파이프 배관 용접의 이해
기초 배관 자료
플랜트에서의 파이프는 ANSI(American National Standard Institude) 규격에 의거하여 수치적으로 설정이 되어있다. 벽 두께는 "스캐줄(schedule)"번호와 더불어 변하지만, 외관 지름은 다양한 크기에 대하여 일정하게 유지되어 있다. 두께가 변함에 따라 내관 지름도 변한다. 스케줄 번호와 "표준 질량", "특수 강성"은 파이프와 피팅류에 열거되어 있다. 스케줄 번호도 몇가지만 유효하다. 이 책에서는 표준 질량과 특수 강성에 대해 다룰 것이다. 표 2-1에 나와있는 (-)표시의 두께는 스캐줄 번호와 맞지 않는다. 이러한 파이프의 예는 표 2-1에 나와있다.
파이프를 제조하는 방법이 몇가지 존재한다.
가장 일반적인 방법은 파이프가 틈이 없거나 세로 축 상에서 접합 하는 데에 매끄럽도록 "틈새 없이" 만드는 것이다. "용접된" 파이프는 세로로 용접부위가 있다. 이는 "Butt용접" 또는 "전기저항 용접(ERW; electric resistance welded) 또는 파이프 주위에 나선형 용접부위를 가지는 "나선 용접"이다. 파이프는 ±20'-0"의 "randon length"와 ±40'-0"의 "double random length"의 길이로 제조된다. 더블 랜덤 랭스가 특별히 필요하지 않다면, 설계자는 싱글 랜덤 랭스의 파이프를 취하게 될 것이다.
파이프는 배관 드로잉에서 싱글라인과 더블라인으로 그려진다. 대부분의 배관 회사들은 드로잉을 하는 데에 보다 적은 시간이 걸리는 싱글라인으로 변환 해왔다. 싱글라인 배관은 배관의 중심선을 표현하는 데 짙은 선으로 한다. 싱글라인이던, 더블라인이던 간에 OD(outside diameter; 외관 지름)은 항상 스케일대로 그려진다. 1-1/2"와 그 이하의 파이프 사이즈에 대해서는 (표현하기가) 매우 어려워 질 것이다.; 그래서 이 두 가지 경우에서 파이프는 싱글라인으로 그려진다. (그림 2-2a 와 2-2b 참조)
피팅류는 용접, 스크류(screwed), 소켓용접(socketwelded) 방식이 있다.
엘보우는 휘어서 만들어진다. 보통 엘(L)자로 불리우고 주로 90˚와 45˚로 휘어서 만들어진다. 90˚엘보우는 "long adius"와 "short radius"에 포함된다. 45˚엘보우는 오직 "long radius"에만 포함된다.
리듀싱 엘보우는(reducing elbow) 또한 오늘날에 들어 용도가 넓어졌다. 한 끝 부분이 다른 한 끝 부분보다 넓은 형태이다. 이는 오직 90˚엘보우 용으로만 존재하고 반경은 넓은 끝 부위의 길이에 1.5배 곱한 길이다. 롱 레디우스는 LR로 하고 숏 레디우스는 SR로 한다. (그림 2-3을 참조)
LR 엘보우의 반경은 공식적인 크기에 1.5배이다. 4" LR 엘보우는 중심선 상에서 반지름의 길이가 6"이다.( 그림 2-3을 참조 ) 예를 들어 6" LR는 반경이 9"다. SR 엘보우의 반경은 규격 크기의 1배이다. (그래서) 4" SR 엘보우의 반경은 4"이고 6" SR 엘보우의 반경은 6" 등이다. 반경은 스케일 대로 드로잉한다. Butt용접은 (그림 2-4) 파이프 대 피팅류나 피팅류 대 피팅류로 연결하는 용접이다. 빗각(bevel)으로 되어있는 두 끝부분이 서로 끝동(butt)이 생기면서 용접이 되기 때문에 Butt용접이라고 불린다. Butt용접에 대한 심볼은 싱글라인 배관 드로잉에서 단순한 점으로 나타낸다. 더블라인 드로잉에서 Butt용접에 대한 심볼은 굵은 선이다. (그림 2-3) 45˚ 엘보우에 대한 것은 그림 2-5에 나타나 있다. 그에 대한 반경은 파이프 사이즈의 1.5배이다.
