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이 글의 목적은 산업 현장에서 금속배관과 플라스틱배관의 차이를 정확히 이해하고 공정 조건에 맞는 재질을 합리적으로 선택할 수 있도록 실무 중심의 정보를 제공하는 것이다.
산업 배관 분류 체계 개요
산업 배관은 수송 유체의 물성, 압력, 온도, 부식성, 청정도 요구에 따라 재질과 규격을 달리 선정하는 설비 요소이다.
크게 금속배관과 플라스틱배관으로 구분하며 각각의 장단점이 명확하므로 공정 변수와 생애주기 비용을 종합적으로 고려하여 결정해야 한다.
치수 체계는 주로 DN(공칭지름)과 NPS(미국 공칭지름)를 사용하며 금속배관은 Schedule 개념으로 두께를 지정하고 플라스틱배관은 SDR 또는 PN 등급으로 두께와 허용압력을 규정하는 경향이 있다.
금속배관의 주요 종류와 특징
금속배관은 고압과 고온에서 신뢰성이 높고 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다.
용접, 플랜지, 나사, 그루브 등 다양한 접합 방식을 활용할 수 있으나 용접 품질 관리와 부식 관리가 성능을 좌우한다.
| 재질 | 주요 특징 | 권장 온도·압력 범위 | 대표 용도 |
|---|---|---|---|
| 탄소강 강관(CS) | 강도가 높고 가격이 경제적이나 일반적으로 내부식 코팅이나 부식 관리가 필요하다. | 중고압 및 중고온에 적합하며 포화증기 배관에 널리 사용한다. | 증기, 온수, 공기, 비부식성 가스 및 오일 라인에 적합하다. |
| 스테인리스강(SS 304/316 등) | 내식성과 청정성이 우수하며 용접성과 가공성이 양호하다. | 중저압부터 고압까지 적용 가능하며 고온 산화 및 부식에 강하다. | 식음료, 제약, 화학 공정, 초순수 및 위생 배관에 적합하다. |
| 합금강(크롬몰리 등) | 고온 고압에 필요한 크리프 강도와 내열성을 확보한다. | 보일러, 발전소 주증기 배관 등 고온 영역에 최적이다. | 발전 플랜트, 정유 고온 라인에 적합하다. |
| 동 및 동합금 | 전열성이 높고 가공성이 좋아 열교환기 연결에 유리하다. | 중저압 및 중온에 적합하며 일부 유체에서 탈아연 부식에 주의해야 한다. | 냉동, HVAC, 기기 연결 라인에 적합하다. |
| 주철 및 구상흑연주철 | 진동 흡수성이 크고 주로 대구경 저압 배관에 쓰인다. | 저압 상수도 및 배수 라인에 적합하다. | 상수도 본관, 하수 및 소방 급수에 적합하다. |
| 알루미늄 | 경량성이 크고 내식성 코팅과 함께 사용하면 이점이 있다. | 저압 영역에 주로 사용하며 화학적 적합성을 확인해야 한다. | 특수 가스, 경량 구조 배관에 적합하다. |
플라스틱배관의 주요 종류와 특징
플라스틱배관은 부식에 강하고 내부 표면이 매끄러워 마찰 손실이 낮다는 장점이 있다.
경량으로 시공성이 우수하나 온도와 압력의 제약이 있으며 열팽창 관리가 중요하다.
