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과업지시서

“수소도시용 수소배관망 설계를 위한 피로해석 및 통합 시뮬레이션 기법 개발(4차년도)”

2026. 07.

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과 업 지 시 서

1. 과 업 명

수소도시용 수소배관망 설계를 위한 피로해석 및 통합 시뮬레이션 기법 개발(4차년도)

2. 과업 배경 및 목적

본 연구사업은 수소도시용 수소배관망 설계 시공 기술 개발을 통해 도시 내 안정적인 수소 이송용 수소배관망 건설 및 운영기술 확보를 목표로 함

수소배관망에서 수소의 비용과 효율적인 이송을 위해서는 입지 및 경로에 따른 이송 및 손실 동력, 열·물성 조정 등 열수력 해석과 장기적인 수명주기 예측이 중요

이에 본 과업에서는 3차년도 과업에서 수행된 오픈소스 기반 1D 유동해석 기법과 구조해석 결과를 바탕으로 수소배관망의 수명 예측이 가능한 피로해석 기법을 개발하고자 함

또한 실제 사업지에 대한 설계 사양을 반영한 시나리오 기반의 유동해석과 피로해석 연동이 가능한 통합 시뮬레이션 프로세스 기법을 개발하여 각 시나리오의 유동해석 결과를 반영한 피로해석을 통해 수소배관망의 최적설계를 위한 수명 예측 기법을 개발하고자 함

3. 과업범위 및 내용

3.1 과업범위

본 과업에서는 수소도시용 수소배관망의 입지 및 경로, 사용환경 특성을 고려한 건전성 평가를 위해 유동해석-구조해석-피로해석의 통합 시뮬레이션 프로세스를 정의하고, 유동해석 결과를 이용한 사이클 기반의 피로해석 프로세스 기법과 응력기반의 피로수명 평가 기법 개발 등을 범위로 함

또한 실증 TB 내 구축되는 수소배관망 설계 사양을 반영하여 유동해석 모델링을 개선하고, 이에 따른 운영 시나리오를 구성하며 시나리오 기반 시뮬레이션 결과를 분석하여 제어 기법을 고도화하고자 함

3.2 과업내용

수소배관망 통합 시뮬레이션 프로세스 및 수명평가 기법 개발

- 수소도시 수소배관망 운영 시나리오 연계 수소 배관망 통합 건전성 평가 프로세스 확립

· 3차년도 과업을 통해 개발된 1D 유동해석 기법(시간에 따른 배관 압력 데이터)을 활용한 피로해석 연동

· 배관 직경 별 수행된 구조해석 응력 테이블 활용

· 1D 유동해석 - 구조해석 결과DB - 피로수명해석 연동을 통한 건전성 평가 프로세스 확립

- 수소배관망 운전시간에 대한 피로수명평가가 가능한 피로해석 기법 개발

· 수학적 접근을 통한 S-N Curve 생성 알고리즘 개발

· 수소배관 물성에 따른 기존 문헌 S-N Curve 데이터베이스화

· 낙수계수법(Rainflow Counting)을 이용한 압력 이력에 대한 사이클 계수 counting

- 수소배관망 1D 유동해석 및 구조해석 결과 연동 수명평가 기법 개발

· 수소배관망 1D 유동해석 결과 추출을 통한 배관 내 압력 이력 확보

· 배관 직경 별 구조해석 응력 데이터 테이블 데이터베이스화

· 낙수계수법 및 SN- Curve를 활용한 피로수명 평가

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<1D 유동해석-구조해석 결과-피로해석 연동을 통한 건전성 평가 프로세스>

수소배관망 1D 유동해석 결과를 이용한 사이클 기반 피로해석 연동 프로세스 개발

- 계산된 수소배관망에 대한 시간에 따른 압력 이력 추출

· 시뮬레이션 지정 시간에 대한 압력 이력 파일로 출력

· 압력이력 파일은 시간항과 압력항으로 구분

- 압력이력에 대한 낙수계수법 적용 기법 개발

· 1D 해석을 통해 도출된 배관 내압에 대한 낙수계수법 적용 기법 개발

· 낙수 계수법을 통해 필터링된 압력 데이터는 평균압력과 압력변화 및 각각에 대한 작용횟수로 정리

- 압력 이력에 대한 낙수계수법 결과와 구조해석 결과 연동 기법 개발

· 압력 이력 읽기가 가능한 낙수계수법 모듈을 통해 평균 압력값과 압력 변화량 도출

· 3차년 연구에서 정립된 배관 직경에 따른 내압과 응력 간의 관계식에 압력 결과 적용을 통해 응력 산출

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<압력 이력에 대한 낙수계수법 연동>

수소배관 수명 평가를 위한 응력기반 피로해석 기법 개발

- 수학적 접근을 통한 S-N Curve 생성 기법 개발

· Basquin 방정식 등을 이용한 수학적 접근을 통해 S-N Curve 생성 기법 개발

· S-N Curve 방정식화를 통해 입력 변수에 따른 S-N Curve 생성

- 기존 피로시험 및 문헌을 이용한 S-N Curve 데이터 확보

· 문헌 등의 참고 자료를 통한 수소배관망 재료에 대한 S-N Curve 확보

· 사이클-응력에 대한 수치값을 데이터베이스 화

- 운전 중 발생하는 하중변화 사이클의 피로손상계수 산정을 통한 피로수명 평가 기법 개발

· 응력 기반 평가법 Miner’s rule에 따라 응력해석 결과와 해당 피로곡선을 이용하여 피로손상계수를 산정

· 작용 횟수 및 피로곡선으로부터 얻어지는 각 응력기준에 대한 응력횟수를 고려하여 누적손상계수(Cumulative Usage Factor, CUF)를 도출