그림 2-6 에서는 리듀싱 엘보우를 참조 이에 대한 반경은 큰 끝단의 1.5배이다. 싱글라인이던, 더블라인이던 간에 파이프 설계자는 항상 스케일 대로 피팅류와 파이프 사이즈를 그려야 한다. 싱글라인 드로잉에 관하여, 엘보우나 파이프에서 절단 지점에 대해서나 종단면 보기에 대해 스케일 대로 그려야 한다. 용접 티(Tee)에는 스트레이트(straight) tee와 리듀싱 아울렛(reducing outlet) tee가 있다. 스트레이트 tee는 브랜치(Branch;주 파이프에서 분기되는 파이프) 사이즈와 헤더(Header) 사이즈와 같을 때 적용된다. 리듀싱 아울렛 tee는 헤더 사이즈 보다 브랜치 사이즈가 작을 때 적용된다. (그림 2-7을 참조)
용접 tee는 고가이고 설치 시에 세 butt용접 부위가 요구된다. 이러한 tee 대용으로는 브랜치가 헤더에 직접 용접되는 stub-in 이 있다. 관 내의 압력이 크다면 스텁-인은 보강되어야 할 것이다. 스텁-인을 보강하는 데에는 많은 방법이 쓰일 수 있다. 이 방법 중 몇 경우는 "weld saddle", "reinforcing pad", "weldolet" 또는 공업을 통해 이용되는 피팅류이다. (그림 2-8을 참조)
또 다른 피팅으로는 파이프에서 크기를 감소시키는 리듀셔(reducer)가 있다. 리듀셔의 종류에는 편심(eccentric;ECC)과 동심(concentric;CON)이 있다. 편심 리듀서는 동심보다 비용이 더 들어서 가능하면 동심 리듀셔를 사용해야 한다. (그림 2-9 를 참조)
편심 리듀셔(eccentric reducer)는 대게 파이프가 나열된 곳이나 파이프 랙에서 쓰인다. 이는 BOP(Bottom Of Pipe)를 자체 드레인에 대해, 또는 지지대(support)에 안정적으로 부착되도록 유지된다. 편심 리듀서는 두 개의 중심선이 나타난다. 이 차이나는 수치는 두 내부 직경 차이의 절반 정도이다. (예를 들어) 6"X4" 편심 리듀서에서, 그 편심의 차이는 1"이다. 동심 리듀셔(Concentric reducer)는 보여지는 대로 중심선이 같다. 싱글라인으로 드로잉하던, 더블라인으로 하던 간에, 리듀서는 더블라인으로 그리고 끝단 끼리(end-to-end)의 거리와 파이프 사이즈에 의해 스케일 대로 그린다. 용접 캡(Cap)은 파이프를 종단할 때 (쓰인다.) 이 피팅은 항상 더블라인으로 그려야 한다. ( 그림 2-10을 참조)
스크류 타입과 소켓용접 타입의 피팅류들은 2" 이하에서 쓰인다. 어떤 플랜트 회사에서는 1-1/2" 사이즈 이하부터 이런 피팅 타입을 사용한다. 그림 2-11에서는 이런 타입을 더블라인으로 확실하게 표현한 것과 일반적으로 표현되는 싱글라인 드로잉을 보여준다. 스크류 타입과 소켓용접 타입의 피팅류는 앞서 보여준 이들의 용접 타입과 같은 부류에 속한다. 여기에 속하는 것들은 90˚엘보우, 45˚엘보우, tee, 캡 등이다.
여기에 포함되지 않는 다른 피팅류는 아래와 같다.
스웨이지 니플(Swage nipple)은 너무 긴 경우를 제외한 일종의 리듀셔이다. 또한 편심형이나 동심형 둘다 외관 직경이 용접 크기에 해당한다. 가장 일반적으로 리듀서 대신 2" 이하에서 쓰여진다. 커플링(coupling)은 두 개의 파이프를 연결하거나 끼워 맞추는 식으로 연결한다. 또한 작은 파이프에 스텁-인 되거나, 큰 파이프 속으로 연결된다. (그림 2-12를 참조)
유니온(union)은 스크류 타입과 소켓용접 타입으로 파이프를 연결하고 훗날에 분리할 필요가 있는 연결부위를 끼워 맞춘다. 유니온 누수 가능성 있는 지점에 설치하고 훗날에 가능하다면 오직 "분리할" 지점에 사용되어야 한다. (그림 2-13을 참조)
플랜지와 플랜지 측면
플랜지에는 많은 사이즈와 재질이 있다. 스틸강 플랜지는 ANSI에서 정한 7가지 기본 무게 등급이 있다.; 150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1500#, 그리고 2500#이다. 배관을 공부하는 수업생은 이 7가지를 외워야 한다. 주형 철 플랜지는 두 가지 무게 등급이 있다. 125# 플랜지는 측면이 편평한 반면, 250# 플랜지는 보통 측면이 튀어나온 형상이다. 모든 플랜지는 분리 될 수 있도록 볼트 체결 접합 형으로 만든다. 플랜지는 고가여서 실력 좋은 "배관쟁이"는 오직 필요하다고 여기는 데에만 플랜지를 설치할 것이다. 이 책을 공부하는 수업생이 나중에 보게 될 배관 특성에서는 플랜지가 어디에 쓰이는 지 가리킬 것이다. 배관을 공부하는 수업생은 또한 기초적인 플랜지 형태를 기억해야 한다. 그 형태는
그림 2-15에 나와 있다.
