1. 압력용기 개요
| 1.1 정의(Definition) 넓은 의미의 압력용기(Pressure Vessel)란? 압력을 가진 유체(액체 또는 기체)를 수용하는 모든 용기로서 보일러도 포함한다. 좁은 의미의 압력용기라 함은 석유화학공업에서 액체 또는 기체를 저장, 반응, 분리 등의 목적으로 만들어진 용기로서 압력에 견딜 수 있도록 설계, 제작된 용기를 말한다. 그리고 운전중에 연소하고 있는 고체 혹은 화염등을 취급하는 것은 Fired Pressure Vessel, 화기를 취급하지 않는 것을 Unfired Pressure Vessel이라고 한다. 1.2 압력용기의 종류 석유화학공장은 하나의 단위Plant에 수십, 수백개의 압력용기와 수백, 수천 km의 배관으로 이루어져 있다. 1.2.1 보통 형상에 따른 분류 Cylindrical Type의 호올드(holder), 드럼(drum), 칼럼(Column), 타워(tower), 및 Ball Type의 구형탱크(Spherical tank), 등이 있다. 1.2.2 용도에 따른 분류 Distillation Tower, Reactor, Accumulator , Separator, Holder, Storage Tank, Heat Exchanger 등이 있다. 2.2.3 상세 분류 A) Storage Tank 장치의 전후에 공급되거나 생산되는 원료, 중간제품, 제품 혹은 부대설비 등의 가스상태 또는 액체를 저장하는 대형용기이다. 원료유를 저장하는 저조(Storage Tank) 와 구형용기 (Ball Tank)등이 있다. B) Holder 가스 호올더(Gas hoder)라고 부르고 있다. 도시가스, 천연가스, 불활성가스 등의 가스 상태로 저장하는 대용량 저장탱크이며 대개는 상압 용기이지만 최근에는 저압 혹은 중압용기로서 사용하고 있다. C) Reactor 기내에서 화학반응을 행하는 용기를 총칭한다. 반응효율을 잘하기 위하여 전열과 교반 등의 방법으로 여러 가지가 고안되고 있다. 반응기는 Column 또는 Tower 형식으로 제작된 것과 형상에 따라 Batch type, Tubular type, Jacket type 등이 있다. D) Column or Tower 액체 혼합물에서 각 성분의 증기압의 차를 이용하여 고비점 성분과 저비점 성분을 분리하는 증류탑, 충전물이 내장된 충전탑, 트레이(Tray)를 갖춘 트레이 타워(Tray tower)등이 있다. 증류탑(Distillation tower)은 또 증류 방식에 따라 상압증류탑(Atmospheric tower), 감압증류탑(Vacuum tower), Stripper, Stabilizer, Adsorption tower, Absorption tower 등이 있다. E) Heat Exchanger 열교환 방식에 따라 냉각기, 가열기, 응축기 , 증발기 등이 있고 형태에 따라 다관형 , Double pipe, Block type, Plate type, Spiral type 등이 있다. |
2. 설계(Design)
2.1 기본 사양 (Basic Specification)
| 압력용기의 제작 설계를 위해서는 기본적으로 적용 규격과 Local 법령이 필요하고 Specification, 설계를 위한 참고 문헌 등이 필요하다. 그리고 상세한 설계 자료로는 아래사항이 확인되어야 한다. 2.1.1 압력부(Pressure Part)를 위한 설계 자료 · 용기 기본 형상 및 치수 · 설계압력 및 온도, 재료, 부식여유, 방사선 시험정도 · Liquid Density, Liquid Level, Wind 및 Seismic Load, 기타 하중 2.1.2 비압력부(Non-Pressure Part)를 위한 설계 자료 · 부재 형상 및 치수 · 각종 하중조건 및 재료의 선택 · 제작성, 안전성, 경제성등 검토 2.1.3 설계압력 및 설계온도 설정 압력용기는 운전중에 발생할 수 있는 가장 엄한 조건에서의 온도 압력을 기준으로 설계한다. 보통 연속하여 장기간 운전하는 용기에는 정상 운전할 때의 압력, 온도가 설계기준으로 되나, 그 압력 및 온도에서 어떤 다소의 변동이 있는 것은 설계시 반영할 필요는 없다. 이 때문에 용기의 설계압력 및 설계온도는 프로세스에서 요구되는 최고의 운전압력 및 온도의 변동을 고려한 약간의 여유를 보고 결정한다. 대개의 경우 정상운전압력의 5 % 증가한 압력을 최고운전압력이라고 하고, 최고운전압력의 10 %를 가산한 압력과 최고 운전압력에 1.8 ㎏f/㎠를 가한 압력 중 큰 수치를 그 용기의 설계압력으로 한다. 설계압력은 용기의 최상부의 압력으로 나타내며, 높은 탑류등 액체가 충만한 경우에는 강도계산에서는 설계압력에 정수두를 가산한 압력을 적용하여야 한다. 또한 , 설계온도는 설계압력을 기준으로 최고의 운전온도에 10 ∼20 ℃를 가한 온도로 하는 것이 많다. 그러나 0 ∼ 10 ℃를 가산한 온도로 하는 경우도 있다. 설계온도 및 설계압력의 기준은 각사마다 보유한 설계기준 (Owner Specification/Design Criteria)에 따라 다소 차이가 있다. |
2.2 재료 선정
2.2.1 재료선정시 고려사항
기계적, 물리적 성질
재료는 화학적 성분에 따라 기계적 및 물리적 성질이 다르다. 기계적 성질중 인장강도는 압력용기 강도계산의 기준이 되므로 특히 중요하다. 인장강도는 온도에 따라 달라지며, 고온에서의 크리프(Creep)현상, 저온에서의 취성파괴(Brittle Fracture)등을 고려해야 한다. 탄소강은 300℃이상에서 크리프 현상이 나타나고, -20℃이하에서 저온취성파괴를 일으킨다.
재료의 물리적 성질로서 비중, 비열, 열전도율 및 선팽창계수를 들 수 있다. 열전도율은 온도변동에 따라 국부적 온도 불균일 및 열응력 발생원인이 되고, 선팽창계수는 온도영향이 큰 압력용기에서 고려하여야 하며, 용기의 길이 및 용적에 따라 열팽창 크기가 달라지며, 이종재료 조합에 의해 열응력등이 발생하는 문제가 생긴다.