| 재질 | 주요 특징 | 권장 온도·압력 범위 | 대표 용도 |
|---|---|---|---|
| PVC-U | 비가소화 폴리염화비닐로 가격이 경제적이며 부식에 강하다. | 상온 저압에서 안정적이며 고온 사용은 제한적이다. | 상수, 배수, 저농도 화학수송에 적합하다. |
| CPVC | 염소화로 내열성이 향상되어 온수 라인에 유리하다. | 중온 저중압에서 적용하며 접착식 시공이 보편적이다. | 온수, 일부 화학 라인, 냉각수 회수에 적합하다. |
| PE/HDPE | 인성 및 균열 저항이 높고 전기융착으로 신뢰성 있는 접합이 가능하다. | 저중압 및 상온에서 광범위하게 사용한다. | 매설 배관, 가스 배관, 원수 및 폐수 이송에 적합하다. |
| PP-H 및 PPR | 내화학성이 좋고 용융접합으로 누설 위험을 낮출 수 있다. | 중온에서 사용 가능하며 내마모성도 양호하다. | 공정수, 순수, 세정 라인, 온수 공급에 적합하다. |
| PVDF | 불소계 수지로 강한 내화학성과 내열성을 제공한다. | 중온 및 일부 고온에서 우수하나 비용이 높다. | 강산·강염기·용매 라인과 반도체용 고순도 라인에 적합하다. |
| PTFE 및 FEP | 탁월한 내화학성과 비점착성을 제공하나 기계적 지지가 필요하다. | 넓은 온도 범위에서 안정적이나 구조적 강도는 낮다. | 초부식성 유체, 라이닝 배관, 탑재 배관에 적합하다. |
치수와 두께 체계 이해
금속배관은 NPS와 Schedule로 두께를 지정하며 Schedule 번호가 클수록 두께가 두껍다.
플라스틱배관은 SDR 또는 PN으로 압력 등급을 표시하며 SDR이 낮을수록 두께가 두껍고 허용압력이 높다.
표준 플랜지 압력 등급은 Class 또는 PN으로 표기하며 매칭 오류가 잦으므로 체계적 검토가 필요하다.
| 구분 | 치수 표기 | 두께 표기 | 압력 표기 |
|---|---|---|---|
| 금속배관 | NPS 또는 DN을 사용한다. | Schedule 번호를 사용한다. | Class 150, 300 등 또는 PN을 사용한다. |
| 플라스틱배관 | DN을 주로 사용한다. | SDR 또는 표준 규격 두께를 사용한다. | PN 또는 시험압력 기준을 사용한다. |
압력·온도 등급 비교 개요
아래 표는 일반적 경향을 요약한 참조 자료이며 실제 설계에서는 재질 규격서와 제조사 데이터의 확인이 필수이다.
| 재질 | 권장 설계온도 | 권장 설계압력 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 탄소강 | 0~425°C 범위가 일반적이다. | 고압까지 적용 가능하다. | 고온 산화 및 내부 부식 관리가 필요하다. |
| 스테인리스강 | -196~500°C 범위가 가능하다. | 중고압에 안정적이다. | 응력부식과 염화물 환경을 검토해야 한다. |
| 합금강 | 고온에서 강점을 가진다. | 고압에서도 안정적이다. | 크리프 설계를 검토해야 한다. |
| PVC-U | 0~50°C 범위가 일반적이다. | 저중압에 적합하다. | 온도 상승 시 허용압력이 급감한다. |
| CPVC | 0~90°C 범위가 가능하다. | 저중압에 적합하다. | 용제 접착부의 품질관리가 중요하다. |
| HDPE | -20~60°C 범위가 일반적이다. | 저중압에 적합하다. | 매설과 전기융착으로 누설을 억제한다. |
| PP/PPR | 0~95°C 범위가 가능하다. | 저중압에 적합하다. | 열팽창을 충분히 고려해야 한다. |
| PVDF | -20~120°C 범위가 가능하다. | 중압에 적합하다. | 순도 관리와 용융접합 품질이 핵심이다. |
| PTFE | -50~200°C 범위가 가능하다. | 저압에 주로 적용한다. | 라이닝 구조로 보강하는 경우가 많다. |
화학적 내식성 요약
유체의 pH, 산화성, 염화물 농도, 용매성, 고형물 함량에 따라 재질 선택 결과가 크게 달라진다.
