Numerical analysis for deformation characteristics under the freezing and bursting of Al pipe

Recently, aluminum pipes have been used instead of steel pipes for open and shut machines in vinyl housing because of its corrosion-resistance and light weight. In particular, the light weight is very useful for fitting and removal by human resources. On the other hand, an aluminum pipe is weak in winter because aluminum has a larger thermal expansion coefficient than steel. This study examined the freezing and bursting of aluminum pipes by numerical analysis. The mechanical-thermal deformation characteristics were analyzed under the condition of ice volumetric expansion in aluminum pipes reaching 50%. From numerical analysis, large stresses above the yield stress occurred in aluminum pipe after ice expanded in the net diameter immediately. In addition, the freezing and bursting of aluminum pipes was predicted around an ice volumetric expansion of 6 - 7% because the thickness of the aluminum pipe reached an aluminum elongation ratio of 17%. Therefore, it is recommended that aluminum pipes be sealed perfectly to prevent water flow in the pipe. These results suggest that it is very difficult to prevent freezing and bursting of aluminum pipes by water freezing in the pipe.

알루미늄 관의 동파 거동특성에 관한 수치적 연구

본 최근 비닐하우스의 개폐를 위해 사용되는 스틸 관 대신에 가볍고 내식성이 우수한 알루미늄 관의 사용이 확대되었다. 하지만 이러한 알루미늄 관은 스틸 관에 비해 큰 열팽창 계수를 가지고 있기 때문에 겨울철에 스틸관에 비해 상대적으로 동파에 취약한 문제가 제기되고 있다. 본 논문은 기존 연구사례를 바탕으로 수치해석을 이용하여 동파가능성을 예측하였다. 이를 위해 알루미늄 관 내부의 얼음은 냉동되면서 최대 50%까지 부피가 팽창한다고 가정하여 얼음의 부피가 팽창되는 과정에서 관의 기계적 열적 거동을 관찰하였다. 해석결과 관 내부에 완전히 찬 얼음이 팽창할 때 높은 내압이 발생하며, 동시에 알루미늄 관은 항복강도 이상의 응력이 발생하였고, 얼음의 팽창율이 약 6 ~ 7%에 이르면 알루미늄의 연신율 17%에 이르게 되기 때문에 알루미늄관은 완전히 동파될 것으로 판단되었다. 따라서 이와 같은 동파해석을 통해 관은 좌 우의 유입구를 완전하게 밀봉하여 근원적으로 관내부에 얼음이 생성되지 않도록 하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.