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<Basquin 수식을 통한 S-N Curve 생성 개념>

수소배관망 실증 TB 기반 수소배관망 설계 반영에 따른 유동해석 모델링 확립

- 수소 저장 및 이송체계 분석을 통해 모델링 확립

· 실증 TB 배관 형상 및 경로 구현

· 작동 압력 및 운전 조건 반영

- 배관 굴곡 반영을 위한 엘보 배관 배치

· 곡관(CurvedBend요소) 파라미터 분석 및 설정

· 곡률 반경에 따른 압력 변화 분석

- 개선된 압력배관 수식 모델 적용(한국건설기술연구원 제공)

· 상태방정식(Peng-Robbinson EOS) 기반 수소배관 내 기체수소 유동특성 계산식을 통한 개선된 압력 배관 수학적 모델 적용

· OpenModelica 배관요소의 유동 모델 오버라이딩을 통한 모델 생성

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<OpenModelica CurvedBend 파라미터>

수소배관망 설계 기반 운영 시나리오 생성 및 제어 기법 고도화

- 실증TB 수소배관망 설계 사양 반영을 통한 운영 시나리오 확립(저장탱크 및 배관 길이, 직경 등)

- 압력 이력 발생을 위한 제어 시스템 모델링 고도화

· 설계 사양 반영에 따른 압력 제어 기능 개선

· 수소 공급지 밸브 제어 기능 개선

- 피로해석 연동에 따른 시뮬레이션 설정 및 결과 저장 기능 개선

· 낙수계수법 적용을 위한 시뮬레이션 결과 파일 추출 기법 개선

· 시뮬레이션 결과 파일 관리를 통한 피로해석 연동

- 통합 시뮬레이션을 위한 유동해석 프로세스 개선

· 유동해석 결과와 압력 이력 추출 데이터 파일 저장 경로 확보

· 구조해석 결과 데이터베이스화를 통해 별도의 설정 없이 피로해석 진행하도록 구성

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<수소배관망 설계기반 운영 시나리오 예>

4. 과업수행기간 및 예산 규모

수행기간 : 계약일로부터 4개월 이내

※ 착수보고 : 계약일로부터 15일 이내

※ 최종보고 : 과업 종료일로부터 10일 이내

※ 다음의 경우 그 기간을 조정할 수 있음

- 천재지변 등 불가피한 상황이 발생하여 정상적인 과업수행이 어려울 경우

- 한국건설기술연구원의 방침 또는 계획변경으로 과업내용이 변경 또는 중단될 경우

예산규모 : 149,830,006원 (부가세 포함)

5. 보고서 작성

용역세부추진계획서는 착수 후 15일 이내 제출하며, 준공 15일 전까지 최종보고서(안)을 작성하여 감독관의 검토 후 준공 일까지 제출한다. 용역세부추진계획서는 과업수행 방법, 절차, 분야별 과업책임자, 참여자별 과업수행담당 업무 등을 포함시켜야 한다.

연구기간 중, 한국건설기술연구원에 격주로 진도보고를 수행하며, 그 시기 및 방법은 발주처와 협의 하에 결정한다.

용어는 국어사용을 원칙으로 하되 전문용어 또는 뜻이 혼동되어 불명확한 경우에는 영문, 한문 등으로 표기하며, 교육부 제정 한글 맞춤법 및 외래어 표기법에 따른다. 숫자는 아라비아 숫자를 사용하고 기호는 로마자로 한다.

최종보고서의 규격 및 작성방법은, 한국건설기술연구원 위탁용역보고서 작성요령을 기준으로 한다.

최종보고서(안) 및 최종보고서 제출 시, 그 내용을 워드프로세스 (한글 2010 이상)에 저장하여 같이 제출한다.

6. 과업수행 예정공정표

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수행 기간

과업기간(M)

1

2

3

4

착수보고

수소배관망 통합 시뮬레이션 프로세스 및 해석기반 수명평가 기법 개발

수소관망 1D 유동해석 결과를 이용한 사이클 기반 피로해석 연동 프로세스 개발

수소배관 수명 평가를 위한 응력기반 피로해석 기법 개발

실증TB 수소배관망 설계 반영에 따른 유동해석 모델링 변경

수소배관망 설계 기반 운영 시나리오 생성 및 제어 기법 고도화

최종보고 및 성과물 제출

7. 성과품 제출

본 과업은 아래 표에서 제시된 최종산출물을 과제종료 7일 이전에 제출하여야 하며, 성과품과 관련하여 중요 결정사항은 감독원과 협의 후 결정한다.

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구분

제출기일

수량

비고

보고서

준공일 전 7일

2부

8. 기타

이 사업과 관련하여 발생하는 분쟁 조정은 국가계약법 제28조 2에 따라 동법 제29조에 따른 국가계약분쟁조정위원회 조정결정에 따라 해결하는 것으로 정함(동법 제28조에서 정한 이의신청 대상에 해당하는 경우로 한정한다)