플랜지 볼트 체결은 사이즈와 무게에 따라 변한다. 플랜지 사이에 위치하는 가스켓은 플랜지 측면에 따라서 변한다. (그리고) 플랜지 측면의 형태는 매우 다양하다. 이 책에서는 (많은 플랜지 형태 중에서) 3가지 기본 타입을 다룰 것이다.; 튀어나온 측면, 편평한 측면, 그리고 링 접합 형상이다. (그림 2-16을 참조)
플랜지 볼트 체결
프로세스 라인의 압력에 대한 파이프 디자인은 압력의 변화가 다양하다는 전제 하에 시행한다. 생각했던 압력보다 더 높으면 더 많은 볼트가 필요할 것이다. 이러한 볼트 개수는 ANSI에 정의되어 있다. 개수와 무관하게, 볼트는 "정상적인 중심선"에 놓여 있지 않다. 정상적인 중심선이라는 것은 동-서, 남-북, 또는 위-아래 축 상에 놓여 있는 중심선을 뜻한다. 이러한 기본적인 방향 상에서 플랜지는 4개의 사분점을 가진다. 볼트 구멍은 항상 4의 배수로 추가된다.; 4, 8, 12, 16, 20, 24 등등. 볼트 체결은 항상 볼트 원 상에 동등하게 간격을 둔다. 360도 원의 간격을 볼트의 간격을 결정하기 위해 볼트의 수로 나뉜다. 예로 12개의 볼트는 30도의 간격으로 나뉜다.; 16개의 볼트는 22.5도의 간격으로 나뉘는 등이다. (그림 2-18을 참조)
ANSI에 정의된 플랜지 무게 등급 중에 7가지 등급(150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1500#, 2500#)는 규격이다. 이 것은 그 등급이 최대 압력이라는 뜻은 아니다. 압력-온도 등급은 사용되는 플랜지 무게 등급을 결정한다. 예로, 150# 플랜지는 100˚F, 275#압력 하에 적합하다. 온도가 올라감에 따라 허용압력은 낮아진다. 500˚F 상에서 최대허용압력은 150#이다. 750˚F 상에서 150# 플랜지는 오직 100# 압력에서만 적합하다. 열거되어 있는 모든 무게 등급은 탄소강에 대한 것이다. 합금 재질은 다른 무게 등급을 지닌다. 모든 압력-온도 등급은 플랜지와 피팅류에 관한 ANSI 표준에 나와있다. (또한 11장을 참조)
밸브
밸브는 관 내의 흐름을 멈추거나 조절한다. 정유-화학 플랜트 시설에서 사용되는 가장 일반적인 밸브는 끝단이 플랜지 형태를 띄는 밸브이다. 또한 이 밸브들은 끝단이 스크류 형태, 소켓용접 형태, Butt용접, 그리고 다른 특이한 형태를 띠는 것들도 있다. 밸브에서 가장 중요한 부분은 몸체 형태이다. 게이트 몸체는 개폐 서비스용이다. (게이트 몸체는 쓰로틀링 서비스용이 아니다.); 글로브 몸체가 쓰로틀링용이다. 그 것들이 글로브 밸브 몸체이다. ( 게이트 밸브와 글로브 밸브 사이에서의 몸체 설계 차이 점에 대한 것은 11장을 참조) 밸브는 또한 작동시키기 위해 돌릴 수 있는 수동핸들이 달려있다. 이러한 수동핸들은 밸브가 크면 (지름도) 길어서, 능력있는 배관 설계자는 항상 밸브의 위치를 선정 할 때 수동핸들을 조작하기에 선호할 만한 위치를 생각할 것이다. 밸브를 조작하는 사람이 쉽게 조작할 수 있도록 위치를 선정해야 한다. 배관 설계자는 항상 수동핸들의 적당한 높낮이 공간(Clearance)을 확실하게 하기 위해 수동핸들이 열린 상태에서 그 스케일 대로 드로잉 해야 한다. 다른 밸브로는 체크 밸브, 모터로 작동하는 컨트롤 밸브, 앵글 밸브, 플러그 밸브, 버터플라이 밸브, 볼 밸브, 릴리프 밸브, 다이어프램(diaphragm) 밸브가 있다.
이들 밸브는 특별한 경우에 사용되고 배관 설계자라면 알게 될 드로잉 심볼이 있다.
