압력용기 용접설계

용접 구조로 제작하는 용기는 용착 금속이나 열 영향부의 결함을 방지하고 잔류 응력을 완화할 목적으로 예열, 후열 처리 또는 응력 제거를 한다.

기압 시험을 실시해야 하는 압력용기의 경우, 다음 용접부의 전 길이에 대해 균열을 검출하기 위해 비파괴 시험을 실시하여야 한다.

 

 

 

압력용기 용접 설계

용어의 정의

"압력용기(Pressure vessel)”라 함은 용기의 내면 또는 외면에서 일정한 유체의 압력을 받는 밀폐된 용기를 말한다. 

"안전율(Safety factor)”이라 함은 용착부 재료의 강도(인장강도 또는 전단강도)를 허용응력으로 나눈 값을 말한다.

“허용응력(Allowable stress)”이라 함은 용접 이음부가 안전하게 유지되는 범위 이내에서 허용되는 최대 응력을 말한다.

“방사선 투과 시험(Radiographic test)”이라 함은 방사선을 사용하여 용접부의 내부 결함을 조사하는 비파괴시험을 말한다.

“열응력(Thermal stress)”이라 함은 용접 시에 반복되는 열에 의해서 모재 및 용착 금속 내부에 발생하는 응력을 말한다.

“피로(Fatigue)”라 함은 재료에 반복 응력이 가해질 때, 재료의 강도가 저하하는 현상을 말한다.

“이음 효율(Joint efficiency)”이라 함은 용접 이음부의 건전성을 나타내기 위하여 방사선 투과 시험의 정도에 따라 모재 두께에 대한 이음부의 두께 효율을 말한다.

 

 

용접 이음부의 제한

다음의 용접 이음부는 전 길이에 대한 방사선 투과 시험을 실시하여야 한다.

(1) 치사적 물질을 포함하는 압력용기의 동체 및 경판의 모든 맞대기 용접부

    (“치사적 물질”이란 「산업안전보건법 시행규칙」 별표 11의 2 (유해인자 분류기준)에서 정한 급성 독성 물질을 말한다)

(2) 용접 이음부에서 공칭 두께가 38㎜를 초과하는 압력용기의 모든 맞대기 용접부

(3) 설계압력이 350 kPa을 초과하는 비 직화식 증기보일러 동체 및 경판의 모든 맞대기 용접부

(4) 위 (1) 또는 (3)에 따라 전 길이 방사선 투과 시험이 요구되는, 압력용기 부분 또는 경판에 부착되는 노즐 및 연결실 등에 있는 모든 맞대기 용접부

(5) 용접 이음부 및 부품이 <표 1 (a)>에서 허용하는 이음 효율에 기초하여 설계된 압력용기 용접부

 

 

용접 이음 효율

아크 용접 및 가스 용접법에 허용되는 용접 이음부 형식과 각 형식에 허용되는 판의 제한 두께와 방사선 투과 시험 정도에 따른 용접 이음의 효율은 <표 1>과 같다.

<표 1> 아크 용접 및 가스 용접 이음부에 대한 최대 허용 이음 효율

 

 

<그림 1> 범주 A, B, C 및 D 용접 이음부의 대표적 예시

용접 후열처리

(1) 용접 구조로 제작하는 용기는 용착 금속이나 열 영향부의 결함을 방지하고 잔류 응력을 완화할 목적으로 예열, 후열 처리 또는 응력 제거를 한다. 적용하는 기준은 사용 재료의 종류, 용접방법 및 관련 규격에 따라 결정한다.

용접 후열처리 대상은 <표 2>와 같다.

<표 2> 탄소강 및 저합금강 용접 후열처리 요건

 

 

(2) 용접 후열처리 요건

(가) 용기나 부품을 노에 장입 할 때 노의 온도는 425℃ 이하이어야 한다.

(나) 425℃ 초과 온도에서의 가열 속도는 222℃/hr를 동체판 또는 경판의 최대 금속 두께(25㎜ 기준)로 나눈 값 이하이어야 하며, 어떠한 경우에도 222℃/hr 이하이 어야 한다. 가열하는 동안 용기의 가열 부위에서 길이 간격 4.6m 내에 139℃를 초과하는 온도 편차가 없어야 한다.

(다) 가열 유지시간 동안 용기의 가열 부위 전체에 대한 최고 및 최저온도 차는 83℃ 이하이어야 한다.

(라) 425℃ 초과 온도에서의 냉각은 280℃/hr를 동체판 또는 경판의 최대 금속 두께 (25㎜ 기준)로 나눈 값 이하의 속도로 밀폐된 노 또는 냉각실에서 실시하여야 하며, 어떠한 경우에도 282℃/hr 이하이어야 한다. 425℃부터는 정체된 대기에 서 냉각시켜도 된다.

 

기밀시험을 실시할 압력용기

기압 시험을 실시해야 하는 압력용기의 경우, 다음 용접부의 전 길이에 대해 균열을 검출하기 위해 비파괴 시험을 실시하여야 한다.

(1) 구멍 둘레에 있는 모든 용접부

(2) 비압력 부품을 압력 부품에 부착시키는 용접부를 포함하여, 목 두께가 6㎜를 초과하는 모든 부착 용접부

 

 

용접 이음부에 대한 방사선 투과 시험

(1) 방사선 투과 시험을 실시해야 하는 모든 용접 이음부

(2) <표 1>의 b) 열(부분 방사선 투과 시험)에서 용접 이음 효율을 선택한 압력용기 용접부는 15m마다 또는 그 일부에 대해 한 번의 부분 시험(Spot Test)을 실시하여야 한다.

 

Reference : KOSHA GUIDE M-111–2015 압력용기의 용접설계에 관한 기술지침