이 글의 목적은 압력용기·배관·열교환기·밸브 등 압력보유장치의 건전성을 검증하기 위한 내압시험 중 기압(공기·질소 등 가스)과 수압(물 기반) 테스트의 원리, 절차, 장단점, 위험관리, 선택기준을 체계적으로 정리하여 현장에서 즉시 적용 가능하도록 돕는 것이다.
1. 내압시험의 목적과 기본 개념
내압시험은 설계·제작·수리·교체 후 장치의 누설 및 구조 건전성을 확인하기 위해 설계압력 이상으로 압력을 가하여 검증하는 비파괴시험이다. 통상 수압시험은 액체 매질을, 기압시험은 압축성 가스 매질을 사용한다. 시험은 누설 확인, 영구변형 유무 확인, 용접부·취약부 하중 검증을 목표로 한다.
2. 용어 정의와 핵심 변수
- 설계압력(Design Pressure): 설계에서 규정한 기준 압력이다.
- 최대허용사용압력(MAWP): 허용응력·두께·온도 등을 고려한 사용 상한 압력이다.
- 시험압력(Test Pressure): 시험에서 가해야 할 목표 압력이다.
- 시험계수(k): 시험압력 산정에 사용하는 계수이다.
- 체적계수(Compressibility): 매질의 압축성 여부로 에너지 저장량에 영향을 준다.
3. 시험압력 산정의 일반 원리
일반적인 관행은 수압시험에서 시험압력 Ptest를 설계압력 또는 MAWP에 계수 k를 곱하여 산정하는 것이다. 예시식은 다음과 같다.
수압시험: Ptest = k × MAWP (예: k = 1.3 ~ 1.5 선택)이다.
기압시험은 에너지 저장 위험이 커서 보수적 계수를 적용하거나 단계 상승과 비눗방울·기포·가스검지기 등을 병행한다. 두께·온도·재질 허용응력 변화가 있을 경우 시험계수를 보정한다.
4. 기압 vs 수압시험 비교표
| 구분 | 수압시험 | 기압시험 |
|---|---|---|
| 시험매질 | 물(부식·동결 고려 시 혼합액) | 공기, 질소, 헬륨 등 가스 |
| 에너지 저장량 | 낮아 파열 시 피해가 상대적으로 작다 | 높아 파열 시 파편·충격 위험이 크다 |
| 누설 감지성 | 시각적 물방울·압력강하로 확인한다 | 비눗물, 헬륨 스니퍼, 질량분석 등 민감도가 높다 |
| 시험 시간 | 충수·탈수·건조로 시간이 길다 | 충전·배출이 빨라 총 소요시간이 짧다 |
| 부식·오염 | 부식·오염·잔수 동결 위험이 있다 | 부식·잔여물 위험이 낮다 |
| 현장 준비 | 수원·배수·방유턱·방수포 필요하다 | 가스공급·환기·폭발방호 구역이 필요하다 |
| 적합 대상 | 대부분의 압력용기·배관 초기검사에 적합하다 | 수압이 곤란한 장치, 청정·건조 요구 장치에 적합하다 |
| 비용 | 장비비 낮고 준비비용이 중간 수준이다 | 검지장비·안전관리 비용이 높다 |
| 안전성 | 상대적으로 안전하다 | 고위험으로 엄격한 통제가 필요하다 |
5. 수압시험의 장단점
장점
- 매질이 비압축성이라 저장 에너지가 작아 시나리오 위험이 낮다.
- 육안 누설 확인이 용이하고 압력계·기록계로 안정적으로 모니터링 가능하다.
- 대구경·두껍게 제작된 시스템에서 구조 하중 검증에 유리하다.
- 검사자의 접근이 쉬운 환경에서 대체로 비용 효율적이다.
단점
- 잔수 제거·건조 시간이 오래 걸려 가동 재개가 지연될 수 있다.
- 부식·오염·미생물 성장, 저온 환경에서 동결 가능성이 있다.
- 방수·배수 인프라, 누출 시 환경오염 대응이 필요하다.
- 진공 운전 장치나 흡습 민감 장치에는 부적합하다.
6. 기압시험의 장단점
장점
- 건조·청정 상태 유지가 가능하여 수분 민감 공정에 적합하다.
- 충전·배출이 빠르고 반복시험·스텝 검증이 용이하다.
- 헬륨 등으로 극미량 누설 탐지가 가능하여 고기밀 요구 설비에 유리하다.