가공성 검토
재료의 가공성은 굽힘가공, 경판가공 등에 영향을 미치게 되고 이것은 재료의 전연성에 영향을 받는다. 절삭성, 주조성, 열처리성능 대해 검토해야 한다. 또한, 용접성도 대단히 중요하며, 탄소함유량, 탄소당량값(Ceg), 고장력강의 경우에는 용접감수성지수(Pcm)도 검토해야 한다.
내식성
압력용기 내부는 운전중 내부 액체에 접촉하고 있으므로 부식성을 고려하여야 한다. 부식의 종류에는 응력부식균열, 전기화학적 부식 등이 있다. 또, 수분에 의한 부식, 부식성 산성·알카리성 화합물에 의한 부식, 귀금속과 비금속간의 전자이동에 의한 부식(Corrosion), 수소취화(Hydrogen Embrittlement), 수소유기균열(Hydrogen Attack), 뜨임취화(Temper Embrittlement), 황화물 응력부식균열(Sulfur Stress Corrosion Cracking) 등 다양한 형태의 부식이 발생할 수 있다. 이러한 부식성을 고려하여 부식여유를 두게되며, 내식성 재료에 의해 라이닝(Lining), 크래딩(Clading)을 실시한다.
경제성 검토
강도, 기공성, 내식성이 우수한 재료라도 가격이 비싸면 사용하기 힘들다. 내식성 재료는 값비싼 것이 많으므로 라이닝 또는 클래강제용기를 사용한다. 내식성 재료로서 6 mm이상 두께의 Stainless강 용기에서 Clad Steel용기가 경제적이다. 각 경우에 따라 다르겠지만 경제성을 감안한 재료 선택이 필요합니다.
2.2.2 운전 온도 및 용도에 따른 재료의 선택
표. 1 운전온도 및 용도에 따른 재료의 분류
| DESIGN TEMPERATURE(℃) | MATERIAL | PLATE | PIPE | FORGING | FITTING | BOLTING | |
| CRYOGENIC TEMPERATURE |
-254∼-196 | STAINLESS STEEL |
SA240-304, 304L, 347, 316, 316L | SA312-304, 304L, 347, 316, 316L | SA182-304, 304L, 347, 316, 316L | SA403-304, 304L, 347, 316, 316L | SA320-B8 WITH SA194-8 |
| -195 ∼ -102 | 9% NICKEL | SA353 | SA333-8 | SA522-1 | SA420-WPL3 | ||
| LOW TEMPERATURE |
-101 ∼ -60 | 31/2 NICKEL | SA203-D,E | SA333-3 | SA350-LF3 | SA420-WPL3 | SA320-B7 WITH SA194-4 |
| -59 ∼ -46 | 21/2 NICKEL | SA203-A | |||||
| -45 ∼ -30 | CARBON STEEL |
SA537-CL1 SA516(IMPACT T.) |
SA-333-6 | SA350-LF2 | SA420-WPL6 | ||
| -29 ∼ -16 | SA516-ALL | SA333-1 or 6 | SA193-B7 WITH SA194-2H |
||||
| -15 ∼ 0 | SA285-C | SA53-B SA106-B |
SA105 SA181-60,70 |
SA234-WPB | |||
| INTERMEDIATE TEMPERATURE |
1 ∼ 16 17 ∼412 |
SA516-ALL SA515-ALL |
|||||
| ELEVATED TEMPERATURE |
413 ∼ 468 | C-1/2Mo | SA204-B | SA335-P1 | SA182-F1 | SA234-WP1 | |
| 469 ∼ 537 | Cr-1/2Mo | SA387-12-1 | SA335-P12 | SA182-F12 | SA234-WP12 | ||
| 11/2Cr-1/2Mo | SA387-11-2 | SA335-P11 | SA182-F11 | SA234-WP11 | |||
| 538 ∼ 593 | 21/4Cr-Mo | SA387-22-1 | SA335-P22 | SA182-F22 | SA234-WP22 | SA195-B5 SA194-3 |
|
| 594 ∼ 815 | STAINLESS STEEL |
SA204-347H | SA312-347H | SA182-347H | SA403-347H | SA193-B8 WITH SA194-8 |
|
| INCOLOY | SB424 | SB423 | SB425 | SB366 | |||
| ABOVE 815 | INCONEL | SB443 | SB444 | SB446 | SB366 | ||
2.2.3 재료의 분류 (철강 재료)
탄소강(Carbon Steel)
탄소강은 경제적인 압력용기 재료로 가장 많이 사용하며, 탄소의 함량에 따라 탄소함유량이 0.3%이하의 것을 저탄소강이라 하며, 압력용기에 사용되는 탄소강은 용접성을 고려하여 탄소량이 0.35%이하의 것을 사용한다. 탄소강은 가격면에서 다른 재료에 비해 경제적이지만 저온, 고온에서 취성, 강도저하를 초래하고 알칼리에서는 안정적이나 산 분위기에서는 부식하기 쉽다. 대표적인 재료로는 ASTM 규격의 A285-C, A515-60/70, A516-60/70 , A537-CL.1/2 등이 있다.
저합금강(Low Alloy Steel)
탄소강에 망간. 몰리브덴, 니켈, 크롬 등 합금원소를 소량 첨가하여 강도 도는 내식성을 증가시킨 것을 말한다.
Mo강 : Mo강은 페라이트조직을 강화, 강도개선, 내크리프성을 증가한다. Mn-1/2Mo강, C-1/2Mo강이 있으며 500℃이하에서 고온강도, 내크리프성이 필요한 것에 사용된다.
Cr-M강 : 크롬(Cr)이 함유된 강종은 내산화성이 우수하고 강도 및 내크리프성이 향상되는 경향이 있다. 또, 수소침투에 대한 저항성이 우수하지만 Cr증가에 따라 용접성이 나빠져 용접균열이 일어나기 쉬우므로 용접시 예열 및 후열저리를 잘 하여야 한다. 고온용 재료로서 ASTM규격의 재료로는 1%Cr-1/2Mo의 A387-12, 1.25%Cr-1/2Mo의 A387-11, 2.25%Cr-1Mo의 A387-22.