심볼
표 2-4와 2-5에는 가장 일반적인 플랜지, 피팅류, 밸브에 대한 치수가 표로 짜여져 있다. 특수 플랜지, 피팅류, 밸브에 대해서는 설계자가 고압에 관련된 파이프 일을 맞이하게 될런지도 모르지만, 제조회사의 치수 카타로크를 받아 보기를 원할 것이다. 고압이란 무엇인가? 여기에는 모든 것이 연관되어 있다. 프로세스 플랜트 시설에서는 1000 psi(평방 인치 당 1 파운드의 압력)는 심각하게 높은 압력이 아니다. 어느 플랜트 시설에서는 몇 천 psi까지도 걸린다. 이 책을 배우는 수업생은 자신의 오토바이 타이어의 25~30psi의 압력과 언급했던 압력과의 차이를 비교해 봐야 한다.
입면도 연습
그림 2-19에서 2-31을 걸쳐 다양한 배관 배열을 보여주게 된다. 모두 싱글라인 연습이다. 전체 치수 데이터가 필요하다면 11장을 참조하라. 스케일은 3/8" = 1'-0"로 하라. 그림 2-19는 단순한 90˚ 엘보우의 측면과 평면을 보여준다. 수업생은 하단면 보기와 두 끝단 입면을 그리는 것에 의미를 두어라.
그림 2-20는 스트레이트 tee의 높이(다음부터 elevation라고 표기)와 상부 평면을 보여준다. 수업생은 하부 입면과 세 끝단 입면을 그리는 것에 의미를 두어라.
그림 2-21은 서로가 용접된 두 90˚ 엘보우의 엘리베이션을 보여준다. 수업생은 4개의 입면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-22는 양쪽 끝단이 용접된 엘보우가 달린 동심 리듀서를 보여준다. 수업생은 상부, 하부, 그리고 양 끝단 입면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-23은 양 끝단이 볼트 체결된 플랜지가 달려있는 플랜지 형 게이트 밸브를 보여준다. 수업생은 상부, 하부, 그리고 양 끝단의 입면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-24는 플랜지 형 체크 밸브, 플랜지, 90˚ 엘보우와 엘보우에 용접된 몇 개의 파이프를 보여준다. 수업생은 다른 4방향 입면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-25는 좀더 복잡해졌다. 이 그림은 2-19에서 2-24에 나오는 피팅류들이 조합되었다. 수업생은 상단, 하부, 끝단 입면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-26은 두 개의 45˚ 엘보우가 있다. 수업생은 그리려는 4개의 모든 입면을 운형틀 자를 이용하여 그려야 한다.
수업생은 위에 나온 그림의 모든 것에 관해 염두해야 하며 배관은 Butt용접으로 접합된다. 45˚에 대한 점과 곡선으로서 모든 시점 보기에서의 용접부위를 그려서 보여주어야 한다. 이어지는 입면도 그리기 연습은 스크류 형태와 소켓용접 형태의 배관에 대한 것이다. 이들은 용접부위가 보이지 않지만 피팅의 끝단에 짧은 대쉬마크(-)가 파이프를 가로 지르는 것을 보여준다.
그림 2-27은 스트레이트 tee와 두 개의 90˚ 엘보우, 그리고 몇 개의 파이프가 그려졌다. 수업생은 상부, 하부, 양 끝단의 평면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-28은 그림 2-27 에 나온 피팅류와 같으나 동심형 스웨이지와 유니온이 더해졌다. 수업생은 4부분의 평면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-29는 45˚ 엘보우에 tee와 유니온이 더해졌다. 수업생은 운형틀 자를 사용해서 4부분의 평면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-30에서는 끝단면만을 보여준다. 수업생은 측면 엘리베이션과 다른 3부분의 평면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-31은 수업생들에게 있어서 어느정도 상상력을 요구하고 있다. 수업생은 볼 수 없어서 파이프가 얼마나 긴 지 알 수 없을 것이다. 그 파이프는 단관(short piece) 처리 된 것이라고 가정하고 4부분의 평면을 그리는 데에 의미를 두어라.
그림 2-32는 어느 한 배관의 3부분의 평면과 엘리베이션을 보여준다. 여기에서 수험생은 입면을 그리기 위해 어떻게 운형틀 자를 사용할 것인지에 의미를 두어라.
이 연습이 끝난 후에 다시 측면 엘리베이션을 그리는 데에 기울여야 한다. 그러나 이 시간에는 그림 2-32에는 보이지 않는 하부와 좌측 입면을 그리는 데에 의미를 두어라. 그림 2-33에서는 수업생이 각각의 그림에 대해 4부분 입면을 완성하는 데에 주의를 기울여야 한다.
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특 징
용 도
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