이 글의 목적은 산업 현장에서 사용하는 압력용기의 정의부터 설계 기준, 두께 계산, 재질 선정, 용접·비파괴검사, 수압시험, 안전밸브 선정, 문서화, 운전·보수, 위험성 평가와 실패사례까지 전 과정을 실무 중심으로 체계화하여 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 압력용기의 정의와 범위
압력용기는 내부 또는 외부에서 작용하는 압력에 의해 구조적 강도를 요구하는 밀폐 용기를 말한다. 일반적으로 설계압력이 대기압을 초과하며, 기체·액체·증기가 저장되거나 반응·열교환·분리 등의 공정에 사용된다. 보일러, 반응기, 분리기, 열교환기 쉘, 공기수신기, LPG 저장탱크, 수소 저장용기 등이 대표 사례이다.
설계 시 고려하는 기본 변수는 설계압력, 설계온도, 부식여유, 재질 허용응력, 용접효율, 부착물 하중, 풍하중·지진하중, 피로·크리프 가능성 등이다.
2. 설계 기준과 핵심 용어
산업계에서 널리 사용하는 규격은 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Div.1 및 Div.2, EN 13445, PD 5500 등이다. 국내 적용 시에는 관련 법령·고시 및 인증 요구사항을 병행 검토한다.
- 설계압력(Design Pressure): 정상운전 최대 압력에 여유를 포함한 기준 압력이다.
- 설계온도(Design Temperature): 두께 계산과 허용응력을 결정하는 기준 온도이다.
- 허용응력(Allowable Stress, S): 재질의 인장강도, 항복강도, 크리프 특성 등을 반영한 설계용 응력한도이다.
- 용접효율(Joint Efficiency, E): 용접부 검사의 정도에 따른 효율로 두께 계산식에 직접 반영된다.
- 부식여유(Corrosion Allowance, CA): 예상 부식·침식량을 보전하기 위한 추가 두께이다.
- MAWP(Maximum Allowable Working Pressure): 완성된 용기가 견딜 수 있는 최대 허용 작업압력이다.
3. 쉘·헤드 형식과 선택 기준
원통 쉘과 다양한 헤드 형식을 조합하여 기계적 강도와 제작성을 균형 있게 확보한다.
- 헤미스페리컬 헤드: 가장 유리한 응력분포를 제공하나 제작비가 높다.
- 2:1 반타원형(엘립소이드) 헤드: 강도와 경제성의 균형이 좋아 범용적이다.
- 토리소피어리컬(접시형) 헤드: 형상은 단순하나 두께가 상대적으로 두껍게 필요하다.
4. 기본 두께 계산식(개념 정리)
원통 쉘의 얇은 원통 가정에서 후프응력과 종응력은 다음과 같이 근사한다.
후프응력 σh = P·R / t, 종응력 σl = P·R / (2·t)이다.
ASME Div.1 개념에 따른 내부압 원통쉘 필요 두께의 대표 형태는 다음과 같이 정리한다.
- t = (P·R) / (S·E − 0.6·P) + CA 이다.
- 반타원형 헤드의 경우 형상계수(K)를 반영하여 t = (P·K·D) / (2·S·E − 0.2·P) + CA 형태로 계산한다.
외부압(진공) 설계는 좌굴에 대한 안정 설계로 별도 차트·계산식에 따른다. 두께 증대, 보강링 설치, 지지간 거리 축소 등의 방법을 사용한다.
5. 노즐 및 개구부 보강
노즐 개구부는 응력집중과 유효단면 감소로 인해 보강이 필요하다. 보강영역은 쉘·헤드 두께, 개구직경, 노즐목 두께, 패드 두께와 폭, 용접부 효율 등을 고려하여 면적 등가 방식으로 산정한다. 내부식 라이닝이 있을 경우 보강 유효성에서 제외하며, 내부 단열 또는 클래딩은 구조적 기여를 하지 않는 것으로 본다.
6. 지지방식 선택
- 수직 용기: 스커트 지지, 루그 지지, 레그 지지 등을 사용한다.
- 수평 용기: 새들 지지 2점이 일반적이며 열팽창을 고려하여 고정·가동 새들을 구분한다.
- 지진·풍하중: 기초 앵커볼트 설계, 베이스링 직경, 스커트 두께, 쉘 국부좌굴을 함께 검토한다.
