배관두께계산의 중요성

 

고무풍선을 불어본 경험은 누구나 있을 것이다. 바람을 불어 넣을수록 풍선은 커지게 된다. 바람을 불어 넣는 것은 풍선 내부의 압력을 증가시키는 것이고 내부압력의 증가로 인해 풍선이 늘어나는 것이다.

풍선과 배관은 내부와 외부의 압력차에 의한 영향을 크게 받는다는 점에서 유사한 점이 많다.

 

배관두께계산의 중요성
배관 내부를 흐르는 유체는 대부분 외부의 압력보다 높은 압력을 유지하며 흐르게 된다. 이러한 배관 내, 외부의 압력차에 의해 배관벽이 내부로부터 외부로 팽창하게 된다. 풍선을 계속해서 불어주면 결국 터지게 되는 것처럼 배관 내부의 압력이 증가하면 배관도 터지게 된다.

배관 내부에 흐르는 유체가 유독성 물질이라고 가정해 보자. 배관이 터지게 되면 심각한 사고를 초래할 것이다. 뿐만 아니라 시스템의 중단으로 인해 막대한 금전적 손실이 발생한다.

실제로 고온의 증기배관이 순간적으로 터져버려 근처에서 작업중이던 사람이 심한 화상을 입고 병원으로 이송된 적도 있다. 환자는 병원에 이송된지 3일만에 숨져 버렸다.

 

배관의 파열을 미리 예측하는 것은 아주 중요한 일이다.

배관의 단면을 살펴보면 왼쪽의 그림처럼 원형의 고리모양으로 이루어져 있다. 배관 내부에 압력을 가해주게 되면 내부 표면적에 고르게 작용하게 되고 두께가 얇아지면서 바깥쪽으로 팽창하게 된다. 지속적으로 압력을 증가시키면 배관두께는 점점 얇아지다가 결국에는 파열되는 것이다.

우리는 압력이 배관의 파열에 중요한 요소로 작용하는 것을 알 수 있다. 압력과 함께 배관의 파열에 중요한 요소로 작용하는 것은 바로 재질이다. 재질에 따라 견딜수 있는 힘의 크기가 다르기 때문이다.

 

배관이 팽창하는 것을 다른 시각으로 살펴보자.

 

배관의 한쪽 끝을 잘라서 펴면 일정한 두께의 절편을 얻을 수 있다. 이것을 양쪽에서 힘을 주어 당기게 되면 조금씩 늘어난다. 계속해서 힘을 가해주면 결국 끊어지게 된다.

이것은 배관 내부의 압력의 증가에 의해 배관이 늘어나는 것과 유사한 현상이다. 압력 역시 단위면적에 작용하는 힘이기 때문이다.

 

최대허용응력(Maximum allowable stress)
고무줄을 당기는 것을 떠올려 보자. 어느 정도의 힘을 가해서 고무줄을 당겼다가 다시 놓으면 원래의 모습으로 돌아간다. 이번에는 큰 힘을 가해서 고무줄을 당겨보자. 끊어질 것이다. 이것은 고무줄이 감당할 수 있는 힘의 세기보다 큰 힘이 가해졌기 때문이다.

이처럼 물체에 힘을 가했을 때, 원래의 모습으로 돌아올 수 있는 변형을 탄성변형(Elastic strain)이라 한다. 탄성변형이 일어나는 힘보다 큰 힘을 물체에 가해서 영구적으로 형태가 변하게 되는 것을 소성변형(Plastic deformation)이라 하고 소성변형이 일어나기 직전의 시점을 탄성한계(Elastic limit)라 한다.

소성변형이 일어나지 않는 범위의 응력(Stress)을 허용응력이라 하고 이것의 최대값을 최대허용응력이라 한다. 각 재료마다 실험에 의해서 허용응력값을 얻을수 있으며 ASME B31.1 Appendix A를 보면 각 재료의 최대허용응력 값을 확인할 수 있다.

 

배관두께계산
ASME B31 Code에서는 각 코드마다 두께계산에 대한 내용을 조금씩 다르게 기술하고 있다. 이것은 안전에 대한 고려사항이 조금씩 다른 것이고 B31.1의 내용을 기본적으로 동일하게 사용하고 있다. B31.1의 내용을 살펴보기로 하자.

 

Paragraph 104.1.2 : Straight Pipe Uner Internal Pressure

 

 

명칭	뜻	단위
tm	최소필요두께	mm
P	내부설계압력	kPa
D0	배관 외경(outside diameter)	mm
SE or SF	최대허용응력 (이음효율 또는 주물계수 포함)	MPa
A	추가 두께	mm
y	보정계수	-

ASME B31.1 104.1.1절을 보면 위와 같은 내용이 나와있다. 이것은 내압을 받는 직관부의 배관 두께를 계산할 때 적용하는 계산식이다. 계산할 때 단위를 주의할 필요가 있다.

위의 조건들 중에서 보정계수란 것은 재료마다 온도에 따른 변화를 적용해 줌으로써 보다 근접한 값을 얻고자 계산에 반영되는 값이다. 각 재료마다 온도에 따라 그 값이 다르다.

 

Additional Thickness
추가 두께에 대한 고려사항은 조건에 따라 다양할 수 있다. 기계적 강도를 유지하기 위한 목적이나 가공을 위한 목적, 부식 및 마모를 고려해 배관의 수명을 조절하기 위한 목적등 다양하다. 상황과 목적에 맞게 알맞은 추가 두께를 산정할 필요가 있는데 주로 다음과 같은 고려사항들이 있다.

 

• 벤딩파이프(Bending Pipe) 제작 시 곡면의 바깥쪽 부분이 늘어나면서 배관의 두께가 얇아져 최소필요두께 이하가 되는 경우
• 나사산(Thread)을 내기 위한 추가두께
• 부식 및 마모로 인한 배관 수명의 단축을 고려한 추가두께
• 지진, 폭설 또는 작업인원 등의 일시적 하중에 의한 추가적 기계적 강도가 요구되는 경우

산업 규격 배관두께

위의 계산식을 이용해서 적절하다고 생각되는 두께를 산출하게 되면 소수점 이하의 값이 계산되기도 한다. 계산된 값과 정확히 일치하는 두께의 배관을 제작해서 사용하는 것이 가장 좋겠지만 이것은 산업적으로 비효율적이다. 1mm 혹은 0.1mm의 배관 두께를 정확하게 맞추어 제작하는 것은 제작공차를 맞추기가 힘들다. 제작사가 아주 정밀한 배관두께를 맞추기 위해 갖추어야 할 기술과 시설은 산업적 가치가 떨어질 것이다. 다양한 산업적인 이유로 배관 두께는 규격화 되어 있다. SCH(Schedule)로 불리는 각 코드에서 규정하는 두께가 있는 것이다. 제작사들은 이 규격에 맞게 배관을 제작하고 사용자들은 규격 배관을 구입해서 사용하면 된다. 따라서 계산된 두께보다 두꺼운 산업규격 중에서 가장 근접한 두께를 선택해서 사용하면 된다.

 

---

이 글에 출처 : 배관정복 프리웨이(ds23)님이 작성한 글 임니다.

 

더불어 함께하는 세상 (모든 일에는  다 때가 있다!!)