배관재료(Piping Materials) 기초

배관재료(Piping Materials)를 이해하기 위해 재질 기준에 따른 분류, 철합금(Ferrous Alloy) 구분 계통, 강(Steel)의 종류, 강관의 분류 방법 등에 대한 기초 이론이 필요하다.

따라서 금번에 이에 대한 관련 기술 내용을 공유하여 사업장 및 엔지니어링사에서 종사하는 실무자들에게 도움을 주고자 한다.

 

 

 

배관재료(Piping Materials) 기초

■ Piping Materials 종류

먼저 배관은 재질을 기준으로 크게 Metal(금속), Non-Metal(비금속), Lined/Clad(코팅)의 3가지로 분류할 수 있다.

 

● Metal Piping (금속 배관)

금속은 다시 다음과 같이 Ferrous(철)와 Non-Ferrous(비철)로 나누어진다.

 

Ferrous(철) : Cast Iron, Carbon Steel, Alloy Steel, Stainless Steel

Non-Ferrous(비철) : Copper Alloy, Nickel Alloy, Aluminum Alloy

 

강관 배관 재질 많이 사용하는 ASTM Code 규격은 다음과 같다.

 

ASTM A53 - Std Spec for Pipe Steel Black and Hot Dipped Welded and Seamless

ASTM A106 - Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service

ASTM A312 - Seamless and welded austenitic stainless steel pipes

 

비철금속 배관 재질 많이 사용하는 ASTM Code 규격은 다음과 같다.

 

ASTM B42 - Seamless Copper Pipe, Standard Sizes

ASTM B165 - Standard Specification for Nickel Seamless Pipe

ASTM B338 - Standard Specification for Seamless and welded titanium and

                  titanium alloy tubes for condensers and heat exchangers.

 

 

● Non-Metal Piping (비금속 배관)

열가소성 플라스틱(Thermoplastics), GRP(Glassfiber Reinforced Plastics) 등 금속이 아닌 재질로 열가소성 플라스틱에는 PVC, HDPE, PP 등이 있다.

 

● Lined Piping (코팅 배관)

Lined Pipe는 말 그대로 배관 내부에 기계 및 화학적 접착을 통한 특정 재질이 도포된 배관을 말하고, 도포 재질은 고무(Rubber)가 될 수도 있고 PTEF(Teflon)이나 Glass, FRP 등을 사용할 수 있다.

 

■ 철합금(Ferrous Alloy) 이해

 

● Fe-C 평형 상태도(Fe-Carbon Phase Diagram)

 

철(Fe)에 탄소(C)가 얼마나 함유되어 있는지, 온도에 따라 결정 상태가 어떻게 변하는지 보여주는 도식

 

Iron-carbon phase diagram, showing the eutectoid transformation between austenite (γ) and pearlite, WIKIPEDIA

 

 

기본적으로 강은 철(Iron)과 탄소(Carbon)로 구성되어 있다.

그리고 탄소(C)의 양에 따라 등급이 나뉘고 또한 합금원소의 양에 따라 각 등급이 결정된다. 강의 탄소함량 범위는 0.1 ~ 약 2% 이지만 널리 사용되는 등급은 0.1 ~ 0.25% 탄소함량의 강이다.

 

철(Fe)을 열처리할 경우 탄소 함유량과 온도에 따른 조직의 변화를 나타낸 것이다.

조직의 종류에는 Ferrite, Pearlite, Austenite, Ledeburite, Cementite 등이 있다.

공석점(Eutectoid)의 탄소량은 약 0.77%로서, 이 점을 경계로 하여 철(Fe)에 가까운 것을 아공석강(亞共析綱 Hypo-eutectoid), Cementite에 가까운 쪽을 초공석 강(超共析綱 Hyper-eutectoid)이라고 하고, 0.0218% 이하의 Ferrite(\α\)\를 순철이라고 한다\.

 

Cementite Fe3C: 6.67% C and 93.3% Fe의 Compound

Ferrite M(FexOy): >α固溶體

Pearlite: Cementite와 Ferrite가 층상으로 된 2相 구조

Austenite: ɤ固溶體(철과 탄소의 고용체)

Ledeburite: Cementite와 Austenite의 공석 조직(eutectic mixture)

 

 

● 철합금 구분 계통도(탄소 농도 및 합금원소에 따른)

 

 

● 강(鋼, Steel)

鋼의 화학조성에 따라 다음과 같이 크게 3가지로 구분할 수 있다.

 

1. 탄소강(Carbon Steel, CS)

전체 강 생산의 90%를 차지하는 탄소강은 소량의 합금원소(Si, Mn, P, S)를 포함하고 있고 다음과 같이 탄소 함유량에 의한 세 가지로 분류된다.

⇒ 의도적인 합금원소가 없는 것(C가 강의 특성을 좌우)

▶ Low Carbon Steels/Mild Steels (~0.25% carbon)

▶ Medium Carbon Steels (0.25~0.6% carbon)

▶ High Carbon Steels (0.6~1.4% carbon)

☞ ASTM 대표 규격: A285, A515, A516, A537

* Plain-carbon steel (Fe + C) -순탄소강

Alloy steel (Fe + C + Ni, Cr, Mo, Mn, V, Ti, …) -합금강

 

2. 저 합금강(Low Alloy Steel)

저 합금강은 내식성, 강도, 연성, 성형성, 용접성 등 강의 특성을 변화시키기 위해 다양한 합금원소(Cr, Ni, Mo, Cu, V, Ti, Nb 등)의 총량이 5% 이하인 경우를 말한다.