7. 재질 선정과 내식 설계
재질은 온도·압력·매질 특성을 기반으로 탄소강, 저합금강, 스테인리스강, 듀플렉스, 니켈합금, 티타늄 등을 선택한다. 부식·응력부식균열·황화수소 취성·수소취성 등의 리스크를 고려하여 재질을 제한하거나 후열처리, 경도관리, 코팅·라이닝, 음극방식 등을 적용한다.
| 매질 | 주요 손상기전 | 권장 대책 |
|---|---|---|
| 습식 H2S | SCC, 황화수소 취성 | NACE 요구충족 재질, 경도관리, PWHT |
| 해수·염수 | 부식, 틈부식 | 듀플렉스/슈퍼듀플렉스, 코팅, 음극방식 |
| 고온 수증기 | 크리프 | 크리프 허용강, 설계온도 보수적 설정 |
| 유기용제 | 범용성 좋음 | 탄소강+코팅 또는 스테인리스 |
8. 제작 공정 요약
- 원판 절단 및 성형: 롤링, 프레스 성형으로 쉘·헤드 제작을 한다.
- 용접 조립: 원주·종용접, 노즐 부착, 패드 설치를 한다.
- 열처리: 두께·재질·수소취성 위험에 따라 PWHT 또는 솔루션 열처리를 수행한다.
- 치수·형상 검사: 원형도, 타원도, 직진도, 치수 공차를 확인한다.
- NDE 수행: RT, UT, MT, PT, VT를 절차서에 따라 시행한다.
- 수압시험: 규격 압력으로 보정된 테스트를 수행하며 누설·변형을 확인한다.
- 도장·포장: 표면처리, 프라이머, 마감, 내부 코팅, 운송 보호를 완료한다.
9. 비파괴검사(NDE) 적용 기준
| 기법 | 적용부위 | 검출 결함 | 특징 |
|---|---|---|---|
| RT | 원주·종용접 | 내부 기공, 슬래그 | 두께·안전성 고려 필요 |
| UT(위상배열 포함) | 두꺼운 용접부 | 용융부 불연속 | 현장성 우수 |
| MT | 자성체 표면·근표면 | 크랙 | 표면 준비 필요 |
| PT | 비자성체 표면 | 표면 개방 결함 | 스테인리스에 적합 |
| VT | 전 구간 | 형상·비드 상태 | 기본 필수 |
10. 수압시험과 기밀시험
- 수압시험 압력은 일반적으로 MAWP에 계수를 곱해 설정하며, 시험 온도에서의 허용응력을 고려하여 환산한다.
- 기밀시험은 비누거품, 압공기 보압, 헬륨 질량분석 등으로 수행한다.
- 공기·가스 시험은 에너지 축적이 커서 위험하므로 단계적 가압과 배리케이드, 누출 에너지 관리가 필수이다.
11. 안전밸브(PSV) 선정과 설정
압력용기는 과압으로부터 보호되어야 한다. 대표 보호장치는 스프링식 PSV이다. 설정압력은 MAWP 이하로 선정하며, 과압 허용치는 코드와 서비스 특성에 따른다. PSV 용량은 다음 시나리오에 대해 큰 값을 채택한다.
- 화재에 의한 열유입
- 유입 차단 실패에 의한 과충전
- 가열·반응 폭주
- 냉각수 상실, 열교환기 튜브 파손에 의한 고압측 유입
기체 방출은 임계·비임계 유동 여부를 판단하며, 액체는 오리피스 계수, 점도 보정 등을 고려한다. PSV 배출라인은 서지·백프레셔를 고려하여 사이징하며, 소음·제트력·동상 방지 대책을 포함한다.
12. 열교환기 쉘로서의 압력용기
튜브시트와 분배실, 채널, 본넷 등은 고유의 설계 고려가 필요하다. 튜브시트는 튜브 구속조건, 차압, 온도구배에 의한 열응력, 고정관·부상관 구조를 고려한다. 튜브 파손 시 교차오염 및 과압 가능성을 검토하여 PSV 시나리오에 반영한다.
13. 외부하중과 피로·크리프
- 외부하중: 노즐에 작용하는 배관 하중, 플랫폼 하중, 진동, 운송 하중을 해석한다.