| 유체 유형 | 권장 재질 | 주의 사항 |
|---|---|---|
| 증기 및 응축수 | 탄소강, 합금강, 일부 스테인리스강이 적합하다. | 산소 부식과 탄산성 부식을 억제해야 한다. |
| 강산 및 산화성 산 | PVDF, PTFE, 합금 스테인리스가 적합하다. | 온도 상승 시 부식 속도 증가를 고려해야 한다. |
| 염화물 수용액 | PVDF, CPVC, HDPE가 적합하다. | 스테인리스의 응력부식균열을 경계해야 한다. |
| 탄화수소 및 용매 | 탄소강, 스테인리스강, PTFE 라이닝이 적합하다. | 인화성 안전과 투과성을 고려해야 한다. |
| 초순수·제약 | 스테인리스 316L, EP 마감, PVDF가 적합하다. | 표면 조도와 용접 비드 관리가 중요하다. |
접합 방식 비교
접합은 누설 가능성과 시공성, 장기 신뢰성을 좌우하는 핵심 변수이다.
| 방식 | 적용 재질 | 장점 | 주의 사항 |
|---|---|---|---|
| 용접 | 탄소강, 스테인리스강, 합금강에 적용한다. | 영구 접합으로 고압에 유리하다. | 용접 절차와 열영향부 품질관리가 필요하다. |
| 나사 | 소구경 금속배관에 사용한다. | 시공이 간단하다. | 압력과 온도가 낮은 구간에 제한한다. |
| 플랜지 | 금속 및 일부 라이닝 배관에 사용한다. | 분해와 유지보수가 용이하다. | 개스킷 선정과 체결 관리가 필수이다. |
| 소켓퓨전·바트퓨전 | PP, PPR, PE, PVDF에 적용한다. | 관과 관이 일체화되어 누설 위험이 낮다. | 융착 매개변수와 청정 관리가 중요하다. |
| 전기융착 | HDPE에 주로 적용한다. | 매설 시 신뢰성이 높다. | 전극 코일 손상과 정렬 오차를 방지해야 한다. |
| 용제 접착 | PVC-U, CPVC에 적용한다. | 간편하고 저비용이다. | 경화 시간과 표면 처리 상태를 관리해야 한다. |
| 기계식 그루브 | 탄소강과 스테인리스강에 적용한다. | 시공 속도가 빠르다. | 가스킷 재질과 하우징 토크를 관리해야 한다. |
열팽창과 지지 설계
플라스틱배관은 금속배관보다 선팽창계수가 크므로 가동 루프, 슬라이딩 서포트, 확관 조인트를 통해 변위를 흡수해야 한다.
금속배관도 고온 구간에서는 팽창 루프나 익스팬션 조인트가 필요하며 고정점과 가이드의 배치를 통해 열응력을 관리해야 한다.
계산식은 ΔL=α·L·ΔT를 기본으로 사용하며 파이프 스트레스 계산에서는 굽힘 응력과 지지 간격을 함께 검토해야 한다.
유체 역학과 마찰 손실
플라스틱배관은 내부 표면 거칠기가 낮아 초기 마찰 손실이 작다.
금속배관은 내부 부식과 스케일에 의해 거칠기가 증가할 수 있으므로 장기 운전 시 여유 계수를 반영해야 한다.
펌프 선정 단계에서 배관 재질에 따른 마찰 손실 차이를 H-Q 곡선과 함께 검토하면 과대 설계를 줄일 수 있다.
청정도와 위생 설계
위생 등급이 필요한 공정은 스테인리스 316L 전용 배관과 위생 규격 피팅을 사용하고 오비탈 용접과 전해연마, 패시베이션을 적용해야 한다.
고순도 케미컬 이송은 PVDF 또는 PFA 튜빙을 사용하고 입자와 용출을 최소화하는 용융접합 절차를 적용해야 한다.
내화 및 방폭 고려
화재 하중이 높은 구간은 금속배관의 구조적 안정성이 유리하다.
플라스틱배관은 화재 노출 시 강도 저하가 급격하므로 내화 덕트나 연소 지연 조치를 병행해야 한다.
가연성 유체 라인은 접지, 정전기 방지, 방폭 등급 설비와 함께 설계해야 한다.
비용, 수명, 생애주기 관점
금속배관은 초기 자재비가 높을 수 있으나 고온 고압 신뢰성이 우수하여 핵심 공정에서 생애주기 비용이 유리할 수 있다.
