저온 취성(Low-temperature brittleness) 현상 및 대책

비상 감압 시스템(Depressuring system) 작동 시 발생하는 급격한 온도 하락은 배관 재질의 기계적 성질을 변화시켜 대형 파손을 유발할 수 있다. 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)에 따른 온도 하락 계산 및 저온 취성(Low-temperature brittleness)에 따른 재질 선정 기준을 공유하고자 한다.

 

 

 

저온 취성(Low-temperature brittleness) 현상 및 대책

저온 취성(Low-temperature brittleness) 현상

저온 취성이란 금속 재질의 온도가 특정 임계점 이하로 내려갈 때, 연성(Ductility)을 잃고 유리처럼 깨지기 쉬운 상태가 되는 현상을 말한다.

• 연성-취성 천이 온도 (Ductile-to-Brittle Transition Temperature, DBTT): 금속이 연성(늘어나는 성질)에서 취성(깨지는 성질)으로 변하는 임계 온도 구간이다. 감압 시 온도가 이 지점 이하로 내려가면 배관은 매우 위험한 상태가 된다.
• 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect): 고압의 가스가 밸브나 오리피스를 통과하며 팽창할 때, 분자 간 인력을 이겨내기 위해 내부 에너지를 소비하면서 온도가 급격히 하강(μⱼₜ > 0 인 경우)하는 현상이 근본 원인이다.
• 물리적 결과: 미세한 균열이 음속에 가까운 속도로 전파되어 배관이나 용기가 순식간에 파열(Brittle Fracture)된다.

 

 

저온 취성 방지 대책 (Countermeasures)

공정 설계 시 다음과 같은 대책을 수립하여 시스템의 건전성을 확보한다.

1. 재질 선정 (Material Selection)

가장 확실한 대책은 운전 및 비상 감압 시 도달 가능한 최저 설계 금속 온도(Minimum Design Metal Temperature, MDMT)에 적합한 재질을 사용하는 것이다.

• 저온용 탄소강 사용: 일반 탄소강 대신 충격 시험(Impact Test)을 거친 ASTM A333 Gr.6 등급 등을 적용한다.
• 스테인리스강(Stainless Steel) 적용: 극저온 하강이 예상되는 EDPV 후단 및 오리피스 인근 배관은 -196°C까지 견디는 STS304/316 재질을 사용한다.

 

 

2. 설계 및 운전적 대책 (Design & Operational Measures)

• 다단계 감압 (Multi-stage Depressuring): 압력 강하를 여러 단계로 나누어 줄-톰슨 효과에 의한 급격한 온도 하락을 분산시킨다.
• 제한 오리피스(Restriction Orifice) 최적화: 감압 속도와 온도 하락폭 사이의 균형을 맞추어 오리피스 크기를 재설계한다.
• 가열(Heating): 감압되는 가스를 예열하거나 배관에 히팅 트레이스(Heat Trace)를 설치하여 온도를 DBTT 이상으로 유지한다. (다만, 비상 시스템에서는 신뢰성 문제로 제한적 사용)

3. 비파괴 검사 및 관리

• 충격 시험 (Charpy V-notch Test): 저온 환경에 노출되는 배관 용접부 및 모재에 대해 저온 충격 인성을 사전에 검증한다.

 

 

재질 선정 기준 (Material Selection Criteria)

설계 시에는 감압 시 도달하는 최저 온도(Minimum Design Metal Temperature, MDMT)를 계산하여 재질을 선정한다.

• 탄소강 (Carbon Steel): 일반적으로 -29°C 이상에서 사용한다. 그 이하에서는 충격 시험(Impact test)을 통과한 특수 탄소강(예: ASTM A333 Gr.6)을 사용한다.
• 저합금강 (Low Alloy Steel): 니켈(Ni) 함량을 높여 -45°C ~ -100°C 구간에서 사용한다.
• 스테인리스강 (Stainless Steel): 오스테나이트계(예: SUS304, SUS316)는 극저온에서도 취성 변화가 거의 없어 -196°C 이하의 초저온 환경에 사용한다.

 

 

온도 변화 계산

1. 줄-톰슨 계수 및 온도 변화 계산식

줄-톰슨 현상은 외부와의 열 교환이 없는 단열 상태에서 유체가 압력 강하를 겪을 때 엔탈피(Enthalpy, H)가 일정하게 유지되는 등엔탈피(Isenthalpic) 과정이다.

① 줄-톰슨 계수 (Joule-Thomson coefficient, μⱼₜ) 정의

유체의 온도가 압력 변화에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 열역학적 계수이다.

• μⱼₜ = (∂T / ∂P)ₕ
• 하첨자 h는 엔탈피가 일정함을 의미한다.(등엔탈피 과정)

② 온도 변화 근사 계산식

압력 변화폭이 아주 크지 않은 구간에서 온도 변화량(ΔT)은 다음과 같이 산출한다.