Ni강 : 니켈(Ni)을 첨가하여 조직이 미세화되어 강도 및 인성이 증가하고 취성파괴성이 온도가 저하하므로 저온용 재료로 많이 사용한다. ASTM규격의 재료로는 3.5% Ni강으로 분류되는 A203-D or E, 9% Ni강으로 분류되는 A353 등이 있다.
고장력강 (High Tensile Steel)
강에 Mn, S, Cr, Ni , Mo , V등의 합금원소를 소량 첨가한 저합금강으로서 인장강도, 항복점, 인성 , 용접섭을 향상시킨 것을 말한다. 고장력강은 보통 항복점 또는 내력이 36 ㎏f/㎠ 이상인 것을 말하며, 강도가 우수하기 때문에 두께가 앏아져 고압, 대형압력용기, 저장탱크에 등에 많이 사용한다. 용기제작시 용접이 대단히 중요하므로 예열, 후열, 용접봉 선정, 건조등을 철저히 하여야 한다.
고합금강(High Alloy Steel)
여러종류가 있으나 일반적으로 고합금강은 스테인레스강이 대부분을 차지한다.
스테인레스강제 압력용기를 사용할 떄 선택기준은 ASME SEC. VIII. div.1 Part UHA(Requirment for Pressure Vessels Constructed of High Alloy Steel)에 잘 나타나 있다. 이재료는 입계부식, 응력부식 균열, 시그마상취화 , 475 ℃(885℉)취화 등에 유의해야 한다.
Austenitic Stainless Steel
18Cr-8N강(AISI 300계통)으로 비자성이며, 열처리 경화성이 없고, 절연성이 우수하다. 저온,고온에서 가도 및 내식성이 우수하며, 용접성이 좋으므로 압력용기 재료로 널리 사용되나 430℃ ~ 870℃사이에 일정시간 이상 노출되면 Sensitization이 발생하는 문제가 생긴다. Sensitization은 내부식성을 급격히 떨어지게 하므로 이것이 발생하면 다시 Solution Annealing을 실시하여야 한다.
ASTM 규격의 T304, T316, T309, T310등이 있으며 저탄소 계열로는 T304L, T316L ( C ≤ 0.03 % ) 등이 있다.
Martensite Stainless Steel
13Cr이 대표적인 강종이며, AISI type으로 T410계열이 이에 속한다. 담금질 경화성을 가지며 내식, 내산화성이 우수한 합금이다. 열전도율이 탄소강에 비해 1/2정도 밖에 되지 않으며, 인장강도가 크므로 고압, 고온증기용에 적당하고 500℃이상이면 크리프강도가 급격히 저하한다. 압력용기용 재료로는 드물게 사용하기도 하나 대부분은 크래드강 이나 내부용 재료로 사용된다.
Ferrictic Stainless Steel
18Cr이 대표적인 강종이며, AISI type으로 T430계열이 이에 속한다. 내식,내산화성이 우수하며 Martensitic계와 물리적 성질은 큰 차이가 없으나 400 ∼ 500℃에서 장시간 가열하면 475℃취하가 발생한다. 이것을 방지하기위해 12Cr(T405)에 알류미늄(Al)을 첨가하기도 한다. 내부식성,저온 인성Austenitic계열 보다 떨어지기 때문에 동체에서는 사용하지 않으며 크래딩 이나 내부용 Tray등의 재료로 사용된다.
2.3 강도 계산(Strength Calculation)
2.3.1 설계 자료
적용 규격(Applicable CODE)
압력용기 설계, 제조 및 관한 규격은 각국에 따라 다르게 적용하고 있으며 최근 들어 각국의 기준을 통합하는 경향이 있다.
가장 대표적인 것으로는 유럽연합에서 회원국간의 압력용기 규격의 통합이 PED (Pressure Equipment Directive)이고 또한 일본과 북미 그리고 유럽까지 동참한 ISO를 중심으로 세계적으로 통합되어지는 SIPECS(Specification for Internationally Harmonized Pressure Equipment Codes and Standards)는 2000년 11월부터 시행되는 것을 목표로 제정작업이 진행중이다. 현재 가장 많이 사용하는 규격은 미국의 ASME SEC. VIII, 영국의 BS5500, 독일의 AD- merkblatter, 프랑스의 CODAP, 네덜란드의 Stoomwezen, 일본의 JIS B 8270 그리고 한국의 KS B 6733등이 있다. 각국의 압력용기 규격의 비교는 표3를 참고.
설계 압력(Design Pressure)
용기의 설계압력은 운전조건 형상에서 용기의 최상부 지점에서의 설계상 필요한 게이지 압력 (Gauge Pressure).
Internal Pressure(내압)는 용기의 두께를 결정하는 주요한 인자가 되며 각 규격별로 내압에 대한 제한을 두기도 한다. External Pressure(외압)는 최대 Full Vacuum 또는 half Vacuum 등이 있으며 때로는 Combination Vessel(복합압력용기)에서는 압력의 차이가 외압으로 작용할 수도 있다.
설계 온도(Design Temperature)
일반적으로 최대설계온도(Max. design temperature)를 기준으로 허용응력값을 구하여 계산 두께를 구하기 때문에 반드시 필요하다. 그러나 최소설계온도(Min. design temperature)를 기준으로 충격시험여부를 결정하고 MDMT(Design Minimum Metal Temperature)에서 충격시험에 견딜 수 있게 재료의 선정이 이루어져야 한다.
주요 치수(Dimension)
압력용기의 최소필요두께 계산을 위해서는 동체의 내경, 외압이 작용할 경우 동체의 길이 그리고 비압력부인 지지부의 형상 및 치수 등이 있어야 한다.
부식 여유(Corrosion Allowance)
부식여유는 운전중 최대로 발생할 수 있는 부식에 대한 여유이므로 강도계산에는 제외되며 부식여유 대신에 사용하는 크래드강 또한 강도계산에서 제외하고 계산한다. 보통 부식여유는 6mm 이하이고 그것을 초과하는 경우는 크래드강이나 스테인레스강을 사용하는 것이 바람직하다.
