31G기 에 비해 MB31G의 기 에 하여 손확률은 각
각 높게 평가된 것으로 단할 수 있다 한 Fig36과 Fig37의 결과가 거의
같음을 단하 을 때표면 부식이 존재하는 배 에 한 손해석에 있어서
FORMSORMMCS의 결과는 큰 차이가 없다고 결론지을 수 있다
Fig38Fig39Fig40은 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지
모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5L
X65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반 으
로 와이블 분포는 결함 깊이 결함 길이 증가율에 하여 용할 수 있다따
라서 본 연구에서는 균열 해석과 마찬가지로 부식 깊이 에 하여 와이블 분
포를 용하여 배 의 손확률을 산출하 다[1314]
부식 깊이 증가에 한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 거의 일
치함을 알 수 있지만배 내 작동압력 증가에 따른 손확률의 결과에서는
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
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(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 60 -
MCS의 결과가 세 배 에 해서 모두 손에 한 작동압력 여유를 좀 더 주
고 있다는 사실을 알 수 있다이들의 결과 역시 어느 작동압력을 이후로 손
확률이 격이 증가하는 것을 알 수 있으며따라서 안 기 제시에 하여 작
동압력이 좀 더 신 하게 작용해야 한다는 것으로 결론지을 수 있다
Fig41Fig42는 부식 깊이 가 와이블 분포 특성을 갖고나머지 모든 확
률변수가 정규분포 특성을 가질 때각각의 배 Size에 한 FORM의 결과와
MCS의 결과를 각각 종합한 것이다마찬가지로 배 의 직경이 커질수록 손
확률은 높아지는 결과를 볼 수 있으며B31G의 결과보다 MB31G의 손확률이
훨씬 높게 평가되는 것을 알 수 있다
Fig43Fig44Fig45는 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머
지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API
5LX65Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다일반
으로 수 정규분포는 하 과 압력의 증가율에 하여 용할 수 있다따라서
본 연구에서는 작동압력 에 하여 수 정규분포를 용하여 배 의 손확
률을 산출하 다[1314]
Fig43(a)Fig44(a)Fig45(a)의 손확률 결과 그래 에서 부식 깊이 증
가에 따른 손확률은 FORMSORM의 결과와 MCS의 결과가 크게 차이나는
것을 확인할 수 있다FORMSORM에서의 손확률 결과가 격히 높게 나타
나는 것은 그만큼 작동압력 의 확률분포 특성에 따라 수치해석 방법인
FORMSORM의 결과가 크게 변동된다는 사실을 의미하며미소한 균열 깊이
증가에도 이미 손확률은 10를 넘게 된다는 사실을 알 수 있다하지만 Fig
43(b)Fig44(b)Fig45(b)의 손확률 결과 그래 에서는 작동압력 의 증가
에 따라 FORMSORMMCS의 손확률 결과가 거의 일치하는상반된 결과
를 보임을 알 수 있다따라서 본 연구에서 가정한 압력배 에 하여 부식에
의한 손해석에서는작동압력 가 수 정규분포 특성을 지닐 때 부식 깊이
가 좀 더 민감하게 작용한다고 결론지을 수 있다
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
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[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
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[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
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[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
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Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 61 -
Fig46Fig47은 작동압력 가 수 정규분포 특성을 갖고나머지 모든
확률변수가 정규분포 특성을 가질 때표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65
Size28Size30Size32배 에 한 손확률 산출 결과이다마찬가지로 배
의 직경이 커질수록B31G기 보다 MB31G의 기 에서 손확률은 각각 높
게 평가되었다
Fig48Fig49Fig50은 부식 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포
와 수 정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때
표면 부식 결함이 존재하는 API5LX65Size28Size30Size32배 에 한
손확률 산출 결과이다작동압력 P가 수 정규분포를 가진 경우과 큰 차이
가 없는 손확률 산출 결과를 볼 수 있다부식 깊이 에 한 확률분포 특성
이 와이블 분포로써 추가 으로 주어진 경우에서도 그 결과는 작동압력 에
해서만 수 정규분포 특성을 주어진 경우와 크게 다를 바 없다는 것은본 연
구에서 가정한 압력배 의 특성이 부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포
특성에 한 손확률 산출결과에 민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다
Fig51Fig52는 균열 깊이 와 작동압력 가 각각 와이블 분포와 수
정규분포를 갖고나머지 모든 확률변수가 정규분포 특성을 가질 때FORM과
MCS의 결과를 Size에 하여 상호 비교한 결과이다마찬가지로 동일한 부식
깊이 작동압력에 하여 MB31G기 의 손확률이 높게 평가되었다
Fig53Fig54는 확률변수의 확률분포 특성에 의해 손확률의 차이가 어
떻게 나는지를 보여주고 있다 표 으로 Size28배 에 하여 B31G기 을
용하여 손확률을 산출하 으며FORM과 MCS의 결과만으로 상호 비교하
다Fig53(a)에서는 확률변수 모두가 정규분포를 따를 때와 부식 깊이 가
와이블 분포를 따를 때 손확률이 거의 동일하게 나왔고작동압력 가 수
정규분포를 따를 때와 부식 깊이 는 와이블 분포작동압력 가 수 정규분
포를 동시에 따를 때의 손확률이 거의 동일하게 나왔다이 게 네 가지의 경
우에 해서 손확률을 산출한 결과균열 깊이가 증가함에 따라 서로 다른 경
향을 보이는 것으로 단되었고이는 본 연구에서 가정한 압력배 의 특성이
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