플라스틱배관은 자재비와 시공비가 낮고 부식 유지보수 비용이 적으나 온도 제약으로 교체 주기가 짧아질 수 있다.
| 항목 | 금속배관 | 플라스틱배관 |
|---|---|---|
| 초기 자재비 | 중고가인 경향이 있다. | 저중가로 경제성이 높다. |
| 시공성 | 용접과 검사로 공기가 길 수 있다. | 경량으로 시공이 빠르다. |
| 부식 관리 | 코팅, 캐소드 보호, 모니터링이 필요하다. | 내식성이 높으나 화학적 적합성 검토가 필요하다. |
| 열팽창 | 중간 정도이다. | 크므로 지지 설계에 유의해야 한다. |
| 수명 | 적절한 관리 시 장수명을 기대할 수 있다. | 온도와 자외선에 민감하여 설계 수명 관리가 필요하다. |
적용 분야 선택 매트릭스
아래 표는 대표 상황에서의 실무 선택 기준을 요약한다.
| 조건 | 권장 배관 | 근거 |
|---|---|---|
| 증기 10 barg, 180°C | 탄소강 또는 합금강을 권장한다. | 고온 압력과 열사이클에 강하다. |
| 염소이온이 많은 공정수 | PVDF 또는 CPVC를 권장한다. | 염화물 환경에서 금속의 응력부식을 회피한다. |
| 초순수 배관 | 316L 위생 배관 또는 PVDF를 권장한다. | 청정도와 용출 관리가 용이하다. |
| 매설 원수 이송 | HDPE 전기융착 배관을 권장한다. | 연속 매설과 지반 변형에 대한 유연성이 높다. |
| 산화성 산 고농도 | PTFE 라이닝 강관 또는 PVDF를 권장한다. | 강한 내화학성을 확보한다. |
| 온수 설비 70~80°C | CPVC 또는 PPR을 권장한다. | 중온에서 내열성과 시공성이 균형을 이룬다. |
표준과 검사 포인트 개요
금속배관은 재질 규격과 용접 절차, 비파괴검사, 수압시험 및 기밀시험을 통해 적합성을 확인해야 한다.
플라스틱배관은 융착 기록, 접착 관리, 시공자 자격, 시운전 누설 시험을 통해 품질을 확보해야 한다.
시험 기록은 트레이서빌리티를 위해 로트 번호, 히트 번호, 융착 파라미터, 체결 토크를 포함해야 한다.
열팽창 계산 예시
예를 들어 길이 30 m의 PP 배관에서 20°C 상승 시 선팽창계수 1.5×10⁻⁴/°C를 가정하면 ΔL=1.5×10⁻⁴×30×20=0.09 m가 된다.
9 cm 변위를 루프 또는 슬라이딩 서포트로 분산하면 지지 하중과 노즐 하중을 허용 범위 내로 관리할 수 있다.
실무 체크리스트
- 유체 데이터시트의 온도, 압력, 조성, 입자, 점도를 확인한다.
- 배관 재질의 화학적 적합성을 크로스체크한다.
- 치수 체계와 두께 등급의 호환성을 검토한다.
- 접합 방식에 맞는 시공 절차서와 검사 계획을 수립한다.
- 열팽창과 지지 설계를 스트레스 해석으로 검증한다.
- 부식 관리 전략과 코팅, 라이닝, 음극 보호 적용 여부를 결정한다.
- 시운전 전 누설 시험과 체결 토크 검증을 수행한다.
- 운전 중 두께 측정, 부식 모니터링, 밸브 성능 점검을 계획한다.
사례 분석 1: 산성 배관에서의 플라스틱 선택
강산 혼합액을 60°C에서 이송하는 공정에서 금속배관은 응력부식과 국부 부식 위험이 컸다.
PVDF 배관과 용융접합을 적용하여 내화학성을 확보하고 내부 표면 청정도를 유지하였다.
열팽창 관리를 위해 팽창 루프를 12 m 간격으로 배치하고 가이드와 고정점을 설정하였다.
