전송 과정의 불안정성

극저온 액체 파이프라인 이송 과정에서 극저온 액체의 특수한 성질과 공정상의 특성으로 인해, 안정 상태에 도달하기 전의 전이 상태에서는 상온 유체와는 다른 일련의 불안정한 과정이 발생합니다. 이러한 불안정한 과정은 장비에 큰 동적 충격을 가하여 구조적 손상을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 미국의 새턴 V 수송 로켓의 액체 산소 주입 시스템에서는 밸브 개방 시 불안정한 과정의 충격으로 주입 라인이 파열된 사례가 있습니다. 또한, 불안정한 과정으로 인해 밸브, 벨로우즈 등의 다른 보조 장비가 손상되는 경우도 흔합니다. 극저온 액체 파이프라인 이송 과정에서 발생하는 불안정한 과정은 주로 막힌 분기관 주입, 배수관에서 액체를 간헐적으로 배출한 후 주입, 그리고 전면에 공기층이 형성된 상태에서 밸브를 개방할 때 발생하는 불안정한 과정 등을 포함합니다. 이러한 불안정한 과정들의 공통점은 증기 공동이 극저온 액체로 채워지면서 2상 계면에서 강렬한 열 및 물질 전달이 발생하고, 그 결과 시스템 매개변수가 급격하게 변동한다는 점입니다. 배수관에서 액체를 간헐적으로 배출한 후 액체를 채우는 과정은 앞쪽에 공기층이 형성된 밸브를 열 때 발생하는 불안정한 과정과 유사하므로, 이하에서는 막힌 분기관이 채워지는 경우와 열린 밸브를 여는 경우에 대한 불안정한 과정만을 분석합니다.

막힌 분지관을 채우는 불안정한 과정

시스템 안전 및 제어를 고려하여 주 이송관 외에도 배관 시스템에 보조 분기관을 설치해야 합니다. 또한 시스템 내의 안전 밸브, 배출 밸브 및 기타 밸브에는 각각 해당하는 분기관이 연결됩니다. 이러한 분기관이 작동하지 않을 때는 배관 시스템에 막힌 분기관이 형성됩니다. 주변 환경으로부터 배관으로 열이 침투하면 막힌 튜브 내부에 증기 공동이 필연적으로 발생합니다(경우에 따라 증기 공동은 외부로부터의 극저온 액체의 열 침투를 줄이기 위해 특별히 사용되기도 합니다). 전환 상태에서 밸브 조정 등의 이유로 배관 내부 압력이 상승합니다. 압력 차이에 의해 액체가 증기 공동을 채우게 됩니다. 기체 공동을 채우는 과정에서 극저온 액체의 기화로 발생하는 증기가 액체를 역추진하기에 충분하지 않으면 액체는 계속해서 기체 공동을 채우게 됩니다. 최종적으로 기체 공동이 채워진 후 막힌 튜브 밀봉부에서 급격한 감속 현상이 발생하여 밀봉부 근처에 급격한 압력 상승이 나타납니다.

블라인드 튜브의 충전 과정은 세 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계에서는 압력 차이의 작용으로 액체가 최대 충전 속도에 도달한 후 압력 평형 상태에 이릅니다. 두 번째 단계에서는 관성으로 인해 액체가 계속해서 앞으로 충전됩니다. 이때 역압력 차이(충전 과정에 따라 가스실 내부 압력이 증가함)가 액체의 속도를 늦춥니다. 세 번째 단계는 급격한 감속 단계로, 이 단계에서 압력 충격이 가장 큽니다.

충전 속도를 줄이고 공기 공동의 크기를 줄이면 막힌 분기관 충전 시 발생하는 동적 하중을 제거하거나 제한할 수 있습니다. 긴 배관 시스템의 경우, 액체 흐름의 근원을 사전에 원활하게 조정하여 유속을 줄이고 밸브를 장시간 닫아둘 수 있습니다.