- 피로: 압력·온도 사이클이 반복되는 장치에서 피로평가를 수행한다.
- 크리프: 고온 장시간 운전 시 크리프 허용응력과 최소요구두께를 검토한다.
14. 품질보증(QA/QC)와 문서화
제작사 품질계획(ITP), 용접절차서(WPS/PQR), 용접사 자격, 재료 인증서(MTC), NDE 성적서, 열처리 레코드, 치수검사 기록, 시험성적서, 페인트 레포트, 출하 검사서, 데이터북을 완비한다. 명판에는 설계압력, 설계온도, 용기 용량, 소재, 제작연도, 코드 스탬프 등이 포함된다.
15. 운전관리와 인터록
- 시운전: 플러싱·비수압 건조, 누설 확인, 계기 교정 상태를 검증한다.
- 정상운전: 압력·온도·레벨 감시, 배수·벤트 절차, PSV 주기점검을 수행한다.
- 인터록: 고압·고온 트립, 레벨 인터록, 화재 감지 연동을 구성한다.
16. 유지보수 전략과 RBI
리스크 기반 검사(RBI)를 적용하여 손상기전별 우선순위를 정한다. 내부검사는 운전주기, 매질, 코팅 상태에 따라 주기를 설정한다. 두께측정(UT), 복합손상 부위의 PAUT/TOFD, 바닥부의 CUI 영역 점검, 노즐-쉘 접합부 크랙 감시, 지지부 좌굴·부식 점검을 포함한다.
| 손상기전 | 취약부위 | 진단기법 | 조치 |
|---|---|---|---|
| CUI | 단열 관통부, 지지대 인근 | 적외선, 국부탈거 VT/UT | 방습개선, 코팅보수 |
| SCC | 용접열영향부 | PT/MT, 레플리카 | PWHT, 재질변경 |
| 피로 | 노즐 루트, 사이클 부하점 | AE, UT, 스트레인게이지 | 형상개선, 리브보강 |
| 침식 | 인렛 디퓨저, 밸브 하류 | UT 매핑 | 내마모 라이너, 디퓨저 |
17. 변경관리(MOC)와 적합성 평가
매질 변화, 온도·압력 상향, 노즐 추가, 지지조건 변경 등은 반드시 변경관리 절차에 따라 설계 적합성을 재평가한다. MAWP 재산정, PSV 재사이징, 배관 응력해석 수정, 데이터북 업데이트를 병행한다.
18. 설치·배치 및 부대설비
- 배치: 접근성, 크레인 진출입, PSV 방출구 안전거리, 통풍, 방유제, 방호울타리 계획을 포함한다.
- 배관: 열팽창 루프, 진동 방지, 드레인·벤트 위치, 배관 하중 전달 최소화가 중요하다.
- 계측: 압력계, 온도계, 레벨계, 국소 온도핫스팟 모니터링 포인트를 배치한다.
19. 위험성 평가와 HAZOP 포인트
- 차단 실패로 인한 과충전과 수격 현상 가능성을 검토한다.
- 열교환기 튜브 파손 시의 교차오염과 과압 보호를 확인한다.
- 정전·냉각수 상실·스팀 밸브 스턱 등 운전 시나리오별 보호계층 분석을 수행한다.
20. 자주 발생하는 결함과 근본원인
- 용접 균열: 과도한 경도, 수소취성, 불충분한 예열·후열에 기인한다.
- 국부 좌굴: 외부압 또는 지지 간격 과다, 얇은 쉘에 의한 좌굴이다.
- 노즐 루트 크랙: 배관 하중 미반영, 열팽창 구속, 진동이 원인이다.
- CUI: 단열재 수분 침투와 코팅 결함, 배수 불량에 기인한다.
