나선형 용접 강관의 잔류 응력 예측을 위한 링 할렬 시험(Ring Splitting Test)의 유한요소 해석 모델링

Finite Element Modeling of Ring Splitting Test to Predict Residual Stresses in Spiral Welded Pipe

본 연구는 제조 원가가 저렴하여 수송 및 구조용으로 널리 사용되지만 잔류 응력으로 인해 수분 함유 황화수소(Wet sour) 환경에서는 품질 논란이 있는 나선형 용접 강관(Spiral Welded Pipe, SWP)의 건전성을 확보하기 위한 수치 해석적 연구를 담고 있습니다. 저자인 Ahmed Saleh Awadh Al-Omari는 링 할렬 시험(Ring Splitting Test) 기술을 모사하는 적절한 유한요소 모델(FEM)을 개발하여 용접 공정으로 인해 발생하는 잔류 응력을 예측하고, 실제 실험 데이터와의 비교를 통해 모델의 타유효성을 검증하였습니다. 또한 용접 속도가 잔류 응력 수준에 미치는 영향을 분석하고, 통계적 기법 및 선형 회귀 모델링을 적용하여 관의 구조적·재료적 파라미터가 링 할렬 개구부(Opening)에 미치는 상관관계를 규명함으로써, SWP의 고압 및 가혹 환경 적용을 위한 신뢰성 지표를 마련하였습니다.

Metadata and Keywords

Paper Metadata

• Field: 기계 공학 (Mechanical Engineering), 구조 역학 (Structural Mechanics)
• Subject: 나선형 용접 강관의 잔류 응력 해석 및 링 할렬 시험 모델링
• Method: 3D 비선형 유한요소 해석(ANSYS), 링 할렬 시험(Ring Splitting), 통계적 회귀 분석
• Variables: 용접 속도, 관 벽 두께, 관 직경, 나선 각도(Helix angle), 재료 물성
• Author: Ahmed Saleh Awadh Al-Omari (석사 학위 논문)
• Institution: 킹 파드 석유 광물 대학교 (King Fahad University of Petroleum & Minerals, 사우디아라비아)
• Date: 2010년 5월

Keywords

• 나선형 용접 강관 (Spiral Welded Pipe, SWP)
• 잔류 응력 (Residual Stress)
• 링 할렬 시험 (Ring Splitting Test)
• 유한요소 해석 (Finite Element Method, FEM)
• 용접 속도 (Welding Speed)
• 서브머지드 아크 용접 (Submerged Arc Welding, SAW)

Executive Summary

Scientific Objective

나선형 용접 강관의 대중적 확산을 저해하는 주요 요인인 용접 잔류 응력을 비파괴/준파괴적 방법인 링 할렬 시험과 유한요소 해석을 결합하여 정밀하게 예측하고, 공정 변수(용접 속도 등) 최적화로 강관의 구조적 안정성을 높이는 데 있음.

Research Methodology

1. 해석 모델 수립: ANSYS를 사용하여 56인치 대구경 강관의 나선형 용접 경로를 3차원으로 모델링하고, 이중 타원체(Double ellipsoidal) 열원 모델을 적용하여 과도 열전달 및 구조 해석 수행.
2. 검증 실험: 링 할렬 시험(절단 후 벌어지는 양 측정)과 드릴링 홀(Drilling hole) 기법으로 실측한 데이터와 FEM 해석값을 상호 비교하여 모델의 정확도 확보.
3. 변수 연구: 용접 속도를 변화시키며 온도 분포와 잔류 응력(von Mises stress) 변화를 추적하고, 통계적 회귀 분석을 통해 주요 영향 인자 도출.

Key Findings

1. 용접 속도의 영향: 용접 속도가 체계적으로 증가할수록 입열량이 감소하여 잔류 응력의 폭은 좁아지지만, 급격한 온도 구배로 인해 특정 지점의 응력 집중은 심화될 수 있음을 확인함.
2. 링 할렬 메커니즘: 용접 후 강관을 링 형태로 절단하고 한쪽을 갈랐을 때 발생하는 탄성 복원력(Opening/Closing)이 관 내외부의 원주 방향 잔류 응력 분포와 직접적인 함수 관계에 있음을 수학적으로 입증.
3. 레이저 용접 확장: 기존 SAW 외에도 75mm 소구경 관의 레이저 나선 용접 시 발생하는 미세 잔류 응력 거동을 추가로 분석하여 모델의 범용성을 넓힘.

Conclusion

본 논문은 SWP 제조 공정의 핵심 결함인 잔류 응력을 현장에서 쉽게 평가할 수 있는 ‘링 할렬 시험’의 이론적 기반을 FEM으로 완벽히 구축하였으며, 이를 통해 석유·가스 수송용 배관의 품질 보증 능력을 획기적으로 개선하였습니다.