구조적인 측면에서, 막힌 분기관 내 유체 순환을 개선하기 위해 다양한 유도 부품을 사용하거나, 공기 공동의 크기를 줄이거나, 막힌 분기관 입구에 국부적인 저항을 도입하거나, 막힌 분기관의 직경을 늘려 충전 속도를 줄일 수 있습니다. 또한, 막힌 분기관의 길이와 설치 위치는 2차 수압 충격에 영향을 미치므로 설계 및 배치에 주의를 기울여야 합니다. 배관 직경을 늘리면 동적 하중이 감소하는 이유는 다음과 같이 정성적으로 설명할 수 있습니다. 막힌 분기관 충전 시, 분기관 유량은 주 배관 유량에 의해 제한되며, 정성적 분석에서는 이 값을 고정값으로 가정할 수 있습니다. 분기관 직경을 늘리는 것은 단면적을 증가시키는 것과 같으며, 이는 충전 속도를 줄이는 것과 같아 결과적으로 하중이 감소합니다.

밸브 개방의 불안정한 과정

밸브가 닫히면 주변 환경, 특히 열교를 통해 열이 유입되어 밸브 앞쪽에 기층이 빠르게 형성됩니다. 밸브가 열리면 증기와 액체가 이동하기 시작하는데, 기체 유량이 액체 유량보다 훨씬 크기 때문에 밸브 내부의 증기가 완전히 배출된 직후에도 완전히 열리지 않아 압력이 급격히 떨어집니다. 압력 차이에 의해 액체가 앞으로 밀려나면서 밸브가 완전히 열리지 않은 상태에서는 제동 조건이 형성되고, 이때 수격 현상이 발생하여 강한 동적 하중이 발생합니다.

밸브 개방 시 불안정한 과정에서 발생하는 동적 부하를 제거하거나 줄이는 가장 효과적인 방법은 전환 상태에서 작동 압력을 낮춰 가스실 충전 속도를 줄이는 것입니다. 또한, 고정밀 제어 밸브 사용, 배관 방향 변경, 소구경 특수 바이패스 배관 도입(가스실 크기 축소)도 동적 부하 감소에 효과가 있습니다. 특히, 막힌 분기 배관 충전 시 막힌 분기 배관 직경을 늘려 동적 부하를 줄이는 것과는 달리, 밸브 개방 시 불안정한 과정에서는 주 배관 직경을 늘리는 것은 균일한 배관 저항을 줄이는 것과 같아 충전된 공기실의 유량을 증가시키고 결과적으로 수압 충격값을 증가시킨다는 점에 유의해야 합니다.

HL 극저온 장비

1992년에 설립된 HL 극저온 장비는 HL 극저온 장비 유한회사(HL Cryogenic Equipment Co.,Ltd.)의 계열 브랜드입니다. HL 극저온 장비는 고객의 다양한 요구를 충족하기 위해 고진공 절연 극저온 배관 시스템 및 관련 지원 장비의 설계 및 제조에 전념하고 있습니다. 진공 절연 파이프와 연성 호스는 고진공 및 다층 다중 스크린 특수 절연 재료로 제작되며, 일련의 매우 엄격한 기술 처리 및 고진공 처리를 거쳐 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, 액화 에틸렌 가스(LEG) 및 액화 천연 가스(LNG) 이송에 사용됩니다.

HL 극저온 장비 회사의 진공 재킷 파이프, 진공 재킷 호스, 진공 재킷 밸브 및 상 분리기 제품군은 매우 엄격한 기술 처리를 거쳐 생산되며, 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, LEG 및 LNG 이송에 사용됩니다. 이러한 제품들은 공기 분리, 가스, 항공, 전자, 초전도체, 칩, 자동화 조립, 식품 및 음료, 제약, 병원, 바이오뱅크, 고무, 신소재 제조, 화학 공학, 철강 및 과학 연구 등 다양한 산업 분야의 극저온 장비(예: 극저온 탱크, 듀어, 콜드박스 등)에 사용됩니다.