단점
- 가스의 압축성으로 큰 에너지 저장이 발생하여 파열 시 치명적이다.
- 시험 구역 통제, 방호벽, 대피계획 등 안전조치 비용이 크다.
- 압력 급강하로 응력 재배치가 발생할 수 있어 구조 안정성 해석을 병행해야 한다.
7. 시험 선택 기준(의사결정 매트릭스)
| 조건 | 권장 시험 | 근거 |
|---|---|---|
| 청정·건조 필요, 잔수 불허 | 기압시험 | 수분 오염 회피가 핵심이다 |
| 대형 용기, 시공 현장 안전 우선 | 수압시험 | 저에너지로 안전성이 높다 |
| 극미량 누설 허용치 매우 엄격 | 기압시험(헬륨 스니퍼) | 감도와 정량화가 용이하다 |
| 환경오염 민감, 배수 곤란 | 기압시험 또는 순환 수압 | 유출시 환경영향을 최소화한다 |
| 저온 환경, 동결 위험 | 기압시험 또는 부동액 수압 | 동결로 인한 손상을 회피한다 |
8. 시험 절차 공통 단계
- 문서 검토: 도면, 설계압력, 재질, 두께, 용접절차, 열처리 이력을 확인한다.
- 격리·블라인드: 시험대상 구간을 블라인드 또는 캡으로 격리한다.
- 계측기 교정: 압력계, 기록계, 안전밸브 시험용 세트의 교정을 확인한다.
- 프리체크: 용접부 비파괴시험 결과, 지지대·앵커 볼트 상태를 점검한다.
- 가압 단계: 0→25%→50%→75%→100% Ptest 등 단계 상승을 적용한다.
- 보압·관찰: 규정 시간 유지하며 누설·변형·소음·냄새·응결을 관찰한다.
- 감압: 단계 감압으로 응력 스프링백을 완화한다.
- 복구: 수압은 탈수·건조, 기압은 퍼지·환기를 수행한다.
- 기록: 압력-시간 곡선, 온도, 환경조건, 합부 판정을 기록한다.
9. 수압시험 상세 절차
- 매질 준비: 부식 억제제·탈기수·필터링 적용 여부를 결정한다.
- 충수·벤트: 고점 벤트를 개방하여 공기를 완전 배출한다.
- 가압: 저유량 펌프로 서서히 상승한다.
- 보압: 기준 온도에서 10~30분 이상 유지하며 용접부·플랜지·패킹을 점검한다.
- 누설 확인: 물방울·젖음·압력강하를 기준으로 판정한다.
- 배수: 환경보호조치를 준수하고 잔수 제거 후 내부 건조를 수행한다.
10. 기압시험 상세 절차
- 구역 통제: 방호벽, 인원 배제, 출입통제선을 설정한다.
- 가스 선택: 공기 대신 질소·헬륨 등 불활성 가스를 우선 검토한다.
- 스텝업: 25% 단위로 상승하며 각 단계에서 비눗물 점검·소음·냄새를 확인한다.
- 누설탐지: 헬륨 스니퍼 또는 질량분석기로 정량 누설률을 측정한다.
- 보압·관찰: 규정 시간 유지 후 압력강하를 평가한다.
- 감압·퍼지: 단계적 감압 후 신선 공기 또는 질소로 잔류 가스를 치환한다.
11. 누설 허용기준과 판정
판정은 시각적 누설의 부재, 압력강하 허용범위 내 여부, 누설률 한도 이하 충족을 조합하여 수행한다. 예시 기준은 다음과 같다.
- 시각적 누설 금지: 용접부·플랜지·패킹에서 물방울 또는 거품이 없어야 한다.
- 압력강하 기준: 보압 시간 내 압력강하가 허용범위 이내여야 한다.
- 정량 누설률: 기압시험의 경우 Nm³·h 또는 Pa·m³·s 단위 한도 이내여야 한다.
12. 구조 건전성 검토 포인트
- 후프응력: 얇은 원통의 경우 σh = P·D / (2t)를 확인한다.
- 축응력·국부좌굴: 노즐 근처, 지지대 접합부를 중점 평가한다.
- 취성파괴 위험: 저온·두꺼운 두께·재료 전이온도 인접 시 기압시험을 지양한다.
- 피로영향: 반복 가압 계획 시 피로평가와 사이클 관리를 병행한다.
13. 안전관리 필수 요소
- 시험계획서: 범위, 압력, 매질, 단계, 보압시간, 합부 기준을 문서화한다.