허용 응력(Allowable Stress)
허용응력은 설계온도에 따라 결정되며, 각국의 규격에 따라 다른 값이 주어진다. 예를 들어 압력에 의한 하중에 의한 두께 계산시 허용응력 산출에 대한 방법을 표3을 참고하라. 그리고 응력해석(Stress Analysis)중 허용응력에 대한 분류는 ASME SEC. VIII div.1 UG-23 에서는 Primary Membrane + Primary Bending : 1.5*S , Pressure Stress + Wind or Seismic Load : 1.2*S, Creep and Rupture : 1.2*S를 적용하고 ASME SEC. VIII div.2의 경우는 Appendix.4 Table4-120.1 and Fig.4-130.1을 적용한다.
용접이음효율(Joint Efficiency)
용접부위의 방사선시험 정도에 따라 신뢰성을 부여하는 것으로서 방사선시험이 Full 인 경우 100% ,방사선 시험이 Spot인 경우는 85% , 방사선 시험을 하지 않을 경우는 70 % 만의 이음효율을 적용하고 각각에 대해 Joint Coefficient는 1.0 , 0.85 , 0.7로 사용한다.
기타 하중 (Load)
수두압 : 운전중 용기내부에 존재하는 Liquid의 자중에 의한 하중으로 동체의 두께 계산시 내압에 더하여 계산에 반영하여야 한다.
Wind Load : 바람에 의한 하중은 주로 적용되는 Basic Wind Speed 와 그 용기 주변의 조건 즉,지형지물의 조건 그리고 용기의 형상에 따라 결정되고 이것을 계산하는 규격은 ASCE-7 , UBC, JPI , BSI, DIN 1505등이 대표적인 것이며 종종 엔지니어링社나 대형 석유화학회사에서 자체 계산식을 가지고 있는 경우도 있다.
특히, Wind Vibration에 관한 계산은 Zorrila, E.P. 이나 DeGhetto, k, and W, long 이나 C.E. Freese등에 의한 계산방법등이 있으며 초기에 어떤 방법으로 계산할 것인지를 결정하여야 한다.
Seismic(Earthquake) Load : 지진에 의한 하중은 주로 지진등급과 현지의 지반조건에 따라 Load값이 달라지며 이것을 계산하는 규격은 ASCE-7 , UBC, JPI, DIN1505등이 있다. 그리고 Seismic에 의한 Dynamic Analysis는 ASCE-7의 경우는 Category D,E & h > 75m 이면 하게 되어있고 UBC의 경우는 Zone 2(category 1,2,3)/3/4 & h>73m 인 경우 해석을 실시하게 되어있으니 초기에 계산 여부를 결정하여야 한다.
External Load : Piping Load, Platform Load, 그리고 기타 구조물에 의한 국부적인 하중이 이에 속한다.
2.3.2 압력부(Pressure Part) 계산
압력부의 동체의 두께 계산은 규격별로 Formula가 다르게 주어져 있으며 압력부에서의 Nozzle 주위의 국부 응력 해석은 WRC Bullentin No. 107 & 297, BS 5500 나 FEA방법으로 계산되어야 하며 Column이나 Tower와 같은 압력용기는 Weight ,Wind & Earthquake Load 및 External Load에 의해서 Shell에서 생기는 Combined Stress를 계산하여야 한다.
그때의 식은 S = f(P) + f(M) ± f(W)의 기본식으로 인장과 압축에 의한 Stress계산하여 허용응력보다 낮도록 설계하여야 한다. 아래에는 ASME SEC. VIII div.1의 내압에 대한 두께 계산식을 소개하고 외압에 대한 두께 계산식과 다른 규격의 계산식은 기타 자료를 참고 하시길 바랍니다.
ASME CODE에서 요구하는 내압에 의한 두께 계산
내압에 의한 원통형 동체의 두께
원주방향의 응력에 의한 최소요구두께 (길이 이음부)
t = P R / ( SE-0.6P ) + C
where, P : 설계내압 (Kg/Cm2)
R : 부식후의 동체 반경 (mm)
S : 최대 허용 인장응력 (Kg/Cm2)
E : 동체 이음부의 이음효율 (Factor: 1.0~0.7 )
C : 부식여유 (mm , Corrosion Allowance)
길이방향의 응력에 의한 최소요구두께 (원주이음부)
t = P R / (2SE + 0.4P) +C
원통형 동체의 설계두께
상기 식 , 에서 구한 두께중 두꺼운 값에 부식여유 (Corrosion Allowance)를 더한 두께.
내압에 의한 경판의 최소요구두께
2 : 1 Ellipsoidal Head
t = P D / ( 2SE-0.2P )
Where, D : 부식후 경판의 내경
Hemispherical Head
t = P L / ( 2SE-0.2P )
where, L : 부식후 경판의 반경
Torispherical Head
t = 0.885 PL / ( SE-0.1P )
where, L : 부식후 경판 Crown 부위의 반경
상기식은 Crown 반경이 Head Skirt의 외경과 같고 Knuckle 반경이 Crown
반경의 6%인 Torispherical Head에만 사용할 수 있다.
Conical Head
t = P D / ( 2 cosα(SE-0.6P) )
where, α : 원추형 경판의 경사각
상기식은 원추형 경판의 경사각 (α)이 30°를 넘지 않는 경우에만 사용할 수 있으며 경사각이 30°를 초과할 경우에는 Knuckle을 설치하여 Toriconical Head로 설계하거나 APPENDIX 1-5(g)의 요구사항을 추가로 만족하도록 설계해야 한다.
Toriconical Head
- Conical Part
t = P Di / ( 2 cosα(SE-0.6P) )
where, Di : Conical Part에서의 부식후 내경 = D-2r (1-cosα)
r : Knuckle Radius로써 Head Skirt O.D의 6%나 Knuckle 두께의 3배보다 작지 않아야 한다.