시운전 후 누설률이 0 기준을 만족하였고 유지보수 빈도가 현저히 감소하였다.
사례 분석 2: 증기 라인의 금속 적용
포화증기 12 barg 라인에 탄소강 배관과 용접 접합을 적용하였다.
열팽창을 고려한 루프와 익스팬션 조인트를 배치하고 플랜지 구간에는 고온용 개스킷을 채택하였다.
두께 측정 프로그램과 트랩 유지보수 계획을 병행하여 열손실과 수격을 억제하였다.
금속배관과 플라스틱배관의 핵심 비교 요약
| 항목 | 금속배관 | 플라스틱배관 |
|---|---|---|
| 기계적 강도 | 우수하다. | 제한적이다. |
| 내식성 | 조건 의존적이다. | 대체로 우수하다. |
| 온도 허용 | 높다. | 낮다. |
| 시공 속도 | 중간이다. | 빠르다. |
| 누설 위험 | 용접 품질에 좌우된다. | 융착 관리에 좌우된다. |
| 유지보수 | 부식 관리가 핵심이다. | 열과 자외선 관리가 핵심이다. |
| 생애주기 비용 | 핵심 공정에서 유리할 수 있다. | 보조 공정에서 유리할 수 있다. |
설계·시공 문서화 팁
재질 선정 근거서, 용접 절차서, 융착 절차서, 검사 기록서, 트레이서빌리티 표를 표준 양식으로 통합 관리하면 감사 대응과 변경 관리를 용이하게 할 수 있다.
배관 스펙 시트에는 재질, 두께, 접합 방식, 부식 여유, 시험 압력, 피팅 규격, 개스킷 등급을 명확히 기재해야 한다.
자주 발생하는 오류와 예방
- 금속 플랜지와 플라스틱 플랜지를 혼용하여 체결면 변형이 발생하는 오류가 발생한다.
- 온도 디레이팅을 고려하지 않아 플라스틱배관의 허용압력을 초과하는 오류가 발생한다.
- 열팽창 유도 길이 부족으로 밸브 노즐 하중이 과대해지는 오류가 발생한다.
- PTFE 라이닝의 벤드 반경을 과도하게 줄여 라이닝 주름이 발생하는 오류가 발생한다.
- 전기융착 시 표면 산화막 제거 불량으로 접합 불량이 발생한다.
도면·현장 검토 체크포인트
- 라인 리스트와 P&ID의 재질 코드 일치 여부를 확인한다.
- 아이소메트릭 도면의 지지 간격과 가이드 방향을 확인한다.
- 플랜지 등급과 개스킷 재질의 호환성을 확인한다.
- 밸브 본체 재질과 시트 재질의 화학적 적합성을 확인한다.
- 세정 절차, 패시베이션, 플러싱 유량과 시간 기준을 확인한다.
FAQ
플라스틱배관으로 증기를 이송할 수 있나
일반적으로 권장하지 않는다.
고온에서 강도 저하와 크리프가 커지므로 금속배관을 사용해야 한다.
스테인리스강은 모든 화학약품에 안전한가
그렇지 않다.
염화물 환경과 특정 산화 조건에서 응력부식균열 위험이 존재하므로 농도와 온도에 따른 적합성 검토가 필요하다.
HDPE 전기융착 배관의 품질 핵심은 무엇인가
표면 준비, 정렬, 전류·시간 관리, 냉각 시간 준수가 핵심이다.
용접 데이터 로깅과 시운전 누설 시험을 병행해야 한다.
라이닝 강관과 순수 플라스틱배관 중 무엇이 더 좋은가
유체와 온도, 압력, 기계적 하중에 따라 다르다.
고온·고압과 기계적 충격이 크면 라이닝 강관이 유리하고 청정과 내화학성이 최우선이면 플라스틱배관이 유리하다.
배관 교체 주기는 어떻게 산정하나
부식률, 피팅 취약부, 압력 사이클, 열사이클, 외부 환경을 반영한 위험 기반 검사 결과로 산정한다.
두께 측정과 누설 기록, 결함 통계를 함께 분석해야 한다.