압력용기 기초(Basic Pressure Vessel)

압력용기 기초

2019년 1월 7일 Do0000 Lee 님께서 요청하신 내용을 주제로 포스팅을 작성하였습니다.

 

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메일 전문

➔포스팅 주제로 압력용기 (콘루프, 드럼류)의 설계에 관련하여 포스팅 해주시면 감사드리겠습니다.
Quote end. 

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압력용기 관련 전문 자료나 Code의 내용이 방대해서 상세한 

 

부분까지는 쓸 수 없지만 압력용기의 기초에 대해서 

 

수박 겉핥기식으로 가볍게 입문한다는 자세로 살펴보겠습니다. 

압력용기는 영어로 Pressure Vessel 무식하게 상상의 나래를 펼쳐서 

 

글쓴이 맘대로 표현하면 "압력을 받고 있는 용기" 입니다. 

 

이를 조금 전문적으로 표현하면 "압력을 받고 있는 유체를 보관하는 용기"를 말합니다.

 

 Oil & Gas, 정유공장, 발전소, 화학공장, 보일러, 수처리등 

 

모든 플랜트 산업에서 압력용기를 안 쓰는 곳을 찾는 것이 빠르다 할 정도로 

 

모든 분야에 광범위 하게 기초부터 주요 설비에 두루두루 사용되는 설비입니다. 

 

플랜트 기자재 설비분류로 치면 Stationary에 속합니다. 

 

글쓴이는 압력용기 하면 가장먼저 Distillation Tower 를 떠올리게 됩니다.(아래 사진) 

 

 

아니면 옆으로 누워 있는 녀석도 있고

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유및 사용>

 

이쁘게 색칠한 녀석도 있고

 

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

둥근 녀석도 있고

 

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

못 생긴 녀석도 있고

 

 

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

작은 녀석도 있고

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

아니면 키가 크거나

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

까맣거나

 

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

거대하거나

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

미국 NASA에도 있네요

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

 

구조물 안에 수줍게 숨어있기도 합니다.

<출처 Bing - 상업적으로 무료 공유 및 사용>

 

예시의 사진처럼 정말 다양한 Pressure Vessel 들이 있습니다. 

 

사진 속에 Vessel이 갖는 공통점이 무엇일까요? 

 

전체적으로 둥글둥글하다는 것입니다. 

 

Head 부위와 몸통을 이루는 Shell (Drum) 부위가 모두 원형이나 

 

구 형태를 가지고 있습니다. 왜일까요? 공학 상식으로 

 

압력을 분산 시켜 한 곳에 집중되는 것을 막기 위한 것이지요. 

 

다양한 형태 예를 들어 사각형으로도 Pressure Vessel을 만들 수 있습니다. 

 

모서리가 각지게, 근데 왜 안하는 것일까요? 

 

모서리 부위에 힘이 과도하게 집중되면 재료의 

 

파괴로 이어지고 이는 재해로 연결되기 때문이죠.

 

 

압력을 받지 않는 용기는 그냥 Vessel 입니다. 

 

혼동할 수 있는 부분이 여기서 나타날 수 있는데요. 

 

운전 압력 (Operating pressure) 이 ATM.(대기압) 일 경우에는 

 

그냥 Vessel 로 만들면 됩니다. 

 

이것 저것 정해놓은 Code를 적용할 필요 없이 맘대로 만들면 됩니다. 

 

왜? 압력을 받지 않기 때문이죠. 

 

진공압력이나 대기압을 초과하는 압력이 부여될 경우를 압력용기라 분류합니다.

 

 

그렇다면 왜 굳이 압력용기라고 규정해 놓고 약속한 기준에 따라 설계를 하는 것일까요?
미국에는 ASME (American Society of Mechanical Engineers) 라는 

 

미국 기계 협회가 있습니다. 이 협회에서 압력용기 관련 CODE 제정하고 

 

발표하기 전에 사람들이 보일러같은 압력용기를 자기 맘대로 만들었습니다. 

 

Drum 두께도 맘대로 헤드 모양도 맘대로 원가 절감하려고 

 

플랜지 두께도 맘대로 이러다 보니 검증되지 않은 기준으로 

 

제작된 보일러나 압력을 받는 용기들이 빵빵 터지면서 

 

사람들이 죽거나 다치기 시작했습니다. 

 

이를 본 관련 학계의 학자들이나 업계의 저명한 쎌럽 엔지니어들이 

 

모여서 이러면 안되겠다. 머리를 맞대고 과학적 지식과 

 

노하우를 모아서 자료를 만들었고 이를 CODE라고 

 

지정하고 앞으로 보일러 만들 때 ASME 에서 제정한 

 

CODE를 적용해서 만들어라고 규정했습니다.

 

여기서 약간 곁가지로 부연설명을 하자면 CODE를 

 

적용한다는 것은 기술적으로, 설계적으로 실질적으로 

 

검증된 방법을 제조상에 적용한다는 것을 의미합니다.