Paper Details

1. Overview

• Title: Finite Element Modeling of Ring Splitting Test to Predict Residual Stresses in Spiral Welded Pipe
• Authors: Ahmed S. A. Al-Omari (Master’s Thesis)
• Context: 사우디아라비아 국영 석유회사(Aramco) 및 강관 제조 현장(NPC)의 기술적 수요 반영.

2. Abstract

나선형 용접 강관의 잔류 응력 특성을 규명하기 위해 유한요소 해석 기반의 링 할렬 시험 모델을 개발하였습니다. 용접 속도와 온도장 변화가 잔류 응력에 미치는 상관관계를 분석하였으며, 회귀 모델링을 통해 강관의 기하학적 파라미터가 링 개구부 변화에 미치는 영향을 정량적으로 제시하였습니다.

3. Main Content Summary

3.1. 나선형 강관 제조 공정(Chapter 1): Helix angle(나선 각) 조절을 통해 단일 너비의 코일로 다양한 직경의 대구경 강관을 생산하는 공정의 경제성과 구조적 특성 설명.

3.2. 열전달 및 구조 해석(Chapter 6~7): 용접부의 비선형 재료 물성(온도 의존성)을 반영하고, 하부 및 상부 용접 단계별 온도 프로파일을 도출하여 von Mises 잔류 응력 분포 계산.

3.3. 결과 검증(Chapter 3~4): 링 할렬 시험의 결과인 ΔC(둘레 변화량)와 드릴링 홀 리서치 결과를 비교하여 FEM 모델이 현장의 잔류 응성 분포를 충실히 재현함을 확인.

Technical Q&A

Q: ‘링 할렬 시험(Ring Splitting Test)’이 잔류 응력 측정에 왜 효과적인가요?

A: 강관은 제조 과정에서 동그랗게 말리고 용접되는 과정에서 내부에 힘(응력)이 갇히게 됩니다. 이 강관을 얇은 링으로 잘라 한 지점을 끊으면, 갇혀 있던 응력이 해방되면서 링이 밖으로 벌어지거나 안으로 오무라듭니다. 이 벌어진 거리(Opening)를 측정하면 관 전체에 걸쳐 있던 원주 방향(Hoop direction) 잔류 응력의 평균적인 크기와 방향을 매우 직관적이고 저렴하게 계산할 수 있기 때문입니다.

Q: 나선형 용접 강관(SWP)이 일반 직선 용접 강관(LWP)보다 잔류 응력에 취약한 이유는?

A: 나선형 용접은 용접선이 관을 나선 형태로 길게 휘감고 있어, 동일한 길이의 직선 용접 강관보다 용접된 총 면적이 훨씬 넓습니다. 용접은 국부적인 가열과 냉각을 동반하므로 용접선이 길수록 열 변형과 이에 따른 잔류 응력의 축적 영역이 넓어지며, 응력의 방향 또한 관의 축 방향과 원주 방향이 복합적으로 얽히는 등 해석이 복잡하기 때문입니다.

Q: ‘용접 속도’를 높이는 것이 왜 잔류 응력 감소에 도움이 됩니까?

A: 용접 속도가 빠를수록 단위 길이당 투입되는 열량(Heat input)이 줄어듭니다. 열량이 적으면 금속이 녹았다 굳는 범위(Heat Affected Zone, HAZ)가 좁아지고, 이는 열 팽창과 수축에 의한 소성 변형량을 감소시켜 결과적으로 잔류 응력의 절대적인 크기와 발생 범위를 줄이는 효과를 가져옵니다. 다만, 너무 빠르면 용접 비결함이 생길 수 있으므로 최적 속도를 찾는 것이 중요합니다.

Conclusion

본 학위 논문은 강관 엔지니어링 실무에서 가장 가려운 곳인 ‘잔류 응력 예측’을 수치 데이터로 명확히 시각화하였다는 데 큰 의의가 있습니다.

특히 링 할렬 시험의 FEM 표준화는 향후 스마트 팩토리의 품질 예측 알고리즘으로 바로 이식될 수 있는 수준 높은 자료입니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Al-Omari, A. S. A. (2010). Finite Element Modeling of Ring Splitting Test to Predict Residual Stresses in Spiral Welded Pipe . Master's Thesis, KFUPM, Dhahran, Saudi Arabia.

DOI/Link: https://core.ac.uk/download/242415737.pdf

Technical Review Resources for Engineers:

▶ 원문 논문 보기 (PDF)
▶ 기술 검토 및 적용 가능성 문의

This material is for informational purposes only. Unauthorized commercial use is prohibited.

Copyright © 2026 STI C&D. All rights reserved.