박벽형 니켈합금 825 파이프의 압력 등급을 계산하는 방법

박벽형 니켈합금 825 파이프의 압력 등급을 계산하는 방법

프로젝트 매니저 및 엔지니어에게 적절한 파이프 벽 두께를 선택하는 것은 기본적인 과제입니다. 비용 절감 및 중량 감소를 위해 일반적으로 사용되는 양벽형 구조로 부식 저항성 합금(예: 니켈 합금 825, UNS N08825)을 다룰 때, 압력 등급을 정확히 산정하는 작업은 단순한 계산을 넘어, 매우 중요한 위험 관리 활동입니다.

부적절한 등급의 파이프를 사용하면 누출, 파열 및 치명적인 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다. 본 가이드에서는 귀하의 응용 분야에 적합한 안전 작동 압력을 결정하기 위해 신뢰할 수 있는 공학 공식과 필수 실무 고려 사항을 단계별로 설명합니다.

핵심 공식: 배럴로우 공식(Barlow's Formula)

벽 두께가 반경의 약 1/10 미만인 얇은 벽 파이프의 경우, 업계 표준은 배럴로우 공식(Barlow's Formula) 입니다. 이 공식은 간단하며, 초기 설계 및 압력 등급 산정 시 널리 인정받고 있습니다.

공식은 다음과 같습니다:

P = (2 * S * t) / D

여기서:

• P = 내부 압력 등급(psi 또는 MPa)

• S = 재료의 허용 응력 값(psi 또는 MPa)

• t = 최소 벽 두께(인치 또는 mm)

• D = 파이프의 외경(인치 또는 mm)

참고 사항: 바로우 공식(Barlow's formula)에 사용할 때는 외경 (OD) 를 반드시 사용해야 하며, 이는 표준 파이프 치수에 대해 설계되었고, 해당 치수에서 가장 정확한 값을 제공합니다.

단계별 계산 안내

니켈 합금 825(Nickel Alloy 825)을 적용한 이 공식의 사용 방법을 단계별로 설명하겠습니다.

단계 1: 허용 응력(S) 결정

이는 가장 중요한 변수로, 단일 수치가 아닙니다. 니켈 합금 825의 허용 응력은 귀하의 운전 환경의 온도 에 따라 달라집니다. 이 값은 ASME 보일러 및 압력 용기 규격서(ASME Boiler and Pressure Vessel Code, BPVC), 제2부(Section II), Part D에 명시되어 있습니다.

최대 작동 온도에 해당하는 적절한 'S' 값을 반드시 찾아야 합니다. 다음은 일반적인 온도에서의 예시입니다:

• 100°F(38°C)에서: S ≈ 20,000 psi(138 MPa)

• 500°F(260°C)에서: S ≈ 18,700 psi(129 MPa)

• 800°F(427°C)에서: S ≈ 14,800 psi(102 MPa)

항상 귀하의 특정 프로젝트에 대한 최신 정확한 값을 확인하기 위해 ASME BPVC를 참조하십시오.

단계 2: 배관 치수(t 및 D) 확인

얇은 벽 배관의 경우 정밀도가 매우 중요합니다. 다음 사항을 정확히 파악해야 합니다:

• 명목상 파이프 크기 (NPS) 그리고 일정 (예: NPS 6, Schedule 5S).

• 실제 외경(D): 예를 들어, NPS 6 파이프의 외경(OD)은 관두께 등급(Schedule)과 무관하게 고정된 6.625인치이다.

• 최소 벽두께(t): 명목상 벽두께 또는 평균 벽두께를 사용하지 마십시오. 반드시 제조 공차를 반영한 최소 최소 벽두께를 사용해야 하며, 이 값은 ASME B36.19M(스테인리스강 및 니켈 합금 파이프) 등의 표준에서 확인할 수 있습니다. 얇은 벽을 가진 NPS 6 Schedule 5S 파이프의 경우, 명목상 벽두께는 0.109인치이지만 최소 벽두께는 약 0.095인치에 해당할 수 있습니다. 계산 시 명목상 벽두께를 사용하면 위험할 정도로 과대평가된 결과가 도출됩니다.

단계 3: 공식 적용 및 안전 계수 고려

실제 사례를 통해 계산해 보겠습니다.

• 파이프: NPS 6, Schedule 5S, 니켈 합금 825

• 외경(D): 6.625인치

• 최소 벽 두께(t): 0.095인치

• 최대 작동 온도: 500°F

• 허용 응력(S): 18,700 psi

계산:
P = (2 × 18,700 psi × 0.095 in) ÷ 6.625 in
P = 3,553 ÷ 6.625
P ≈ 536 psi

이 결과(536 psi)는 이론상 최대 압력 해당 온도에서 파이프가 항복하기 전까지 견딜 수 있는 압력입니다.