 

CODE를 따라라 안따르면 안된다는 것은 결국에는 

 

제조과정이나 설계, 검사를 입증된 방식을 적용하라는 것이지요. 

 

HAZOP(Inside Insight "HAZOP(위험성 평가) Training" 참고)을 

 

실시하는 이유도 이러한 검증되지 않은 위험요소를 사전에 

 

적출하기 위한 것처럼 플랜트 설비는 고온,고압, 화재 및 

 

기타 안전사고와 같은 잠재적 위험요소를 포함하고있기 때문에 

 

항상 검증된 절차와 설계 방식을 따라야 합니다. 

 

CODE를 벗어나서 자체적으로 어떠한 한 분야에 대해서 

 

입증된 설비를 만들고 여러사람이 그것을 인정해 준다면 

 

또 하나의 새로운 기준이 되는 것이지요.



자 다시 이야기의 주제로 돌아와서,

압력용기 관련된 CODE는 대표적으로 ASME VIII Div.1,2,3 가 있습니다.

 

 Div. No 별로 다루는 내용에 차이가 있지만 쨋든 압력용기의 

 

제작,설계,검사에 대한 기준을 정해놓은 CODE입니다. 

 

대부분의 압력용기를 제조하는 업체들은 ASME CODE를 적용하는 것이 

 

일반화되어있습니다. 압력을 받고 있는 Vessel 은 다양한 Process 유체를 

 

보관하거나 반응시키거나 압력을 가하거나 분리하거나 대기하거나 

 

증류시키는등 목적이 각양각색이고 

 

 

가솔린인지, 디젤인지, 원유인지, 폐유인지, 폐수인지, 혼합 Gas 인지, 

 

특정 화학물질인지 다루고자 하는 유체의 종류 또한 다양합니다. 

 

 

위의 사진들에서 본 것처럼 압력용기는 다양한 형태와 크기가 존재하죠 

 

이처럼 Pressure Vessel 은 Customized Item(주문제작) 이라고 할 수 있습니다. 

 

플랜트 산업에서 공정방법 및 요구사항에 따라 압력, 온도, 유체의 

 

종류가 다르고 사용하고자 하는 목적이 다르기 때문에 Application에 

 

따른 설비를 설계하고 제작하게 되는 것입니다. 

 

기성품이 아니라는 얘기죠. 기성품이 아니더라도 항상 설계 

 

기준 CODE를 따라야 한다는 것이 핵심입니다.

 

 

다양한 형태의 Pressure 도 기본적으로 5가지로 분류 할 수 있습니다. 다음과 같이요.

• Horizontal Pressure Vessel (or Horizontal Pressure Drum) - 수평 압력용기

 

• Vertical Pressure Vessel (or Vertical Pressure Drum) - 수직 압력용기

 

• Tall Vertical Tower - 타워

 

• Vertical Reactor - 반응기

 

• Spherical Pressure Storage Vessel (or Storage Tank) - 보관탱크

 

수평으로 누워 있느냐 수직으로 새웠느냐 LNG 같은 가스를 보관하기 

 

위해서 구형으로 제작했느냐, 반응기냐, 타워냐 분류도 가지각색이지만 

 

압력용기라는 범주 안에서 가지고 있는 주요 구성요소는 다음과 같습니다.

• Shell: 압력용기에서 가장 중요한 부분입니다. 몸통 역활을 하며 각종 노즐과 맨홀, 지지대, 헤드가 용접됩니다. 설계시 두께 및 재질 선정시 유의해야 하는 부분이죠

 

• Head: Shell 앞 뒤로 헤드가 부착됩니다. 반구형태가 가장 기본적으로 사용됩니다.

 

• Nozzle: 노즐은 주 배관인 유체의 In/Out, 계장류의 연결, 예비용, 드레인 기타 응용분야에서 필요로 하는 요소를 연결하기 위한 요소입니다.

 

• Support: 지지대로써 압력용기의 하중과 운전 조건을 고려하여 설계 합니다.

 

아래 그림처럼 특수목적으로 제작된 Vessel 을 제외하고 공통으로 

 

4개의 주요 요소를 가지고 있다는 점 기억해야 겠습니다. 

 

수직이든 수평이든 반응기든

압력용기가 하는 주요 공정

압력용기는 주로 어떤 역할을 하는지 살펴보겠습니다.

1. 유체 기수 분리 와 여과 목적

기수분리의 예를 하나 들어보겠습니다. 압력용기 안에 원유를 집어 넣습니다. 

 

원유의 성분은 물/가스/기름 3가지가 있다고 가정해 보겠습니다. 

 

압력용기 안으로 들어온 원유는 내부에서 체류시간 (Retention time) 을 

 

거치게 되고 이를 통해 물보다 비중이 낮은 기름은 물 위로 떠오릅니다. 

 

기름보다 더 가벼운 가스는 압력용기 윗부분을 차지하게 되는 것이지요. 

 

여기에는 총 3가지의 상(Phase) 이 있습니다. 이처럼 유체 안에 들어 있는 상을 

 

비중차이나, 압력, 온도를 이용해서 기수 분리 (Phase separate) 하는 공정에 사용합니다. 

