[스크랩] 압력용기 설계/재질 등

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.

  

2.5 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.

    

 

 

pressurevessel_standard.doc

 

출처 : 보호사랑

글쓴이 : 키신저 원글보기

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