설계 온도 / 설계 압력 (Design Temperature / Design Pressure)

1. 설계 온도 / 압력이란 무엇인가?

 

 설계 단계에서 엔지니어가 결정하는 값으로 장치/계장/배관이 원활한 공정 운전을 위해 견뎌야 할 최소의 온도 / 압력 조건을 의미한다. 이러한 설계 조건을 이용해 vessel의 두께 등 기계적 강도를 계산하게 되며 계산 기준은 설계 온도 / 압력을 동시에 만족시키는 조건이다. 동시에 만족시킨다는 의미는 다음과 같다.

 

ASME B16.5 Pipe Flanges and Flanged Fittings

 상기 예시와 같이 150 Class는 350 degC에서 8.4 bar 까지 견딜 수 있으나 동일 Class여도 50 degC에서는 18.4 bar 까지 견딜 수 있다. 같은 350 degC에서도 600 Class에서는 80.4 bar 까지 견딜 수 있다. 가장 낮은 Class인 150을 기준으로 상압인 경우엔 온도가 538 degC 까지 상승해도 문제가 없으며 상온의 경우엔 18.4 bar까지 상승해도 문제가 없다. 그러니 공정 상 온도가 상승하는 조건과 압력이 상승하는 조건이 명확히 구분된다면 이를 고려하여 가장 엄격한 온도-압력 조건을 선택할 필요가 있다.

 예를 들어 고온-저압, 저온-고압이 별도의 운전 모드로 있는 공정의 경우 고온-고압을 기준으로 설계할 경우 금액이 필요 이상으로 커지게 된다. 538 degC - 1.4 bar 와 50 degC - 18.4 bar의 조건으로 운영되는 장치의 운전 조건을 섞어 538 degC - 18.4 bar의 기준으로 설계하면 150 Class로 가능했던 설계 조건이 600 Class 까지 올라가야 함을 알 수 있다. 그렇기에 운전 조건이 다양한 경우 공정 엔지니어는 타 부서와 협의하여 설계 조건을 결정할 필요가 있다.

 

 

2. 설계 온도 / 압력은 어떻게 설정하는가?

 

 설계 조건을 정하기 위해선 일단 공정의 운전 조건이 결정되어야 한다. 설계 조건은 적어도 운전 조건 보다 같거나 높게 설정하며 그 기준은 End-User 혹은 EPC의 것을 반영한다. 설계 조건과 장치 두께의 관계는 해당 조건을 견딜 수 있도록 thickness를 ASME Code 등 법적인 구속력을 통해 결정하지만 운전 조건과 설계 조건은 그러한 법적인 관계가 없기에 업체에 따라 다른 기준을 가지고 있다. 이러한 기준에 정답은 없으며 한국산업안전보건공단(KOSHA)의 예시(D-5-2012 ; 화학공정의 시스템 디자인 크라이테리어에 관한 기술지침)를 살펴보고 추가 기술을 하겠다.

 

 

2.1 설계 온도

 

2.1.1 압력용기 - 설계 온도

(1) 설계온도는 최고운전온도에 30 ℃를 더한 값으로 한다.
(2) 액화가스 설비와 같이 운전온도가 20 ℃ 이하에서 운전되는 용기는 대기압 에서 압력강하로 인해 발생하는 온도 하락의 위험에 대비하기 위하여 최저 운전온도를 설계온도로 한다.

 

2.1.2 탱크 - 설계 온도

(1) 저장물질의 온도에 30 ℃를 더한 값으로 한다.

(2) 스팀을 사용하여 상압저장탱크를 청소할 필요가 있는 경우에는 설계온도를 120 ℃로 한다.

 

2.1.3 열교환기 - 설계 온도

(1) 열교환기의 설계온도는 열교환기 인입부에서의 최고운전온도에 30 ℃를 더한 값으로 한다.

(2) 열교환기의 냉각수의 설계온도는 90 ℃로 한다.

 

2.1.4 배관 - 설계 온도

(1) 배관의 설계온도는 그 배관이 연결된 장치의 설계온도와 같다.