 

상(Phase)의 종류는 2개일 수도 있고, 2개 이상 일수도 있습니다. 

 

일반적으로 2개일 경우에는 Vertical type 을 적용하며 2개 이상일 

 

경우에는 Horizontal type 을 적용합니다. 

 

Phase 의 수량에 따라서 2-phase separate vessel, 3-phase separate vessel 

 

이라고 호칭하기도 합니다.

Oil & Gas 의 기수분리에 대한 설계 기준과 검사 방법에 

 

대한 대표적인 CODE는 다음과 같습니다.

• API 12J Specification for Oil and Gas Separatos.

 

관련 압력용기에 대한 타입, 크기, 압력 및 온도 범위, 설계, 

 

 

사이징, 제조, 도장, 마킹 등 관련 사항을 확인할 수 있습니다. 

 

2. 증류 (Distillation)

유체 속에 여러 가지의 화학성분이 들어 있고 각 성분의 끊는 점을 

 

이용해서 혼합물을 분리하고 정제할 때 사용합니다. 

 

본 포스팅의 가장 첫 번째 사진이 증류탑 입니다.

 

 (추가적인 내용은 Inside Insight 플랜트 시설 구성요소9가지 의 Distillation 부분을 참조하세요) 증류탑을 설계할 때 중요하게 고려해야 할 것들이 있습니다. 

 

그것은 바로 내부에 들어가는 요소들의 중량(하중)을 고려해야 하고 

 

온도 범위를 고려해서 타워의 높이를 계산해야 하며 탑 상부에 걸리는 

 

압력과 유입되는 전체 유체의 중량을 고려해야 합니다. 

 

다시 말해 증류탑 내부에 들어가는 유체의 무게와, 온도, 압력, 내부 구성품의 

 

전체 하중 합을 고려해서 탑을 설계애햐 한다는 말이지요. 

 

전체 하중의 합을 견딜 수 있게 설계해야 합니다.

관련 CODE : ASME VIII 


3. Surge absorption (수격흡수)

수직 수평 타입의 압력용기를 사용해서 공정의 상부에서 발생하는 

 

유체의 흐름에 의한 수격 현상을 완화하거나 흡수하는 역할을 

 

수행하며 Down stream 유체를 보다 안정적으로 

 

흘려 보내주기 위한 목적으로 제작된 압력용기.

4. Storage

유체를 보관하기 위한 목적으로 제작하는 압력용기를 말합니다. 

 

Storage Tank 를 예로 들 수 있으며 이는 보통 대기압이나 

 

낮은 양압하에서 유체를 보관하게 됩니다.

Storage Tank 에 대해 추가적인 내용은 (Inside Insight "저장 탱크이 종류" 를 참조하세요)

Cone roof 에 대한 내용이 잠깐 언급되어 있습니다.



내용정리

압력용기의 기초에 대해서 수박 겉핥기 식으로 진행해 보았습니다. 

 

제조업체 별로 다루는 압력용기의 종류가 다양합니다. 

 

예를 들어 A라는 업체는 Storage Tank 를 전문으로 제작하고, 

 

B 라는 업체는 열교환기를 전문으로 제작고, C라는 업체는 

 

API Tank 를 전문으로 제작하는 업체, 각 업체별로 기본적인 

 

설계 Basis 를 가지고 있습니다. 참고 도면이나, 계산서, 테스트 절차서 등등, 

 

그때 그때 Application 이나 Design 조건에 따라 

 

Modification 을 진행하게 되는 것이지요. 

 

서두에 설명한 것처럼 압력용기는 사용하고자 하는 산업과 공정, 

 

Application 에 따라서 그 종류가 많습니다. 

 

다만 오늘 얘기의 핵심은 각 제조사별 기준에 맞추어 설계는 하더라도 

 

플랜트 산업에 사용하는 압력용기의 뿌리는 관련 CODE에 

 

있다는 것이 중요하다는 얘기 입니다. 

 

그때 그때 CODE를 떠들러보는 센스가 필요합니다.  

 

두 번째는 설계를 해보지 않았다고 해서 막연히 걱정할 필요는 없습니다. 

 

차차 알게 되는 것들도 있고 훌륭한 선배님들의 지도하에 

 

단계별로 OJT를 통해 배워나가다 보면 자연스레 습득하게 되기 때문이죠.

오늘 다룬 내용 외 추가적인 내용들은 시간 나는데로 포스팅하거나, 

 

요청에 의해 관련 내용을 채워나가는 식으로 진행해 보고자 합니다. 

 

별첨 교육자료. 다운로드

 

별첨 교육자료 MP-08 ASME Pressure Vessel Overview.ppt

2.19MB

 

 

그 외 궁금하거나 포스팅주제로 다루었으면 하는 내용, 수정사항, Feedback은

 

qusinside@gmail.com 으로 감사합니다.

 

Inside Insight 였습니다.