- Knuckle Part
t = P L M / ( 2SE-0.2P )
where, L : Di / (2 cosα)
M : 표에서 L/r에 따라 얻어지는 계수
내압에 의한 원추형 동체의 최소요구 두께 : UG-32, UG-36(e)
Straight Cone
원추형 경판의 최소요구 두께 공식인 상기식을 사용하며 원추형 동체의 경사각이 30°를 넘지 않는 경우에만 사용할 수 있다. 원추형 동체의 경사각이 30°를 초과할 때에는 Knuckle과 Flare가 있는 Toriconical Shell로 설계하거나 ASME Sec VIII Div.1 의 APPENDIX 1-5(g)의 요구사항을 추가로 만족하도록 설계해야 한다.
Toriconical Shell
- Conical Part
Toriconical Head의 Conical Part와 동일하게 식(4.2.5)을 이용하여
최소요구 두께를 구한다.
- Knuckle Part (큰 직경쪽)
Toriconical Head의 Knuckle Part와 동일하게 식(4.2.6)을 이용하여
최소요구 두께를 구한다.
- Flare Part (작은 직경쪽)
ASME CODE에는 Flare Part의 두께와 Flare radius의 규정은 없지만 "PRESSURE VESSEL DESIGN HANDBOOK, Henry H. Bednar"에 따라 다음과 같이 설계한다.
P Rs Rs Υs sin²α
t = ------- x {[(---)+(----------)]/(2cos²α)}
2 S E Υs Rs
Where, Rs : Toriconical Shell의 Small rodius
Υs : Flare의 내경
Min. Υs > 0.12 (Rs + 0.5t) 또는 3t
2.3.3 비압력부(Nonpressure Part) 강도계산
비압력부의 계산은 Vertical Vessel의 Skirt (Base block), Leg , Lug 그리고 Horizontal Vessel의 Saddle 과 같은 지지 구조부의 계산과 Lifting/tailing Lug , Skirt Bracing 과 같은 Erection 장치 계산 그리고 Internal/External Beam, Platform , Pipe support Clip, Vessel Davit 등의 계산이 있다.
Skirt 및 Base Block 계산
Skirt 계산
Skirt 두께계산은 Moment 와 Weight를 고려하여 계산하고 Skirt에 Access opening을 고려하여 Skirt의 단면적에서 Opening이 차지하는 Section Area나 Section Modulus 만큼을 제하고 계산하여야 한다. Bottom Head와 부착하는 부위의 설계가 이루어 져야 하며 그 단관은 Bottom Head의 설계 온도로 계산되어야 한다. 그리고 나머지 단관의 Skirt는 상온을 적용한다. 용기의 Deflection 이나 Vibration이 문제되거나 Base Block의 Anchor Bolt간의 거리가 충분치 않는 경우는 Flare 형태의 Skirt를 사용하기도 한다.
Base Block 계산
Base Block 형상은 크게 3가지로 나눌 수 있으며 Top Ring이 있는 경우, Anchor Chair가 있는 경우와 Base Plate에 Gusset만 부착되는 경우가 있다. 각각의 계산방법은 다르며 Bolt Load에 따라 Base Plate 두께가 결정되는 경우도 있으므로 Bolt 갯수가 정해지지 않은 경우는 직경이 큰 적은 수의 볼트보다는 직경이 작은 많은 수의 볼트를 쓰는 것이 유리한 경우도 있다.
Base Plate는 윗쪽 부분의 작은 Load 변화에도 큰 Moment 변화로 영향을 받는 경우가 많고 Erection시 Base block 강도도 고려하여야 하므로 다소 Margin을 갖고 설계하는 것이 필요하다.
Lifting lug / Tailing lug 계산
Lifting Lug 계산
Lifting Lug는 대표적으로 Trunnion Lug와 Flat Lug로 나누고 설치는 Specification이나 사용자의 Standard에 따라 결정하기도 하지만 설계자의 Design에 의해 대부분 결정된다. Trunnion Lug는 보통 300 ton 이상의 무게에서 사용하고 그보다 가벼운 것에는 Lifting Lug가 많이 사용된다. 강도계산은 Lug자체의 강도와 용접부에 대한 강도계산이 있으며 국부응력을 계산하여야 한다. Impact Load를 고려하여 충분한 Margin을 갖는 것이 필요하다
Tailing Lug 계산
Lug 자체의 강도 계산도 중요하지만 Lug가 부착된 Base block 자체의 강도도 확인하여야 한다. 필요에 따라 Skirt Bracing을 설치하는 경우와 Skirt내부에 Stiffener ring을 부착하는 경우도 고려하여야 한다.
Internal / External Beam Design
Beam의 설계는 재료역학의 빔 이론을 이용하면 간단히 설계할 수 있으니 기본 Concept를 갖는 것이 필요하다. 먼저 빔에 미치는 하중과 지지방법의 확인이 우선이며 이에 따른 경제적인 설계가 가능하다. 지지방법은 크거나 양단에 단순히 받혀주는 경우는 단순보로, 용접되거나 확실히 고정되는 경우는 고정보로 간주된다. 또한 전단응력이나 굽힙응력중 어느쪽에 설계관점을 갖느냐에 따라 설계 결과가 다름을 유의해야 한다. 즉, 전단응력에는 면적의 보강을, 굽힙응력에는 형상계수의 증가에 염두를 두어야 하며 특히 형상계수는 중립축으로부터 먼거리의 부재의 증가가 경제적으로 유리함을 유념해야 한다.
Internal Baffle / Partition Plate 등
Case가 너무 많아 자세히 다루지는 못하지만 참고문헌 "Roark's Formulars for Stress & Strain" 에는 각 경우별로 자세히 설명되어 있어 대부분의 경우는 이를 참조하면 된다. 단, 판의 길이가 너무 커서 판의 두께가 너무 두꺼운 경우는 Stiffener룰 적절히 사용하면 경제적인 설계가 가능하다. 또 참조로 상기 문헌으로부터 구한 모멘트에서 판두께를 구하려면 t = sqrt(6M/S)식을 이용하면 된다. 이때 허용응력은 Spec.에 따라 다르나 특별한 요구가 없는 경우는 1.5 Sa 나 0.66Sy를 적용하면 된다.
2.3.4 법규 및 규격 비교
국내 법규별 비교
국내의 원자력 분야 및 전기 발전분야(전기사업법)를 제외한 압력용기 검사와 관련된 법령은 고압가스안전관리법, 에너지이용합리화법, 산업안전보건법 및 소방법이 있다. 각 법령을 비교한 표는 다음표와 같다.