• ΔT = μⱼₜ * ΔP
• T₂ - T₁ = μⱼₜ * (P₂ - P₁)

③ 열역학적 관계식 (Thermodynamic Relation)

상태 방정식을 이용하면 줄-톰슨 계수를 다음과 같이 더 정밀하게 표현할 수 있다.

• μⱼₜ = (1 / Cₚ) * [T * (∂V / ∂T)ₚ - V]
• Cₚ: 정압 비열 (Specific heat at constant pressure)
• V: 비체적 (Specific volume)

 

 

2. 실제 온도 하락 계산 사례 (Calculation Example)

천연가스(Natural Gas)를 포함한 고압 용기의 비상 감압 시뮬레이션 사례를 기술한다.

1단계: 초기 조건 설정

• 유체 성분: 메탄(CH₄) 90% 이상의 가스
• 초기 압력 (P₁): 120 kg/cm²g (1.2 * 10⁷ Pa)
• 초기 온도 (T₁): 313.15 K (40°C)
• 최종 압력 (P₂): 5 kg/cm²g (플레어 헤더 압력 상정)

2단계: 줄-톰슨 계수(μⱼₜ) 적용

가스의 온도 변화(ΔT)는 압력 변화(ΔP)에 줄-톰슨 계수를 곱하여 근사치로 구할 수 있다.

• 메탄의 μⱼₜ: 약 0.5°C/bar
• ΔP: 약 115 bar (120 - 5)
• ΔT: 115 bar * 0.5 °C/bar = 57.5°C 하락

3단계: 최종 도달 온도 산출

• 최종 온도 (T₂): T₁ - ΔT = 40°C - 57.5°C = -17.5°C
• 주의: 실제 공정에서는 가스가 단열 팽창(Isentropic expansion)에 가깝게 거동하므로 온도 하락폭은 이보다 훨씬 크다. 정교한 시뮬레이션(HYSYS 등) 결과, 동일 조건에서 -60°C 이하로 떨어지는 사례가 빈번하다.

 

 

최저 노출 온도  -65°C 적용 근거

비상 감압 시스템(Depressuring system) 작동 시 최저 노출 온도가 -65°C까지 도달하는 근거는 가스의 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)와 단열 등엔트로피 팽창(Isentropic expansion) 과정에서 기인한다. 

 

1. 열역학적 냉각 원리 (Thermodynamic Cooling)

가장 주된 근거는 고압의 가스가 좁은 노즐(오리피스)을 통과하며 급격히 팽창할 때 발생하는 온도 하락이다.

• 등엔탈피 팽창 (Isenthalpic Expansion): 실제 공정에서 제한 오리피스(Restriction Orifice)를 통과하는 가스는 엔탈피(H) 변화가 거의 없는 상태로 팽창한다. 이때 줄-톰슨 계수(μⱼₜ)가 양수(Positive)인 천연가스나 질소 등은 압력이 떨어질 때 온도도 함께 떨어진다.
• 등엔트로피 팽창 (Isentropic Expansion): 용기 내부의 가스가 외부로 배출되면서 용기 안에 남은 가스가 하는 일(Work)에 의해 온도가 내려가는 과정이다. 이는 단순 줄-톰슨 효과보다 온도 하락 폭이 훨씬 크다.

 

 

2. 수치적 계산 근거 (Numerical Basis)

실제 탄화수소 가스(메탄 위주)의 물성을 바탕으로 한 계산 사례는 다음과 같다.

• 압력 변화 (ΔP): 초기 압력 120 kg/cm²g (1.2 * 10⁷ Pa)에서 플레어 헤더 압력인 2 kg/cm²g 수준으로 감압 시, 압력차는 약 118 bar에 달한다.
• 줄-톰슨 계수 적용: 메탄의 상온 부근 μⱼₜ는 약 0.5 °C/bar이다.
• 단순 계산: 118 bar * 0.5 °C/bar = 59°C 하락. (상기 온도 변화 계산 결과)
• 정밀 시뮬레이션 결과: 실제 가스는 이상 기체가 아니며, 압력이 낮아질수록 μⱼₜ 값이 커지는 경향이 있다. 또한 용기 내부의 잔류 가스 팽창(Isentropic) 효과가 중첩되면 초기 온도 40°C 기준으로 최종 온도는 -60°C ~ -70°C 영역에 도달하게 된다.

 

HAZOP 분석 시 권고 사항

HAZOP 워크시트에서 "저온(Low Temperature)" 변수를 검토할 때 다음 내용을 제언(Recommendation)한다.

• 제언 사항: 비상 감압(Depressuring) 시 도달하는 최저 금속 온도(MDMT)를 재계산하고, 현재 설치된 배관 및 밸브의 재질이 해당 온도에서 취성 파괴 위험이 없는지 기술 검토할 것.