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- 89 -
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InternationalCorrosionEngineeringConference2007
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PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 62 -
부식해석에 있어서 작동압력 의 확률분포 특성에 한 손확률 산출결과에
민감하게 작용하고 있다고 결론지을 수 있다Fig53(b)의 경우 작동압력의 증
가에 따른 손확률의 산출 결과이다
Fig54의 경우 부식 깊이 작동압력 가 증가할 경우 MCS의 손확률
산출 결과이다Fig32(a)의 경우 네 가지의 경우에서 손확률 산출 결과가 거
의 같게 나왔음을 알 수 있다앞서 언 한 많은 경우에서 부식 깊이 증가에
한 결과는 확률분포 특성에 따라 서로 다른 손확률의 증가 경향이 나타났으
나 MCS의 결과에 해서는 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있다이는 FORM
과 SORM의 결과가 한계상태 방정식에 한 수치해석 근법을 이용하여
손확률을 산출한다는 에서 MCS와 차이를 보이기 때문이다MCS의 경우 각
확률변수의 확률분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정
에서는 정규분포의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는
경향을 나타낼 수밖에 없다따라서 Fig54의 경우 확률분포 특성이 서로 다른
경우일지라도 랜덤변수 추출 과정에서는 동일한 분포특성을 사용하여 거의 일
치하는 결과를 얻을 수 있었다
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 63 -
Table4Variablesandparametersusedinthisstudyaboutsurfacecorrosion
defect
Variable Mean COV Variable Mean COV
448MPa 0067 00175m 005
0003m 020 16MPa 010
0200m 020
0711m
0030762m
0813m
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
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byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 64 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig33Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 65 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig34Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 66 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig35Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichallrandom variablesshow thenormaldistributions)
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 67 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig36Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 68 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig37Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichallrandom variablesshow the
normaldistributions)
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 69 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig38Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 70 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig39Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 71 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig40Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichthecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandotherrandom
variablesshow thenormaldistribution)
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 72 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig41Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 73 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig42Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 74 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig43Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 75 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig44Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 76 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig45Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecase
whichtheoperatingpressureshowsthelog-normaldistributionandother
random variablesshow thenormaldistribution)
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 77 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig46Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 78 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig47Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichtheoperatingpressureshowsthe
log-normaldistributionandotherrandom variablesshow thenormal
distribution)
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 79 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig48Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size28accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 80 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig49Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size30accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 81 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig50Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variablesfor
Size32accordingtotheFORMtheSORM andtheMCS(forthecasewhich
thecorrosiondepthshowstheWeibulldistributionandtheoperatingpressureshows
thelog-normaldistributionandotherrandomvariablesshowthenormaldistribution)
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 82 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig51Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM (forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 83 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig52Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS(forthecasewhichthecorrosiondepthshowsthe
Weibulldistributionandtheoperatingpressureshowsthelog-normal
distributionandotherrandom variablesshow thenormaldistribution)
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 84 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig53Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheFORM
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 85 -
(a)Relationshipbetweenfailureprobabilityandcorrosiondepth
(b)Relationshipbetweenfailureprobabilityandoperatingpressure
Fig54Relationshipbetweenfailureprobabilityandrandom variables
accordingtotheMCS
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 86 -
제 5장 결 론
본 연구에서는 확률론 신뢰성 방법인 FORMSORMMCS를 이용하여 표
면 결함이 존재하는 천연가스 수송용 배 에 한 손확률을 산출하 다천연
가스 수송용 배 은 국내외에서 많이 사용되고 있는 API5LX65등 의 강으
로 선정하 으며Size28Size30Size32배 에 하여 각각 손확률을 산
출하 다결함은 표 으로 표면 반타원형 균열 표면 부식 결함으로 선정
하 으며부식에 하여 ASME B31G 기 과 MB31G 기 을 상호 비교하
다각각의 결함이내압이 존재하는 천연가스 수송용 배 의 손확률에 미치
는 향을 체계 으로 규명하여 다음과 같은 결론을 도출하 다
1)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여동일한 균열 깊이 작
동압력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다
2)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여모든 경우에서 FORM과
SORM의 결과는 거의 일치하 고MCS와의 결과는 DNV에서 지정한 목표
손확률 이하에서 거의 일치하 다따라서 FORMSORM이 표면 반타원형 균
열이 존재하는 배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실
을 확인하 다
3)표면 반타원형 균열이 존재하는 배 에 하여균열 깊이 증가에 한
MCS의 손확률 결과는 각각의 확률변수의 확률분포 특성에 상 없이 거의 동
일한 손확률 결과를 얻을 수 있었다이는 MCS의 경우 각 확률변수의 확률
분포 특성이 서로 다르다 할지라도랜덤변수를 추출하는 과정에서는 정규분포
의 Inverse에 한정하여 추출하므로그 결과가 거의 일치하는 경향을 나타낼 수
밖에 없다고 결론지을 수 있다
4)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여동일한 부식 깊이 작동압
력에서 배 의 직경이 커질수록 손확률은 각각 증가하 다 한 모든 경우에
하여 ASMEB31G기 보다 MB31G기 이 높은 손확률을 나타내었다
한 모든 경우에서 FORM과 SORM의 결과는 거의 일치하 다
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
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- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
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EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
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277-2822008
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TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
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AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 87 -
5)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여부식 깊이 증가에 한