<표2. 국내 압력용기 검사 기관 및 적용 법규>
| 구분 | 고압가스안전관리법 | 에너지이용합리화법 | 산업안전보건법 | 소방법 |
| 근거 조항 |
- 법 제3조, 시행령 제2조 |
- 법 제2조 제6호, 시행규칙 제2조 |
- 법 제34조, 시행규칙 제58조 |
- 법 제17조(설치기준) 제17조의 2(안전유지) |
| 제조 및 검사 기준 |
-고압가스안전관리법 시행규칙 별표12, 별표28 및 통합고시 제15장 -KS B 6733(압력용기 기반규격) |
-관련 고시 | -노동부고시 제93-32호(압력용기 제작기준·안전 기준 및 검사기준) |
-소방법시행규칙 제10조 (안전성능시험) 또는 제10조의 |
| 검사 대상 |
-압축가스(35℃ 또는 상용 온도(운전온도)에서 압력 10 ㎏f/㎠·G 이상)를 취급하는 압력용기 ; 단, 아세틸렌은 15℃/ 0 ㎏f/㎠·G 이상. -액화가스(35℃ 또는 상용 온도(운전온도)에서 압력 2 ㎏f/㎠·G 이상)를 취급하는 압력용기 ; 단, 액화시안수소, 액화산화에틸렌, 액화브롬화메탄은 35℃/0 ㎏f/㎠·G 이상. |
-설계압력(㎏f/㎠·G) * 내용적(㎥)이 0.04를 초과하고 대기압이상의 압력에서 사용하는 증기 발생 용기 -최고사용압력이 2㎏f/㎠·G을 초과하는 기체용 압력용기 단,고압가스 안전관리의 적용을 받는 것 |
좌기(고압가스안전관리법, 에너지이용합리화법)에서 제외되는 것으로서 검사 적용범위에 해당하는 압력용기. 즉, 화학공정유체 취급 압력용기, 냉각수 취급용기, 오일 취급용기, 분리장치, 모든 공기 저장조(용기)등 -최소압력값이 게이지압력 으로 0.2㎏f/㎠·G 이상 이되고 사용압력과 용기 내용적(㎥)의 곱이 1이상인 것. (즉, X ㎏f/㎠ * Y ㎥> 1 ) 단, 정기검사의 경우는 사용압력 2㎏f/㎠·G 이상을 적용. |
위험물시설(신규탱크의 안전성능시험) -100만리터 이상의 저장 탱크 : 공사가 전담하여 시험 -100만리터 미만의 저장 탱크 : 공사, 안전성능 시험자 중 택일 |
| 검사 기관 | 한국가스안전공사 | 에너지관리공단 | 한국산업안전공단 | 한국소방검정 공사 (설치허가 : 관할소방서장) |
| 비고 | - 기업규제완화특별조치법 제47조, 시행령 제18조의 규정에 의해 법정 재검사 대상을 설계압력이 2 ㎏f/㎠ 이상인 것과 증기발생 압력용기로 완화하였음. - 산업안전보건법의 이중검사 배제 : 에너지이용합리화법, 고압가스안전관리법에 의해 검사를 받는 압력용기는 산업안전보건법에 따른 검사는 면제된다 - 동법 제34조 |
|||
주) Su : 인장강도, Sy : 항복강도, St/Sd : St=시험온도에서 허용응력, Sd=설계온도에서 허용응력
* 산업안전 보건법의 설계, 완성, 성능, 정기검사
-설계검사 : 검사대상품 제조업자(수입품설계검사 -수입품의 제조자 또는 수입자)
-완성검사 : a. 제조, 수입하여 설치하려는 자
b. 변경 설치하려는 자
c. 성능검사 대상품을 설치장소 또는 사용장소에서 제작, 조립하여 설치하려는 자
-성능검사 : a. 제조하여 출고하려는 자
b. 완성감사 대상품을 공장에서 완성품 형태로 제조하여 출고하려는 자.
-정기검사 : 사용하는 자, 성능검사 대상물을 수입하여 설치하려는 자
각국의 압력용기 규격 비교
<표3. 각국의 압력용기 코드비교 - 참고문헌 : 압력용기총론 , 저자 : 정연학 >
| 구분 | KS B 6733 | JIS B 8270 | ASME SEC. VIII Div.1 |
BS 5500 | AD merk Blatter(독일) |
CODAP (프랑스) |
| 압력범위 | 300 ㎏f/㎠ 미만 | 300 ㎏f/㎠ 미만 | 210 ㎏f/㎠ 미만 (이상은 Div.2 or Div.3) |
제한 없음 | 제한 없음 | 제한 없음 |
| 허용응력 | Su/4 or Sy/1.6 중 작은값 |
Su/4 or Sy/1.5 중 작은값 , 1종압력용기의 경우는 Su/3 or Sy/1.5중 작은값 |
Su/3.5 or Sy/1.5 중 작은값. (div.2 경우 Su/3 or Sy/1.5중 작은값) |
Su/2.35 or Sy/1.5중 작은값, 150℃이사인 경우 su/2.35 or Sy/1.6중 작은값. |
γSu/1.5,Sy/1.5 *γ는 항복비 |
Su/2.4 or Sy/1.5중 작은값, 재료검사가 생략된 것은 Su/3 or Sy/1.9중 작은값 |
| 용접 이음효율 ※ %는 용접부 방사선 투과 시험비율 |
1.0(100%) 0.95(20%) 0.7(0%) |
1.0(100%) 0.95(20%) 0.7(0%) 1종압력용기의 경우는 1.0(100%) |
1.0(Full) 0.85(Spot) 0.7(NO) div.2 경우 1.0(Full) |
1종 : 1.0 2종 : 1.0(Spot) 3종 : 육안검사만 실시(Sa=Su/5인 경우) |
원칙적으로 1.0 경판의 너클부는 0.85 |
1.0(100%) 0.85(Spot) |
| 내압시험 압력 |
1.5P St/Sd | 1.5P St/Sd, 1종 압력용기는 1.25P |
1.3P St/Sd, Div.2의 경우는 1.25P |
1.25P St/Sd, 3종 압력용기는 1.5P |
1.3P | 1.3P St/Sd |
| 기압시험 압력 |
1.25P St/Sd | 1.25P St/Sd, 1종 압력용기의 경우는 1.15P |
1.1P St/Sd Div.2의 경우는 1.15P |
1.25P St/Sd | 1.1P St/Sd | 1.3P St/Sd |
| 기밀시험 압력 |
- | 1.0P | - | 1.1P (당사자간 협의에 의함) |