단계 4: 안전 작동 압력 설정

산정된 압력은 아니 귀사의 안전 작동 압력입니다. 공학 설계 규격에서는 설계 안전 계수 의 사용을 의무화합니다. ASME B31.3(공정 배관) 기준에 근거한 배관 시스템의 경우, 규격에서 허용 응력 자체에 계수를 적용하는 경우가 많으나, 간단한 검토를 수행할 때는 반드시 안전한 작동 압력을 정의해야 합니다.

일반적인 접근 방식은 산정된 압력을 안전 계수(예: 적용 분야 및 기업 표준에 따라 1.5 또는 4:1)로 나누는 것입니다.

• 유압 압력에 일반적으로 적용되는 4:1 안전 계수를 사용할 경우:
  안전 작동 압력 = 536 psi ÷ 4 = 134 psi

• 보다 보수적인 접근 방식(예: 고주기 또는 위험한 용도의 경우):
  허용 작동 압력 = 536 psi ÷ 1.5 = 357 psi

최종 안전계수의 선정은 귀사의 엔지니어링 표준, 적용 중인 특정 규격(예: ASME B31.3) 및 해당 응용 분야의 중요도에 근거해야 합니다.

공식을 넘어서 반드시 고려해야 할 핵심 사항

순수한 계산만으로는 충분하지 않습니다. 능숙한 프로젝트 매니저는 이러한 실무적 요인들을 반드시 고려해야 합니다:

1. 부식 여유량: 귀하의 유체가 부식성입니까? 설계 수명이 10년이고 연간 부식 속도가 0.01인치라고 예상되는 경우, 최소 벽 두께에 0.1인치를 추가해야 합니다. 이전 계산을 시작하기 전에 이미 검토되어야 합니다. 상당한 부식 여유량이 필요한 경우 얇은 벽 두께의 배관은 적합하지 않을 수 있습니다.

2. 나사 가공 및 홈 가공: 기계식 이음부를 위해 파이프에 나사를 가공하거나 홈을 만드는 경우, 가장 취약한 지점에서 벽 두께가 실질적으로 감소합니다. 계산 시에는 공칭 벽 두께가 아닌, 나사 또는 홈의 근원부(뿌리)에서의 벽 두께를 사용해야 합니다.

3. 외부 하중: 해당 공식은 내부 압력만을 고려합니다. 굴곡 응력, 수격 현상(워터 해머), 진동, 유체의 중량, 외부 하중 등은 고려하지 않으므로, 이러한 요인들로 인해 더 두꺼운 벽 두께 또는 추가 지지 구조가 필요할 수 있습니다.

4. 온도 및 압력 주기 작동: 시스템이 고온/고압과 저온/저압 사이를 반복적으로 전환되는 경우, 피로 수명이 중요한 고려 사항이 됩니다. 단순한 정적 압력 등급만으로는 부족하며, 보다 상세한 피로 해석이 필요합니다.

5. 품질 및 인증: 825 합금과 같이 중요 용도에 사용되는 특수 합금의 경우, 반드시 공급된 파이프에 인증된 재료 시험 성적서(MTR 3.1)가 포함되어 있는지 확인하고, 입고 시 긍정적 재료 식별(PPM) 검사를 수행하여 화학 조성을 검증해야 합니다.

결론: 귀하의 실행 계획

1. 자료 수집: 유체를 확인하세요. 최대 작동 온도 및 최대 작동 압력을 확인하세요.

2. 배관 선택: 공칭 치수와 스케줄을 선택하세요.

3. 값 조회: ASME BPVC에서 귀하의 작동 온도에 해당하는 허용 응력(S)과 최소 배관 규격에서 벽 두께(t)를 찾으세요.

4. 계산: 바로우 공식(P = 2St/D)을 적용하여 이론적 파열 압력을 산정하세요.

5. 안전 요소를 적용합니다: 적절한 안전 계수(예: 1.5~4)로 나누어 안전 작동 압력을 설정하세요.

6. 검증: 이 안전 작동 압력이 최대 작동 압력보다 상당히 높은지 확인하고, 부식, 나사산 및 기타 감압 요인을 고려하였는지 확인하십시오.

불확실할 경우, 자격을 갖춘 압력 용기 또는 배관 엔지니어와 상의하십시오. 전문가 검토 비용은 고장 발생 시 초래될 비용에 비해 무시할 수 있을 정도로 적습니다. 이 방법론은 귀하가 해당 공정을 효과적으로 관리하고 올바른 질문을 할 수 있도록 필요한 지식을 제공합니다.