 

2.1.5 설계 온도 첨언

•  KOSHA에서는 최고 온도를 기준으로 설계 온도를 설명하고 있으나 설계 온도는 최고/최저 온도를 명시해야 한다. 저온의 유체가 사용되는 경우에는 최고 온도에 값을 더해 설계 온도를 정하듯 최저운전온도에서 온도를 더 낮은 설계온도를 고려해야 한다. 하지만 온도가 고온으로 올라가는 상황과 다르게 저온에서 더 내려가는 것은 일반적으로 매우 제한적이기에 최저운전온도에서 30℃를 뺀 값으로 할 필요는 없다.
•  온도에 따라 사용할 수 없는 재질들이 있기에 설계 중간에 설계 온도 변경이 필요할 경우 초기에 선정한 재질들과 합을 봐야 한다.
•  공정의 비정상 운전 온도는 경우에 따라 고려해야 한다. 일례로 연간 운영 시간(ex: 해당 조건으로 1년에 100시간 이상 운전 가능) or 최대 연속 운전 시간(ex: 해당 조건으로 1회에 최대 20시간 이상 운전 가능)을 고려하여 설계 온도를 지정하기도 한다.
•  예를 들어 정상 운전은 100 ℃ 이나 200 ℃로 비정상 운전이 될 수 있으며 일시적으로만 200 ℃ 까지 상승하는 것이 아니라 해당 조건에서 20시간 이상 운전될 가능성이 있다면 설계 온도에 반영하는 식이다. 하지만 200 ℃로 반영할 것인지 설계 온도에 타협점을 찾을 것인지 등등은 업체, 프로젝트, 리드 엔지니어에 따라 다른 답변이 나오곤 한다. 비정상 운전에 대한 guide line과 이를 guarantee 하는 명징한 기준은 없지만 분명한 것은 비정상 운전을 고려할 필요가 있다는 것이다.
•  앞서 언급한 재질 문제의 경우 API 521에 따르면 강철의 일반적인 최고 온도는 593 degC 라고 명시하고 있으니 비정상 운전으로 잠시나마 593 degC 이상으로 상승할 여지가 있다면 강철을 사용하면 안되는 것이다. 재질에 따라 압력에 상관 없이 사용 가능한 최대 온도가 있으니 이를 고려하여 비정상 운전을 고려해야 한다.
•  마지막으로 비정상 운전 온도라 함은 해당 온도가 의도되어 상승할 수 있다는 것을 의미한다. 화재 등 사고에 의한 것은 제외한다.

 

2.2 설계 압력

 

2.2.1 압력 용기 - 설계 압력

(1) 최대운전압력이 게이지 압력으로 7 MPa(70 kgf/㎠) 이하인 공정용기의 설계 압력은 아래의 수치 중 가장 큰 것으로 한다.
- 최대 운전 압력 + 180 kPa(1.8 kgf/㎠)
- 최대 운전 압력 x 1.1
- 350 kPa(3.5 kgf/㎠) (설계를 고려한 최소값)
(2) 최대운전압력이 게이지 압력으로 7 MPa(70 kgf/㎠)를 초과하는 공정용기의 설계 압력은 아래의 수치 중 큰 것으로 한다.
- 최대 운전 압력 + 700 kPa(7 kgf/㎠)
- 최대 운전 압력 x 1.05
(3) 진공 하에서 운전되는 경우에는 완전 진공에서 견딜 수 있도록 설계하여야 한다.

(가) 압축기의 인입 측의 용기나 증기의 응축이 일어나는 용기 또는 용기 내의 액체의 방출로 진공이 발생하는 용기 등은 완전 진공에서 견딜 수 있도록 설계한다.
(나) 반응설비는 반응의 특별한 조건에 견딜 수 있도록 설계하여야 하며, 가열로(Furnace) 또한 특별한 운전조건을 고려하여 설계할 필요가 있다.
(다) 플레어 스텍(Flare stack)으로 가는 압력방출시스템이 있는 용기는 플레어 크기를 줄이기 위하여 최소설계압력을 350 kPa(3.5 kgf/㎠)로 할 것을 고려한다.

 

2.2.2 탱크 - 설계 압력

(1) 통기관이 설치된 고정식 지붕탱크의 설계압력은 양압 750 Pa(0.0076 kgf/㎠), 진공압력 250 Pa(0.0025 kgf/㎠) 이내로 한다.
(2) 불활성가스 봉입시설이 설치된 고정식 지붕탱크의 설계압력은 양압 2,000 Pa(0.0204 kgf/㎠), 진공압력 600 Pa(0.0061 kgf/㎠) 이내로 한다.
(3) 부유식 지붕탱크의 설계압력은 양압 2,000 Pa(0.0204 kgf/㎠), 진공압력 250 Pa(0.0025 kgf/㎠)이내로 한다.