당사자간 협의에 의함 |
당사자간 협의에 의함 |
| 맞대기 용접부 기계시험 |
이음매 인장시험 굽힘시험 충격시험 |
이음매 인장시험 굽힘시험 충격시험 |
충격시험 (차트 이용하여 충격시험 판단) |
당사자간 협의에 의하며, 이음매인장시험, 용착금속부인장시험, 충격시험,경도측정시험등을 실시 |
재료의 구분, 열처리 여부 등에 따라 기계 시험 항목을 지정 |
A,B,C,D용기의 구분에 따라 기계 시험 항목을 지정 |
< 표 4. 규격 비교 : ASME VIII div.1 & div.2 >
| 내용 | ASME SEC VIII Div.1 | ASME SEC. Div.2 |
| 적용범위 | - 비화력 증기보일러 - 직접가열시 압력용기 (단, SEC.I or SEC IV에 적용되지 않는 것) - 쟈켓이 부착된 가스용 증기솥(50 psi 이하) - 15 psi ∼ 3000 psi(1.05 ㎏f/㎠ ∼ 210 ㎏f/㎠) |
- Division 1의 Alternative Rule - 특정한 장소에 고정 설치된 것에 한정 - 압력의 제한은 없음. |
| 허용응력 | Su/3.5 or Sy/1.5중 작은값 , S : Allowable Stress |
Su/3 or Sy/1.5중 작은값 , Sm : Stress Intensity |
| 설계방법 | Design By Formula | Design by Analysis + Formula |
| Strength Theory | 최대 주응력 이론 (Max. Principal Stress Theory) |
최대 전단 응력 이론 (Max. Shear Stress Theory) |
| 최대허용압력 | 210 ㎏f/㎠ ( = 3000 psi ) | 제한 없음 |
| 최대설계온도 | 900 ℃ ( = 1650 ℉) | 538 ℃ ( = 1000 ℉) |
| 사용재료제한 | 없 음 | 있 음 |
| 비파괴검사 | Full , Spot , None | Full |
| 수압시험 | 1.3 x MAWP x St / Sd | 1.25 x D.P x Smt / Smd |
| 기압시험 | 1.15 x MAWP x St / Sd | 1.15 x D.P x Smt / Smd |
| Certification by R.P.E | - | User's Design Specification에 따라 계산 하고 Manufacturer's Design Report (Stress Report 포함)를 RPE에게 Certification을 받아야 한다. |
2.4 재료 구매(Material Purchase)
강도계산이 끝나면 필요한 자재의 두께, 종류 및 생산능력과 구매 가능한 크기 범위에서 가장 경제적인 Size를 결정하여 자재를 구매하여야 한다. 특히 압력용기용 자재는 특별한 요구조건 및 규제 조건이 많으므로 POS(Purchase Order Specification)에 반드시 언급하여야 한다. 아래의 구매사양서 작성에 관해 ASME 기준으로 언급하였다.
2.4.1 원자재 구매사양 (Purchase Specification)
적용 규격(Applicable Code) 과 표준(Standard)
재료 규격은 CODE 종류를 반드시 표기하여야 하며 적용 규격의 발행년도 및 ADDENDA등을 명기하여야 한다. Standard의 발행년도도 지정하여야 한다. (ASME SECT.Ⅷ DIV.1 1998 ED. , ASTM SECT.1 VOL.01.01 1998 ANNUAL BOOK 또는 ASME SEC.II PART A 1998 ED.)
용접후열처리(PWHT)의 Simulation
Shop 이나 Field에서 열처리할 것인지를 검토한 후 적용 규격에 따라 시편에 Simulation할 조건을 결정하여야 한다. 조건으로는 Holding time, Holding temperature, Heating rate, Cooling rate 등 지정하여야 한다.
충격 시험(Charphy V Notch Impact Test)
Applicable Specification에서 따로 언급하지 않으면 ASME SEC. VIII div.1인 경우는 UG-20, UG-84, UCS 66(Carbon Steel)에 따라 충격시험 여부를 결정하고 시험온도, 시편의 방향, 충격흡수에너지의 값 (3개 시편 평균과 1개 시편의 최소값)을 지정하여야 한다.
UT, MT 적용
Ultrasonic Test는 적용 Code 와 Acceptance Level을 규제하여야 하며 통상 A435(강판의 수직빔), A577(강판의 사각빔), A578(특수형 평면형 강판 및 크래드강판 수직빔), A388(대형 단조품), A629(주강품)등의 규격을 적용한다.
Magnetic Test는 강판의 Edge부분에 대한 검사하는 것이나 통상 원자재에는 적용하지 않으며 가공품등에 주로 적용한다.
열처리(Heat Treatments)
강판의 성질을 유지하거나 좋게 하기 위하여 전체에 대해서 실시하는 것으로 Normalizing, Tempering, Quenching등이 요구되어지고 이때의 Tempering 온도는 PWHT보다 약간 높게 적용하여야 한다. 그리고 두께에 따른 Normalizing의 CODE에서 규정은 P1 자재의 경우 38mm 이상의 경우는 실시하여야 한다.
경도시험(Hardness Test)
용접후에 경도를 측정하여 요구조건을 만족해야 하면 원자재의 경도를 규제하여야 한다. 보통 용접후의 요구되어지는 경도에 비해 SA516-70의 경우는 30BHN, SA516-60인 경우는 40BHN만큼 더 낮게 요구하여야 한다.