FORMSORM의 손확률 결과는 작동압력 의 확률분포 특성이 수 정규분
포를 갖게 되는 경우 격히 증가하는 것을 확인하 다이로써 본 연구에서
용한 배 의 모델에 해서는부식 깊이 증가에 한 손확률 산출에 작동압
력 의 확률분포 특성이 매우 민감하게 작용하고 있다는 사실을 확인하 다
6)표면 부식 결함이 존재하는 배 에 하여모든 확률변수가 정규분포 특
성을 갖는 경우와 부식 깊이 가 와이블 분포를 갖는 경우부식 깊이 증가에
한 손확률은 FORMSORMMCS의 결과가 동일한 것을 확인할 수 있었
다따라서 이와 같은 경우에 하여 FORMSORM이 표면 부식이 존재하는
배 의 손확률을 평가하는데 매우 효율 인 방법이라는 사실을 확인하 다
7)각각의 확률변수의 확률분포 특성에 따라 FORMSORM의 결과 값이
MCS의 결과 값과 상이한 경우가 많이 나타나고 있으며이를 보완하기 하여
차후 확률변수의 분포특성에 한 지속 인 연구가 필요하다
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
ofHighStrengthNaturalGasPipelinebyExternalCorrosionProceeding
oftheKSPEpp439-4402008
[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 88 -
참고문헌
[1]JBJuJSLeeJIJangCMKimWSKim andDIKwon
Assessment of Fracture Characteristics of Natural Gas Pipeline
WeldmentAccordingtotheChangeofMicrostructuresJournalofthe
KoreanInstituteofGasVol5No3pp15-222001
[2]OSLeeJSPyunandDHKimEffectofBoundaryConditionsof
FailurePressureModelson Reliability Estimation ofBuriedPipelines
InternationalJournalofKSPEVol4No6pp12-192003
[3]TLAnderson1995FractureMechanicsCRCPress
[4]IWBangHSKimWSKimYCYang and KWOh
DevelopmentoftheComputerProgram CalculatingtheStressInduced
byVariousLoadsforBuriedNaturalGasPipelineJournaloftheKorean
InstituteofGasVol2No2pp18-251998
[5]OSLeeHMKimDHKim andHBChoiReliabilityEstimation
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[6]TABubenikandMJRosenfeldAssessingtheStrengthofCorroded
ElbowsTopicalReportNG-18ReportNo2061993
[7]양 순서용석이재옥1999ldquo구조 신뢰성 공학rdquo서울 학교 출 부
[8]SMahadevanandAHaldar2000ProbabilityReliabilityandStatistical
MethodinEngineeringDesignJohnWileyamp Sons
[9]WSJohnsonandBMHillberry2004ProbabilisticAspectsofLife
PredictionASTM International
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
[15]Det Norske Veritas DNV Rules for Pipeline Systems with
AmendmentsandCorrections1998
- 제 1 장 서 론
-
- 11 연구배경
- 12 연구목적
-
- 제 2 장 결함평가 이론
-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
-
- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-
- 89 -
[10]윤상윤1996ldquo신뢰성 분석rdquo자유아카데미
[11]CMKimJHBaekYPKim andWSKimFractureToughness
Evaluation of NaturalGas Pipeline under the Cathodic Protection
InternationalCorrosionEngineeringConference2007
[12]OSLeeHMKimDHKim and HBChoiReliability
EstimationofHighTensileStrengthNaturalGasPipelinewithaSurface
CrackProceeding ofthe KSME 2008 Spring AnnualMeetingpp
277-2822008
[13]MTTodinovIsWeibulldistributionthecorrectmodelforpredicting
probability offailureinitiated by non-interacting flawsInternational
JournalofSolidandStructuresVol46pp887-9012009
[14]YRChunandKHKimDesignofLTMLQualificationReliability
TestPlansforWeibullDistributionJournaloftheKoreanInstituteof
PlantEngineeringVol7pp5-162002
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- 제 1 장 서 론
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-
- 21 표면 균열에 따른 응력 확대계수
-
- 211 응력 확대계수의 정의
- 212 배관 표면에 가해진 균열의 형상
- 213 표면 반타원형 균열이 존재하는 배관의 응력 확대계수
-
- 22 표면 부식 결함에 따른 파손압력 모델
-
- 221 고전적인 유효 면적방법
- 222 ASME B31G Criterion
- 223 MB31G(Modified B31G) Criterion
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- 제 3 장 신뢰성 이론
-
- 31 신뢰성 공학의 배경
- 32 파손확률 이론
-
- 321 FORM(First Order Reliability Method)
- 322 한계상태 방정식(Limit State Function)
- 323 신뢰도 지수(Reliability Index)
- 324 SORM(Second Order Reliability Method)
- 325 MCS(Monte Carlo Simulation)
-
- 33 비정규분포 확률변수의 변환
- 34 결함조건에 대한 한계상태 방정식
-
- 341 표면 균열에 따른 한계상태 방정식
- 342 표면 부식 결함에 따른 한계상태 방정식
-
- 제 4 장 결과 및 고찰
-
- 41 표면 균열에 따른 파손확률
- 42 표면 부식 결함에 따른 파손확률
-
- 제 5 장 결 론
- 참고문헌
-