해저 CO2 파이프라인 부식 피로 거동 분석

지속가능발전목표(SDG) 17과 연관된 해저 CO2 수송 파이프라인은 해류, 파도, 내부 압력 변동 및 운전 주기 등 복합적인 주기 하중을 받는다. 가혹한 해양 환경에서 부식은 파이프 벽 강도를 저하시키고 국부적 결함을 유발하여 피로 균열 발생을 촉진하며, 이는 구조적 파괴로 이어질 수 있다. 본 연구는 부식된 해저 강철 CO2 수송 파이프라인의 피로 균열 개시 수명을 통합된 국부 변형률-수명(ε–N) 프레임워크를 활용하여 조사했다. 이 프레임워크는 비선형 유한요소 해석, Coffin–Manson–Basquin 관계식, 그리고 Smith–Watson–Topper 평균 응력 보정법을 결합한다. 모델링된 파이프라인은 API 5L X65 강철로 제작되었으며, 다양한 깊이, 길이, 폭을 가진 직사각형 부식 결함과 0~20 MPa의 내부 압력 조건에서 완전 역전 굽힘 하중(R = -1)을 적용했다. 유한요소 해석 결과, 부식 결함은 건전한 파이프라인의 균일한 변형률 분포와 달리 뚜렷한 변형률 집중을 유발했다. 부식 깊이는 유효 벽 두께를 직접 감소시키고 국부 주기 변형률 진폭을 증가시켜 가장 중요한 기하학적 매개변수로 확인되었다. 부식 길이는 변형률 재분배를 통해 피로 수명에 영향을 미쳤는데, 짧은 결함은 심각한 변형률 집중을 유발하는 반면, 긴 결함은 변위 제어 굽힘 하에서 최대 변형률을 감소시켰다. 부식 폭은 원주 방향 구속을 변경하여 부차적인 영향을 미쳤다. 내부 압력은 피로 수명에 추가적인 영향을 미쳤다. 본 연구 결과는 해저 CO2 파이프라인의 안전성 평가 및 설계 최적화에 기여할 수 있으며, 부식 결함이 있는 파이프라인의 피로 거동 예측 정확도를 향상시키는 데 활용될 수 있다.