- Pressure vessel fabrication, inspection and testing
압력용기 관련 엔지니어가 제작 단계에서 알아야 할 내용은 용접입니다. 용접은 압력용기의 제작과 밀접한 연관성을 가지고 있습니다. 위의 사진은 열교환기를 예시한 것으로 각 구성품의 조립을 용접을 사용하였으며 연결이 필요한 구간 (Nozzle to Nozzle) 은 Flange 가 적용되어 있는 것을 알 수 있습니다. 압력용기의 제작은 용접이라고 해도 과언이 아닐 정도로 전체 제작 공수에서 차지하는 비중이 크고 용접의 품질은 결국 제품의 품질을 좌우하는 하나의 척도로써 제작품의 수명과 신뢰성을 유지하기 위해서는 때론 엄격한 허용 오차와 검사가 요구됩니다. 플랜트산업에 사용되고 고온 고압의 유체를 다루는 Severe 한 Process 에 적용되는 압력용기일수록 그 기준은 더욱 더 엄격할 수 밖에 없습니다. 플랜트 엔지니어 압력용기를 핸들링 하거나 압력용기 설계&제작 관련 입문자의 경우에도 용접에 대한 이해도가 필요로 합니다.
용접이란 열을 발생시켜 융접을 통해 금속을 국부적으로 결합하는 것으로서 대표적으로 산업 현장에서 널리 사용되는 용접 방식으로 아크 용접이 있습니다. 용접봉은 용접 소재와 유사한 재료를 사용하게 됩니다.
용접의 원리
플럭스로 코팅되어 있는 Electrode Core Wire 가 녹으면서 플럭스를 연소시키고 아크 주위에 가스 실드(Gaseous Shield)를 생성해서 용접부에 대한 오염을 방지함과 동시에 용융금속이 소재 표면에 Crater를 생성하면서 융착되어 진행방향으로 용접이 진행됩니다. 이 때 발생한 불순물과 플럭스의 혼합물의 잔재가 Slag 형태로 용접 비드 상부에 생성되고 작업이 완료 된 이후에 제거를 하는 것으로 용접을 마무리합니다.
용접의 분류
용접은 소재와 소재를 연결하는 방식과 용접할 때 적용하는 방법 2가지로 분류 할 수 있습니다. 여기서는 기본적으로 알고 있어야 할 연결방식, 방법에 대한 내용을 살펴보겠습니다.
- 맞대기용접 (Butt weld) - 그림 출처 Bing 상업적으로 무료 공유 및 사용
- T 용접 (Tee weld) - 그림 출처 Bing 상업적으로 무료 공유 및 사용
용접 연결부가 서로 수직인 T자 형태로 용접할 때 사용하는 연결 방식
- 겹치기 용접 (Lap weld) - 그림 출처 Bing 상업적으로 무료 공유 및 사용
- 모서리 용접 (Corner weld) - 그림 출처 Bing 상업적으로 무료 공유 및 사용
- 변두리 용접 (Edge weld) - 그림 출처 Bing 상업적으로 무료 공유 및 사용
- 구루브 용접 (Groove Weld) : 맞대기 용접과 같은 연결 방식에서 용융된 용착재를 특담을 수 있는 두 개의 소재 사이의 공간, 홈을 만들어서 용접하는 방식을 홈의 모양에 따라 분류할 수 있습니다.
- 필릿 용접 (Fillet Weld) : 그루부 용접과 같이 용접 면에 홈을 가공하지 않고 소재의 교선을 따라 용접하는 방식으로 모서리, T이음을 연결할 때 적용합니다.
- 플러그/슬롯 용접 (Plug/Slot Weld)
기본적인 연결방식 5가지와 용접 방법 3가지를 살펴보았습니다. 이러한 내용들은 압력용기를 제작할 때 제작도면에 명시 되는것이 일반적입니다. 예를 들어서 Shell 과 Head 를 용접 할 때는 맞대기 용접의 Groove 용접 방식을 적용합니다. ASME Code에 기준하여 제작되는 압력용기의 이러한 연결부위에 대해서 완전 용입 즉 두께 전체에 걸쳐 완전히 융합되도록 압력용기를 설계 제작해야 한다고 명시되어 있습니다. 맞대기 방식이 아닌 T 형식으로 소재가 수직으로 연결되는 구간의 용접은 필릿 용접 방식을 적용합니다. Shell에 Support를 용접할 때 적용하는 것을 예로 들 수 있습니다. 플러그 용접은 소재의 구멍을 통해 용접 금속을 완전히 채워 넣는 방식으로 겹치기 용접에 적용하거나 내식성 스트립 라이닝을 고정할 때 많이 사용하는 방식입니다.
플랜트 산업에 사용되는 압력용기의 제작(용접) 관련 대표적인 Code는 무엇일까요?
- ASME Section VIII Div. 1 Part UW requirement for pressure vessels fabricated by welding.
- CODE 제목을 직역하면 압력용기의 용접 제조 과정시에 필요한 요구사항이 되겠네요.
ASME Part UW에는 총 65가지의 항목이 포함되어 있는데요. 각 항목별로 열교환기 제조관련 필요사항에 대한 내용이 기술되어 있습니다. 예를 들어 UW 13.1 항목은 Shell 에 Head를 부착할 때 Fillet lap 용접이 필요한 구간에 대한 용접 최소길이, 높이 등을 규정하고 있습니다. UW 내용 압력용기의 소재 연결방법과 용접 방법에 대한 내용을 기술하고 있으므로 전문가적인 견지가 아니더라도 한 번쯤은 흟어볼 필요가 있습니다. 왜냐면 나중에 필요하면 찾아보면 되니까요. 최소한 어디에 어떤 내용이 있는지는 알고 있는 것이 좋습니다. UW 항목 중에서 조금 중요한 내용이 있습니다. 그것은 용접 효율이라는 것인데요 만약 용접 효율이 100% 라는 것은 용접으로 인한 용접부가 견뎌낼 수 있는 응력의 비율을 말합니다. 이를 확인하기 위해서는 UW Part 12를 확인해야 합니다. Part 12에서는 용접 연결 방식에 따른 설명과 그에 해당되는 용접 효율을 정의하고 있습니다. 예를 들어 Butt weld 를 적용할 때 Full 용접을 할 경우 용접 효율은 1.00 으로 하고 Spot 로 하는 경우에는 0.85, None 일 경우에는 0.7 로 기술하고 있죠.
ASME UW Code 는 실제 용접과 관련된 엔지니어와 QA, QC 혹은 Inspector 일 수록 더욱더 관심을 가질 수밖에 없습니다. 이는 다음 포스팅에서 다룰 압력용기의 검사와 밀접한 관련성이 있기 때문이죠.
플랜트 산업에 적용되는 압력용기의 제작 시 사전에 제출해야 할 서류들이 있습니다.
- Welding Procedure : 용접 절차서 안에는 요소의 재질과 연결부위의 두께 직경 Groove type, 용접 절차, PWHT에 대한 내용이 포함되어야 합니다.
- Welder Qualification : 용접사의 자질이 ASME 에서 요구하는 압력용기 제조(용접) 과정에 적합한지에 대한 자격증명을 요하는 것으로 프로젝트 별로 다르나 때에 따라서는 사전에 용접 Test 를 통해서 입증 단계를 거치기도 합니다.
압력용기 제작과 검사기준 용접에 대한 기초적인 사항을 살펴보았습니다. 다음 번 포스팅에서는 검사 관련 사항을 이야기해 보겠습니다.
Inside Insight 였습니다.
수정할 부분이나 잘못된 내용은 qusinside@gmail.com 으로 부탁 드립니다.
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