⇒ 의도적인 합금원소가 있는 것

▶ Mo강, Cr-Mo강, Ni강 등

☞ ASTM 대표 규격: A387-11/12/21, A203, A353

 

3. 고합금강(High Alloy Steel) 또는 스테인레스강(Stainless Steel, SS)

고합금강은 일반적으로 11% 이상의 Cr, Ni, Mn, Mo 등을 포함하여 높은 내식성을 자랑하고 있고(11% 이상의 Cr을 포함하고 있는 강은 일반강에 비해 약 200배 높은 부식 저항성이 있음), 일반적으로 스테인레스강이라고도 하며 결정구조에 따라 다음과 같이 다시 세 가지로 분류된다.

▶ Austenitic SS(16~26% Cr, 6~22% Ni + Mo, Mn, Ti 함유) : ASTM 규격 T304(L), T316(L), T309, T310

▶ Ferrictic SS (12~20% Cr + Mn 함유, Ni 없음) : AISI Type T430 계열

▶ Martensitic SS (12~17% Cr + Ni, Mo, Mn 함유) : AISI Type T410 계열

 

* 합금원소가 계속 첨가되어 50% 이상이 되어 철(Fe)의 함량보다 많아지면 강으로 분류되지 않는다.

  ⇒비철금속이라 총칭함

 

● 주철(Cast iron)

주철에는 회 주철(Gray), 백 주철(White), 칠드 주철(Chilled), 가단 주철(Malleable) 그리고 구상 흑연(연성 주철(Ductile Nodular)이 있다. 이들 주철의 특징은 탄소 함유량이 높다는 것인데 보통 1.7%~4.5%의 탄소(C)를 포함하고 있다. 유리(遊離) 탄소가 취하는 형태에 따라 주철의 종류와 성질이 결정된다. 주철은 취성 때문에 보통 Process의 Hydro Carbon이나 기타 다른 유해/유독성 물질을 취급하는 곳에는 사용하지 않는다. 일반적으로 주철은 기계부품, 펌프, Noncritical service에 쓰이는 Piping 이나 Valve 등에 사용된다.

 

* 주강(Steel Casting) : 탄소량 1% 이하의 용해 강을 주형에 주입하여 제작하는 주물이며 주철은 강도와 인성이 부족하고 강은 단조가 곤란한 경우에 사용된다.

 

■ 강관(Steel)의 분류

● 제조방법에 의한 분류

강관은 제조방법별로 분류하면 용접부의 유무에 따라 무계목 강관(Seamless, 이음매 없는 강관)과, 접합 강관으로 대별되며 접합 강관은 용접강관과 단접 강관(But Welding)으로 분류된다.

무계목 강관은 빌렛(Billet), 봉강 등의 소재를 가열하여 천공기로 중심에 구멍을 뚫고 중공(中空) 소재를 만든 후 관 압연기로 압연하거나 인발기로 인발 하여 소정의 외경과 두께를 만든 강관을 말한다.

용접강관은 Skelp(대강, Coil) 또는 강판을 사용하여 상온에서 다양한 성형방법으로 원형으로 성형한 후 맞대기 부분을 용접 또는 단접 하여 만든 강관이다. 용접법에 따라 전기저항용접 강관(Electric Resistance Welded Pipe, ERW 강관), 가스용접 강관, 아크용접 강관(Submerged Arc Welded Pipe, SAW강관)으로 구분된다.

 

 

● 용도에 의한 분류

강관을 용도별로 분류하면 배관용 강관, 열전달용 강관, 구조용 강관, API 강관 등으로 구분된다.

배관용은 강관의 내부를 통하여 물질을 운반하는데 편리하다는 특성을 이용한 것으로, 사용압력이 비교적 낮은 증기, 물, 공기, 가스등의 배관에 사용되는 일반 배관용 강관과 상수도의 급수용으로 사용되는 수도배관용 강관, 그리고 비교적 높은 압력에 사용되는 압력 배관용 강관으로 분류된다.

열전달용 강관은 재료가 열전달이 양호한 특성을 갖고 있기 때문에 강관의 내·외부에 열을 교환하는데 좋은 특성을 이용하고 있으며, 고온·저온 열교환기용 강관, 보일러·열교환기용 강관, 가열로용 강관으로 구분된다.

구조용은 재료역학적으로 같은 중량의 봉강에 비해 강도가 크다는 특성을 이용한 것으로 일반구조용과 기계, 자동차, 가구, 자전거 등의 기계부품에 사용되는 기계구조용 강관으로 분류된다.

API 강관은 미국 석유협회가 1924년 제정한 API 규격을 적용받는 강관으로 석유 및 가스의 채굴에 사용되는 유정용과 기름, 가스 등을 수송하는 데 사용되는 송유관으로 분류된다.

 

● 기타 분류

강관은 형상,구경, 재질, 가공정도 등에 의해서도 분류되며 Pipe와 Tube로도 분류된다.

형상에 따라서는 원형 강관, 각형강관, 단면 형상이 복잡한 profile 강관이 있으며, 구경에 따라서는 소구경 강관(¼"~4" 미만), 중구경 강관(4"~12" 미만) 및 대구경 강관(12" 이상 )으로 분류하고, 재질에 따라서탄소강관, 합금강 강관 및 스테인리스 강관으로, 가공정도에 의한 분류는 강관의 표면처리에 의해 분류된다. 아연도금의 유무에 따라 흑관, 백관으로 구분하고, 표면에 아스팔트, 콜탈, 에폭시, 폴리에틸렌, 염화비닐 등을 라이닝 처리한 도복장 및 코팅강관으로 분류되고 있다.