 

2.2.3 열교환기 - 설계 압력

(1) 정상운전압력이 7 MPa(70 kgf/㎠) 이하인 경우 열교환기의 설계압력은 아래의 수치 중 가장 큰 것으로 한다.
- 최고운전압력 + 180 kPa(1.8 kgf/㎠)
- 최고운전압력 x 1.1
- 520 kPa(5.3 kgf/㎠) (TEMA 기준, 최소 설계압력)
(2) 정상운전압력이 7 MPa(70 kgf/㎠) 초과인 경우 열교환기의 설계압력은 아래의 수치 중 큰 것으로 한다.
- 최고운전압력 + 700 kPa(7 kgf/㎠)
- 최고운전압력 x 1.05
(3) 원심펌프의 토출 측에 열교환기가 설치되는 경우 열교환기의 설계압력은 원심펌프의 차단압력(Shut-off)을 계산하고 이를 고려하여야 한다.
(가) 전기로 구동되는 원심펌프의 차단압력은 최고흡입압력에 120 %의 정상 양정(Normal differential head)을 더하여 구한다.
(나) 증기터빈으로 움직이는 펌프의 경우 최고흡입압력에 145 %의 정상 양정을 더하여 구한다.
(다) 진공으로 운전되는 용기의 양압은 350 kPa(3.5 kgf/㎠)이고, 음압은 완전 진공으로 설계한다.
(라) 냉각수를 사용하는 열교환기의 경우 냉각수 측의 설계압력은 냉각수 시스템의 설계압력과 공정 측의 설계압력의 2/3 중 큰 수치로 한다.

 

2.2.4 펌프 후단 시스템 - 설계 압력

(1) 펌프 후단시스템에 안전밸브 없이 차단밸브만 설치된 장치는 펌프의 차단압력 또는 최고운전 흡입압력에서 펌프의 최소 유량 압력보다 높은 설계압력을 적용하여야 한다.
(가) 모터로 움직이는 원심펌프의 차단(Shut-off)압력은 최고흡입압력에 설계(Rated) 양정(Differential head)의 125 % 값을 더하여 적용한다.
(나) 증기터빈으로 움직이는 펌프의 경우 설계(Rated)유량에서 펌프의 최고 양정에 145 % 값을 더하여 적용한다.
(다) 펌프가 최종 선종이 되고 차단압력을 확인되면 이를 장치 설계에 반영하여야 한다.
(2) 만약 펌프 차단압력이 계산값보다 크다면 펌프후단시스템의 설계압력은 증가되어야 한다.

 

2.2.5 배관 - 설계 압력

(1) 배관의 설계압력은 아래의 수치 중 가장 큰 것으로 한다.
- 배관과 연결된 장치의 설계압력
- 시스템의 보호를 위해 설치된 안전밸브의 설정치
- 펌프 토출 측의 배관(차단밸브에 의해 차단될 수 있는 경우)은 펌프의 차단압력. 단, 전기로 구동되는 원심펌프의 차단압력은 최고흡입압력에 125 %의 정상 양정을 더하여 구한다. 증기터빈으로 움직이는 펌프의 경우, 최고흡입압력에 145 %의 정상 양정을 더하여 구한다.
- 정상운전압력 + 180 kPa(1.8 kgf/㎠) 또는 정상운전압력 x 1.1 또는 350 kPa(3.5 kgf/㎠) 중 큰 수치
- 대기압 이하로 운전될 경우 양압은 350 kPa(3.5 kgf/㎠) 음압은 완전진공으로 한다.

 

2.2.5 설계 압력 첨언

• 펌프 후단의 압력은 원심 펌프의 경우 설계 양정의 120%(증기 터빈은 145%)를 적용하라 되어 있는데 이는 초기 설계의 경우다. 펌프 벤더가 차단 압력을 더 높은 값으로 가져올 경우 해당 값으로 바꿀 필요가 있으며 바꾸지 못하거나 설계에 문제가 생길 수 있는 경우 다른 조치를 취하여 펌프 후단 압력이 차단 압력까지 높아지지 않도록 해야한다.
• 열교환기의 (라) 항목은 냉각수-공정에 한하는 경우가 아니라 모든 열교환기에 대하여 적용하여야 한다.

 

 

초보 엔지니어입니다. 궁금하신 점 질문 주시면 공부해서 답변드리겠습니다!