음향 유발 진동, 배관 진동, 고유진동수, LOF, 난류

음향 유발 진동 (Acoustic Induced Vibration, AIV)

배관 진동(Pipe Vibration), 음향 피로(Acoustic Fatigue), Energy Institute, 고주파 음향 가진 (High Frequency Acoustic Excitation)

플랜트(Plant) 공장 내 설계된 컨트롤 밸브(Control Valve)와 안전밸브(Safety Valve)의 작동 시, 높은 소음이 배관 내부로 방출되며, 이러한 고주파 음향 가진(High Frequency Acoustic Excitation)과 배관 내 표면의 진동 모드(Shell Mode)가 일치할 경우, 배관 용접부의 피로 파괴(Fatigue Failure) 현상이 발생하게 됩니다. 이너턴스(INERTANCE)에서는 고주파 음향 가진에 대한 배관 Fitting Selection (O-Let) 등의 건전성을 평가하고 있습니다.

배관 Fitting Selection, O-let, 유한 요소 해석 — [배관 Fitting Selection, O-let]

음향 피로 (Acoustic Fatigue)

음향 피로(Acoustic Fatigue Assessment) 평가 분석에는 아래와 같은 내용을 포함하고 있습니다.

음향 유발 진동 (Acoustically Induced Vibration, AIV)
배관 음향 피로 (Acoustic Fatigue in Pipe)
고주파 음향 가진 (High Frequency Acoustic Excitation)
음향 파워 레벨 (Sound Power Level)
컨트롤 밸브, 안전변, 오리피스 등의 압력 제어 장치 (Pressure let-down device, Control valve, pressure relief valve, pressure safety valve, orifice, etc.)
배관 직경, 길이, Fitting Type 등
배관 마하 수 (Mach Number) 평가
배관 피로 파괴 가능성 평가 (Likelihood of Failure, LOF)
음향 유발 진동 제어대책 (Acoustic Induced Vibration Control)
배관 Fitting 종류 검토 (Weldolet, Sweepolet, Equal Tee, Reduced Tee, Nipolet, Latrolet, etc.)
유한 요소 해석 (Finite Element Analysis, FEA)

Acoustic Induced Vibration, S-N Curve, 고주파 음향 가진 — [Acoustic Induced Vibration, S-N Curve]

Energy Institute Guidelines

컨트롤 밸브(Control valve), 안전 밸브(Pressure Safety Valve) 등의 압력 제어 장치 작동 시, 밸브 후단(Downstream)에 높은 소음이 방출하게 됩니다. 소음의 크기는 압력 차(Pressure Drop), 온도(Temperature), 유량(Flow Rate) 등에 따라 평가될 수 있으며, 이와 같은 음향 유발 진동(Acoustic Induced Vibration)이 밸브와 연결되어 있는 배관 전체에 미치는 피로 파괴 가능성(Likelihood of Failure, LOF) 여부를 검토하게 됩니다.

밸브(Valve)에서 발생하는 음향 파워 레벨(Sound Power Level) 및 음향 피로 파괴(Acoustic Fatigue Failure) 가능성 등에 대한 평가는 아래 규격을 참고로 하여 수행합니다.

API 521, 6th, Pressure relieving and de-pressuring systems
Concawe Report No. 85/82, Acoustic fatigue in pipes
Energy Institute Guideline, 2nd, Guidelines for the avoidance of vibration induced fatigue failure in process pipework
IEC 60534 8-3, 2010-11, Industrial process control valves, Part 8-3: Noise considerations – Control valve aerodynamic noise prediction
Design piping systems against acoustically induced structural fatigue, Frantisek L. Eisinger, ASME 1996
BS 7608; 2014, Guide to fatigue design and assessment of steel products, BIS Standards Publication

배관 설계 (Pipe Design)

배관 직경(Diameter), 두께(Thickness), 길이(Length) 등의 기하학적(Geometry) 형상은 음향 유발 진동에 의한 피로 파괴 가능성(Likelihood of Failure, LOF)을 검토하는데 매우 중요한 인자이며, 이러한 피로 파괴는 배관 Fitting 또는 용접 Support 등의 배관 불연속(Discontinuity) 구간 위치에서 일반적으로 발생합니다. 설계 단계(Design phase)에서는 배관 내 음향 파워 레벨을 평가하여, 배관 Fitting, 직경, 두께 등에 대한 적절성을 평가하게 되며, 고주파 음향 가진(High Frequency Acoustic Excitation)에 의한 피로 파괴 가능성이 있다고 판단될 경우, 적절한 제어 대책을 제시하게 됩니다.

배관 Fitting 종류, Energy Institute Guideline — [배관 Fitting 종류]

음향 유발 진동과 관련된 배관 Fitting 종류: Equal tee, Reduced tee, Lateral, Inserted weldolet, Latrolet, Weldolet, Reinforcing pad, Vesselet, Nipoflange, Nipolet, Sweepolet

고주파 음향 가진 (High Frequency Acoustic Excitation)

밸브에서 발생하는 소음은 500Hz ~ 2000 Hz 주파수 대역 범위의 광대역(Broadband Frequency) 성분으로 밸브 후단(Valve Downstream)의 배관 시스템 전체에 전달됩니다. 고주파 음향 가진(High Frequency Acoustic Excitation)에 대한 평가를 아래 그림과 같이 유한요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통하여 수행할 수 있습니다.