21. 체크리스트(설계·제작·검사·운전)
| 영역 | 핵심 항목 | 확인 방법 | 빈도 |
|---|---|---|---|
| 설계 | 설계압/온도, CA, E 반영 | 계산서 검토 | 설계단계 1회 |
| 제작 | WPS/PQR, 열처리 기록 | ITP 대조 | 공정별 |
| NDE | RT/UT/MT/PT 범위 | 결과서 확인 | 용접 완료 후 |
| 시험 | 수압압력·보압시간 | 체크리스트 | 출하 전 |
| 운전 | PSV 주기점검 | 기능시험 | 연 1회 이상 |
| 보수 | 두께 트렌드 | UT 데이터 분석 | 정기정지시 |
22. 계산 예시(개념치)
설계압력 P=1.0 MPa, 내부 반경 R=1,000 mm, 허용응력 S=120 MPa, 용접효율 E=0.85, 부식여유 CA=2 mm로 가정한다. 원통 쉘 필요 두께는 t≈(P·R)/(S·E−0.6P)+CA로 계산한다. 단위 일치와 실제 코드는 등가직경, 부식여유 별도 가산, 최소두께 규정 등을 적용한다.
23. 명판 표기 예시
| 항목 | 예시 |
|---|---|
| MAWP @ T | 10 bar @ 200℃ |
| 용량 | 8 m3 |
| 재질 | SA-516 Gr.70 |
| 제작연도 | 2025 |
| 코드 | ASME Sec VIII Div.1 |
24. 문서·도면 패키지 구성
- 일반배치도(GA), 상세도, 용접맵, NDE 맵, 지지 상세, 페인팅 사양서이다.
- 계산서: 두께, 노즐 보강, 외압 안정, 지지 구조, 리프팅·운송 검토이다.
- 절차서: 용접, 열처리, 수압시험, 기밀시험, 세척·건조, 보존이다.
25. 운송·설치·시운전 유의사항
- 리프팅 아이볼트·패드 강도 검증, 와이어 각도 제한을 준수한다.
- 운송 중 진동·뒤틀림 방지용 지그·블록을 사용한다.
- 설치 후 수평·수직도, 노즐 플랜지 평행도, 베이스 앵커 프리텐션을 확인한다.
26. 사례 기반 문제 해결 팁
- PSV 블로다운 불량: 스프링 세팅과 백프레셔 확인 후 소프트시트 교체를 검토한다.
- 쉘 국부 박판화: 내부 디퓨저 추가, 라이너 설치, 유동 재배치를 적용한다.
- 노즐 진동: 가이던스 서포트, 스텁인→스레디드 변경, 배관 리지드 개선을 수행한다.
27. 안전작업 절차(LOTO 포함)
- 격리: 블라인드 삽입, 밸브 이중차단·배출, LOTO 태깅을 수행한다.
- 가스 프리: 불활성 퍼지 후 폭발성 가스 농도 확인을 한다.
- 개방: 잔류 압력 제로화, 방출 경로 확보, 화기작업 허가서를 준수한다.
28. 교육·역량
설계자는 코드 이해와 계산 도구 숙련이 필요하며, 제작·검사 인력은 WPS/PQR 해독, NDE 해석 역량이 요구된다. 운전·보수 인력은 PSV, 누설, CUI, 피로 균열 조기 징후를 식별할 수 있어야 한다.
FAQ
설계압력과 MAWP의 차이는 무엇인가?
설계압력은 두께 계산과 부품 선정의 기준이 되는 입력값이며, MAWP는 제작 완료 후 해당 두께와 재질, 용접효율, 실제 치수로 산정되는 최대 허용 작업압력이다. MAWP는 명판과 보호장치 설정의 기준이 된다.
수압시험 대신 기압시험을 하면 안 되는가?
가능하나 위험도가 높다. 압축성 유체는 에너지를 축적하므로 파손 시 파급이 크다. 부득이한 경우 단계적 가압과 안전거리, 방호벽, 누설관리 절차를 강화한다.
PSV는 몇 대를 설치해야 하는가?
단일 또는 병렬 다수 설치가 가능하다. 최대 시나리오 유량을 만족하고 유지보수성을 확보하도록 병렬 구성을 채택할 수 있다. 일부는 격리 밸브와 봉인관리, 인터록 조건을 함께 설계한다.
부식여유는 어떻게 정하는가?
매질·온도·운전주기·과거 데이터·표면처리를 고려하여 경험기반으로 설정한다. RBI 결과와 두께 트렌드를 반영해 향후 변경할 수 있다.
외부압 설계에서 가장 중요한 요소는 무엇인가?
쉘 두께와 보강링 간격, 지지 조건이 핵심이다. 좌굴 안정 차트 적용과 실제 제작 공차, 원형도 관리가 중요하다.