- 위험성평가: 파열, 분출, 비산, 환경오염 시나리오를 도출한다.
- 격리·인터록: 운영공정과 물리적·계장적 인터록을 확보한다.
- 개인보호구: 안면보호구, 방폭 무전기, 청력보호구를 준비한다.
- 대피·통신: 시험 중 비상경로와 연락체계를 유지한다.
14. 수압시험 실무 팁
- 탈기수 사용으로 기포 오판을 줄인다.
- 두께가 얇은 비금속 라이닝은 과도한 하중을 피한다.
- 탈수 후 열풍건조·질소퍼지로 잔수와 산소를 제거한다.
- 방청·부식 억제제를 순환시켜 내부식성을 유지한다.
15. 기압시험 실무 팁
- 무인 가압 구간을 설정하고 원격 압력·영상 모니터링을 적용한다.
- 헬륨을 소량 혼합해 누설 민감도를 높인다.
- 장치 하중경로를 고려해 지지·앵커를 보강한다.
- 온도 변화를 감안해 압력 보정식을 적용한다.
16. 시험 준비 체크리스트
| 항목 | 확인 방법 | 상태 |
|---|---|---|
| 도면·사양 검토 | 설계압력·재질·두께 대조 | 완료/미완료 |
| 격리·블라인드 | 목록표·태깅 | 완료/미완료 |
| 계측 교정 | 교정성적서 확인 | 유효/만료 |
| 방호·통제 | 배리케이드·출입통제 | 준비/미비 |
| 가압 단계 | 계획서 단계값 확인 | 확정/미확정 |
| 보압 시간 | 온도·부피 고려 설정 | 확정/미확정 |
| 비상대응 | 대피로·연락망·차단밸브 | 확인/미확인 |
17. 잔수·잔가스 관리
수압시험 후 잔수는 부식·오염·동결을 유발할 수 있어 저점 배수, 고점 벤트 개방, 드레인 가열, 질소 퍼지, 진공건조를 조합하여 제거한다. 기압시험 후 잔가스는 퍼지·환기·가스검지기를 통해 농도를 안전범위로 낮춘다.
18. 환경·품질 고려사항
- 배수는 적정 중화·여과 후 처리한다.
- 시험기록은 압력-시간·온도·누설지점·조치사항을 포함한다.
- 재시험 기준과 허용결함 수준을 품질계획서에 명확히 기술한다.
19. 실패모드와 대응
| 실패모드 | 징후 | 즉시 조치 | 근본 원인 |
|---|---|---|---|
| 국부 누설 | 물방울/거품·압력강하 | 감압·표식·보수 | 용접 결함, 개스킷 손상 |
| 변형 | 타원화·좌굴 | 즉시 감압·구조 평가 | 과도한 하중, 지지 불량 |
| 급파열 | 충격음·비산 | 대피·격리 | 재질 결함, 과압, 취성 |
20. 문서화 예시 문구
“본 장치는 내압시험을 수압으로 수행하며 시험압력은 MAWP의 1.3배로 설정한다. 가압은 25% 단계로 상승하고 보압 30분 유지 후 누설·변형이 없어야 합격으로 판정한다. 시험 구역은 통제하며 비상차단·대피계획을 운영한다.”
21. 교육·역량 관리 포인트
- 기압시험은 별도 위험성평가와 관리자 승인 하에 수행한다.
- 시험장비 설치·해체 절차를 표준화한다.
- 신규 작업자는 모의 가압 교육을 이수한다.
22. 자주 묻는 질문(FAQ)
수압시험의 보압 시간은 어떻게 정하나?
부피·온도 안정화와 누설 검출 민감도를 고려하여 10~30분 범위에서 정한다. 대형 시스템은 더 길게 설정한다.
기압시험 시 어떤 가스를 쓰는 것이 안전한가?
연소위험을 줄이기 위해 공기 대신 질소·헬륨 같은 불활성 가스를 우선 고려한다.
수압 후 잔수 제거가 어려울 때 대안은 무엇인가?
예열·진공건조·질소 퍼지를 단계적으로 적용하고, 잔수 허용이 전혀 되지 않는 장치는 기압시험을 검토한다.
헬륨 스니퍼 검사는 언제 유리한가?
극저누설이 요구되는 열교환기 튜브, 진공장치, 불활성 분위기 공정에서 유리하다.
시험압력은 항상 설계압력의 1.5배인가?
항상 그렇지 않다. 재질 허용응력·온도·두께 공차에 따라 계수를 조정한다.