Hot forming(열간가공) Simulation
일반적으로 Hot forming 과 Cold forming의 경계점은 특별히 규정하는 것은 없지만 Tcrit -100℉(ANSI/ASME B31.1 CODE,Tcrit : 저변태점=Ac1 )로 정의 되어있으므로 이것을 참고로 할 때 이 온도보다 높은 온도에서 열간가공을 할 때는 시편에 Simulation을 실시하여야 하며, 그때의 Holding time, Holding Temp., Heating rate, Cooling rate을 규정하여야 한다.
기타
Vacuum Treatment, Product Analysis, Addition Tension Test, Hot Tension Test, Bend Test, HIC Test, Limit of Carbon Content, Limit of Carbon Equivalent Content 등에 대한 요구를 하여야 하며, 그리고 Clad Steel인 경우는 Shear Test가 추가되어야 한다.
2.5 도면 작성(Drawing)
도면작성에 앞서 다음의 DATA가 계산 및 Standard에 의해 확정되어야 한다.
Seam Plan, Shell & Head의 두께 및 Size , Nozzle 형상 및 치수, 지지구조부의 치수(Skirt, Leg, Lug, Saddle), Skirt type의 Base Block의 치수, Erection용 Lug, Welding Procedure Specification(WPS) , Insulation Support, Pipe Support, Platform, Ladder 그리고 Internal의 Tray와 Support ring등의 상세한 자료가 필요하다.
2.5.1 도면의 종류 (Vessel의 일반적인 경우)
· Assembly Drawing
· Body(Part Detail) Drawing
· Nozzle Detail Drawing
· Weld Map Drawing
· Accessory Drawing (Davit,Manhole and Lifting Lug etc)
· Internal Support for Tray & Packing Drawing
· External Support & Platform & Ladder & Pipe support Drawing
· Name Plate
· Template or Shipping Saddle
2.5.2 도면의 작성
Assembly Drawing
기본도(Engineering Drawing or Basic Drawing) 및 도면작성에 필요한 DATA 및 Standard 도면을 기준으로 조립형상 및 설계조건 등을 기재한다. 그리고 적용 Spec.과 Nozzle의 방위와 길이 등을 기재한다.
Body Drawing
Body 도면에서는 다음의 사항이 표기되어야 하며 Seam Plan, 용접 Joint 형상, 용접 Process(WPS), Joint No. 등이 이미 결정되어 져야 한다.
- Shell, Head, Skirt (Saddle, Leg, Lug)의 Size , Seam 형상 및 Joint 형상
- Skirt Opening 류
- Base Block
- Stiffener Ring
- Lifting Lug (Trunnion Lug) & Tailing Lug
* Seam Plan : 동체 및 경판을 만들기 위한 자재의 크기 결정 및 용접 Seam의 배치를 나타내는 것으로서 도면 및 자재 구매에 가장 중요하다. Plate의 폭은 제작 능력과 원자재 공급업체의 능력을 고려하여 결정하여야 하고 판의 길이 또한 동체의 내경과 제작 능력(Bending Roller) ,구매 가능 치수를 고려하여 1 또는 2,3 Seam으로 결정하여야 한다.
경판의 경우는 Seamless 와 1,2개의 Seam있는 경우와 대형 Hemi. Head 나 대형의 타원형 경판에는 여러개의 Seam이 있을 수 있기 때문에 제작성, 구매가능성, 그리고 Nozzle등에 간섭이 되지 않게 Seam을 배치하여야 한다. 용접 Seam이 Manway나 Nozzle 또는 기타 Local Load가 집중되는 부위와 간섭이 생기지 말아야 하며, Spec.에 따라서는 용접부간 거리가 (50 mm , 2x동체두께) 중 큰값 이상의 간격을 둘 것을 규제하고 있다.
Manhole Drawing
Manhole type 및 부착위치, Pad 유무로 분류 작성한다. D joint의 용접형상 및 길이에 신경을 써서 작성하여야 한다. 특히 크래드강일 경우에는 용접형상에 유의하여야 한다.
Nozzle Drawing
Flange 및 Nozzle Type, 부착위치, Pad 유무, Internal 혹은 External 연결 유무로 분류하여 작성한다. 그리고 Clad Part의 Nozzle과 C.S Part의 Nozzle과 구분하여 제작시 쉽게 구분할 수 있도록 작성한다.
Internals Drawing
Internal Baffle, Internal Pipe , Demister Support, Tray Support 및 일반 Internal 부품 (Tray, Demister, etc)
Accessory Drawing
Accessory 도면에는 Insulation Support, Fireproofing Clip, Internal Ring, Lifting / Tailing lug ( Body 도면에 공간이 없을 경우), Pipe Support Clip등을 작성하여야 한다.
Weld Map
Joint No. , WPS No. , NDE 방법 등이 표기되어야 한다.
2.5.3 용접방법(Welding Process Specification) 결정
용접부 마다 용접 Process는 제품의 기본설계를 바탕으로 회사의 장비 및 기술 수준과 인력현황, 재질, 용접재료의 수급 난이도, 각 용접법별 생산성과 자세한 제한 특성, 부품의 제작 장소, 회전 가능성 등을 고려하여 가능한 한 생산성이 높고 작업이 용이한 용접법을 결정하여야 하며, 보통 SMAW(Shielded Metal Arc Welding), SAW(Submerged Arc Welding), GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), FCAW(Flux Cored Arc Welding), GMAW(Gas Metal Arc Welding) 중에서 용접 Process를 결정하여 Weld Map에 표기하여야 한다. 그리고 용접법이 결정나면 개선을 어떻게 할 것인지를 결정하고 용가재 종류, 용접절차 인증 시험, 용접사 기량 시험 등을 결정한다.
2.5.4 도면의 검토
도면이 완전히 작성되면 제작하기 전에 먼저 다음의 사항을 다시 한번 점검하고 제작에 착수하여야 한다.
Basic 도면과 Standard 도면 그리고 설계 DATA, Specification과 일치하는지 비교하여야 하며, 강도계산상의 치수와도 일치하는지 계산서와 비교하고 발주된 재료의 사양과도 비교하여 일치여부를 확인하여야 한다. 즉, 도면, 강도계산, 자재발주 이 세가지의 DATA가 일치하여야 한다. 그리고 전개도를 가지고 부재간의 간섭사항도 점검하여야 한다. [끝]
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